Управление динамикой электрического двойного слоя для всех

Токийский научный университет, Токио, Япония

Разработка полностью твердотельных батарей имеет решающее значение для достижения углеродной нейтральности. Однако высокое поверхностное сопротивление приводит к тому, что эти батареи имеют низкую выходную мощность, что ограничивает их применение. С этой целью исследователи применили новую технику для исследования и модуляции динамики двойного электрического слоя на границе раздела твердое тело/твердый электролит. Исследователи демонстрируют беспрецедентный контроль скорости отклика более чем на два порядка, что является важным шагом на пути к созданию коммерческих полностью твердотельных батарей.

Полностью твердотельные литий-ионные аккумуляторы (ASS-LIB) открывают большие перспективы. Ожидается, что ASS-LIB будут использоваться в широком спектре применений, включая электромобили (EV). Однако коммерческое применение этих батарей в настоящее время сталкивается с узким местом — их производительность снижается из-за высокого поверхностного сопротивления. Более того, точный механизм этого поверхностного сопротивления до сих пор неизвестен. Исследователи связали это с явлением, называемым эффектом «двойного электрического слоя» (или EDL), наблюдаемым в коллоидных веществах (которые представляют собой микроскопические дисперсии частиц одного типа в другом веществе).

Эффект ДЭС возникает, когда коллоидные частицы приобретают отрицательный электрический заряд за счет адсорбции на своей поверхности отрицательно заряженных ионов дисперсионной среды. «Это происходит на границе раздела твердый/твердый электролит, создавая проблему для полностью твердотельных литиевых батарей», — объяснил доктор Тору Хигучи, доцент Токийского научного университета (TUS). Доктор Хигучи вместе с коллегами доктором Макото Такаянаги из TUS, а также доктором Такаши Цучия и доктором Казуя Терабе из Национального института материаловедения в Японии разработали новый метод количественной оценки эффекта EDL в твердом/твердом электролите. интерфейс.

Статья, подробно описывающая их технику, была опубликована в 31-м томе журнала Materials Today Physics. Исследователи использовали полностью твердотельный EDL-транзистор (EDLT) на основе алмаза с водородным окончанием (H-алмаз) для проведения измерений Холла и измерений импульсного отклика, которые определяли характеристики зарядки EDL. Вставив промежуточный слой из ниобата лития или фосфата лития нанометровой толщины между H-алмазом и твердым электролитом лития, команда могла исследовать электрический отклик эффекта EDL на границе между этими двумя слоями.

Состав электролита действительно влиял на эффект ДЭС в небольшой области вокруг границы раздела электродов. Эффект EDL уменьшался, когда определенный электролит вводился в качестве промежуточного слоя между границей раздела электрод/твердый электролит. Емкость EDL для интерфейса фосфат лития/H-алмаз была намного выше по сравнению с интерфейсом ниобат лития/H-алмаз.

В их статье также объясняется, как они улучшили время отклика на переключение для зарядки ASS-EDL. «Было показано, что EDL влияет на свойства переключения, поэтому мы посчитали, что время отклика на переключение для зарядки ASS-EDL можно значительно улучшить, контролируя емкость EDL. Мы использовали свойство алмаза, не проницаемое для ионов, в электронных слой полевого транзистора и объединил его с различными литиевыми проводниками», — сказал доктор Хигучи.

Промежуточный слой ускорял и замедлял скорость зарядки EDL. Время электрического отклика EDLT сильно варьировалось — оно варьировалось от примерно 60 миллисекунд (низкоскоростное переключение для интерфейса фосфат лития/H-алмаз) до примерно 230 микросекунд (высокоскоростное переключение для интерфейса ниобат лития/H-алмаз). Однако команда продемонстрировала контроль над скоростью зарядки EDL более чем на два порядка.

Таким образом, исследователям удалось добиться модуляции несущей в полностью твердотельных устройствах и улучшить их характеристики зарядки. «Эти результаты наших исследований литий-ионного проводящего слоя важны для улучшения сопротивления интерфейса и могут привести к созданию всех твердотельных батарей с отличными зарядно-разрядными характеристиками в будущем», — добавил доктор Хигучи.