Ein Forscherteam der Brown University hat eine Verwendungsmöglichkeit entdeckt. Graphen um die Zähigkeit eines Keramikmaterials zu verdoppeln, aus dem Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden.
Die Methode hat das Potenzial, die Vorteile von Festkörperbatterien, die die flüssigen Elektrolyte in aktuellen Batterien ersetzen, auf den Massenmarkt zu bringen.
VERBINDUNG: GRAPHEN WIRD BALD SCHILDMETALLROHRE AUS KORROSIVEN BAKTERIEN
Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien
In den letzten Wochen haben wir Neuigkeiten über gesehen Natriumionenbatterien und eine neue Quantenphasenbatterie für das Quantencomputing. Jetzt bietet eine neue Strategie zur Schaffung sicherer und härterer Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien eine weitere Innovation in der schnell wachsenden Welt der elektronischen Geräte, Fahrzeuge und Batteriekomponenten.
"Es besteht großes Interesse daran, die flüssigen Elektrolyte in aktuellen Batterien durch Keramikmaterialien zu ersetzen, da diese sicherer sind und eine höhere Energiedichte bieten können", erklärte Christos Athanasiou, Postdoktorand an der Brown's School of Engineering und Hauptautor der Forschung inein Pressemitteilung .
"Bisher konzentrierte sich die Forschung an Festelektrolyten auf die Optimierung ihrer chemischen Eigenschaften. Bei dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die mechanischen Eigenschaften, in der Hoffnung, sie sicherer und praktischer für eine breite Anwendung zu machen."
Das Problem mit flüssigen Elektrolyten
Der Elektrolyt einer Batterie ist die Barriere zwischen der Kathode und der Anode einer Batterie, durch die Lithiumionen während des Ladens oder Entladens fließen. Obwohl flüssige Elektrolyte ziemlich gut funktionieren und heutzutage in den meisten Batterien vorkommen, stellen sie einige Probleme dar.
Bei hohen Strömen können sich im Inneren der Elektrolyte winzige Filamente aus Lithiummetall bilden, die zu einem Kurzschluss der Batterien führen. Die Tatsache, dass flüssige Elektrolyte leicht entflammbar sind, macht sie auch gefährlich, da Kurzschlüsse zu Bränden führen können.
Einer der Hauptvorteile von Festkeramikelektrolyten besteht darin, dass sie nicht brennbar sind. Sie können auch die Bildung von Lithiumfilamenten verhindern und es den Batterien ermöglichen, mit höheren Strömen zu arbeiten.
Arbeiten mit Keramik
Um die Herausforderung zu bewältigen, mit Keramik zu arbeiten, die stark spröde ist und während des Herstellungsprozesses brechen kann, wollten die Forscher herausfinden, ob die Infusion einer Keramik mit Graphen - einem superstarken Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis - zunehmen würdedie Zähigkeit des Materials bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der für die Elektrolytfunktion erforderlichen elektronischen Eigenschaften.
Zu diesem Zweck arbeitete Athanasiou mit den Brown-Ingenieurprofessoren Brian Sheldon und Nitin Padture zusammen, die über langjährige Erfahrung in der Verwendung von Nanomaterialien zum Härten von Keramik für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie verfügen.
"Sie möchten, dass der Elektrolyt Ionen leitet, nicht Elektrizität", sagte Padture. "Graphen ist ein guter elektrischer Leiter, daher denken die Leute vielleicht, wir schießen uns in den Fuß, indem wir einen Leiter in unseren Elektrolyten stecken. Aber wenn wir behalten."Wenn die Konzentration niedrig genug ist, können wir verhindern, dass das Graphen leitet, und wir erhalten immer noch den strukturellen Vorteil. "
Mehr als die doppelte Zähigkeit
Experimente zeigten, dass das Graphen beeinträchtigte nicht die elektrischen Eigenschaften des Materials und zeigte, dass der Verbundstoff im Vergleich zur Keramik allein eine mehr als zweifache Erhöhung der Zähigkeit aufwies.
Insgesamt die Ergebnisse der Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Materie zeigen, dass Nanokomposite ein Mittel zur Herstellung sicherer Festelektrolyte mit mechanischen Eigenschaften darstellen können, die in alltäglichen Geräten und Apparaten verwendet werden können.
In Zukunft bedeutet die Gruppe zu testen Nanomaterialien außer Graphen und verschiedenen Arten von Keramikelektrolyten.
"Unseres Wissens ist dies der härteste Festelektrolyt, den bisher jemand hergestellt hat", sagte Sheldon. "Ich denke, wir haben gezeigt, dass die Verwendung dieser Verbundwerkstoffe in Batterieanwendungen vielversprechend ist."