Un equipo de investigadores de la Universidad de Brown ha encontrado una manera de duplicar la dureza de un material cerámico utilizado para fabricar baterías de iones de litio de estado sólido. La estrategia, descrita en la revista materia , podría ser útil para llevar baterías de estado sólido al mercado masivo.
"Existe un gran interés en reemplazar los electrolitos líquidos en las baterías actuales con materiales cerámicos porque son más seguros y pueden proporcionar una mayor densidad de energía", dijo Christos Athanasiou, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal de la investigación ".Hasta ahora, la investigación sobre electrolitos sólidos se ha centrado en optimizar sus propiedades químicas. Con este trabajo, nos estamos centrando en las propiedades mecánicas, con la esperanza de hacerlas más seguras y más prácticas para un uso generalizado ".
El electrolito es la barrera entre el cátodo y el ánodo de una batería a través del cual fluyen los iones de litio durante la carga o descarga. Los electrolitos líquidos funcionan bastante bien, se encuentran en la mayoría de las baterías en uso hoy en día, pero tienen algunos problemas.corrientes, se pueden formar pequeños filamentos de litio metálico dentro de los electrolitos, lo que provoca un cortocircuito en las baterías. Y dado que los electrolitos líquidos también son altamente inflamables, esos cortocircuitos pueden provocar incendios.
Los electrolitos cerámicos sólidos no son inflamables, y hay evidencia de que pueden evitar la formación de filamentos de litio, lo que podría permitir que las baterías funcionen a corrientes más altas. Sin embargo, las cerámicas son materiales altamente frágiles que pueden fracturarse durante el proceso de fabricación y durante el uso.
Para este nuevo estudio, los investigadores querían ver si infundir una cerámica con grafeno, un nanomaterial a base de carbono súper fuerte, podría aumentar la resistencia a la fractura del material la capacidad de un material de resistir el agrietamiento sin desmoronarse mientras se mantiene elpropiedades electrónicas necesarias para la función electrolítica.
Athanasiou trabajó con los profesores de ingeniería de Brown, Brian Sheldon y Nitin Padture, quienes durante años han usado nanomateriales para endurecer la cerámica para su uso en la industria aeroespacial. Para este trabajo, los investigadores hicieron pequeñas plaquetas de óxido de grafeno, las mezclaron con polvo de cerámica.llamado LATP, y luego calentó la mezcla para formar un compuesto de cerámica-grafeno.
Las pruebas mecánicas del material compuesto mostraron un aumento de la tenacidad de más de dos veces en comparación con la cerámica sola. "Lo que sucede es que cuando comienza la grieta en un material, las plaquetas de grafeno esencialmente mantienen juntas las superficies rotas para que se requiera más energíapara que corra la grieta ", dijo Athanasiou.
Los experimentos también mostraron que el grafeno no interfiere con las propiedades eléctricas del material. La clave era asegurarse de que se añadiera la cantidad correcta de grafeno a la cerámica. Demasiado poco grafeno no lograría el efecto de endurecimiento.hacer que el material se vuelva eléctricamente conductor, lo que no se desea en un electrolito.
"Desea que el electrolito conduzca iones, no electricidad", dijo Padture. "El grafeno es un buen conductor eléctrico, por lo que la gente puede pensar que nos estamos disparando en el pie colocando un conductor en nuestro electrolito. Pero si seguimosSi la concentración es lo suficientemente baja, podemos evitar que el grafeno conduzca, y aun así obtenemos el beneficio estructural ".
Tomados en conjunto, los resultados sugieren que los nanocompuestos podrían proporcionar un camino hacia la fabricación de electrolitos sólidos más seguros con propiedades mecánicas para su uso en aplicaciones cotidianas. El grupo planea continuar trabajando para mejorar el material, probando nanomateriales distintos al grafeno y diferentes tipos deelectrolito cerámico.
"Hasta donde sabemos, este es el electrolito sólido más resistente que se haya fabricado hasta la fecha", dijo Sheldon. "Creo que lo que hemos demostrado es que hay muchas promesas al usar estos compuestos en aplicaciones de baterías".
Otros coautores del artículo fueron Mok Yun Jin y Cristina Ramírez. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos DE-SC0018113.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Nueva investigación de la luz más antigua confirma la edad del universo
Las primeras imágenes del Orbitador Solar revelan 'fogatas' en el sol
Los científicos proponen un plan para determinar si el Planeta Nueve es un agujero negro primordial
Platón tenía razón: la Tierra está hecha, en promedio, de cubos
Nuevo modelo conecta la física de gotitas respiratorias con la propagación de Covid-19
Los científicos descubren que los volcanes en Venus todavía están activos