全固態(tài)電池的發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和至關(guān)重要。然而，它們的高表面電阻導(dǎo)致這些電池的輸出低，限制了它們的應(yīng)用。

為此，研究人員采用了一種新技術(shù)來(lái)研究和調(diào)節(jié)固體/固體電解質(zhì)界面處的雙電層動(dòng)力學(xué)。研究人員展示了前所未有的響應(yīng)速度控制，超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這是實(shí)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(guò)程中，全固態(tài)鋰離子電池(ASS-LIB)提供了相當(dāng)大的前景。ASS-LIB預(yù)計(jì)將用于各種應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車(EV)。

然而，這些電池的商業(yè)應(yīng)用目前面臨一個(gè)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(jī)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(yīng)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(dāng)膠體顆粒通過(guò)在其表面上吸附分散介質(zhì)的帶負(fù)電荷而獲得負(fù)電荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生EDL效應(yīng)。

“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(wèn)題，”東京理科大學(xué)(TUS)副教授Tohru Higuchi博士解釋說(shuō)。Higuchi博士與TUS的同事Makoto Takayanagi博士以及日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的Takashi Tsuchiya博士和Kazuya Terabe博士一起設(shè)計(jì)了一種新技術(shù)來(lái)定量評(píng)估固體/固體電解質(zhì)界面的EDL效應(yīng)。

一篇詳細(xì)介紹其技術(shù)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(xué)》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(jìn)行霍爾測(cè)量和脈沖響應(yīng)測(cè)量，以確定EDL充電特性。

通過(guò)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(tuán)隊(duì)可以研究EDL效應(yīng)在這兩層之間界面處的電響應(yīng)。

電解質(zhì)的成分確實(shí)影響了電極界面周圍小區(qū)域的EDL效應(yīng)。當(dāng)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(shí)，EDL效應(yīng)降低。磷酸鋰/H-金剛石界面的EDL電容遠(yuǎn)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(guān)響應(yīng)時(shí)間。“EDL已被證明會(huì)影響開關(guān)特性，因此我們認(rèn)為通過(guò)控制EDL的電容可以大大改善ASS-EDL充電的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間。我們?cè)趫?chǎng)效應(yīng)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(dǎo)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(yīng)時(shí)間變化很大，從約60毫秒(磷酸鋰/H-金剛石界面的低速開關(guān))到約230微秒(鈮酸鋰/H-金剛石界面的高速開關(guān))不等。然而，該團(tuán)隊(duì)展示了對(duì)EDL充電速度超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的控制。

總之，研究人員能夠在全固態(tài)器件中實(shí)現(xiàn)載流子調(diào)制，并改善其充電特性。“我們對(duì)鋰離子導(dǎo)電層研究的這些結(jié)果對(duì)于提高界面電阻非常重要，并可能導(dǎo)致未來(lái)實(shí)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(yīng)用中的可行性。它還將有助于設(shè)計(jì)更好的基于固體電解質(zhì)的設(shè)備，一類小工具，其中還包括神經(jīng)形態(tài)設(shè)備。