．BN 能改善鋰金屬電池的電化學和安全性

Lithium-ion batteries: How do they work?

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來源：能源学人

鋰金屬電池（LMB）使用金屬鋰（Li）作為負極，具有最高的理論比容量（3860mAh/g）和最低的氧化還原電位（-3.04V vs. 標準氫電極），作為電動汽車和儲能系統中常規鋰離子電池（LIB）最有前景的替代品，已受到相當大的關注。

然而，LMB在實際應用中受到一些限制，如在重複充/放電過程中Li枝晶，以不可控的方式形成和生長，導致循環壽命短和嚴重的安全問題，包括電池的內部短路和熱失控。

控制鋰枝晶通常有幾種策略，包括透過電解液添加劑，原位形成穩定的固體電解質介面層（SEI膜）或自修復靜電屏蔽，Li負極的原位保護塗層，以及高模量和高鋰離子遷移數（tLi+）固體電解質的應用。

一般來說，理解抑制鋰枝晶有兩個主要理論框架。一種是電解質的高離子電導率，和較高的tLi+，可以透過減輕Li電極附近的陰離子，耗盡誘發的大電場，來抑制鋰枝晶的成核；另一種是使用高剪切模量的電解質（約為Li金屬的兩倍）機械抑制Li枝晶的生長。

基於這些理論框架，使用具有高模量和高tLi+的固體電解質，被認為是最有希望的方法之一。

然而固體聚合物電解質，在室溫下的離子電導率不足，以及固體陶瓷電解質的制備較為困難，是其固有的缺點。儘管凝膠聚合物電解質（GPE）制備較為容易，而且具有高的離子電導率和優異的電化學性能，可以解決這些問題。

然而大多數情況下需要引入SiO2、Al2O3和TiO2等無機填料機械地阻擋Li枝晶的生長，同時也犧牲了離子電導率。目前還沒有報導透過少量添加。<1wt i="" span="" tli="">

針對凝膠電解質存在的問題，韓國首爾大學的Jong-Chan Lee和韓國化學技術研究所的Dong-Gyun Kim，首次報導了使用全氟聚醚（PFPE）官能化的2D 氮化硼（BN）奈米片（BNNF）作為多功能添加劑制備，抑制Li枝晶的GPE的簡單有效策略。

即使將PFPE官能化的BNNF加入到GPE中的最小添加量（0.5wt%）也可以提供高離子電導率，高tLi+和高機械模量，這都有助於有效抑制Li枝晶，改善LMB的電化學性能和安全性能。

圖1.具有FBN添加劑的PVH基GPE的制備（G-CFBN）。(a) G-CFBN的制備過程示意圖，(b) CFBN的照片（0.5wt% FBN），(c)CNFB的（0.5 wt% FBN）表面（左）和橫截面SEM圖（右），和(d) 通過FBN誘導相分離CFBN自發形成孔隙的可能機理。

使用鋰金屬負極和LiFePO4（LFB）評價G-CFBN在LMBs中的實際應用。與Li/LE-Celgard（商業隔膜）/LFP電池，Li/G-CFBN/LFB電池表現出優異的倍率性能，尤其在5C的高倍率下，這主要歸結於G-CFBN的高離子導電率和tLi+。

對於在1C下的長期循環性能，Li/G-CFBN/LFB電池循環300圈後的容量保持率（88%）明顯高於Li/LE-Celgard/LFP電池（74%）。在循環後拆卸電池發現，具有G-CFBN的電池的Li金屬表面，顯示出多孔但光滑的形態，而具有LE-Celgard的電池的Li金屬表面顯，示出大的裂紋和粗糙的針孔，表明G-CFBN中鋰枝晶的生長，得到很大的抑制。

值得注意的是，Li/G-CFBN/LFB電池在10C的高倍率下仍顯示出優異的循環性能，與文獻中其它報道相比，這可以被認為是前所未有的高倍率長期循環性能。