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Forscher entwickeln mit Graphen infundierte Batteriekomponenten der nächsten Generation

Forscher entwickeln mit Graphen infundierte Batteriekomponenten der nächsten Generation

Ein Forscherteam der Brown University hat einen Weg gefunden, mit Graphen die Zähigkeit eines Keramikmaterials zu verdoppeln, aus dem Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden.

Das Verfahren hat das Potenzial, die Vorteile von Festkörperbatterien, die die flüssigen Elektrolyte in aktuellen Batterien ersetzen, auf den Massenmarkt zu bringen.

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Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien

In den letzten Wochen haben wir Neuigkeiten über Natriumionenbatterien und eine neue Quantenphasenbatterie für das Quantencomputing gesehen. Eine neue Strategie zur Schaffung sicherer und robusterer Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien bietet eine weitere Innovation in der schnell wachsenden Welt der elektronischen Geräte, Fahrzeuge und Batteriekomponenten.

"Es besteht ein großes Interesse daran, die flüssigen Elektrolyte in aktuellen Batterien durch Keramikmaterialien zu ersetzen, da diese sicherer sind und eine höhere Energiedichte bieten können", erklärte Christos Athanasiou, Postdoktorand an der Brown's School of Engineering und Hauptautor der Forschung, in einer Presse Freisetzung.

"Bisher konzentrierte sich die Forschung an Festelektrolyten auf die Optimierung ihrer chemischen Eigenschaften. Bei dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die mechanischen Eigenschaften, in der Hoffnung, sie sicherer und praktischer für eine breite Anwendung zu machen."

Das Problem mit flüssigen Elektrolyten

Der Elektrolyt einer Batterie ist die Barriere zwischen der Kathode und der Anode einer Batterie, durch die Lithiumionen während des Ladens oder Entladens fließen. Obwohl flüssige Elektrolyte ziemlich gut funktionieren und heutzutage in den meisten Batterien vorkommen, werfen sie einige Probleme auf.

Bei hohen Strömen können sich im Inneren der Elektrolyte winzige Filamente aus Lithiummetall bilden, wodurch die Batterien kurzgeschlossen werden. Die Tatsache, dass flüssige Elektrolyte leicht entflammbar sind, macht sie auch gefährlich, da Kurzschlüsse zu Bränden führen können.

Einer der Hauptvorteile von festen Keramikelektrolyten ist, dass sie nicht brennbar sind. Sie können auch die Bildung von Lithiumfilamenten verhindern, wodurch Batterien bei höheren Strömen betrieben werden können.

Arbeiten mit Keramik

Um die Herausforderung zu bewältigen, mit Keramik zu arbeiten, die stark spröde ist und während des Herstellungsprozesses brechen kann, wollten die Forscher herausfinden, ob die Infusion einer Keramik mit Graphen - einem superstarken Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis - die Zähigkeit erhöhen würde des Materials gleichzeitig mit der Aufrechterhaltung der elektronischen Eigenschaften, die für die Elektrolytfunktion benötigt werden.

Zu diesem Zweck arbeitete Athanasiou mit den Brown-Ingenieurprofessoren Brian Sheldon und Nitin Padture zusammen, die über langjährige Erfahrung in der Verwendung von Nanomaterialien zum Härten von Keramik für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie verfügen.

"Sie möchten, dass der Elektrolyt Ionen leitet, nicht Elektrizität", sagte Padture. "Graphen ist ein guter elektrischer Leiter, daher denken die Leute vielleicht, wir schießen uns in den Fuß, indem wir einen Leiter in unseren Elektrolyten stecken. Aber wenn wir die Konzentration niedrig genug halten, können wir verhindern, dass das Graphen leitet, und wir bekommen immer noch den." struktureller Nutzen. "

Mehr als die doppelte Zähigkeit

Experimente zeigten, dass das Graphen die elektrischen Eigenschaften des Materials nicht beeinträchtigte und dass der Verbundstoff im Vergleich zur Keramik allein eine mehr als zweifache Erhöhung der Zähigkeit aufwies.

Insgesamt die Ergebnisse der Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Angelegenheitzeigen, dass Nanokomposite ein Mittel zur Herstellung sicherer Festelektrolyte mit mechanischen Eigenschaften darstellen können, die in alltäglichen Geräten und Apparaten verwendet werden können.

In Zukunft will die Gruppe andere Nanomaterialien als Graphen und verschiedene Arten von Keramikelektrolyten testen.

"Unseres Wissens ist dies der härteste Festelektrolyt, den bisher jemand hergestellt hat", sagte Sheldon. "Ich denke, wir haben gezeigt, dass die Verwendung dieser Verbundwerkstoffe in Batterieanwendungen vielversprechend ist."


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