Un equipo de investigadores de la Universidad de Brown ha utilizado óxido de grafeno reducido (rGO) para mejorar la resistencia de un conductor de iones de litio de estado sólido a base de óxido. Los materiales demuestran una mejora de más de 2 veces en la resistencia media a la fractura (KIC), según artículo en la revista Matter.
Hasta donde sabemos, este es el electrolito sólido cerámico más resistente hasta ahora reportado. En base a estos resultados, se desarrolla un marco analítico para proporcionar pautas para el diseño de electrolitos sólidos ultrarresistentes utilizando materiales 2D.
—Athanasiou y col.
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. 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.
—Christos Athanasiou, un postdoctorado en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal.
Las baterías de litio de estado sólido (SSLB) pueden proporcionar mejoras claves en la tecnología de batería de iones de litio convencional basada en electrolitos líquidos, incluyendo el uso seguro de los ánodos de metal de litio para aumentar la densidad de energía.
Hay evidencia de que los electrolitos cerámicos sólidos pueden evitar la formación de filamentos de litio, esto pudiera permitir que las baterías funcionen a corrientes más altas, teniendo en cuenta que la cerámica es un material altamente frágil que puede fracturarse durante el proceso de fabricación y durante el uso. Los electrolitos cerámicos sólidos no son inflamables.
Para este nuevo estudio, los investigadores querían ver si trabajando una cerámica con grafeno podría aumentar la resistencia a la fractura del material (capacidad de un material para resistir el agrietamiento sin desmoronarse) manteniendo las propiedades electrónicas necesarias para la función del electrolito.
La investigación muestra que el óxido de grafeno reducido (rGO) puede ayudar a prevenir la propagación de grietas en los materiales cerámicos utilizados para los electrolitos de la batería. Estos hallazgos podrían ser un paso hacia la fabricación de electrolitos sólidos lo suficientemente resistentes para el mercado masivo.
Crédito: Laboratorio Sheldon / Universidad Brown
Athanasiou trabajó con los profesores de ingeniería de Brown, Brian Sheldon y Nitin Padture. Todos estos durante años, han venido usando nano materiales para endurecer la cerámica para su uso en la industria aeroespacial. Durante este trabajo, los investigadores hicieron pequeñas plaquetas de óxido de grafeno, las mezclaron con un polvo de cerámica llamada LATP y posteriormente calentaron la mezcla para formar un compuesto de cerámica y grafeno.
En comparación con la cerámica sola, las pruebas mecánicas del material compuesto, mostraron un aumento de la tenacidad de más del doble.
Lo que sucede es que cuando la grieta comienza en un material, las plaquetas de grafeno esencialmente mantienen juntas las superficies rotas, de modo que se requiere más energía para que la grieta corra.
—Christos Athanasiou
Los experimentos también mostraron, que las propiedades eléctricas del material no son interferidas por el grafeno. La clave era estar seguro de añadir la cantidad correcta de grafeno a la cerámica. El efecto de endurecimiento no se lograría con muy poco grafeno, y el uso excesivo del mismo, causaría que el material se volviera eléctricamente conductor, algo no deseable en un electrolito.
Desea que el electrolito conduzca iones, no electricidad. El grafeno es un buen conductor eléctrico, por lo que la gente puede pensar que nos estamos disparando en el pie al colocar un conductor en nuestro electrolito. Pero si mantenemos la concentración lo suficientemente baja, podemos evitar que el grafeno conduzca, y aún obtenemos el beneficio estructural.
—Nitin Padture
Para su uso en aplicaciones cotidianas, los resultados sugieren que los nanos compuestos podrían abrir un camino hacia la fabricación de electrolitos sólidos más seguros con propiedades mecánicas. El grupo planifica seguir para mejorar el material, probando nano materiales que no sean grafeno y diferentes tipos de electrolitos cerámicos.
Fuente: Brown University, Green Car Congress