更好的固态电池需要考虑双电层效应

电解质的成分在开发最小化电极界面电荷的固态电池至关重要。

固态锂电池是将液体电解液替换成聚合物固体或陶瓷固体。固态锂电池展示了未来前景,将电动汽车(EV)的续航里程与安全性作为下一个目标。与目前的石墨阳极(负极)相比,固态电解质由锂金属薄片构成,可以显著提升电池的能量密度。

固态电解质的关键问题之一是电解质与电极界面接口处的高电阻。接口处的高电阻不仅会减少所有固态电池的放电,而且还会影响充电速度。根据东京理科大学(Tokyo University of Science)研究人员分析,这种高界面电阻的背后是双电层(EDL)效应。双电层在电极界面处从电解质收集带电离子,产生带正电或带负电的层,然后导致相反符号的电荷在整个电极中累积,从而产生双层电荷。

传统的电化学分析方法难以检测和测量固态电池中的双电层。日本东京理科大学研究人员开发了一种全新的方法来评估固态电解质的双电层效应。这项研究是在国际材料纳米结构中心(MANA)与日本国家材料科学研究所(National Institute for Materials Science, Japan)的协助下进行的。

金刚石晶体管

更好的固态电池需要考虑双电层效应

根据东京理科大学的新闻发布:新方法是围绕场效应晶体管(FET)进行,使用氢化金刚石和固态锂基电解质制成。场效应晶体管是三端晶体管,源极和漏极之间的电流可以通过栅极上施加电压来控制。由于场效应晶体管半导体区域产生的电场,该电压可以控制电子密度或带正电荷的电子空位的密度。

利用这些特性和化学惰性金刚石通道,研究人员排除改变通道导电行化学氧化还原反应,只留下双电层效应累积的静电电荷。科学家们随后进行了霍尔效应(Hall Effect)测量,霍尔效应只对材料表面的带电载流子比较敏感,可以在金刚石电极上测定双电层的范围。研究团队使用不同种类的锂基电解质来观察成分的变化是如何影响双电层的。根据研究团队分析,双电层效应主要由界面附近的电解质成分决定(厚度约为5纳米)。

控制双电层

该研究团队还发表了如果电解质材料可以完成氧化还原反应,则双电层效应或被压制。东京大学研究小组组长Tohru Higuchi说:“我们的新技术证明了固态电解质界面附近的双电层行为,并有助于阐明界面特性对所有固态锂离子电池和其他离子电池性能的影响。”

该研究团队现在计划使用新方法来分析其他电解质材料的双电层效应,希望可以找到如何降低下一代电池界面电阻的线索。Higuchi说:“希望我们的新方法可以在未来带领所有固态电池的高性能发展。”该研究团队指出,更好的了解双电层也将有助于电容器、传感器和其他存储和通信设备的开发。

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

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