能否通过增强陶瓷韧性来提升固态锂电池耐久性

由于科学界认为锂离子电池已经到达极限，因此能量密度更大的固态锂电池被认为是电池届的下一任老大。但在现有的技术下，固态电池的使用寿命似乎还无法与锂离子电池比肩，因此久久未能进入普及阶段。
但就在不久前，布朗大学的一个研究小组发现了一种方法可能有助于将固态电池推向大众市场——将用于制造固态锂电池的陶瓷材料的韧性提高一倍，来提高固态电池的耐久性。这项研究的主要作者，布朗大学工程学院的陶瓷材料博士后ChristosAthanasiou说:“人们对于用固态电解质替代液体电解质有很大的兴趣，因为这样更安全，能量密度更高。但大多数对固体电解质的研究主要集中在优化其化学性能上，我们选择将重点放在机械性能上，希望这样能使它更安全、实用。”
固态陶瓷电解质的优势
在电池中，电解液是阴极和阳极之间的屏障，锂离子在充电或放电时会通过它们进行流动。虽然液态电解质已被普及使用，但它们也存在一些问题——在高电流下，微小的金属锂细丝会在电解液中形成，最终导致电池短路。由于固态陶瓷电解质是不可燃的，而且有证据表明它们可以阻止锂丝的形成，因此固态电池完全能在更高的电流下工作。
然而，固态电池中的陶瓷电解质是高脆性材料，在制造和使用过程中可能会断裂。于是在这项研究中，研究人员想知道如果往陶瓷中注入石墨烯，是否可以增加材料的断裂韧性，同时保持电解质功能所需的电子性能。

增韧陶瓷电解质的方式
Athanasiou与布朗大学的工程学教授Brian Sheldon和NitinPadture一起工作，他们多年来一直使用纳米材料增韧航空航天工业用陶瓷。在这项工作中，研究人员制造了氧化石墨烯的微小片晶，将其与一种叫做LATP的陶瓷粉末混合，然后将混合物加热以形成一种陶瓷-石墨烯复合材料。
力学测试表明，复合材料的韧性比单纯的陶瓷提高了两倍以上。Athanasiou 说:“当裂纹在材料中开始扩展时，石墨烯能将裂纹表面固定在一起，这样裂纹扩展就需要更多的能量。”实验还表明，只要确保在陶瓷中添加的石墨烯是适量的，就不会影响材料的电学性质，同时又能达到增韧效果。
“有人认为我们把导体放在电解质里就是搬起石头砸自己的脚，但事实上只要能保持足够低的浓度，我们就可以在阻止石墨烯导电的同时，还获得结构上的好处，”Padture说。
综上所述，研究结果表明纳米复合材料将能提供一条全新的道路，使力学性能更安全的固体电解质得以在日常中得到应用。该小组计划继续改进这种材料，尝试使用石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。
资料来源：brown.edu