研究人员制造出下一代高韧性电池组件

发布时间: 2020-06-19 16:20:20 来源:

布朗大学的一个研究小组发现了一种方法,可以使用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性提高一倍。在《物质》杂志上描述的该策略可能有助于将固态电池推向大众市场。

布朗工程学院的博士后研究员,这项研究的主要作者克里斯托斯·阿萨纳西欧说:“用陶瓷材料代替目前电池中的液体电解质具有极大的兴趣,因为它们更安全并且可以提供更高的能量密度。”“到目前为止,对固体电解质的研究都集中在优化其化学性能上。通过这项工作,我们将重点放在机械性能上,以期使它们更安全,更实用地广泛应用。”

电解质是电池阴极和阳极之间的屏障,在充电或放电期间锂离子会流过该电解质。液体电解质效果很好-在当今使用的大多数电池中都可以找到-但它们存在一些问题。在高电流下,电解质内部会形成细小的锂金属细丝,从而导致电池短路。而且由于液体电解质也很容易燃烧,所以这些短路会导致起火。

固态陶瓷电解质不易燃,有证据表明它们可以防止锂细丝的形成,从而使电池能够在更高的电流下工作。但是,陶瓷是高脆性材料,在制造过程和使用过程中会破裂。

在这项新研究中,研究人员想了解的是,向陶瓷中注入石墨烯(一种超强的碳基纳米材料)是否可以提高材料的断裂韧性(一种材料在不破裂的情况下承受开裂的能力),同时又能保持其电子性能。电解质功能所需。

Athanasiou与布朗工程学教授Brian Sheldon和Nitin Padture合作,多年来,他们一直使用纳米材料来增韧用于航空航天业的陶瓷。对于这项工作,研究人员制造了小片的氧化石墨烯,将其与称为LATP的陶瓷粉末混合,然后加热该混合物以形成陶瓷-石墨烯复合材料。

与单独的陶瓷相比,复合材料的机械测试表明其韧性提高了两倍以上。Athanasiou说:“正在发生的是,当材料中出现裂纹时,石墨烯薄片实际上会将断裂的表面保持在一起,因此裂纹运行需要更多的能量。”

实验还表明,石墨烯不会干扰材料的电性能。关键是确保将适量的石墨烯添加到陶瓷中。石墨烯过少将无法达到增韧效果。太多会导致该材料变成导电的,这在电解质中是不希望的。

Padture说:“您希望电解质传导离子,而不是电。”“石墨烯是一种良好的电导体,因此人们可能认为我们正在通过在电解质中放置导体来射击自己。但是,如果我们保持足够低的浓度,我们就可以阻止石墨烯导电,并且仍然可以结构上的利益。”

两者合计,结果表明纳米复合材料可以提供一条途径,以制造更安全的具有机械性能的固体电解质,以用于日常应用中。该小组计划继续努力改善材料,尝试使用石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。

谢尔顿说:“据我们所知,这是迄今为止任何人都制成的最坚硬的固体电解质。”“我认为我们已经表明,在电池应用中使用这些复合材料有很多希望。”

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