中國粉體網(wǎng)訊 能源危機(jī)已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，近年來，不可再生化石燃料的過度使用，致使多個(gè)國家遭受能源危機(jī)，新能源的發(fā)展遭受了前所未有的挑戰(zhàn)。尋求新的可再生、環(huán)保、高效的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)迫在眉睫。以鋰離子電池、超級(jí)電容器以及燃料電池等新能源體系為代表的電化學(xué)能源將發(fā)揮重要作用。電化學(xué)能源的關(guān)鍵要素是器件的材料和結(jié)構(gòu)，包括電極、電解質(zhì)、隔膜、催化劑和相應(yīng)的主體。
常規(guī)材料的缺陷
在實(shí)際應(yīng)用中，電化學(xué)能源材料常常存在以下問題：有機(jī)隔膜的熱變形、弱固體電解質(zhì)界面層和電催化劑失活等。
（1）隔膜熱變形問題
電池隔膜材料一般使用聚乙烯、聚丙烯等有機(jī)材料制備，起到隔離正、負(fù)極的作用。電池長時(shí)間循環(huán)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，有機(jī)隔膜耐熱性差，受熱收縮容易引起正、負(fù)極接觸，進(jìn)而引起短路、起火、甚至爆炸等熱失控問題。比如，商用PE隔膜在110℃時(shí)會(huì)變形，這就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。
（2）弱固體電解質(zhì)界面（SEI）
金屬負(fù)極與電解液之間通過化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)形成的固體電解質(zhì)界面相被認(rèn)為是決定電池長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，然而金屬負(fù)極表面的天然固體電解質(zhì)界面相常常存在機(jī)械強(qiáng)度不足的問題，對(duì)金屬枝晶的抑制作用較弱，金屬枝晶容易頂破天然固體電解質(zhì)界面，在快速充放電環(huán)境下大大增加了短路風(fēng)險(xiǎn)；此外，金屬枝晶還會(huì)帶動(dòng)負(fù)極粉化，進(jìn)而造成電池干液直至電池壽命結(jié)束。
鋰枝晶生長穿透界面（圖源：物理化學(xué)學(xué)報(bào)）
（3）電催化劑失活
目前，常用的催化劑普遍面臨長期穩(wěn)定性和高催化活性之間的權(quán)衡問題，這是因?yàn)閮?yōu)化后的高催化活性位點(diǎn)往往更易受到復(fù)雜催化反應(yīng)環(huán)境因素的影響。例如氧氣、水蒸氣、臭氧、酸性/堿性反應(yīng)介質(zhì)等因素都可能通過化學(xué)作用毒化、催化活性位點(diǎn)，導(dǎo)致催化劑表面發(fā)生重構(gòu)并破壞其結(jié)構(gòu)，造成催化劑失活。
應(yīng)用于電化學(xué)能源的氮化硼
電化學(xué)儲(chǔ)能非常需要能夠克服上述問題的新材料，具有優(yōu)異理化性能的氮化硼逐漸進(jìn)入人們視野。在氮化硼的電子結(jié)構(gòu)中，由于氮原子的高電負(fù)性，與sp2雜化的電子對(duì)更多地位于氮原子周圍，電子對(duì)離域程度很低，沒有自由移動(dòng)的電子，因此氮化硼是一種電絕緣材料，這種絕緣性能曾一度限制了其在電化學(xué)能源領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，隨著研究的深入，表面改性、摻雜、化學(xué)剪裁等方式為氮化硼突破電化學(xué)應(yīng)用的限制鋪平了道路。
層狀氮化硼改性方法（圖源：西安齊岳生物）
（1）隔膜
氮化硼作為一種絕緣材料，可直接用作電池和電容器的隔膜，以防止短路。隔膜位于正負(fù)極之間，起到隔絕正、負(fù)極，避免直接接觸的作用，使鋰離子能夠自由通過的同時(shí)阻止電子通過，以免電池短路。在充放電過程中，一方面，氮化硼的化學(xué)惰性可以避免隔膜參與強(qiáng)氧化還原反應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致的溶解問題；另一方面，具有良好機(jī)械性能的氮化硼隔膜不易被尖銳的金屬枝晶刺穿，避免短路等問題的出現(xiàn)。在長時(shí)間的充放電過程中，電池內(nèi)部溫度升高，而氮化硼具有出色的熱穩(wěn)定性，隔膜可以在120-150℃的高溫環(huán)境下正常工作，在電化學(xué)系統(tǒng)中，質(zhì)子和離子的電導(dǎo)率與溫度成正比，因此氮化硼隔膜不僅擴(kuò)展了電源的工作極限環(huán)境供應(yīng)，還提高了功率密度。
電池隔膜（圖源：電子發(fā)燒友）
（2）固體電解質(zhì)界面
氮化硼是一種高強(qiáng)度材料，在固態(tài)電解質(zhì)的界面處引入氮化硼材料,可以有效抑制金屬枝晶的生長，提高電池循環(huán)穩(wěn)定性和安全性，有效延長電池的使用壽命。引入方法有兩種，一種策略是在電池的電解質(zhì)中添加氮化硼基納米材料，以構(gòu)建改進(jìn)的固體電解質(zhì)界面和增強(qiáng)固態(tài)電解質(zhì)，另一種方法是直接使用氮化硼薄膜作為人工固體電解質(zhì)界面。
固體電解質(zhì)界面（圖源：Joule）
（3）催化應(yīng)用
對(duì)于任何儲(chǔ)能技術(shù)，不需要的副反應(yīng)都是無益的，因?yàn)樗鼈儠?huì)損壞活性材料，降低使用壽命，甚至?xí)䦟?duì)系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅，因此，避免電化學(xué)系統(tǒng)中的副反應(yīng)是非常重要的。氮化硼是一種化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定的材料，已穩(wěn)定用于許多電化學(xué)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。特別是對(duì)于需要催化劑的電化學(xué)反應(yīng)，例如金屬-空氣電池、燃料電池等，氮化硼與催化劑材料的組合可以有效避免催化劑失活等不良反應(yīng)。
不同的電化學(xué)應(yīng)用，所需的氮化硼結(jié)構(gòu)也不同。比如質(zhì)子交換膜和人工固體電解質(zhì)界面，需要超薄氮化硼納米層，因?yàn)楹衲げ焕陔x子擴(kuò)散；用于電催化、金屬-空氣電池和燃料電池的功能化氮化硼（如摻雜、缺陷和改性氮化硼），可以嘗試固態(tài)和液態(tài)反應(yīng)，使用化學(xué)添加劑可以促進(jìn)氮化硼的化學(xué)剝離和表面功能化。一些特殊的氮化硼結(jié)構(gòu)，如超細(xì)納米片、氮化硼和石墨烯復(fù)合材料，可以用作可充電電池的電解質(zhì)添加劑。
參考來源：
[1]李晨永等，BN作用于MOF電解質(zhì)界面的改性修飾；
[2]王遠(yuǎn)銘等，鋰離子電池隔膜改性研究進(jìn)展；
[3]陳泰樸等，高溫質(zhì)子交換膜水電解用Nafion/BN復(fù)合膜的制備與性能研究；
[4]袁凡舒，兩種納米纖維機(jī)器復(fù)合材料制備與其化學(xué)性能研究；
[5]中國粉體網(wǎng)、蘇州納樸新材料官網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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