Framsteg inom litium-jon (Li-ion) batterier har gjort alla möjliga bärbara enheter möjliga och drivit tillväxten av elektronik. Dock, de inneboende nackdelarna med konventionella Li-ion-batterier, vars celler använder en flytande elektrolytlösning, gör dem inte helt lämpliga för efterlängtade tillämpningar som elfordon. Dessa begränsningar inkluderar begränsad hållbarhet, låg kapacitet, säkerhetsfrågor, och miljöproblem om deras toxicitet och koldioxidavtryck. Lyckligtvis, forskare fokuserar nu på nästa generations lösning på alla dessa problem:helsolid-state-batterier. Användningen av en fast elektrolyt gör denna typ av batterier säkrare och kan hålla en större effekttäthet.

Dock, en nyckelfråga för dessa batterier är det höga motståndet som finns vid gränssnittet mellan elektrolyt och elektrod, vilket minskar uteffekten av helsolid-state-batterier och förhindrar att de laddas snabbt. En diskuterad mekanism bakom detta höga gränssnittsmotstånd är den elektriska dubbelskiktseffekten (EDL), som involverar insamling av laddade joner från en elektrolyt vid gränsytan med en elektrod. Detta producerar ett lager av positiv eller negativ laddning, vilket i sin tur gör att laddning av motsatt tecken ackumuleras genom elektroden med samma täthet, skapar ett dubbelt lager av laddningar. Problemet med att upptäcka och mäta EDL i helsolid-state-batterier är att konventionella elektrokemiska analysmetoder inte klarar av.

Vid Tokyo University of Science, Japan, forskare under ledning av docent Tohru Higuchi har löst denna gåta med hjälp av en helt ny metod för att bedöma EDL-effekten i fasta elektrolyter från helsolid-state-batterier. Den här studien, publiceras online i Nature's Kommunikationskemi , genomfördes i samarbete med Takashi Tsuchiya, Huvudforskare vid International Centre for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science, Japan, och Kazuya Terabe, MANA Huvudutredare vid samma organisation.

Den nya metoden kretsar kring fälteffekttransistorer (FET) tillverkade av hydrerad diamant och en solid Li-baserad elektrolyt. FET:er är en transistor med tre terminaler i vilken strömmen mellan source- och drain-elektroderna kan styras genom att applicera en spänning på gate-elektroden. Denna spänning, tack vare det elektriska fältet som genereras i halvledarområdet på FET, styr tätheten av elektroner eller hål ('elektronvakanser' med positiv laddning). Genom att utnyttja dessa egenskaper och använda kemiskt inerta diamantkanaler, forskarna uteslöt kemiska reduktions-oxidationseffekter som påverkar kanalens konduktivitet, lämnar endast de elektrostatiska laddningarna ackumulerade tack vare EDL-effekten som nödvändig orsak.

Följaktligen, forskarna utförde Hall-effektmätningar, som är känsliga för laddade bärare endast på ytan av material, på diamantelektroderna. De använde olika typer av Li-baserade elektrolyter och undersökte hur deras sammansättning påverkade EDL. Genom sina analyser, de avslöjade en viktig aspekt av EDL-effekten:den domineras av elektrolytens sammansättning i omedelbar närhet av gränsytan (cirka fem nanometer i tjocklek). EDL-effekten kan undertryckas i flera storleksordningar om elektrolytmaterialet tillåter reduktion-oxidationsreaktioner som ger vika för laddningskompensation. "Vår nya teknik visade sig användbar för att avslöja aspekter av EDL-beteende i närheten av fasta elektrolytgränssnitt och hjälpte till att klargöra effekterna av gränssnittsegenskaper på prestandan hos hel-solid-state Li-ion-batterier och andra joniska enheter, " framhäver Dr Higuchi.

Teamet planerar nu att använda sin metod för att analysera EDL-effekten i andra elektrolytmaterial, i hopp om att hitta ledtrådar om hur man kan minska gränssnittsmotståndet i nästa generations batterier. "Vi hoppas att vårt tillvägagångssätt kommer att leda till utvecklingen av helsolid-state-batterier med mycket hög prestanda i framtiden, " avslutar Dr. Higuchi. Dessutom, att förstå EDL bättre kommer också att hjälpa till vid utvecklingen av kondensatorer, sensorer, och minnes- och kommunikationsenheter. Låt oss hoppas att det blir lättare för andra forskare att utforska detta komplexa fenomen så att området för joniska enheter i fast tillstånd fortsätter att utvecklas.