能否通過增強陶瓷韌性來提升固態鋰電池耐久性

由于科學界認為鋰離子電池已經到達極限，因此能量密度更大的固態鋰電池被認為是電池屆的下一任老大。但在現有的技術下，固態電池的使用壽命似乎還無法與鋰離子電池比肩，因此久久未能進入普及階段。
但就在不久前，布朗大學的一個研究小組發現了一種方法可能有助于將固態電池推向大眾市場——將用于制造固態鋰電池的陶瓷材料的韌性提高一倍，來提高固態電池的耐久性。這項研究的主要作者，布朗大學工程學院的陶瓷材料博士后ChristosAthanasiou說:“人們對于用固態電解質替代液體電解質有很大的興趣，因為這樣更安全，能量密度更高。但大多數對固體電解質的研究主要集中在優化其化學性能上，我們選擇將重點放在機械性能上，希望這樣能使它更安全、實用。”
固態陶瓷電解質的優勢
在電池中，電解液是陰極和陽極之間的屏障，鋰離子在充電或放電時會通過它們進行流動。雖然液態電解質已被普及使用，但它們也存在一些問題——在高電流下，微小的金屬鋰細絲會在電解液中形成，最終導致電池短路。由于固態陶瓷電解質是不可燃的，而且有證據表明它們可以阻止鋰絲的形成，因此固態電池完全能在更高的電流下工作。
然而，固態電池中的陶瓷電解質是高脆性材料，在制造和使用過程中可能會斷裂。于是在這項研究中，研究人員想知道如果往陶瓷中注入石墨烯，是否可以增加材料的斷裂韌性，同時保持電解質功能所需的電子性能。

增韌陶瓷電解質的方式
Athanasiou與布朗大學的工程學教授Brian Sheldon和NitinPadture一起工作，他們多年來一直使用納米材料增韌航空航天工業用陶瓷。在這項工作中，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-石墨烯復合材料。
力學測試表明，復合材料的韌性比單純的陶瓷提高了兩倍以上。Athanasiou 說:“當裂紋在材料中開始擴展時，石墨烯能將裂紋表面固定在一起，這樣裂紋擴展就需要更多的能量。”實驗還表明，只要確保在陶瓷中添加的石墨烯是適量的，就不會影響材料的電學性質，同時又能達到增韌效果。
“有人認為我們把導體放在電解質里就是搬起石頭砸自己的腳，但事實上只要能保持足夠低的濃度，我們就可以在阻止石墨烯導電的同時，還獲得結構上的好處，”Padture說。
綜上所述，研究結果表明納米復合材料將能提供一條全新的道路，使力學性能更安全的固體電解質得以在日常中得到應用。該小組計劃繼續改進這種材料，嘗試使用石墨烯以外的納米材料和不同類型的陶瓷電解質。
資料來源：brown.edu