給電化學(xué)能源開掛，氮化硼的幾種神奇應(yīng)用

在實際應(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。電池長時間循環(huán)會產(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℃時會變形，這就會引發(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；此外，金屬枝晶還會帶動負(fù)極粉化，進(jìn)而造成電池干液直至電池壽命結(jié)束。

（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，這是因為優(yōu)化后的高催化活性位點往往更易受到復(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，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。

電化學(xué)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(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(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。

（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。

（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。

（3）催化應(yīng)用

對于任何儲能技術(shù)，不需要的副反應(yīng)都是無益的，因為它們會損壞活性材料，降低使用壽命，甚至?xí)ο到y(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)能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。特別是對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，因為厚膜不利于離子擴(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。