鋰離子（Li-ion）電池的進(jìn)步使各種便攜式設(shè)備變得可行，并推動了電子產(chǎn)品的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池的內(nèi)在缺點(diǎn)，其電池使用液體電解質(zhì)溶液，使其不完全適合電動汽車等備受期待的應(yīng)用。這些限制包括有限的耐用性、低容量、安全問題以及對其毒性和碳足跡的環(huán)境問題。幸運(yùn)的是，科學(xué)家們現(xiàn)在正專注于解決所有這些問題的下一代解決方案：全固態(tài)電池。固體電解質(zhì)的使用使這種類型的電池更安全，并能夠保持更大的功率密度。

然而，這些電池的一個關(guān)鍵問題是電解質(zhì)-電極界面處的高電阻，這會降低全固態(tài)電池的輸出并阻止它們快速充電。這種高界面電阻背后的一個討論機(jī)制是雙電層(EDL)效應(yīng)，它涉及在與電極的界面處從電解質(zhì)中收集帶電離子。這會產(chǎn)生一層正電荷或負(fù)電荷，進(jìn)而導(dǎo)致相反符號的電荷以相等的密度在整個電極上累積，從而形成雙層電荷。檢測和測量全固態(tài)電池中的EDL的問題在于，傳統(tǒng)的電化學(xué)分析方法無法解決問題。

在日本東京理科大學(xué)，由TohruHiguchi副教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們使用一種全新的方法來評估全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中的EDL效應(yīng)，從而解決了這個難題。這項研究在線發(fā)表在Nature'sCommunicationsChemistry上，是與日本國立材料科學(xué)研究所國際材料納米結(jié)構(gòu)中心(MANA)首席研究員TakashiTsuchiya和同一組織的MANA首席研究員KazuyaTerabe合作進(jìn)行的.

新方法圍繞使用氫化金剛石和固體鋰基電解質(zhì)制成的場效應(yīng)晶體管(FET)展開。FET是一種三端晶體管，其中源極和漏極之間的電流可以通過在柵極上施加電壓來控制。由于FET的半導(dǎo)體區(qū)域中產(chǎn)生的電場，該電壓控制電子或空穴（帶正電荷的“電子空位”）的密度。通過利用這些特性并使用化學(xué)惰性的金剛石通道，科學(xué)家們排除了影響通道導(dǎo)電性的化學(xué)還原氧化效應(yīng)，只留下由于EDL效應(yīng)積累的靜電荷作為必要原因。

因此，科學(xué)家們在金剛石電極上進(jìn)行了霍爾效應(yīng)測量，該測量僅對材料表面上的帶電載流子敏感。他們使用了不同類型的鋰基電解質(zhì)，并研究了它們的成分如何影響EDL。通過他們的分析，他們揭示了EDL效應(yīng)的一個重要方面：它由界面附近（約5納米厚）的電解質(zhì)組成決定。如果電解質(zhì)材料允許發(fā)生電荷補(bǔ)償?shù)倪€原-氧化反應(yīng)，則EDL效應(yīng)可以被抑制幾個數(shù)量級。

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該團(tuán)隊現(xiàn)在計劃用他們的方法來分析其他電解質(zhì)材料中的EDL效應(yīng)，希望找到有關(guān)如何降低下一代電池界面電阻的線索。我們希望我們的方法將導(dǎo)致未來具有非常高性能的全固態(tài)電池的開發(fā)，樋口博士總結(jié)道。此外，更好地理解EDL也將有助于電容器、傳感器、存儲器和通信設(shè)備的開發(fā)。讓我們希望其他科學(xué)家能夠更輕松地探索這種復(fù)雜的現(xiàn)象，從而使固態(tài)離子器件領(lǐng)域不斷進(jìn)步。