【原创】给电化学能源开挂，氮化硼的几种神奇应用

中国粉体网讯  能源危机已成为当今社会发展面临的重大挑战，近年来，不可再生化石燃料的过度使用，致使多个国家遭受能源危机，新能源的发展遭受了前所未有的挑战。寻求新的可再生、环保、高效的储能和转换系统迫在眉睫。以锂离子电池、超级电容器以及燃料电池等新能源体系为代表的电化学能源将发挥重要作用。电化学能源的关键要素是器件的材料和结构，包括电极、电解质、隔膜、催化剂和相应的主体。

常规材料的缺陷

在实际应用中，电化学能源材料常常存在以下问题：有机隔膜的热变形、弱固体电解质界面层和电催化剂失活等。

（1）隔膜热变形问题

电池隔膜材料一般使用聚乙烯、聚丙烯等有机材料制备，起到隔离正、负极的作用。电池长时间循环会产生大量热量，有机隔膜耐热性差，受热收缩容易引起正、负极接触，进而引起短路、起火、甚至爆炸等热失控问题。比如，商用PE隔膜在110℃时会变形，这就会引发严重的安全问题。

（2）弱固体电解质界面（SEI）

金属负极与电解液之间通过化学和电化学反应形成的固体电解质界面相被认为是决定电池长期稳定性的关键因素，然而金属负极表面的天然固体电解质界面相常常存在机械强度不足的问题，对金属枝晶的抑制作用较弱，金属枝晶容易顶破天然固体电解质界面，在快速充放电环境下大大增加了短路风险；此外，金属枝晶还会带动负极粉化，进而造成电池干液直至电池寿命结束。

锂枝晶生长穿透界面（图源：物理化学学报）

（3）电催化剂失活

目前，常用的催化剂普遍面临长期稳定性和高催化活性之间的权衡问题，这是因为优化后的高催化活性位点往往更易受到复杂催化反应环境因素的影响。例如氧气、水蒸气、臭氧、酸性/碱性反应介质等因素都可能通过化学作用毒化、催化活性位点，导致催化剂表面发生重构并破坏其结构，造成催化剂失活。

应用于电化学能源的氮化硼

电化学储能非常需要能够克服上述问题的新材料，具有优异理化性能的氮化硼逐渐进入人们视野。在氮化硼的电子结构中，由于氮原子的高电负性，与sp2杂化的电子对更多地位于氮原子周围，电子对离域程度很低，没有自由移动的电子，因此氮化硼是一种电绝缘材料，这种绝缘性能曾一度限制了其在电化学能源领域的应用。然而，随着研究的深入，表面改性、掺杂、化学剪裁等方式为氮化硼突破电化学应用的限制铺平了道路。

层状氮化硼改性方法（图源：西安齐岳生物）

（1）隔膜

氮化硼作为一种绝缘材料，可直接用作电池和电容器的隔膜，以防止短路。隔膜位于正负极之间，起到隔绝正、负极，避免直接接触的作用，使锂离子能够自由通过的同时阻止电子通过，以免电池短路。在充放电过程中，一方面，氮化硼的化学惰性可以避免隔膜参与强氧化还原反应进而导致的溶解问题；另一方面，具有良好机械性能的氮化硼隔膜不易被尖锐的金属枝晶刺穿，避免短路等问题的出现。在长时间的充放电过程中，电池内部温度升高，而氮化硼具有出色的热稳定性，隔膜可以在120-150℃的高温环境下正常工作，在电化学系统中，质子和离子的电导率与温度成正比，因此氮化硼隔膜不仅扩展了电源的工作极限环境供应，还提高了功率密度。

电池隔膜（图源：电子发烧友）

（2）固体电解质界面

氮化硼是一种高强度材料，在固态电解质的界面处引入氮化硼材料,可以有效抑制金属枝晶的生长，提高电池循环稳定性和安全性，有效延长电池的使用寿命。引入方法有两种，一种策略是在电池的电解质中添加氮化硼基纳米材料，以构建改进的固体电解质界面和增强固态电解质，另一种方法是直接使用氮化硼薄膜作为人工固体电解质界面。

固体电解质界面（图源：Joule）

（3）催化应用

对于任何储能技术，不需要的副反应都是无益的，因为它们会损坏活性材料，降低使用寿命，甚至会对系统安全构成威胁，因此，避免电化学系统中的副反应是非常重要的。氮化硼是一种化学性质十分稳定的材料，已稳定用于许多电化学能量存储和转换系统。特别是对于需要催化剂的电化学反应，例如金属-空气电池、燃料电池等，氮化硼与催化剂材料的组合可以有效避免催化剂失活等不良反应。

不同的电化学应用，所需的氮化硼结构也不同。比如质子交换膜和人工固体电解质界面，需要超薄氮化硼纳米层，因为厚膜不利于离子扩散；用于电催化、金属-空气电池和燃料电池的功能化氮化硼（如掺杂、缺陷和改性氮化硼），可以尝试固态和液态反应，使用化学添加剂可以促进氮化硼的化学剥离和表面功能化。一些特殊的氮化硼结构，如超细纳米片、氮化硼和石墨烯复合材料，可以用作可充电电池的电解质添加剂。

参考来源：

[1]李晨永等，BN作用于MOF电解质界面的改性修饰；

[2]王远铭等，锂离子电池隔膜改性研究进展；

[3]陈泰朴等，高温质子交换膜水电解用Nafion/BN复合膜的制备与性能研究；

[4]袁凡舒，两种纳米纤维机器复合材料制备与其化学性能研究；

[5]中国粉体网、苏州纳朴新材料官网

（中国粉体网编辑整理/梧桐）

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