Un team di ricercatori della Brown University ha trovato un modo per raddoppiare la resistenza di un materiale ceramico utilizzato per realizzare batterie agli ioni di litio a stato solido. La strategia, descritto nel giornale Questione , potrebbe essere utile per portare le batterie a stato solido sul mercato di massa.

"C'è un enorme interesse nel sostituire gli elettroliti liquidi nelle batterie attuali con materiali ceramici perché sono più sicuri e possono fornire una maggiore densità di energia, " disse Christos Athanasiou, un ricercatore post-dottorato presso la Brown's School of Engineering e autore principale della ricerca. "Finora, la ricerca sugli elettroliti solidi si è concentrata sull'ottimizzazione delle loro proprietà chimiche. Con questo lavoro, ci stiamo concentrando sulle proprietà meccaniche, nella speranza di renderli più sicuri e pratici per un uso diffuso."

L'elettrolita è la barriera tra il catodo e l'anodo di una batteria attraverso la quale scorrono gli ioni di litio durante la carica o la scarica. Gli elettroliti liquidi funzionano abbastanza bene, si trovano nella maggior parte delle batterie in uso oggi, ma hanno alcuni problemi. Ad alte correnti, minuscoli filamenti di litio metallico possono formarsi all'interno degli elettroliti, che causano il cortocircuito delle batterie. E poiché anche gli elettroliti liquidi sono altamente infiammabili, quei pantaloncini possono causare incendi.

Gli elettroliti ceramici solidi non sono infiammabili, e ci sono prove che possono prevenire la formazione di filamenti di litio, che potrebbe consentire alle batterie di funzionare a correnti più elevate. Però, le ceramiche sono materiali altamente fragili che possono rompersi durante il processo di fabbricazione e durante l'uso.

Per questo nuovo studio, i ricercatori volevano vedere se infondere una ceramica con grafene, un nanomateriale a base di carbonio super resistente, potrebbe aumentare la resistenza alla frattura del materiale (la capacità di un materiale di resistere alla rottura senza cadere a pezzi) mantenendo le proprietà elettroniche necessarie per la funzione dell'elettrolita.

Athanasiou ha lavorato con i professori di ingegneria Brown Brian Sheldon e Nitin Padture, che da anni utilizzano i nanomateriali per indurire le ceramiche da utilizzare nell'industria aerospaziale. Per questo lavoro, i ricercatori hanno prodotto minuscole piastrine di ossido di grafene, mescolati con polvere di una ceramica chiamata LATP, e poi riscaldato la miscela per formare un composito ceramica-grafene.

I test meccanici del composito hanno mostrato un aumento della tenacità di oltre due volte rispetto alla sola ceramica. "Quello che sta succedendo è che quando il crack inizia in un materiale, le piastrine di grafene essenzialmente tengono insieme le superfici rotte in modo che sia necessaria più energia per far funzionare la fessura, " disse Atanasio.

Gli esperimenti hanno anche mostrato che il grafene non interferiva con le proprietà elettriche del materiale. La chiave era assicurarsi che la giusta quantità di grafene fosse aggiunta alla ceramica. Troppo poco grafene non otterrebbe l'effetto indurente. Troppo farebbe diventare il materiale elettricamente conduttivo, che non è desiderato in un elettrolita.

"Vuoi che l'elettrolita conduca ioni, non elettricità, " disse Padture. "Il grafene è un buon conduttore elettrico, quindi la gente potrebbe pensare che ci stiamo sparando ai piedi mettendo un conduttore nel nostro elettrolita. Ma se manteniamo la concentrazione abbastanza bassa, possiamo impedire al grafene di condurre, e otteniamo ancora il vantaggio strutturale."

Presi insieme, i risultati suggeriscono che i nanocompositi potrebbero fornire un percorso verso la produzione di elettroliti solidi più sicuri con proprietà meccaniche da utilizzare nelle applicazioni quotidiane. Il gruppo prevede di continuare a lavorare per migliorare il materiale, provando nanomateriali diversi dal grafene e diversi tipi di elettrolita ceramico.

"Per quello che ci risulta, questo è l'elettrolita solido più duro che qualcuno abbia mai prodotto fino ad oggi, " ha detto Sheldon. "Penso che quello che abbiamo dimostrato è che ci sono molte promesse nell'uso di questi compositi nelle applicazioni delle batterie".