日前，布朗大學的一個研究小組發現了一種方法，可以將用于制造固態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電池推向大眾市場。

“人們對用陶瓷材料取代現有電池中的電解液非常感興趣，因為它們更安全，而且能供應更高的能量密度，”布朗工程學院的博士后研究員、這項研究的第一作者ChristosAthanasiou說。到目前為止，對固體電解質的研究重要集中在優化它們的化學性質上。在這項工作中，我們將重點放在機械性能上，希望令他們的使用變得更安全、更實用和更廣泛。”

電解液是電池正極和負極之間的屏障，鋰離子在充電或放電時通過電解液流動。液態電解質是目前比較理想的鋰電材料，大多數電池都是采用液態電解質，但它們依然存在一些問題。在大電流下，電解液內部會形成微小的鋰金屬絲，從而導致電池短路。由于液體電解質也是高度易燃的，短路最終可能導致火災。

固體陶瓷電解質則是不易燃的，有證據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斷裂。

圖片來源：布朗大學

在這項研究中，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，同時保持電解質功能所需的電子性能。

Athanasiou與布朗大學工程學教授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的陶瓷。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。

對復合材料的力學測試表明，與單獨使用陶瓷相比，復合材料的韌性新增了兩倍以上。實驗還表明，石墨烯不會影響材料的電學性能。關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到增韌效果。過多會導致材料導電，這在電解質中是不要的。

“你希望電解質能傳導離子，而不是電，”Padture說。“石墨烯導電性良好，因此人們可能會認為在電解液中加入導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電，同時我們仍能獲得結構上的好處。”

綜合來看，這些結果表明，納米復合材料可以供應一條道路，使力學性能更安全的固體電解質用于日常應用。該小組計劃繼續改進這種材料，嘗試石墨烯以外的納米材料和不同類型的陶瓷電解質。