控制下一代全固态电池的双电层动力学

全固态电池的发展对于实现碳中和至关重要。然而，它们的高表面电阻导致这些电池的输出低，限制了它们的应用。

为此，研究人员采用了一种新技术来研究和调节固体/固体电解质界面处的双电层动力学。研究人员展示了前所未有的响应速度控制，超过两个数量级，这是实现商用全固态电池的主要垫脚石。

在我们追求清洁能源和碳中和的过程中，全固态锂离子电池(ASS-LIB)提供了相当大的前景。ASS-LIB预计将用于各种应用，包括电动汽车(EV)。

然而，这些电池的商业应用目前面临一个瓶颈——它们的输出由于其高表面电阻而降低。此外，这种表面电阻的确切机制迄今为止尚不清楚。

研究人员将其提到了一种称为“双电层”(或EDL)效应的现象，这种现象在胶体物质(一种颗粒在另一种物质中的微观分散体)中可见。当胶体颗粒通过在其表面上吸附分散介质的带负电荷而获得负电荷时，就会发生EDL效应。

“这发生在固体/固体电解质界面，在全固态锂电池中造成了问题，”东京理科大学(TUS)副教授Tohru Higuchi博士解释说。Higuchi博士与TUS的同事Makoto Takayanagi博士以及日本国立材料科学研究所的Takashi Tsuchiya博士和Kazuya Terabe博士一起设计了一种新技术来定量评估固体/固体电解质界面的EDL效应。

一篇详细介绍其技术的文章于 8 年 2023 月 31 日在线发布，并发表在《今日材料物理学》第 <> 卷上。研究人员采用基于全固态氢端端金刚石(H-金刚石)的EDL晶体管(EDLT)进行霍尔测量和脉冲响应测量，以确定EDL充电特性。

通过在H-金刚石和锂固体电解质之间插入纳米厚的铌酸锂或磷酸锂中间层，该团队可以研究EDL效应在这两层之间界面处的电响应。

电解质的成分确实影响了电极界面周围小区域的EDL效应。当在电极/固体电解质界面之间引入某种电解质作为夹层时，EDL效应降低。磷酸锂/H-金刚石界面的EDL电容远高于铌酸锂/H-金刚石界面。

他们的文章还解释了他们如何改善为ASS-EDL充电的开关响应时间。“EDL已被证明会影响开关特性，因此我们认为通过控制EDL的电容可以大大改善ASS-EDL充电的开关响应时间。我们在场效应晶体管的电子层中使用了金刚石的非离子渗透特性，并将其与各种锂导体相结合，“Higuchi博士叙述道。

夹层加速和减速EDL充电速度。EDLT的电响应时间变化很大，从约60毫秒(磷酸锂/H-金刚石界面的低速开关)到约230微秒(铌酸锂/H-金刚石界面的高速开关)不等。然而，该团队展示了对EDL充电速度超过两个数量级的控制。

总之，研究人员能够在全固态器件中实现载流子调制，并改善其充电特性。“我们对锂离子导电层研究的这些结果对于提高界面电阻非常重要，并可能导致未来实现具有优异充放电特性的所有固态电池”，乐观的樋口博士指出。

综上所述，这是控制ASS-LIB界面电阻的主要垫脚石，催化了其在许多应用中的可行性。它还将有助于设计更好的基于固体电解质的设备，一类小工具，其中还包括神经形态设备。