《電子技術(shù)應(yīng)用》
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固態(tài)電池陶瓷材料新突破,有助將固態(tài)電池推向大眾市場(chǎng)

2020-06-22
來(lái)源:電子工程世界
關(guān)鍵詞: 陶瓷材料 固態(tài)電池

  日前,布朗大學(xué)的一個(gè)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(chǎng)。

  “人們對(duì)用陶瓷材料取代現(xiàn)有電池中的電解液非常感興趣,因?yàn)樗鼈兏踩夷芴峁└叩哪芰棵芏龋辈祭使こ虒W(xué)院的博士后研究員、這項(xiàng)研究的第一作者Christos Athanasiou說(shuō)。到目前為止,對(duì)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(xiàng)工作中,我們將重點(diǎn)放在機(jī)械性能上,希望令他們的使用變得更安全、更實(shí)用和更廣泛。”

  電解液是電池正極和負(fù)極之間的屏障,鋰離子在充電或放電時(shí)通過(guò)電解液流動(dòng)。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(wèn)題。在大電流下,電解液內(nèi)部會(huì)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(guò)程中可能會(huì)斷裂。

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  圖片來(lái)源:布朗大學(xué)

  在這項(xiàng)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(shí)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(lái)一直在使用納米材料來(lái)加固用于航空航天工業(yè)的陶瓷。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。

  對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)測(cè)試表明,與單獨(dú)使用陶瓷相比,復(fù)合材料的韌性增加了兩倍以上。實(shí)驗(yàn)還表明,石墨烯不會(huì)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(guò)少則無(wú)法達(dá)到增韌效果。過(guò)多會(huì)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(shuō)。“石墨烯導(dǎo)電性良好,因此人們可能會(huì)認(rèn)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(shí)我們?nèi)阅塬@得結(jié)構(gòu)上的好處。”

  綜合來(lái)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(jì)劃繼續(xù)改進(jìn)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。


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