控制下一代全固态电池的双电层动力学

研究人员在这些电池中实现了载波调制和改进的开关响应速度控制

 

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具有低输出，从而限制了它们的应用。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重要垫脚石。

    

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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具有低输出，从而限制了它们的应用。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重要垫脚石。

 

在我们寻求清洁能源和碳中和的过程中，全固态锂离子电池 (ASS-LIB) 提供了可观的前景。ASS-LIB 有望用于包括电动汽车 (EV) 在内的广泛应用。然而，这些电池的商业应用目前面临瓶颈——由于其高表面电阻，它们的输出会降低。此外，这种表面电阻的确切机制迄今尚不清楚。研究人员将其与胶体物质（一种粒子在另一种物质中的微观分散体）中看到的称为“双电层”（或 EDL）效应的现象联系起来。

当胶体颗粒通过在其表面吸附分散介质的带负电荷的离子而获得负电荷时，就会发生 EDL 效应。“这发生在固体/固体电解质界面，给全固态锂电池带来了问题，”东京理科大学 (TUS) 副教授 Tohru Higuchi 博士解释说。Higuchi 博士与来自 TUS 的 Makoto Takayanagi 博士以及来自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/固体电解质的 EDL 效应界面。

一篇详细介绍他们技术的文章于 2023 年 2 月 8 日在线发布，并发表在《今日材料物理学》第 31 卷中。研究人员采用基于全固态氢端金刚石 (H-diamond) 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。通过在氢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，该团队可以研究这两层界面处 EDL 效应的电响应。电解质的成分确实会影响电极界面周围小区域的 EDL 效应。当将某种电解质作为电极/固体电解质界面之间的夹层引入时，EDL 效应会降低。与铌酸锂/H-金刚石界面相比，磷酸锂/H-金刚石界面的 EDL 电容要高得多。

他们的文章还解释了他们如何改进为 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。我们在电子中使用金刚石的非离子渗透特性场效应晶体管层，并将其与各种锂导体结合，”Higuchi 博士说道。

中间层加速和减速了 EDL 充电速度。EDLT 的电气响应时间变化很大——范围从大约 60 毫秒（磷酸锂/H-金刚石界面的低速切换）到大约 230 微秒（铌酸锂/H-金刚石界面的高速切换）。然而，该团队展示了对 EDL 充电速度的控制超过两个数量级。

总之，研究人员能够在全固态设备中实现载波调制并改善其充电特性。“我们对锂离子导电层的研究结果对于提高界面电阻具有重要意义，并可能导致未来实现具有优异充放电特性的全固态电池”，樋口博士乐观地指出。

总而言之，这是控制 ASS-LIBs 界面电阻的一个重要垫脚石，它催化了它们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，这是一类还包括神经形态设备的小工具。