Une équipe de chercheurs de l'Université Brown a trouvé un moyen de doubler la ténacité d'un matériau céramique utilisé pour fabriquer des batteries lithium-ion à semi-conducteurs. La stratégie, décrit dans le journal Question , pourrait être utile pour amener les batteries à semi-conducteurs sur le marché de masse.

« Il y a un grand intérêt à remplacer les électrolytes liquides des batteries actuelles par des matériaux céramiques, car ils sont plus sûrs et peuvent fournir une densité énergétique plus élevée, " a déclaré Christos Athanasiou, chercheur postdoctoral à la Brown's School of Engineering et auteur principal de la recherche. "Jusque là, les recherches sur les électrolytes solides se sont concentrées sur l'optimisation de leurs propriétés chimiques. Avec ce travail, nous nous concentrons sur les propriétés mécaniques, dans l'espoir de les rendre plus sûrs et plus pratiques pour une utilisation généralisée."

L'électrolyte est la barrière entre la cathode et l'anode d'une batterie à travers laquelle les ions lithium circulent pendant la charge ou la décharge. Les électrolytes liquides fonctionnent assez bien - on les trouve dans la plupart des batteries utilisées aujourd'hui - mais ils ont quelques problèmes. Aux courants élevés, de minuscules filaments de lithium métal peuvent se former à l'intérieur des électrolytes, ce qui provoque un court-circuit des batteries. Et comme les électrolytes liquides sont également hautement inflammables, ces shorts peuvent provoquer des incendies.

Les électrolytes céramiques solides ne sont pas inflammables, et il existe des preuves qu'ils peuvent empêcher la formation de filaments de lithium, ce qui pourrait permettre aux batteries de fonctionner à des courants plus élevés. Cependant, les céramiques sont des matériaux très fragiles qui peuvent se fracturer pendant le processus de fabrication et pendant l'utilisation.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs voulaient voir si l'imprégnation d'une céramique avec du graphène, un nanomatériau à base de carbone ultra-résistant, pouvait augmenter la résistance à la rupture du matériau (la capacité d'un matériau à résister à la fissuration sans s'effondrer) tout en maintenant les propriétés électroniques nécessaires à la fonction électrolytique.

Athanasiou a travaillé avec les professeurs d'ingénierie Brown Brian Sheldon et Nitin Padture, qui pendant des années ont utilisé des nanomatériaux pour durcir les céramiques destinées à l'industrie aérospatiale. Pour ce travail, les chercheurs ont fabriqué de minuscules plaquettes d'oxyde de graphène, les a mélangés avec de la poudre d'une céramique appelée LATP, puis chauffé le mélange pour former un composite céramique-graphène.

Les tests mécaniques du composite ont montré une augmentation de plus de deux fois la ténacité par rapport à la céramique seule. "Ce qui se passe, c'est que lorsque la fissure commence dans un matériau, les plaquettes de graphène maintiennent essentiellement les surfaces cassées ensemble de sorte que plus d'énergie est nécessaire pour que la fissure s'exécute, " dit Athanasiou.

Des expériences ont également montré que le graphène n'interférait pas avec les propriétés électriques du matériau. La clé était de s'assurer que la bonne quantité de graphène était ajoutée à la céramique. Trop peu de graphène n'atteindrait pas l'effet de durcissement. Une quantité excessive rendrait le matériau conducteur de l'électricité, ce qui n'est pas souhaité dans un électrolyte.

"Vous voulez que l'électrolyte conduise les ions, pas d'électricité, " Padture dit. " Le graphène est un bon conducteur électrique, alors les gens peuvent penser que nous nous tirons une balle dans le pied en mettant un conducteur dans notre électrolyte. Mais si nous maintenons la concentration suffisamment faible, nous pouvons empêcher le graphène de conduire, et nous obtenons toujours l'avantage structurel."

Pris ensemble, les résultats suggèrent que les nanocomposites pourraient ouvrir la voie à la fabrication d'électrolytes solides plus sûrs dotés de propriétés mécaniques à utiliser dans les applications quotidiennes. Le groupe prévoit de continuer à travailler pour améliorer le matériel, essayer des nanomatériaux autres que le graphène et différents types d'électrolyte céramique.

"A notre connaissance, c'est l'électrolyte solide le plus résistant jamais fabriqué à ce jour, " a déclaré Sheldon. " Je pense que ce que nous avons montré, c'est qu'il y a beaucoup de promesses dans l'utilisation de ces composites dans les applications de batterie. "