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固态电池陶瓷材料新突破,有助将固态电池推向大众市场

日前,布朗大学的一个研究小组发现了一种方法,可以将用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性提高一倍,该方法有助于将固态电池推向大众市场。

“人们对用陶瓷材料取代现有电池中的电解液非常感兴趣,因为它们更安全,而且能提供更高的能量密度,”布朗工程学院的博士后研究员、这项研究的第一作者Christos Athanasiou说。到目前为止,对固体电解质的研究主要集中在优化它们的化学性质上。在这项工作中,我们将重点放在机械性能上,希望令他们的使用变得更安全、更实用和更广泛。”

电解液是电池正极和负极之间的屏障,锂离子在充电或放电时通过电解液流动。液态电解质是目前比较理想的锂电材料,大多数电池都是采用液态电解质,但它们依然存在一些问题。在大电流下,电解液内部会形成微小的锂金属丝,从而导致电池短路。由于液体电解质也是高度易燃的,短路最终可能导致火灾。

固体陶瓷电解质则是不易燃的,有证据表明它们可以防止锂丝的形成,而锂丝可以令电池在更高的电流下工作。然而,陶瓷是高脆性材料,在制造和使用过程中可能会断裂。

固态电池陶瓷材料新突破,有助将固态电池推向大众市场

图片来源:布朗大学

在这项研究中,研究人员想知道,在陶瓷中注入石墨烯是否可以增加材料的断裂韧性,同时保持电解质功能所需的电子性能。

Athanasiou与布朗大学工程学教授Brian Sheldon和Nitin Padture合作,他们多年来一直在使用纳米材料来加固用于航空航天工业的陶瓷。在这项工作中,研究人员制造了氧化石墨烯的微小片晶,将其与一种叫做LATP的陶瓷粉末混合,然后将混合物加热以形成一种陶瓷-石墨烯复合材料。

对复合材料的力学测试表明,与单独使用陶瓷相比,复合材料的韧性增加了两倍以上。实验还表明,石墨烯不会影响材料的电学性能。关键是要确保在陶瓷中加入适量的石墨烯。而石墨烯过少则无法达到增韧效果。过多会导致材料导电,这在电解质中是不需要的。

“你希望电解质能传导离子,而不是电,”Padture说。“石墨烯导电性良好,因此人们可能会认为在电解液中加入导体是在搬起石头砸自己的脚。但如果我们将浓度保持在足够低的水平,就可以阻止石墨烯导电,同时我们仍能获得结构上的好处。”

综合来看,这些结果表明,纳米复合材料可以提供一条道路,使力学性能更安全的固体电解质用于日常应用。该小组计划继续改进这种材料,尝试石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。

该研究发表在Matter上。

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