能否通過增強(qiáng)陶瓷韌性來提升固態(tài)鋰電池耐久性

由于科學(xué)界認(rèn)為鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限，因此能量密度更大的固態(tài)鋰電池被認(rèn)為是電池屆的下一任老大。但在現(xiàn)有的技術(shù)下，固態(tài)電池的使用壽命似乎還無法與鋰離子電池比肩，因此久久未能進(jìn)入普及階段。
但就在不久前，布朗大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一種方法可能有助于將固態(tài)電池推向大眾市場——將用于制造固態(tài)鋰電池的陶瓷材料的韌性提高一倍，來提高固態(tài)電池的耐久性。這項(xiàng)研究的主要作者，布朗大學(xué)工程學(xué)院的陶瓷材料博士后ChristosAthanasiou說:“人們對于用固態(tài)電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)有很大的興趣，因?yàn)檫@樣更安全，能量密度更高。但大多數(shù)對固體電解質(zhì)的研究主要集中在優(yōu)化其化學(xué)性能上，我們選擇將重點(diǎn)放在機(jī)械性能上，希望這樣能使它更安全、實(shí)用。”
固態(tài)陶瓷電解質(zhì)的優(yōu)勢
在電池中，電解液是陰極和陽極之間的屏障，鋰離子在充電或放電時(shí)會通過它們進(jìn)行流動。雖然液態(tài)電解質(zhì)已被普及使用，但它們也存在一些問題——在高電流下，微小的金屬鋰細(xì)絲會在電解液中形成，最終導(dǎo)致電池短路。由于固態(tài)陶瓷電解質(zhì)是不可燃的，而且有證據(jù)表明它們可以阻止鋰絲的形成，因此固態(tài)電池完全能在更高的電流下工作。
然而，固態(tài)電池中的陶瓷電解質(zhì)是高脆性材料，在制造和使用過程中可能會斷裂。于是在這項(xiàng)研究中，研究人員想知道如果往陶瓷中注入石墨烯，是否可以增加材料的斷裂韌性，同時(shí)保持電解質(zhì)功能所需的電子性能。

增韌陶瓷電解質(zhì)的方式
Athanasiou與布朗大學(xué)的工程學(xué)教授Brian Sheldon和NitinPadture一起工作，他們多年來一直使用納米材料增韌航空航天工業(yè)用陶瓷。在這項(xiàng)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。
力學(xué)測試表明，復(fù)合材料的韌性比單純的陶瓷提高了兩倍以上。Athanasiou 說:“當(dāng)裂紋在材料中開始擴(kuò)展時(shí)，石墨烯能將裂紋表面固定在一起，這樣裂紋擴(kuò)展就需要更多的能量。”實(shí)驗(yàn)還表明，只要確保在陶瓷中添加的石墨烯是適量的，就不會影響材料的電學(xué)性質(zhì)，同時(shí)又能達(dá)到增韌效果。
“有人認(rèn)為我們把導(dǎo)體放在電解質(zhì)里就是搬起石頭砸自己的腳，但事實(shí)上只要能保持足夠低的濃度，我們就可以在阻止石墨烯導(dǎo)電的同時(shí)，還獲得結(jié)構(gòu)上的好處，”Padture說。
綜上所述，研究結(jié)果表明納米復(fù)合材料將能提供一條全新的道路，使力學(xué)性能更安全的固體電解質(zhì)得以在日常中得到應(yīng)用。該小組計(jì)劃繼續(xù)改進(jìn)這種材料，嘗試使用石墨烯以外的納米材料和不同類型的陶瓷電解質(zhì)。
資料來源：brown.edu