研究人员制造出下一代高韧性电池组件

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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