مهندسان دانشگاه براون با ترکیب یک ماده سرامیکی با گرافن ، آنچه را که می گویند سخت ترین الکترولیت جامد ساخته شده تا به امروز است ، ساخته اند.

آزمایشگاه شلدون / دانشگاه براون

تحقیقات نشان می دهد که کاهش اکسید گرافن (rGO) می تواند به جلوگیری از انتشار ترک مواد سرامیکی مورد استفاده در الکترولیت باتری کمک کند. این یافته ها می تواند گامی در جهت ساخت الکترولیتهای جامد باشد که به اندازه کافی برای بازار انبوه سخت باشد.

بزرگنمایی
تیمی از محققان دانشگاه براون راهی برای دو برابر شدن سختی مواد سرامیکی مورد استفاده در ساخت باتری های لیتیوم یون با حالت جامد یافته اند. این استراتژی ، که در مجله Matter شرح داده شده است ، می تواند در عرضه باتری های حالت جامد به بازار انبوه مفید باشد.

کریستوس آتاناسیو ، محقق فوق دکترا در دانشکده مهندسی براون و نویسنده اصلی این تحقیق گفت: "علاقه زیادی به جایگزینی الکترولیت های مایع در باتری های جاری با مواد سرامیکی وجود دارد زیرا آنها ایمن تر هستند و می توانند چگالی انرژی بیشتری را فراهم کنند." "تاکنون تحقیقات در مورد الکترولیتهای جامد بر بهینه سازی خواص شیمیایی آنها متمرکز شده است. با این کار ، ما به این امید که ایمن تر و ایمن تر آنها برای استفاده گسترده باشند ، روی خواص مکانیکی می پردازیم."

الکترولیت مانع بین کاتد باتری و آند است که از طریق آن یونهای لیتیوم در هنگام شارژ یا تخلیه جریان می یابد. الکترولیتهای مایع بسیار خوب کار می کنند - امروزه در اکثر باتری های مورد استفاده یافت می شوند - اما برخی از این مشکلات را دارند. در جریان زیاد ، رشته های کوچکی از فلز لیتیوم می توانند در داخل الکترولیتها تشکیل شوند ، که باعث اتصال کوتاه باتری ها می شود. و از آنجا که الکترولیتهای مایع نیز قابل اشتعال هستند ، این شورت ها می توانند منجر به آتش سوزی شوند.

الکترولیتهای سرامیکی جامد قابل اشتعال نیستند ، و شواهدی وجود دارد که نشان می دهد آنها می توانند از تشکیل رشته های لیتیوم جلوگیری کنند ، که این امر می تواند باتری ها را در جریان های بالاتر کار کند. با این حال ، سرامیک مواد بسیار شکننده ای هستند که می توانند در طی فرآیند تولید و در حین استفاده دچار شکستگی شوند.

برای این مطالعه جدید ، محققان می خواستند که با تزریق یک سرامیک با گرافن - یک نانومواد کربن فوق العاده قوی - می توانند مقاومت به شکستگی مواد را افزایش دهند (توانایی ماده در مقاومت در برابر ترک خوردگی بدون اینکه از هم جدا شوند) ضمن حفظ خواص الکترونیکی مورد نیاز برای عملکرد الکترولیت.

Athanasiou با اساتید مهندسی براون برایان شلدون و نیتین پادتور که سالهاست از نانومواد برای سفت کردن سرامیک برای استفاده در صنعت هوافضا استفاده می کرده است. برای این کار ، محققان پلاکت های کوچکی از اکسید گرافن ساخته شده ، آنها را با پودر سرامیکی به نام LATP مخلوط کرده و سپس این مخلوط را گرم کردند تا کامپوزیت گرافنی و سرامیکی ایجاد شود.

آزمایش مکانیکی کامپوزیت در مقایسه با سرامیک به تنهایی بیش از دو برابر افزایش چقرمگی را نشان داد. Athanasiou گفت: "آنچه اتفاق می افتد این است که هنگامی که ترک در یک ماده شروع می شود ، پلاکت های گرافن اساساً سطوح شکسته را به هم می چسبند تا انرژی بیشتری برای اجرای ترک ایجاد شود."

آزمایشات همچنین نشان داد که گرافن با خصوصیات الکتریکی مواد تداخل نمی کند. کلید اطمینان از افزودن مقدار مناسب گرافن به سرامیک بود. گرافن خیلی کم اثر سختی حاصل نمی کند. خیلی زیاد باعث می شود مواد از نظر الکتریکی رسانا شوند ، که در الکترولیت مورد نظر نیست.

Padture گفت: "شما می خواهید كه الکترولیت یونها را هدایت كند ، نه برق." "گرافن یک هادی الکتریکی خوب است ، بنابراین ممکن است مردم فکر کنند که با قرار دادن یک هادی در الکترولیت خود ، خودمان را در پای خود شلیک می کنیم. اما اگر غلظت را به اندازه کافی کم نگه داریم ، می توانیم گرافن را از انجام کار بازداریم. سود ساختاری

در مجموع ، نتایج نشان می دهد که نانوکامپوزیتها می تواند مسیری را در جهت ساخت الکترولیتهای جامد ایمن تر با خصوصیات مکانیکی برای استفاده در برنامه های روزمره فراهم کند. این گروه قصد دارد به تلاش خود در جهت بهبود مواد ادامه دهد ، نانو مواد غیر از گرافن و انواع مختلف الکترولیت سرامیکی را نیز امتحان کند.

شلدون گفت: "به دانش ما ، این سخت ترین الکترولیت جامد است که هر کسی تا به امروز ساخته است." "من فکر می کنم آنچه که ما نشان داده ایم این است که وعده های زیادی در استفاده از این کامپوزیت ها در کاربردهای باتری وجود دارد."

مهندسان دانشگاه براون با ترکیب یک ماده سرامیکی با گرافن ، آنچه را که می گویند سخت ترین الکترولیت جامد ساخته شده تا به امروز است ، ساخته اند.

آزمایشگاه شلدون / دانشگاه براون

تحقیقات نشان می دهد که کاهش اکسید گرافن (rGO) می تواند به جلوگیری از انتشار ترک مواد سرامیکی مورد استفاده در الکترولیت باتری کمک کند. این یافته ها می تواند گامی در جهت ساخت الکترولیتهای جامد باشد که به اندازه کافی برای بازار انبوه سخت باشد.

بزرگنمایی
تیمی از محققان دانشگاه براون راهی برای دو برابر شدن سختی مواد سرامیکی مورد استفاده در ساخت باتری های لیتیوم یون با حالت جامد یافته اند. این استراتژی ، که در مجله Matter شرح داده شده است ، می تواند در عرضه باتری های حالت جامد به بازار انبوه مفید باشد.

کریستوس آتاناسیو ، محقق فوق دکترا در دانشکده مهندسی براون و نویسنده اصلی این تحقیق گفت: "علاقه زیادی به جایگزینی الکترولیت های مایع در باتری های جاری با مواد سرامیکی وجود دارد زیرا آنها ایمن تر هستند و می توانند چگالی انرژی بیشتری را فراهم کنند." "تاکنون تحقیقات در مورد الکترولیتهای جامد بر بهینه سازی خواص شیمیایی آنها متمرکز شده است. با این کار ، ما به این امید که ایمن تر و ایمن تر آنها برای استفاده گسترده باشند ، روی خواص مکانیکی می پردازیم."

الکترولیت مانع بین کاتد باتری و آند است که از طریق آن یونهای لیتیوم در هنگام شارژ یا تخلیه جریان می یابد. الکترولیتهای مایع بسیار خوب کار می کنند - امروزه در اکثر باتری های مورد استفاده یافت می شوند - اما برخی از این مشکلات را دارند. در جریان زیاد ، رشته های کوچکی از فلز لیتیوم می توانند در داخل الکترولیتها تشکیل شوند ، که باعث اتصال کوتاه باتری ها می شود. و از آنجا که الکترولیتهای مایع نیز قابل اشتعال هستند ، این شورت ها می توانند منجر به آتش سوزی شوند.

الکترولیتهای سرامیکی جامد قابل اشتعال نیستند ، و شواهدی وجود دارد که نشان می دهد آنها می توانند از تشکیل رشته های لیتیوم جلوگیری کنند ، که این امر می تواند باتری ها را در جریان های بالاتر کار کند. با این حال ، سرامیک مواد بسیار شکننده ای هستند که می توانند در طی فرآیند تولید و در حین استفاده دچار شکستگی شوند.

برای این مطالعه جدید ، محققان می خواستند که با تزریق یک سرامیک با گرافن - یک نانومواد کربن فوق العاده قوی - می توانند مقاومت به شکستگی مواد را افزایش دهند (توانایی ماده در مقاومت در برابر ترک خوردگی بدون اینکه از هم جدا شوند) ضمن حفظ خواص الکترونیکی مورد نیاز برای عملکرد الکترولیت.

Athanasiou با اساتید مهندسی براون برایان شلدون و نیتین پادتور که سالهاست از نانومواد برای سفت کردن سرامیک برای استفاده در صنعت هوافضا استفاده می کرده است. برای این کار ، محققان پلاکت های کوچکی از اکسید گرافن ساخته شده ، آنها را با پودر سرامیکی به نام LATP مخلوط کرده و سپس این مخلوط را گرم کردند تا کامپوزیت گرافنی و سرامیکی ایجاد شود.

آزمایش مکانیکی کامپوزیت در مقایسه با سرامیک به تنهایی بیش از دو برابر افزایش چقرمگی را نشان داد. Athanasiou گفت: "آنچه اتفاق می افتد این است که هنگامی که ترک در یک ماده شروع می شود ، پلاکت های گرافن اساساً سطوح شکسته را به هم می چسبند تا انرژی بیشتری برای اجرای ترک ایجاد شود."

آزمایشات همچنین نشان داد که گرافن با خصوصیات الکتریکی مواد تداخل نمی کند. کلید اطمینان از افزودن مقدار مناسب گرافن به سرامیک بود. گرافن خیلی کم اثر سختی حاصل نمی کند. خیلی زیاد باعث می شود مواد از نظر الکتریکی رسانا شوند ، که در الکترولیت مورد نظر نیست.

Padture گفت: "شما می خواهید كه الکترولیت یونها را هدایت كند ، نه برق." "گرافن یک هادی الکتریکی خوب است ، بنابراین ممکن است مردم فکر کنند که با قرار دادن یک هادی در الکترولیت خود ، خودمان را در پای خود شلیک می کنیم. اما اگر غلظت را به اندازه کافی کم نگه داریم ، می توانیم گرافن را از انجام کار بازداریم. سود ساختاری

در مجموع ، نتایج نشان می دهد که نانوکامپوزیتها می تواند مسیری را در جهت ساخت الکترولیتهای جامد ایمن تر با خصوصیات مکانیکی برای استفاده در برنامه های روزمره فراهم کند. این گروه قصد دارد به تلاش خود در جهت بهبود مواد ادامه دهد ، نانو مواد غیر از گرافن و انواع مختلف الکترولیت سرامیکی را نیز امتحان کند.

شلدون گفت: "به دانش ما ، این سخت ترین الکترولیت جامد است که هر کسی تا به امروز ساخته است." "من فکر می کنم آنچه که ما نشان داده ایم این است که وعده های زیادی در استفاده از این کامپوزیت ها در کاربردهای باتری وجود دارد."