Добавление графена приводит к появлению твердого электролита

Твердотельная батарея, в которой жидкий электролит, несущий заряд, заменяется на твердую альтернативу, обещает ряд преимуществ по сравнению с сегодняшними решениями, но есть несколько проблем, которые необходимо решить в первую очередь.

Ученые из Университета Брауна сообщают о новом решении, которое преодолевает некоторые ключевые препятствия, используя тонкую смесь керамики и чудо-материала графена для получения самого прочного твердого электролита на сегодняшний день.

В качестве раствора, который переносит ионы лития назад и вперед между анодом и катодом, в то время как батарея заряжается и разряжается, жидкие электролиты играют важную роль в функции современных литий-ионных батарей. Но эти высоколетучие жидкости несут в себе риск возгорания при коротком замыкании батареи, поэтому есть место для улучшения с точки зрения безопасности.

Кроме того, альтернативные электролиты могут обеспечить большую плотность энергии и даже позволить модернизировать другие компоненты батареи.

Например, анод обычно изготавливается из меди и графита, но ученые полагают, что твердый электролит позволит батарее функционировать с чистым литиевым анодом, что может сломать “узкое место плотности энергии”, согласно одному недавно опубликованному исследованию.

Но интегрировать твердый электролит не совсем просто, поскольку усилия до сих пор часто сопровождались разрушением и коррозией других частей батареи.

Использование керамических материалов сформировалось как один из вариантов, но их хрупкая природа также оказалась проблематичной. Исследователи из Университета Брауна считают, что они могут преодолеть этот недостаток, добавив немного графена, прочного и легкого материала, который также обладает высокой электропроводностью, атрибутом, которым нужно было тщательно управлять для этих целей.

“Вы хотите, чтобы электролит проводил ионы, а не электричество”, — говорит автор исследования Нитин Падтур. «Графен — хороший электрический проводник, поэтому люди могут подумать, что мы стреляем себе в ногу, помещая проводник в наш электролит. Но если мы будем держать концентрацию достаточно низкой, мы сможем удержать графен от проводимости, и мы все равно получим структурное преимущество.”

Исследователи объединили определенное количество крошечных пластинок оксида графена с керамическим порошком, а затем нагревали смесь, чтобы сформировать композит керамика-графен.

В ходе испытаний ученые показали, что материал электролита обеспечивает двукратное увеличение ударной вязкости только на керамике, и что добавление графена не влияет на его электрические характеристики.

«Происходит то, что, когда в материале начинается трещина, графеновые пластинки, по существу, удерживают сломанные поверхности вместе, так что для того, чтобы трещина могла двигаться, требуется больше энергии».

Исследователи говорят, что, насколько им известно, это «самый твердый электролит, который когда-либо производился кем-либо», и надеются, что при дальнейшей работе он сможет найти применение в устройствах для повседневного использования.

Ученые планируют продолжить эксперименты с материалом и опробовать альтернативы графену и различным типам керамики, чтобы еще больше повысить его эффективность.

Исследование было опубликовано в журнале Matter.