Ny måde at undersøge den elektriske dobbeltlagseffekt på

Fremskridt inden for lithium-ion (Li-ion) batterier har gjort alle mulige bærbare enheder mulige og fremmet væksten af ​​elektronik. Imidlertid, de iboende ulemper ved konventionelle Li-ion batterier, hvis celler bruger en flydende elektrolytopløsning, gør dem ikke helt egnede til længe ventede anvendelser som elbiler. Disse begrænsninger omfatter begrænset holdbarhed, lav kapacitet, sikkerhedsspørgsmål, og miljømæssige bekymringer om deres toksicitet og CO2-fodaftryk. Heldigvis, videnskabsmænd fokuserer nu på næste generations løsning på alle disse problemer:hel-solid-state batterier. Brugen af ​​en fast elektrolyt gør denne type batterier sikrere og i stand til at holde en større effekttæthed.

Imidlertid, et nøgleproblem ved disse batterier er den høje modstand, der findes ved grænsefladen mellem elektrolyt og elektrode, hvilket reducerer ydelsen af ​​hel-solid-state batterier og forhindrer dem i at blive opladet hurtigt. En diskuteret mekanisme bag denne høje grænseflademodstand er den elektriske dobbeltlags (EDL) effekt, som involverer opsamling af ladede ioner fra en elektrolyt ved grænsefladen med en elektrode. Dette producerer et lag af positiv eller negativ ladning, hvilket igen får ladningen af ​​det modsatte fortegn til at akkumulere gennem elektroden med ens tæthed, skabe et dobbelt lag af ladninger. Problemet med at detektere og måle EDL i hel-solid-state batterier er, at konventionelle elektrokemiske analysemetoder ikke klarer snittet.

På Tokyo University of Science, Japan, videnskabsmænd ledet af lektor Tohru Higuchi har løst denne gåde ved hjælp af en helt ny metode til at vurdere EDL-effekten i faste elektrolytter af faststofbatterier. Dette studie, offentliggjort online i Nature's Kommunikationskemi , blev udført i samarbejde med Takashi Tsuchiya, Hovedforsker ved International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science, Japan, og Kazuya Terabe, MANA Principal Investigator i samme organisation.

Den nye metode drejer sig om felteffekttransistorer (FET'er) fremstillet ved hjælp af hydrogeneret diamant og en solid Li-baseret elektrolyt. FET'er er en tre-terminal transistor, hvor strømmen mellem source- og drain-elektroderne kan styres ved at påføre en spænding ved gate-elektroden. Denne spænding, takket være det elektriske felt genereret i halvlederområdet af FET, styrer tætheden af ​​elektroner eller huller ('elektrontomgange' med en positiv ladning). Ved at udnytte disse egenskaber og bruge kemisk inerte diamantkanaler, forskerne udelukkede kemiske reduktion-oxidationseffekter, der påvirker kanalens ledningsevne, efterlader kun de elektrostatiske ladninger akkumuleret takket være EDL-effekten som den nødvendige årsag.

Derfor, forskerne udførte Hall-effektmålinger, som kun er følsomme over for ladede bærere på overfladen af ​​materialer, på diamantelektroderne. De brugte forskellige typer Li-baserede elektrolytter og undersøgte, hvordan deres sammensætning påvirkede EDL. Gennem deres analyser, de afslørede et vigtigt aspekt af EDL-effekten:den domineres af elektrolyttens sammensætning i umiddelbar nærhed af grænsefladen (ca. fem nanometer i tykkelse). EDL-effekten kan undertrykkes af flere størrelsesordener, hvis elektrolytmaterialet tillader reduktion-oxidationsreaktioner, der giver plads til ladningskompensation. "Vores nye teknik viste sig at være nyttig til at afsløre aspekter af EDL-adfærd i nærheden af ​​faste elektrolytgrænseflader og hjalp med at tydeliggøre virkningerne af grænsefladekarakteristika på ydeevnen af ​​hel-solid-state Li-ion-batterier og andre ioniske enheder, " fremhæver Dr. Higuchi.

Holdet planlægger nu at bruge deres metode til at analysere EDL-effekten i andre elektrolytmaterialer, i håb om at finde spor til, hvordan man kan reducere grænseflademodstanden i næste generations batterier. "Vi håber, at vores tilgang vil føre til udviklingen af ​​hel-solid-state batterier med meget høj ydeevne i fremtiden, " slutter Dr. Higuchi. Desuden, at forstå EDL bedre vil også hjælpe med udviklingen af ​​kondensatorer, sensorer, og hukommelses- og kommunikationsenheder. Lad os håbe, at det bliver nemmere for andre forskere at udforske dette komplekse fænomen, så feltet med ioniske enheder i fast tilstand bliver ved med at udvikle sig.