日前，布朗大学的一个研究小组发现了一种方法，可以将用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性提高一倍，该方法有助于将固态电池推向大众市场。
“人们对用陶瓷材料取代现有电池中的电解液非常感兴趣，因为它们更安全，而且能供应更高的能量密度，”布朗工程学院的博士后研究员、这项研究的第一作者ChristosAthanasiou说。到目前为止，对固体电解质的研究重要集中在优化它们的化学性质上。在这项工作中，我们将重点放在机械性能上，希望令他们的使用变得更安全、更实用和更广泛。”
电解液是电池正极和负极之间的屏障，锂离子在充电或放电时通过电解液流动。液态电解质是目前比较理想的锂电材料，大多数电池都是采用液态电解质，但它们依然存在一些问题。在大电流下，电解液内部会形成微小的锂金属丝，从而导致电池短路。由于液体电解质也是高度易燃的，短路最终可能导致火灾。
固体陶瓷电解质则是不易燃的，有证据表明它们可以防止锂丝的形成，而锂丝可以令电池在更高的电流下工作。然而，陶瓷是高脆性材料，在制造和使用过程中可能会断裂。
图片来源：布朗大学
在这项研究中，研究人员想了解，在陶瓷中注入石墨烯是否可以新增材料的断裂韧性，同时保持电解质功能所需的电子性能。
Athanasiou与布朗大学工程学教授BrianSheldon和NitinPadture合作，他们多年来一直在使用纳米材料来加固用于特种航天工业的陶瓷。在这项工作中，研究人员制造了氧化石墨烯的微小片晶，将其与一种叫做LATP的陶瓷粉末混合，然后将混合物加热以形成一种陶瓷－石墨烯复合材料。
对复合材料的力学测试表明，与单独使用陶瓷相比，复合材料的韧性新增了两倍以上。实验还表明，石墨烯不会影响材料的电学性能。关键是要确保在陶瓷中加入适量的石墨烯。而石墨烯过少则无法达到增韧效果。过多会导致材料导电，这在电解质中是不要的。
“你希望电解质能传导离子，而不是电，”Padture说。“石墨烯导电性良好，因此人们可能会认为在电解液中加入导体是在搬起石头砸自己的脚。但假如我们将浓度保持在足够低的水平，就可以阻止石墨烯导电，同时我们仍能获得结构上的好处。”
综合来看，这些结果表明，纳米复合材料可以供应一条道路，使力学性能更安全的固体电解质用于日常应用。该小组计划继续改进这种材料，尝试石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。
