全固態(tài)電池的發(fā)展對于實現(xiàn)碳中和至關重要。然而，它們的高表面電阻導致這些電池的輸出低，限制了它們的應用。

為此，研究人員采用了一種新技術來研究和調(diào)節(jié)固體/固體電解質(zhì)界面處的雙電層動力學。研究人員展示了前所未有的響應速度控制，超過兩個數(shù)量級，這是實現(xiàn)商用全固態(tài)電池的主要墊腳石。

在我們追求清潔能源和碳中和的過程中，全固態(tài)鋰離子電池(ASS-LIB)提供了相當大的前景。ASS-LIB預計將用于各種應用，包括電動汽車(EV)。

然而，這些電池的商業(yè)應用目前面臨一個瓶頸——它們的輸出由于其高表面電阻而降低。此外，這種表面電阻的確切機制迄今為止尚不清楚。

研究人員將其提到了一種稱為“雙電層”(或EDL)效應的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在膠體物質(zhì)(一種顆粒在另一種物質(zhì)中的微觀分散體)中可見。當膠體顆粒通過在其表面上吸附分散介質(zhì)的帶負電荷而獲得負電荷時，就會發(fā)生EDL效應。

“這發(fā)生在固體/固體電解質(zhì)界面，在全固態(tài)鋰電池中造成了問題，”東京理科大學(TUS)副教授Tohru Higuchi博士解釋說。Higuchi博士與TUS的同事Makoto Takayanagi博士以及日本國立材料科學研究所的Takashi Tsuchiya博士和Kazuya Terabe博士一起設計了一種新技術來定量評估固體/固體電解質(zhì)界面的EDL效應。

一篇詳細介紹其技術的文章于 8 年 2023 月 31 日在線發(fā)布，并發(fā)表在《今日材料物理學》第 <> 卷上。研究人員采用基于全固態(tài)氫端端金剛石(H-金剛石)的EDL晶體管(EDLT)進行霍爾測量和脈沖響應測量，以確定EDL充電特性。

通過在H-金剛石和鋰固體電解質(zhì)之間插入納米厚的鈮酸鋰或磷酸鋰中間層，該團隊可以研究EDL效應在這兩層之間界面處的電響應。

電解質(zhì)的成分確實影響了電極界面周圍小區(qū)域的EDL效應。當在電極/固體電解質(zhì)界面之間引入某種電解質(zhì)作為夾層時，EDL效應降低。磷酸鋰/H-金剛石界面的EDL電容遠高于鈮酸鋰/H-金剛石界面。

他們的文章還解釋了他們?nèi)绾胃纳茷锳SS-EDL充電的開關響應時間。“EDL已被證明會影響開關特性，因此我們認為通過控制EDL的電容可以大大改善ASS-EDL充電的開關響應時間。我們在場效應晶體管的電子層中使用了金剛石的非離子滲透特性，并將其與各種鋰導體相結(jié)合，“Higuchi博士敘述道。

夾層加速和減速EDL充電速度。EDLT的電響應時間變化很大，從約60毫秒(磷酸鋰/H-金剛石界面的低速開關)到約230微秒(鈮酸鋰/H-金剛石界面的高速開關)不等。然而，該團隊展示了對EDL充電速度超過兩個數(shù)量級的控制。

總之，研究人員能夠在全固態(tài)器件中實現(xiàn)載流子調(diào)制，并改善其充電特性。“我們對鋰離子導電層研究的這些結(jié)果對于提高界面電阻非常重要，并可能導致未來實現(xiàn)具有優(yōu)異充放電特性的所有固態(tài)電池”，樂觀的樋口博士指出。

綜上所述，這是控制ASS-LIB界面電阻的主要墊腳石，催化了其在許多應用中的可行性。它還將有助于設計更好的基于固體電解質(zhì)的設備，一類小工具，其中還包括神經(jīng)形態(tài)設備。

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