Een team van onderzoekers van de Brown University heeft een manier gevonden om de taaiheid te verdubbelen van een keramisch materiaal dat wordt gebruikt om lithium-ionbatterijen in vaste toestand te maken. De strategie, beschreven in het journaal Materie , zou nuttig kunnen zijn om solid-state batterijen op de massamarkt te brengen.

"Er is een enorme interesse in het vervangen van de vloeibare elektrolyten in huidige batterijen door keramische materialen, omdat ze veiliger zijn en een hogere energiedichtheid kunnen bieden. " zei Christos Athanasiou, een postdoctoraal onderzoeker in Brown's School of Engineering en hoofdauteur van het onderzoek. "Tot dusver, onderzoek naar vaste elektrolyten heeft zich gericht op het optimaliseren van hun chemische eigenschappen. Met dit werk, we concentreren ons op de mechanische eigenschappen, in de hoop ze veiliger en praktischer te maken voor wijdverbreid gebruik."

De elektrolyt is de barrière tussen de kathode van een batterij en de anode waardoor lithiumionen stromen tijdens het laden of ontladen. Vloeibare elektrolyten werken redelijk goed - ze zijn te vinden in de meeste batterijen die tegenwoordig worden gebruikt - maar ze hebben enkele problemen. Bij hoge stromen, kleine filamenten van lithiummetaal kunnen zich in de elektrolyten vormen, waardoor batterijen kortsluiten. En aangezien vloeibare elektrolyten ook licht ontvlambaar zijn, die korte broek kan tot brand leiden.

Vaste keramische elektrolyten zijn niet ontvlambaar, en er is bewijs dat ze de vorming van lithiumfilamenten kunnen voorkomen, waardoor batterijen met hogere stromen kunnen werken. Echter, keramiek is zeer brosse materialen die tijdens het fabricageproces en tijdens gebruik kunnen breken.

Voor deze nieuwe studie de onderzoekers wilden zien of het infuseren van een keramiek met grafeen - een supersterk op koolstof gebaseerd nanomateriaal - de breuktaaiheid van het materiaal zou kunnen verhogen (het vermogen van een materiaal om barsten te weerstaan ​​zonder uit elkaar te vallen) terwijl de elektronische eigenschappen die nodig zijn voor de elektrolytfunctie behouden blijven.

Athanasiou werkte samen met Brown engineering professoren Brian Sheldon en Nitin Padture, die al jaren nanomaterialen gebruiken om keramiek te harden voor gebruik in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Voor dit werk, de onderzoekers maakten kleine bloedplaatjes van grafeenoxide, mengde ze met poeder van een keramiek genaamd LATP, en vervolgens het mengsel verwarmd om een ​​composiet van keramiek en grafeen te vormen.

Mechanische testen van het composiet toonden een meer dan tweevoudige toename in taaiheid in vergelijking met het keramiek alleen. "Wat er gebeurt, is dat wanneer barsten in een materiaal beginnen, de grafeenplaatjes houden in wezen de gebroken oppervlakken bij elkaar, zodat er meer energie nodig is om de scheur te laten lopen, ' zei Athanasiou.

Experimenten toonden ook aan dat het grafeen de elektrische eigenschappen van het materiaal niet verstoort. De sleutel was ervoor te zorgen dat de juiste hoeveelheid grafeen aan het keramiek werd toegevoegd. Te weinig grafeen zou het versterkende effect niet bereiken. Te veel zou ertoe leiden dat het materiaal elektrisch geleidend wordt, wat niet gewenst is in een elektrolyt.

"Je wilt dat de elektrolyt ionen geleidt, geen elektriciteit, Padture zei. Grafeen is een goede elektrische geleider, dus mensen denken misschien dat we onszelf in de voet schieten door een geleider in onze elektrolyt te stoppen. Maar als we de concentratie laag genoeg houden, we kunnen voorkomen dat het grafeen geleidt, en we krijgen nog steeds het structurele voordeel."

Bij elkaar genomen, de resultaten suggereren dat nanocomposieten een weg vooruit zouden kunnen bieden naar het maken van veiligere vaste elektrolyten met mechanische eigenschappen voor gebruik in alledaagse toepassingen. De groep is van plan te blijven werken aan de verbetering van het materiaal, andere nanomaterialen dan grafeen en verschillende soorten keramische elektrolyt proberen.

"Voor zover we weten, dit is de taaiste vaste elektrolyt die iemand tot nu toe heeft gemaakt, " zei Sheldon. "Ik denk dat we hebben laten zien dat er veel belofte is in het gebruik van deze composieten in batterijtoepassingen."