Написано AZoNano

Команда исследователей из Университета Брауна нашла способ удвоить прочность керамического материала, используемого для изготовления твердотельных литий-ионных батарей. Стратегия, описанная в журнале Matter может быть полезна для вывода твердотельных батарей на массовый рынок.

«Существует огромный интерес к замене жидких электролитов в текущих батареях керамическими материалами, потому что они безопаснее и могут обеспечить более высокую плотность энергии», сказал Кристос Атанасиу, исследователь докторской диссертации в Школе инженерии Брауна и ведущий автор исследования. «До сих пор исследования твердых электролитов были сосредоточены на оптимизации их химических свойств. В этой работе мы сосредоточились на механических свойствах в надежде сделать их более безопасными и более практичными для широкого использования».

Электролит является барьером между катодом батареи и анодом, через который проходят ионы лития во время зарядки или разрядки. Жидкие электролиты работают довольно хорошо – их можно найти в большинстве используемых сегодня батарей – но у них есть некоторые проблемы. При больших токах внутри электролитов могут образовываться крошечные нити металлического лития, которые вызывают короткое замыкание батарей. А поскольку жидкие электролиты также легко воспламеняются, эти шорты могут привести к пожару.

Твердые керамические электролиты не являются легковоспламеняющимися, и есть свидетельства того, что они могут предотвратить образование литиевых нитей, которые могут позволить батареям работать при более высоких токах. Однако керамика – это очень хрупкие материалы, которые могут разрушаться в процессе производства и во время использования.

В этом новом исследовании исследователи хотели выяснить, может ли введение в керамику графена – сверхпрочного наноматериала на углеродной основе – повысить вязкость разрушения материала (способность материала противостоять растрескиванию, не распадаясь) при сохранении электронные свойства, необходимые для функционирования электролита.

Атанасиу работал с профессорами-инженерами Брауна Брайаном Шелдоном и Нитином Падтером, которые годами использовали наноматериалы для закалки керамики для использования в аэрокосмической промышленности. Для этой работы исследователи сделали крошечные пластинки из оксида графена, смешали их с порошком керамики под названием LATP, а затем нагрели смесь до образования керамического графенового композита.

Механические испытания композита показали более чем двукратное увеличение ударной вязкости по сравнению с одной керамикой. «Происходит то, что, когда в материале начинается трещина, графеновые пластинки, по существу, удерживают сломанные поверхности вместе, так что для движения трещины требуется больше энергии», – сказал Атанасиу

.

Эксперименты также показали, что графен не влиял на электрические свойства материала. Ключ был уверен, что правильное количество графена было добавлено в керамику. Слишком мало графена не приведет к эффекту ужесточения. Слишком большое количество материала может стать электропроводящим, что нежелательно в электролите.

«Вы хотите, чтобы электролит проводил ионы, а не электричество», сказал Падтур. «Графен – хороший электрический проводник, поэтому люди могут подумать, что мы стреляем себе в ногу, помещая проводник в наш электролит. Но если мы сохраним концентрацию достаточно низкую, мы сможем удержать графен от проводимости, и мы все еще получить структурную выгоду. "

Взятые вместе, результаты показывают, что нанокомпозиты могут обеспечить путь к созданию более безопасных твердых электролитов с механическими свойствами для использования в повседневных применениях. Группа планирует продолжить работу по улучшению материала, пробуя наноматериалы, отличные от графена, и различные типы керамического электролита.

«Насколько нам известно, это самый твердый твердый электролит, который кто-либо делал на сегодняшний день», Шелдон сказал. «Я думаю, что мы показали, что использование этих композитов в приложениях для батарей очень перспективно».

Другими соавторами статьи были Мок Юн Джин и Кристина Рамирес. Работа выполнена при поддержке Министерства энергетики США (DE-SC0018113).

Источник: https://www.brown.edu/