布朗大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以使用于制造固態(tài)鋰離子電池的陶瓷材料的韌性提高一倍。在《物質(zhì)》雜志上描述的該策略可能有助于將固態(tài)電池推向大眾市場。

布朗工程學(xué)院的博士后研究員，這項(xiàng)研究的主要作者克里斯托斯·阿薩納西歐說：“用陶瓷材料代替目前電池中的液體電解質(zhì)具有極大的興趣，因?yàn)樗鼈兏踩⑶铱梢蕴峁└叩哪芰棵芏取?rdquo;“到目前為止，對(duì)固體電解質(zhì)的研究都集中在優(yōu)化其化學(xué)性能上。通過這項(xiàng)工作，我們將重點(diǎn)放在機(jī)械性能上，以期使它們更安全，更實(shí)用地廣泛使用。”

電解質(zhì)是電池陰極和陽極之間的屏障，在充電或放電期間鋰離子會(huì)流過該電解質(zhì)。液體電解質(zhì)工作得很好-在當(dāng)今使用的大多數(shù)電池中都可以找到-但它們存在一些問題。在高電流下，電解質(zhì)內(nèi)部會(huì)形成細(xì)小的鋰金屬細(xì)絲，從而導(dǎo)致電池短路。而且由于液體電解質(zhì)也很容易燃燒，所以這些短路會(huì)導(dǎo)致起火。

固態(tài)陶瓷電解質(zhì)不易燃，有證據(jù)表明它們可以阻止鋰細(xì)絲的形成，從而使電池能夠在更高的電流下工作。但是，陶瓷是高脆性材料，在制造過程和使用過程中會(huì)破裂。

對(duì)于這項(xiàng)新研究，研究人員想了解的是，在陶瓷中加入石墨烯(一種超強(qiáng)的碳基納米材料)是否可以提高材料的斷裂韌性(材料在不破裂的情況下承受開裂的能力)，同時(shí)又保持了所需的電子性能。電解質(zhì)功能。

Athanasiou與布朗工程學(xué)教授Brian Sheldon和Nitin Padture合作，多年來，他們一直使用納米材料來增韌用于航空航天業(yè)的陶瓷。對(duì)于這項(xiàng)工作，研究人員制造了小片的氧化石墨烯，將其與稱為LATP的陶瓷粉末混合，然后加熱該混合物以形成陶瓷-石墨烯復(fù)合材料。

與單獨(dú)的陶瓷相比，復(fù)合材料的機(jī)械測試表明其韌性提高了兩倍以上。Athanasiou說：“正在發(fā)生的是，當(dāng)材料中出現(xiàn)裂紋時(shí)，石墨烯薄片實(shí)際上會(huì)將斷裂的表面保持在一起，因此裂紋運(yùn)行需要更多的能量。”

實(shí)驗(yàn)還表明，石墨烯不會(huì)干擾材料的電性能。關(guān)鍵是確保將適量的石墨烯添加到陶瓷中。石墨烯過少將無法達(dá)到增韌效果。太多會(huì)導(dǎo)致該材料變成導(dǎo)電的，這在電解質(zhì)中是不希望的。

Padture說：“您希望電解質(zhì)傳導(dǎo)離子，而不是電。”“石墨烯是一種良好的電導(dǎo)體，因此人們可能認(rèn)為我們正在通過在電解質(zhì)中放置導(dǎo)體來射擊自己。但是，如果我們保持足夠低的濃度，我們就可以阻止石墨烯導(dǎo)電，并且仍然可以結(jié)構(gòu)上的利益。”

兩者合計(jì)，結(jié)果表明納米復(fù)合材料可以提供一條途徑，以制造更安全的具有機(jī)械性能的固體電解質(zhì)，以用于日常應(yīng)用。該小組計(jì)劃繼續(xù)努力改善材料，嘗試使用石墨烯以外的納米材料和不同類型的陶瓷電解質(zhì)。

謝爾頓說：“據(jù)我們所知，這是迄今為止任何人都制成的最堅(jiān)硬的固體電解質(zhì)。”“我認(rèn)為我們已經(jīng)表明，在電池應(yīng)用中使用這些復(fù)合材料有很多希望。”