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?，而且能供?yīng)更高的能量密度，”布朗工程學(xué)院的博士后研究員、這項(xiàng)研究的第一作者ChristosAthanasiou說。到目前為止，對(duì)固體電解質(zhì)的研究重要集中在優(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，在制造和使用過程中可能會(huì)斷裂。

圖片來源：布朗大學(xué)

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在這項(xiàng)研究中，研究人員想了解，在陶瓷中注入石墨烯是否可以新增材料的斷裂韌性，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BrianSheldon和NitinPadture合作，他們多年來一直在使用納米材料來加固用于特種航天工業(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)合材料的韌性新增了兩倍以上。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。而石墨烯過少則無法達(dá)到增韌效果。過多會(huì)導(dǎo)致材料導(dǎo)電，這在電解質(zhì)中是不要的。

“你希望電解質(zhì)能傳導(dǎo)離子，而不是電，”Padture說?！笆?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。但假如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?！?/p>

綜合來看，這些結(jié)果表明，納米復(fù)合材料可以供應(yīng)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)。

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