Forskere laver næste generation, batterikomponent med høj sejhed

Et hold af Brown University-forskere har fundet en måde at fordoble sejheden af ​​et keramisk materiale, der bruges til at fremstille solid-state lithium-ion-batterier. Strategien, beskrevet i journalen Stof , kunne være nyttige til at bringe solid-state batterier til massemarkedet.

"Der er stor interesse for at erstatte de flydende elektrolytter i nuværende batterier med keramiske materialer, fordi de er sikrere og kan give højere energitæthed, " sagde Christos Athanasiou, en postdoc-forsker ved Brown's School of Engineering og hovedforfatter af forskningen. "Indtil nu, forskning i faste elektrolytter har fokuseret på at optimere deres kemiske egenskaber. Med dette arbejde, vi fokuserer på de mekaniske egenskaber, i håbet om at gøre dem sikrere og mere praktiske til udbredt brug."

Elektrolytten er barrieren mellem et batteris katode og anode, gennem hvilken lithium-ioner strømmer under opladning eller afladning. Flydende elektrolytter fungerer ret godt - de findes i de fleste batterier, der bruges i dag - men de har nogle problemer. Ved høje strømme, der kan dannes små filamenter af lithiummetal inde i elektrolytterne, som får batterierne til at kortslutte. Og da flydende elektrolytter også er meget brandfarlige, disse shorts kan føre til brande.

Faste keramiske elektrolytter er ikke brandfarlige, og der er beviser på, at de kan forhindre dannelsen af ​​lithiumfilamenter, som kunne sætte batterier i stand til at fungere ved højere strømstyrke. Imidlertid, keramik er meget sprøde materialer, der kan gå i stykker under fremstillingsprocessen og under brug.

Til denne nye undersøgelse, forskerne ønskede at se, om infusion af en keramik med grafen - et superstærkt kulstofbaseret nanomateriale - kunne øge materialets brudsejhed (et materiales evne til at modstå revner uden at falde fra hinanden) og samtidig bevare de elektroniske egenskaber, der er nødvendige for elektrolytfunktionen.

Athanasiou arbejdede sammen med Brown-ingeniørprofessorerne Brian Sheldon og Nitin Padture, som i årevis har brugt nanomaterialer til at hærde keramik til brug i rumfartsindustrien. Til dette arbejde, forskerne lavede små blodplader af grafenoxid, blandet dem med pulver af en keramik kaldet LATP, og derefter opvarmede blandingen til dannelse af en keramisk-grafen-komposit.

Mekanisk test af kompositten viste en mere end to gange stigning i sejhed sammenlignet med keramikken alene. "Det, der sker, er, at når der starter revner i et materiale, grafen-blodpladerne holder i det væsentlige de ødelagte overflader sammen, så der kræves mere energi for at revnen kan løbe, " sagde Athanasiou.

Eksperimenter viste også, at grafen ikke forstyrrede materialets elektriske egenskaber. Nøglen var at sørge for, at den rigtige mængde grafen blev tilføjet til keramikken. For lidt grafen ville ikke opnå den forstærkende effekt. For meget ville få materialet til at blive elektrisk ledende, som ikke ønskes i en elektrolyt.

"Du vil have elektrolytten til at lede ioner, ikke elektricitet, " sagde Padture. "Graphene er en god elektrisk leder, så folk tror måske, at vi skyder os selv i foden ved at sætte en leder i vores elektrolyt. Men hvis vi holder koncentrationen lav nok, vi kan forhindre grafen i at lede, og vi får stadig den strukturelle fordel."

Taget sammen, resultaterne tyder på, at nanokompositter kunne give en vej frem til fremstilling af sikrere faste elektrolytter med mekaniske egenskaber til brug i hverdagen. Gruppen planlægger at fortsætte arbejdet med at forbedre materialet, at prøve andre nanomaterialer end grafen og forskellige typer keramiske elektrolytter.

"Så vidt vi ved, dette er den hårdeste faste elektrolyt, nogen har lavet til dato, "Sheldon sagde. "Jeg tror, ​​hvad vi har vist, er, at der er meget lovende i at bruge disse kompositter i batteriapplikationer."