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, descrito en la revista Importar , podría ser útil para llevar las 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 aquí, la investigación sobre electrolitos sólidos se ha centrado en optimizar sus propiedades químicas. Con este trabajo nos centramos en las propiedades mecánicas, con la esperanza de hacerlos más seguros y prácticos 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 que se usan hoy en día, pero tienen algunos problemas. A altas corrientes, Se pueden formar pequeños filamentos de metal de litio dentro de los electrolitos, que provocan un cortocircuito en las baterías. Y dado que los electrolitos líquidos también son altamente inflamables, esos pantalones cortos pueden provocar incendios.

Los electrolitos cerámicos sólidos no son inflamables, y hay evidencia de que pueden prevenir la formación de filamentos de litio, lo que podría permitir que las baterías funcionen a corrientes más altas. Sin embargo, Las cerámicas son materiales muy frágiles que pueden fracturarse durante el proceso de fabricación y durante el uso.

Para este nuevo estudio, Los investigadores querían ver si la infusión de grafeno en una cerámica, un nanomaterial a base de carbono súper fuerte, podría aumentar la tenacidad a la fractura del material (la capacidad de un material para resistir el agrietamiento sin desmoronarse) mientras se mantienen las propiedades electrónicas necesarias para la función del electrolito.

Athanasiou trabajó con los profesores de ingeniería de Brown, Brian Sheldon y Nitin Padture, que durante años han utilizado nanomateriales para endurecer la cerámica para su uso en la industria aeroespacial. Por este trabajo, los investigadores hicieron pequeñas plaquetas de óxido de grafeno, mezclarlos con polvo de una cerámica llamada LATP, y luego calentó la mezcla para formar un compuesto de cerámica-grafeno.

Las pruebas mecánicas del material compuesto mostraron un aumento de más del doble en la tenacidad en comparación con la cerámica sola. "Lo que está sucediendo es que cuando la grieta comienza en un material, las plaquetas de grafeno esencialmente mantienen unidas las superficies rotas de modo que se requiere más energía para que la grieta funcione, "Dijo Athanasiou.

Los experimentos también mostraron que el grafeno no interfirió con las propiedades eléctricas del material. La clave fue asegurarse de que se agregara la cantidad correcta de grafeno a la cerámica. Demasiado poco grafeno no lograría el efecto de endurecimiento. Demasiado haría que el material se volviera eléctricamente conductor, que no se desea en un electrolito.

"Quieres 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 al poner un conductor en nuestro electrolito. Pero si mantenemos la concentración lo suficientemente baja, podemos evitar que el grafeno conduzca, y todavía obtenemos el beneficio estructural ".

Tomados en conjunto, Los resultados sugieren que los nanocomposites podrían proporcionar un camino hacia la fabricación de electrolitos sólidos más seguros con propiedades mecánicas para su uso en aplicaciones cotidianas. El grupo tiene previsto seguir trabajando para mejorar el material, probando nanomateriales distintos al grafeno y diferentes tipos de electrolitos cerámicos.

"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 en el uso de estos compuestos en aplicaciones de batería ".