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固態電池陶瓷材料有助將固態電池推向大眾市場

鉅大LARGE  |  點擊量:934次  |  2021年04月23日  

日前,布朗大學的一個研究小組發現了一種方法,可以將用于制造固態鋰離子電池的陶瓷材料的韌性提高一倍,該方法有助于將固態電池推向大眾市場。


“人們對用陶瓷材料取代現有電池中的電解液非常感興趣,因為它們更安全,而且能供應更高的能量密度,”布朗工程學院的博士后研究員、這項研究的第一作者ChristosAthanasiou說。到目前為止,對固體電解質的研究重要集中在優化它們的化學性質上。在這項工作中,我們將重點放在機械性能上,希望令他們的使用變得更安全、更實用和更廣泛。”


電解液是電池正極和負極之間的屏障,鋰離子在充電或放電時通過電解液流動。液態電解質是目前比較理想的鋰電材料,大多數電池都是采用液態電解質,但它們依然存在一些問題。在大電流下,電解液內部會形成微小的鋰金屬絲,從而導致電池短路。由于液體電解質也是高度易燃的,短路最終可能導致火災。


固體陶瓷電解質則是不易燃的,有證據表明它們可以防止鋰絲的形成,而鋰絲可以令電池在更高的電流下工作。然而,陶瓷是高脆性材料,在制造和使用過程中可能會斷裂。


圖片來源:布朗大學

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在這項研究中,研究人員想了解,在陶瓷中注入石墨烯是否可以新增材料的斷裂韌性,同時保持電解質功能所需的電子性能。


Athanasiou與布朗大學工程學教授BrianSheldon和NitinPadture合作,他們多年來一直在使用納米材料來加固用于特種航天工業的陶瓷。在這項工作中,研究人員制造了氧化石墨烯的微小片晶,將其與一種叫做LATP的陶瓷粉末混合,然后將混合物加熱以形成一種陶瓷-石墨烯復合材料。


對復合材料的力學測試表明,與單獨使用陶瓷相比,復合材料的韌性新增了兩倍以上。實驗還表明,石墨烯不會影響材料的電學性能。關鍵是要確保在陶瓷中加入適量的石墨烯。而石墨烯過少則無法達到增韌效果。過多會導致材料導電,這在電解質中是不要的。


“你希望電解質能傳導離子,而不是電,”Padture說。“石墨烯導電性良好,因此人們可能會認為在電解液中加入導體是在搬起石頭砸自己的腳。但假如我們將濃度保持在足夠低的水平,就可以阻止石墨烯導電,同時我們仍能獲得結構上的好處。”


綜合來看,這些結果表明,納米復合材料可以供應一條道路,使力學性能更安全的固體電解質用于日常應用。該小組計劃繼續改進這種材料,嘗試石墨烯以外的納米材料和不同類型的陶瓷電解質。

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