L'équipe de Columbia utilise du nitrure de bore nano

Une équipe de Columbia Engineering dirigée par Yuan Yang, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux, a développé une nouvelle méthode pour prolonger en toute sécurité la durée de vie de la batterie en insérant un nano-revêtement de nitrure de bore (BN) pour stabiliser les électrolytes solides dans les batteries au lithium métal. Leurs conclusions sont décrites dans une nouvelle étude publiée dans Joule.

Lorsqu'elles sont combinées avec un électrolyte polymère PEO d'environ 1 à 2 μm à l'interface Li/BN, les cellules symétriques Li/Li présentent une durée de vie de plus de 500 heures à 0,3 mA·cm−2. En revanche, la même configuration avec du lithium aluminium titane phosphate (LATP) nu meurt après 81 heures. Les batteries à semi-conducteurs LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li présentent une rétention de capacité élevée de 96,6 % après 500 cycles.

Schémas du mécanisme de protection du nitrure de bore (BN) et caractérisations du nanofilm de BN. Le visuel de gauche montre qu'une pastille de lithium aluminium titane phosphate (LATP) qui touche le lithium métal sera immédiatement réduite. La réaction secondaire sévère entre le lithium et l'électrolyte solide fera échouer la batterie en plusieurs cycles. La droite montre qu'un film artificiel de BN est chimiquement et mécaniquement résistant au lithium. Il isole électroniquement le LATP du lithium, mais fournit toujours des voies ioniques stables lorsqu'il est infiltré par l'oxyde de polyéthylène (PEO), et permet ainsi un cycle stable. Crédit : Qian Cheng/Columbia Engineering.

Les batteries lithium-ion (Li-ion) conventionnelles ont une faible densité d'énergie, ce qui réduit leur durée de vie et, en raison de l'électrolyte liquide hautement inflammable qu'elles contiennent, elles peuvent subir un court-circuit et même prendre feu.

La densité d'énergie pourrait être améliorée en utilisant du lithium métal pour remplacer l'anode en graphite utilisée dans les batteries Li-ion ; la capacité théorique du lithium métal pour la quantité de charge qu'il peut délivrer est presque 10 fois supérieure à celle du graphite. Mais lors du placage au lithium, des dendrites se forment souvent et, si elles pénètrent dans la membrane séparatrice au milieu de la batterie, elles peuvent créer des courts-circuits, ce qui soulève des inquiétudes quant à la sécurité de la batterie.

Nous avons décidé de nous concentrer sur les électrolytes céramiques solides. Ils sont très prometteurs pour améliorer à la fois la sécurité et la densité d'énergie, par rapport aux électrolytes conventionnels inflammables des batteries Li-ion. Nous nous intéressons particulièrement aux batteries rechargeables au lithium à l'état solide car ce sont des candidats prometteurs pour le stockage d'énergie de nouvelle génération.

La plupart des électrolytes solides sont en céramique et donc ininflammables, ce qui élimine les problèmes de sécurité. De plus, les électrolytes céramiques solides ont une résistance mécanique élevée qui peut réellement supprimer la croissance des dendrites de lithium, faisant du lithium métal une option de revêtement pour les anodes de batterie. Cependant, la plupart des électrolytes solides sont instables vis-à-vis du Li - ils peuvent être facilement corrodés par le lithium métal et ne peuvent pas être utilisés dans les batteries.

Le lithium métal est indispensable pour améliorer la densité d'énergie et il est donc essentiel que nous puissions l'utiliser comme anode pour les électrolytes solides. Pour adapter ces électrolytes solides instables aux applications réelles, nous devions développer une interface chimiquement et mécaniquement stable pour protéger ces électrolytes solides contre l'anode de lithium. Il est essentiel que l'interface soit non seulement très isolante électroniquement, mais également conductrice ionique afin de transporter les ions lithium. De plus, cette interface doit être ultra-mince pour éviter de réduire la densité d'énergie des batteries.

Pour relever ces défis, l'équipe a travaillé avec des collègues du Brookhaven National Lab et de la City University of New York. Ils ont déposé un nano-film de nitrure de bore (BN) de 5 à 10 nm comme couche protectrice pour isoler le contact électrique entre le lithium métallique et le conducteur ionique (l'électrolyte solide), ainsi qu'une trace de polymère ou d'électrolyte liquide pour infiltrer l'interface électrode/électrolyte. Ils ont choisi le BN comme couche protectrice car il est chimiquement et mécaniquement stable avec le lithium métal, offrant un degré élevé d'isolation électronique.

Ils ont conçu la couche BN pour avoir des défauts intrinsèques, à travers lesquels les ions lithium peuvent passer, lui permettant de servir d'excellent séparateur. De plus, le BN peut être facilement préparé par dépôt chimique en phase vapeur pour former des films à grande échelle (niveau ~dm), à échelle atomiquement mince (niveau ~nm) et continus.

Les chercheurs étendent maintenant leur méthode à une large gamme d'électrolytes solides instables et optimisent davantage l'interface. Ils s'attendent à fabriquer des batteries à semi-conducteurs avec des performances élevées et une longue durée de vie.

L'étude a été soutenue par l'Air Force Office of Scientific Research (FA9550-18-1-0410) et la Research Corporation for Science Advancement (Award #26293), et le programme NSF MRSEC via Columbia dans le Center for Precision Assembly of Superstratic and Superatomic Solids (DMR-1420634).

Ressources

Cheng, Qian et al. (2019) "Stabilisation de l'interface électrolyte solide-anode dans les batteries lithium-métal par un revêtement nanocomposite à base de nitrure de bore" Jouledoi : 10.1016/j.joule.2019.03.022

Publié le 23 avril 2019 dans Batteries, Solid-state | Lien permanent | Commentaires (0)