Vooruitgang in lithium-ion (Li-ion) batterijen heeft allerlei draagbare apparaten mogelijk gemaakt en de groei van elektronica aangewakkerd. Echter, de intrinsieke nadelen van conventionele Li-ion batterijen, waarvan de cellen een vloeibare elektrolytoplossing gebruiken, maken ze niet helemaal geschikt voor langverwachte toepassingen zoals elektrische voertuigen. Deze beperkingen omvatten beperkte duurzaamheid, lage capaciteit, veiligheid problemen, en bezorgdheid over het milieu over hun toxiciteit en koolstofvoetafdruk. Gelukkig, wetenschappers richten zich nu op de volgende generatie oplossing voor al deze problemen:volledig solid-state batterijen. Het gebruik van een vaste elektrolyt maakt dit type batterijen veiliger en in staat om een ​​grotere vermogensdichtheid te behouden.

Echter, een belangrijk probleem van deze batterijen is de hoge weerstand die wordt aangetroffen op de elektrolyt-elektrode-interface, die de output van volledig solid-state batterijen vermindert en voorkomt dat ze snel worden opgeladen. Een besproken mechanisme achter deze hoge interfaceweerstand is het elektrisch dubbellaags (EDL) effect, waarbij geladen ionen uit een elektrolyt op het grensvlak met een elektrode worden verzameld. Dit produceert een laag van positieve of negatieve lading, die er op zijn beurt voor zorgt dat de lading van het tegenovergestelde teken zich ophoopt over de hele elektrode met een gelijke dichtheid, het creëren van een dubbele ladingslaag. Het probleem met het detecteren en meten van de EDL in volledig solid-state batterijen is dat conventionele elektrochemische analysemethoden het niet halen.

Aan de Tokyo University of Science, Japan, wetenschappers onder leiding van universitair hoofddocent Tohru Higuchi hebben dit raadsel opgelost met behulp van een geheel nieuwe methode voor het beoordelen van het EDL-effect in vaste elektrolyten van volledig vaste-stofbatterijen. Deze studie, online gepubliceerd in Nature's Communicatiechemie , werd uitgevoerd in samenwerking met Takashi Tsuchiya, Hoofdonderzoeker bij het International Centre for Materials Nanoarchitectonics (MANA), Nationaal Instituut voor Materiaalkunde, Japan, en Kazuya Terabe, MANA Principal Investigator bij dezelfde organisatie.

De nieuwe methode draait om veldeffecttransistors (FET's) gemaakt met gehydrogeneerde diamant en een vast op Li gebaseerd elektrolyt. FET's zijn een transistor met drie aansluitingen waarin de stroom tussen de source- en drain-elektroden kan worden geregeld door een spanning aan te leggen op de gate-elektrode. Deze spanning, dankzij het elektrische veld dat wordt gegenereerd in het halfgeleidergebied van de FET, regelt de dichtheid van elektronen of gaten ('elektronvacatures' met een positieve lading). Door deze eigenschappen te benutten en chemisch inerte diamantkanalen te gebruiken, de wetenschappers sloten chemische reductie-oxidatie-effecten uit die de geleidbaarheid van het kanaal beïnvloeden, waardoor alleen de elektrostatische ladingen die dankzij het EDL-effect zijn opgehoopt, de noodzakelijke oorzaak zijn.

Overeenkomstig, de wetenschappers voerden Hall-effectmetingen uit, die alleen op het oppervlak van materialen gevoelig zijn voor geladen dragers, op de diamantelektroden. Ze gebruikten verschillende soorten op Li gebaseerde elektrolyten en onderzochten hoe hun samenstelling de EDL beïnvloedde. Door hun analyses ze onthulden een belangrijk aspect van het EDL-effect:het wordt gedomineerd door de samenstelling van het elektrolyt in de onmiddellijke nabijheid van het grensvlak (ongeveer vijf nanometer dik). Het EDL-effect kan met verschillende grootteordes worden onderdrukt als het elektrolytmateriaal reductie-oxidatiereacties mogelijk maakt die plaats maken voor ladingscompensatie. "Onze nieuwe techniek bleek nuttig voor het onthullen van aspecten van EDL-gedrag in de buurt van vaste elektrolytinterfaces en hielp bij het verduidelijken van de effecten van interfacekenmerken op de prestaties van volledig solid-state Li-ion-batterijen en andere ionische apparaten, " benadrukt Dr. Higuchi.

Het team is nu van plan om hun methode te gebruiken om het EDL-effect in andere elektrolytmaterialen te analyseren. in de hoop aanwijzingen te vinden over het verminderen van de grensvlakweerstand in batterijen van de volgende generatie. "We hopen dat onze aanpak in de toekomst zal leiden tot de ontwikkeling van volledig solid-state batterijen met zeer hoge prestaties, " concludeert Dr. Higuchi. Bovendien, een beter begrip van de EDL zal ook helpen bij de ontwikkeling van condensatoren, sensoren, en geheugen- en communicatieapparatuur. Laten we hopen dat het verkennen van dit complexe fenomeen gemakkelijker wordt voor andere wetenschappers, zodat het veld van solid-state ionische apparaten blijft vorderen.