中國粉體網訊  能源危機已成為當今社會發(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，致使多個國家遭受能源危機，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、高效的儲能和轉換系統迫在眉睫。以鋰離子電池、超級電容器以及燃料電池等新能源體系為代表的電化學能源將發(fā)揮重要作用。電化學能源的關鍵要素是器件的材料和結構，包括電極、電解質、隔膜、催化劑和相應的主體。

常規(guī)材料的缺陷

在實際應用中，電化學能源材料常常存在以下問題：有機隔膜的熱變形、弱固體電解質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、聚丙烯等有機材料制備，起到隔離正、負極的作用。電池長時間循環(huán)會產生大量熱量，有機隔膜耐熱性差，受熱收縮容易引起正、負極接觸，進而引起短路、起火、甚至爆炸等熱失控問題。比如，商用PE隔膜在110℃時會變形，這就會引發(fā)嚴重的安全問題。

（2）弱固體電解質界面（SEI）

金屬負極與電解液之間通過化學和電化學反應形成的固體電解質界面相被認為是決定電池長期穩(wěn)定性的關鍵因素，然而金屬負極表面的天然固體電解質界面相常常存在機械強度不足的問題，對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界面，在快速充放電環(huán)境下大大增加了短路風險；此外，金屬枝晶還會帶動負極粉化，進而造成電池干液直至電池壽命結束。

鋰枝晶生長穿透界面（圖源：物理化學學報）

（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衡問題，這是因為優(yōu)化后的高催化活性位點往往更易受到復雜催化反應環(huán)境因素的影響。例如氧氣、水蒸氣、臭氧、酸性/堿性反應介質等因素都可能通過化學作用毒化、催化活性位點，導致催化劑表面發(fā)生重構并破壞其結構，造成催化劑失活。

應用于電化學能源的氮化硼

電化學儲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入人們視野。在氮化硼的電子結構中，由于氮原子的高電負性，與sp2雜化的電子對更多地位于氮原子周圍，電子對離域程度很低，沒有自由移動的電子，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能源領域的應用。然而，隨著研究的深入，表面改性、摻雜、化學剪裁等方式為氮化硼突破電化學應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。隔膜位于正負極之間，起到隔絕正、負極，避免直接接觸的作用，使鋰離子能夠自由通過的同時阻止電子通過，以免電池短路。在充放電過程中，一方面，氮化硼的化學惰性可以避免隔膜參與強氧化還原反應進而導致的溶解問題；另一方面，具有良好機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。在長時間的充放電過程中，電池內部溫度升高，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，在電化學系統中，質子和離子的電導率與溫度成正比，因此氮化硼隔膜不僅擴展了電源的工作極限環(huán)境供應，還提高了功率密度。

電池隔膜（圖源：電子發(fā)燒友）

（2）固體電解質界面

氮化硼是一種高強度材料，在固態(tài)電解質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中添加氮化硼基納米材料，以構建改進的固體電解質界面和增強固態(tài)電解質，另一種方法是直接使用氮化硼薄膜作為人工固體電解質界面。

固體電解質界面（圖源：Joule）

（3）催化應用

對于任何儲能技術，不需要的副反應都是無益的，因為它們會損壞活性材料，降低使用壽命，甚至會對系統安全構成威脅，因此，避免電化學系統中的副反應是非常重要的。氮化硼是一種化學性質十分穩(wěn)定的材料，已穩(wěn)定用于許多電化學能量存儲和轉換系統。特別是對于需要催化劑的電化學反應，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。

不同的電化學應用，所需的氮化硼結構也不同。比如質子交換膜和人工固體電解質界面，需要超薄氮化硼納米層，因為厚膜不利于離子擴散；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，使用化學添加劑可以促進氮化硼的化學剝離和表面功能化。一些特殊的氮化硼結構，如超細納米片、氮化硼和石墨烯復合材料，可以用作可充電電池的電解質添加劑。

參考來源：

[1]李晨永等，BN作用于MOF電解質界面的改性修飾；

[2]王遠銘等，鋰離子電池隔膜改性研究進展；

[3]陳泰樸等，高溫質子交換膜水電解用Nafion/BN復合膜的制備與性能研究；

[4]袁凡舒，兩種納米纖維機器復合材料制備與其化學性能研究；

[5]中國粉體網、蘇州納樸新材料官網

（中國粉體網編輯整理/梧桐）

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