Batteriekomponente der nächsten Generation mit hoher Festigkeit
Durch Kombination eines Keramikmaterials mit Graphen haben Ingenieure der Brown University den ihrer Meinung nach härtesten bisher gebauten Festelektrolyten hergestellt
Ein Forscherteam der Brown University hat einen Weg gefunden, die Festigkeit eines Keramikmaterials zu verdoppeln, das zur Herstellung von Lithium-Ionen-Festkörperbatterien verwendet wird. Diese Strategie, die in der Zeitschrift Matter beschrieben wird, könnte nützlich sein, um Festkörperbatterien auf den Massenmarkt zu bringen.
Die Forschung zeigt, dass reduziertes Graphenoxid (rGO) dazu beitragen kann, die Ausbreitung von Rissen in keramischen Materialien, die für Batterieelektrolyte verwendet werden, zu verhindern. Die Ergebnisse könnten ein Schritt hin zur Herstellung von Festelektrolyten sein, die zäh genug für den Massenmarkt sind.
Sheldon lab / Brown University
"Es besteht ein enormes Interesse daran, die flüssigen Elektrolyte in Strombatterien durch keramische Materialien zu ersetzen, weil diese sicherer sind und eine höhere Energiedichte bieten können", sagte Christos Athanasiou, ein Postdoktorand an der Brown's School of Engineering und Hauptautor der Forschungsarbeit. "Bisher konzentrierte sich die Forschung zu Festelektrolyten auf die Optimierung ihrer chemischen Eigenschaften. Mit dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die mechanischen Eigenschaften, in der Hoffnung, sie für einen breiten Einsatz sicherer und praktischer zu machen".
Der Elektrolyt ist die Barriere zwischen der Kathode und der Anode einer Batterie, durch die beim Laden oder Entladen Lithium-Ionen fließen. Flüssige Elektrolyte funktionieren ziemlich gut - sie sind in den meisten heute verwendeten Batterien zu finden - aber sie haben einige Probleme. Bei hohen Strömen können sich in den Elektrolyten winzige Fäden aus Lithiummetall bilden, die zu einem Kurzschluss der Batterie führen. Und da Flüssigelektrolyte auch leicht entflammbar sind, können diese Kurzschlüsse zu Bränden führen.
Festkeramische Elektrolyte sind nicht entflammbar, und es gibt Hinweise darauf, dass sie die Bildung von Lithiumfäden verhindern können, wodurch Batterien mit höheren Strömen betrieben werden könnten. Keramik ist jedoch ein sehr sprödes Material, das während des Herstellungsprozesses und während des Gebrauchs brechen kann.
Für diese neue Studie wollten die Forscher herausfinden, ob die Infusion von Graphen - einem superstarken Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis - in eine Keramik die Bruchfestigkeit des Materials (die Fähigkeit eines Materials, Rissen standzuhalten, ohne auseinanderzufallen) erhöhen und gleichzeitig die für die Funktion des Elektrolyten erforderlichen elektronischen Eigenschaften beibehalten kann.
Athanasiou arbeitete mit den Brown-Ingenieurprofessoren Brian Sheldon und Nitin Padture zusammen, die seit Jahren Nanomaterialien zur Härtung von Keramiken für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwenden. Für diese Arbeit stellten die Forscher winzige Plättchen aus Graphenoxid her, mischten sie mit Pulver aus einer Keramik namens LATP und erhitzten die Mischung dann, um ein Keramik-Graphen-Komposit zu bilden.
Mechanische Tests des Komposits zeigten eine mehr als zweifache Steigerung der Festigkeit im Vergleich zur Keramik allein. "Was passiert, ist, dass, wenn in einem Material ein Riss beginnt, die Graphenplättchen die gebrochenen Oberflächen im Wesentlichen zusammenhalten, so dass mehr Energie erforderlich ist, damit der Riss verläuft", sagte Athanasiou.
Experimente zeigten auch, dass das Graphen die elektrischen Eigenschaften des Materials nicht störte. Der Schlüssel lag darin, sicherzustellen, dass der Keramik die richtige Menge an Graphen zugesetzt wurde. Zu wenig Graphen würde die zähmachende Wirkung nicht erzielen. Zu viel würde dazu führen, dass das Material elektrisch leitfähig wird, was in einem Elektrolyten nicht erwünscht ist.
"Sie wollen, dass der Elektrolyt Ionen leitet, nicht Elektrizität", sagte Padture. "Graphen ist ein guter elektrischer Leiter, so dass die Leute denken könnten, wir würden uns selbst in den Fuß schießen, wenn wir einen Leiter in unseren Elektrolyten legen. Aber wenn wir die Konzentration niedrig genug halten, können wir verhindern, dass das Graphen leitet, und wir erhalten trotzdem den strukturellen Vorteil.
Zusammengenommen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Nanokomposite einen Weg zur Herstellung sichererer Festelektrolyte mit mechanischen Eigenschaften für alltägliche Anwendungen bieten könnten. Die Gruppe plant, weiter an der Verbesserung des Materials zu arbeiten und andere Nanomaterialien als Graphen und verschiedene Arten von keramischen Elektrolyten auszuprobieren.
"Nach unserem Wissen ist dies der härteste Festelektrolyt, den bisher jemand hergestellt hat", sagte Sheldon. "Ich denke, was wir gezeigt haben, ist, dass der Einsatz dieser Verbundwerkstoffe in Batterieanwendungen viel versprechend ist".
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