Аккумуляторные батареи станут более прочными и энергоемкими

15:49, 19/06
- Анастасия Королькова -
просмотров: 125

Специалисты из Университета Брауна нашла способ удвоить прочность керамического материала, используемого для изготовления твердотельных ионно-литиевых батарей. Разработка, описанная в журнале Matter, будет полезна для вывода таких батарей на массовый рынок.

«Существует огромный интерес к замене жидких электролитов в современных аккумуляторах на керамические материалы, так как они безопаснее и могут обеспечить более высокую плотность энергии», – рассказывает Кристос Атанасиу, ученый из Технической школе Брауна и ведущий автор исследования. «До сих пор исследования в области твердых электролитов были направлены на оптимизацию их химических свойств. В этой работе мы сосредоточились на механических свойствах в надежде сделать их более безопасными и более практичными для широкого использования».

Электролит является барьером между катодом батареи и анодом, через который проходят ионы лития во время зарядки или разрядки. Жидкие электролиты работают довольно хорошо – их можно найти в большинстве используемых сегодня батарей – но у них есть некоторые проблемы. При больших токах внутри электролитов могут образовываться крошечные нити металлического лития, которые вызывают короткое замыкание батарей. А поскольку жидкие электролиты легко воспламеняются, эти образования могут привести к воспламенению.

Твердые керамические электролиты не являются легковоспламеняющимися, и есть свидетельства того, что они могут предотвратить образование литиевых нитей, и позволят батареям работать при более высоких токах. Однако керамика – это очень хрупкий материал, разрушающийся как в процессе производства, так и во время использования.

В этом новом исследовании ученые хотели выяснить, может ли размещенный в керамике графен – сверхпрочный наноматериал на углеродной основе – повысить вязкость разрушения материала (способность материала противостоять растрескиванию, не распадаясь) при сохранении электронных свойств необходимых для функции электролита.

Атанасиу работал с профессорами-инженерами Брауна Брайаном Шелдоном и Нитином Падтером, которые годами использовали наноматериалы для повышения стойкости керамики при использования в аэрокосмической промышленности. Для этой работы исследователи сделали крошечные пластинки из оксида графена, смешали их с порошком керамики под названием LATP, а затем нагрели смесь до образования керамического графенового композита.

Механические испытания композита показали более чем двукратное увеличение ударной вязкости по сравнению с чистой керамикой. «Когда в материале образуется трещина, графеновые пластинки удерживают сломанные поверхности вместе, соотвественно растрескивание материала приостанавливается», – сказал Атанасиу.

Эксперименты также показали, что графен не влиял на электрические свойства материала. Ключевым элементов является правильное количество графена добавленного в керамику, при том, что слишком мало графена не приведет к эффекту ужесточения, а слишком много может привести к тому, что материал станет электропроводящим, что нежелательно в электролите.

«Вы хотите, чтобы электролит проводил ионы, а не электричество», – сказала Падюр. «Графен является хорошим электрическим проводником, но если мы сохраним достаточно низкую концентрацию, мы сможем удержать графен от проводимости, и получим необходимые свойства».

Взятые вместе, результаты показывают, что нанокомпозиты могут обеспечить путь к созданию более безопасных твердых электролитов с механическими свойствами для использования в повседневных применениях. Группа исследователей планирует продолжить работу по улучшению материала, пробуя наноматериалы, отличные от графена, а также различные типы керамического электролита.

«Насколько нам известно, это самый твердый электролит на сегодняшний день», – сказал Шелдон. «Я думаю, что мы показали, что использование этих композитов для батарей очень перспективно».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Информационно- новостной портал