布朗大学找到一种将固态锂离子电池用陶瓷材料韧性加倍的方法

人们对用陶瓷材料取代当前电池中的液体电解质有巨大的兴趣，因为它们更安全，可以提供更高的能量密度，到目前为止，对固态电解质的研究主要集中在优化其化学特性上。

布朗大学的一个研究小组已经找到了一种方法，使用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性增加一倍。该方法在《Matter》杂志上描述，这项工作重点放在机械性能上，希望能使电池更安全、更实用，以便广泛使用。可能有助于将固态电池推向大众市场。

电解液是电池阴极和阳极之间的屏障，锂离子在充电或放电时流经这里。液态电解质的工作效果相当好，目前使用的大多数电池中都有它们的身影–但也存在一些问题。在高电流情况下，电解质内部会形成细小的锂金属细丝，从而导致电池短路。由于液态电解质也是高度易燃的，短路可能导致火灾。

固态陶瓷电解质不易燃，而且有证据表明，它们可以防止锂丝的形成，从而使电池能在更高的电流下工作。然而，陶瓷是高度脆性材料，在制造过程和使用过程中可能会断裂。

在这项新研究中，研究人员想看看在陶瓷中注入石墨烯（一种超强的碳基纳米材料）是否可以提高材料的断裂韧性，同时又能保持电解质功能所需的电子特性。

该研究团队多年来一直使用纳米材料增韧陶瓷，以用于航空航天工业。对于这项工作，研究人员制造了小片的氧化石墨烯，将其与称为LATP的陶瓷粉末混合，然后加热该混合物以形成陶瓷-石墨烯复合材料。

与单独的陶瓷相比，复合材料的机械测试表明其韧性提高了两倍以上。

实验还表明，石墨烯并没有干扰材料的电性能。关键是确保将适量的石墨烯添加到陶瓷中。石墨烯过少将无法达到增韧效果。太多会导致该材料变成导电的，这在电解质中是不需要的。

综上所述，这些结果表明，纳米复合材料可以为制造更安全的固态电解质提供一条道路，使其具有可用于日常应用的机械性能。该小组计划继续努力改进该材料，尝试石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。

这项研究是迄今为止制造的最坚韧固态电解质，这意味着在电池应用中使用这些复合材料有很大的前景。