在确保安全运行的同时，改善能源存储和延长电池寿命的巨大挑战正变得越来越重要，因为从便携式设备到电动汽车，我们对这种能源的依赖越来越大。由材料科学与工程助理教授袁洋领导的哥伦比亚大学工程团队于2019年四月二十二日宣布，他们已经开发出一种新的方法，通过植入氮化硼纳米涂层来稳定锂金属电池中的固体电解质，从而安全延长电池寿命，其研究发现发表在《焦耳》上。传统锂离子电池目前广泛应用于日常生活中，但其能量密度较低，导致电池寿命较短。
并且由于电池内部含有高度易燃的液体电解质，可能会短路甚至起火。用锂金属代替锂离子电池中使用的石墨阳极，可以提高能量密度：锂金属的理论充电容量比石墨高近10倍。但在电镀锂的过程中，树突往往会形成，假如它们穿透电池中间的隔膜，就会造成短路，引发人们对电池安全的担忧。研团队决定专注于固体陶瓷电解质，与传统的锂离子电池中的易燃电解质相比，它们在提高安全性和能量密度方面显示出巨大的潜力。对可充电固态锂离子电池特别感兴趣，因为它们是下一代能源存储的有前景的候选产品，大多数固体电解质是陶瓷的，因此不易燃，消除了安全隐患。
一种人造氮化硼(BN)薄膜在化学和机械上都能抵抗锂，它通过电子方式将磷酸铝钛锂(LATP)与锂隔离，但在被聚氧乙烯(PEO)渗透时仍能供应稳定的离子通道，从而实现稳定的循环。图片：QianCheng/ColumbiaEngineering此外，固体陶瓷电解质具有较高的机械强度，实际上可以抑制锂枝晶的生长，使锂金属成为电池阳极的涂层选择。然而，大多数固体电解质对锂离子不稳定，易被金属锂腐蚀，不能用于电池。该论文的第一作者、应用物理和应用数学学系博士后科学家钱成(音译)说：锂金属关于提高能量密度是不可缺少的，所以我们能够将它用作固体电解质的阳极至关重要。为了使这些不稳定的固体电解质适应实际应用，要开发一个化学和机械上稳定界面来保护这些固体电解质免受锂阳极的伤害。
为了运输锂离子，界面不仅要具有高度的电子绝缘性，而且还要具有离子导电性，这是至关重要的。此外，该接口必须超薄，以防止降低电池的能量密度。为了应对这些挑战，该团队与布鲁克海文国家实验室(BrookhavenNationalLab)和纽约城市大学(CityUniversityofNewYork)同事合作。沉积了5~10nm的氮化硼(BN)纳米膜作为保护层，隔离金属锂与离子导体(固态电解质)之间的电接触，并加入少量聚合物或液体电解质渗入电极/电解质界面。选择BN作为保护层，因为它在化学和机械上与金属锂稳定，供应了高度的电子绝缘。设计氮化硼层具有内在缺陷，锂离子可以通过它，使它成为一个优秀的分离器。
（图示）左图显示接触到锂金属的磷酸铝钛锂(LATP)颗粒会立即被还原，锂与固体电解质之间严重的副反应会使电池在几个周期内发生故障。右边显示的是一种人造氮化硼薄膜，它在化学和机械上都能抵抗锂。它通过电子方式将LATP与锂隔离，但当被聚乙烯氧化物(PEO)渗透时，仍能供应稳定的离子通道，从而实现稳定的循环。图片：QianCheng/ColumbiaEngineering
此外，化学气相沉积法制备氮化硼容易形成大尺度(~dm级)、原子薄尺度(~nm级)和持续薄膜。虽然早期研究使用厚度仅为200微米的聚合物保护层，但新研究厚度仅为5~10纳米的BN保护膜在这种保护层极限下仍然很薄，而不会降低电池的能量密度。这是一种完美的材料，可以作为一种屏障，防止金属锂侵入固态电解质。就像防弹背心相同，开发了一种针对不稳定固体电解质的锂金属防弹背心，通过这项创新，实现了长循环寿命的锂金属电池。研究人员目前正在将新方法扩展到不稳定固体电解质的广泛范围，并进一步优化界面，希望制造出高性能、长循环寿命的固态电池。
