日前，布朗大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以將用于制造固態(tài)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(tài)電池推向大眾市場。

　　“人們對用陶瓷材料取代現(xiàn)有電池中的電解液非常感興趣，因為它們更安全，而且能提供更高的能量密度，”布朗工程學(xué)院的博士后研究員、這項研究的第一作者Christos Athanasiou說。到目前為止，對固體電解質(zhì)的研究主要集中在優(yōu)化它們的化學(xué)性質(zhì)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(tài)電解質(zhì)是目前比較理想的鋰電材料，大多數(shù)電池都是采用液態(tài)電解質(zhì)，但它們依然存在一些問題。在大電流下，電解液內(nèi)部會形成微小的鋰金屬絲，從而導(dǎo)致電池短路。由于液體電解質(zhì)也是高度易燃的，短路最終可能導(dǎo)致火災(zāi)。

　　固體陶瓷電解質(zhì)則是不易燃的，有證據(jù)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(xué)

　　在這項研究中，研究人員想知道，在陶瓷中注入石墨烯是否可以增加材料的斷裂韌性，同時保持電解質(zhì)功能所需的電子性能。

　　Athanasiou與布朗大學(xué)工程學(xué)教授Brian Sheldon和Nitin Padture合作，他們多年來一直在使用納米材料來加固用于航空航天工業(yè)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(fù)合材料。

　　對復(fù)合材料的力學(xué)測試表明，與單獨使用陶瓷相比，復(fù)合材料的韌性增加了兩倍以上。實驗還表明，石墨烯不會影響材料的電學(xué)性能。關(guān)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(dǎo)致材料導(dǎo)電，這在電解質(zhì)中是不需要的。

　　“你希望電解質(zhì)能傳導(dǎo)離子，而不是電，”Padture說。“石墨烯導(dǎo)電性良好，因此人們可能會認為在電解液中加入導(dǎo)體是在搬起石頭砸自己的腳。但如果我們將濃度保持在足夠低的水平，就可以阻止石墨烯導(dǎo)電，同時我們?nèi)阅塬@得結(jié)構(gòu)上的好處。”

　　綜合來看，這些結(jié)果表明，納米復(fù)合材料可以提供一條道路，使力學(xué)性能更安全的固體電解質(zhì)用于日常應(yīng)用。該小組計劃繼續(xù)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(zhì)。

　　該研究發(fā)表在Matter上。