Ett team av forskare från Brown University har hittat ett sätt att fördubbla segheten hos ett keramiskt material som används för att tillverka litiumjonbatterier i solid state. Strategin, beskrivs i tidningen Materia , kan vara användbart för att föra solid-state batterier till massmarknaden.

"Det finns ett stort intresse för att ersätta de flytande elektrolyterna i nuvarande batterier med keramiska material eftersom de är säkrare och kan ge högre energitäthet, "sa Christos Athanasiou, en postdoktor vid Brown's School of Engineering och huvudförfattare till forskningen. "Än så länge, forskning om fasta elektrolyter har fokuserat på att optimera deras kemiska egenskaper. Med detta arbete, vi fokuserar på de mekaniska egenskaperna, i hopp om att göra dem säkrare och mer praktiska för utbredd användning. "

Elektrolyten är barriären mellan ett batteris katod och anod genom vilken litiumjoner flyter under laddning eller urladdning. Flytande elektrolyter fungerar ganska bra - de finns i de flesta batterier som används idag - men de har vissa problem. Vid höga strömmar, små filament av litiummetall kan bildas inuti elektrolyterna, vilket gör att batterierna kortsluts. Och eftersom flytande elektrolyter också är mycket brandfarliga, dessa shorts kan leda till bränder.

Massiva keramiska elektrolyter är inte brandfarliga, och det finns bevis för att de kan förhindra bildandet av litiumfilament, vilket kan göra det möjligt för batterier att arbeta vid högre strömmar. Dock, keramik är mycket spröda material som kan spricka under tillverkningsprocessen och under användning.

För denna nya studie, forskarna ville se om infusion av en keramik med grafen-ett superstarkt kolbaserat nanomaterial-skulle kunna öka materialets sprickhållfasthet (materialets förmåga att motstå sprickor utan att falla sönder) samtidigt som de elektroniska egenskaperna som behövs för elektrolytfunktionen bibehålls.

Athanasiou arbetade med Brown -ingenjörsprofessorerna Brian Sheldon och Nitin Padture, som i åratal har använt nanomaterial för att skärpa keramik för användning inom flygindustrin. För detta arbete, forskarna gjorde små blodplättar av grafenoxid, blandade dem med pulver av en keramik som kallas LATP, och upphettade sedan blandningen för att bilda en keramisk-grafenkomposit.

Mekaniska tester av kompositen visade en mer än tvåfaldig ökning av segheten jämfört med keramiken ensam. "Det som händer är att när spricka börjar i ett material, grafenplättarna håller i huvudsak ihop de trasiga ytorna så att mer energi krävs för att sprickan ska löpa, "Sa Athanasiou.

Experiment visade också att grafen inte stör materialets elektriska egenskaper. Nyckeln var att se till att rätt mängd grafen tillsattes till keramiken. För lite grafen skulle inte uppnå den härdande effekten. För mycket skulle göra att materialet blir elektriskt ledande, som inte önskas i en elektrolyt.

"Du vill att elektrolyten ska leda joner, inte el, "Padture sa." Grafen är en bra elektrisk ledare, så folk kanske tror att vi skjuter oss själva i foten genom att sätta en ledare i vår elektrolyt. Men om vi håller koncentrationen tillräckligt låg, vi kan hålla grafen från att leda, och vi får fortfarande den strukturella vinsten. "

Tagen tillsammans, resultaten tyder på att nanokompositer kan ge en väg framåt för att göra säkrare fasta elektrolyter med mekaniska egenskaper som kan användas i vardagliga applikationer. Gruppen planerar att fortsätta arbeta för att förbättra materialet, försöker andra nanomaterial än grafen och olika typer av keramisk elektrolyt.

"Så vitt vi vet, detta är den tuffaste fasta elektrolyt som någon hittills har gjort, "Sheldon sa." Jag tror att det vi har visat är att det finns mycket lovande att använda dessa kompositer i batteriapplikationer. "