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全固態(tài)電池的安全性、耐用性和容量都得到了提高，預計將用液體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池。然而，電雙層效應被認為是一種阻礙電池性能的現(xiàn)象，而且很難測量。為了解決這個問題，科學家們開發(fā)了一種新的方法，利用基于金剛石的場效應晶體管來探索EDL，為更好的固態(tài)離子器件和電池鋪平了道路。
鋰離子電池的發(fā)展使各種便攜設備成為可能，并推動了電子行業(yè)的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池使用液態(tài)電解質(zhì)溶液，其固有的缺點使其不完全適合期待已久的應用，如電動汽車。這些限制包括有限的耐久性，低容量，安全問題，以及關于其毒性和碳足跡的環(huán)境問題。幸運的是，科學家們現(xiàn)在正專注于解決所有這些問題的下一代解決方案:全固態(tài)電池。使用固體電解質(zhì)使這種類型的電池更安全，能夠保持更大的功率密度。
然而，這些電池的一個關鍵問題是在電解質(zhì)-電極界面發(fā)現(xiàn)的高電阻，這降低了全固態(tài)電池的輸出，阻止了它們快速充電。這種高界面電阻背后的一個被討論的機制是電雙層(EDL)效應，它涉及電解液中帶電離子在與電極的界面上的聚集。這就產(chǎn)生了一層正電荷或負電荷，這反過來又會導致負號相反的電荷以相同的密度在整個電極上聚集，形成雙層電荷層。在全固態(tài)電池中檢測和測量EDL的問題是傳統(tǒng)的電化學分析方法無法實現(xiàn)。
在日本東京科學大學，由副教授Tohru Higuchi領導的科學家們已經(jīng)解決了這個難題，他們使用了一種全新的方法來評估全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中的EDL效應。這項研究發(fā)表在《自然通訊化學》的網(wǎng)站上，是與日本國家材料科學研究所國際材料納米結(jié)構(gòu)中心(MANA)的首席研究員Takashi Tsuchiya和同一組織的MANA首席研究員Kazuya Terabe合作進行的。
這種新方法圍繞著用氫化金剛石和固態(tài)鋰基電解質(zhì)制成的場效應晶體管(fet)展開。fet是一種三端晶體管，其源極和漏極之間的電流可以通過在柵極上施加電壓來控制。由于FET半導體區(qū)域產(chǎn)生的電場，這個電壓控制著電子或空穴(帶正電荷的“電子空穴”)的密度。通過利用這些特性并使用化學惰性的鉆石通道，科學家們排除了影響通道電導率的化學還原-氧化效應，只留下由于EDL效應積累的靜電電荷作為必要原因。
因此，科學家們對金剛石電極上的霍爾效應進行了測量，霍爾效應只對材料表面的帶電載流子敏感。他們使用了不同類型的鋰基電解質(zhì)，并研究了其組成對EDL的影響。通過他們的分析，他們揭示了EDL效應的一個重要方面:它由界面附近(大約5納米厚度)的電解質(zhì)組成主導。如果電解質(zhì)材料允許還原-氧化反應讓路給電荷補償，EDL效應可以被抑制幾個數(shù)量級。Higuchi博士強調(diào)說:“我們的新技術被證明在揭示固體電解質(zhì)界面附近EDL行為方面是有用的，并有助于澄清界面特性對全固態(tài)鋰離子電池和其他離子器件性能的影響?！?/span>
該研究小組現(xiàn)在計劃用他們的方法來分析其他電解質(zhì)材料中的EDL效應，希望找到如何降低下一代電池界面電阻的線索。“我們希望我們的方法能在未來引領高性能全固態(tài)電池的發(fā)展，”Higuchi博士總結(jié)道。此外，更好地理解EDL也將有助于電容器、傳感器、存儲器和通信設備的開發(fā)。希望其他科學家能更容易地探索這一復雜的現(xiàn)象，從而使固態(tài)離子器件領域不斷向前發(fā)展。
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