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全固態(tài)電池的安全性、耐用性和容量都得到了提高，預(yù)計(jì)將用液體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池。然而，電雙層效應(yīng)被認(rèn)為是一種阻礙電池性能的現(xiàn)象，而且很難測(cè)量。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們開發(fā)了一種新的方法，利用基于金剛石的場(chǎng)效應(yīng)晶體管來探索EDL，為更好的固態(tài)離子器件和電池鋪平了道路。
鋰離子電池的發(fā)展使各種便攜設(shè)備成為可能，并推動(dòng)了電子行業(yè)的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池使用液態(tài)電解質(zhì)溶液，其固有的缺點(diǎn)使其不完全適合期待已久的應(yīng)用，如電動(dòng)汽車。這些限制包括有限的耐久性，低容量，安全問題，以及關(guān)于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。使用固體電解質(zhì)使這種類型的電池更安全，能夠保持更大的功率密度。
然而，這些電池的一個(gè)關(guān)鍵問題是在電解質(zhì)-電極界面發(fā)現(xiàn)的高電阻，這降低了全固態(tài)電池的輸出，阻止了它們快速充電。這種高界面電阻背后的一個(gè)被討論的機(jī)制是電雙層(EDL)效應(yīng)，它涉及電解液中帶電離子在與電極的界面上的聚集。這就產(chǎn)生了一層正電荷或負(fù)電荷，這反過來又會(huì)導(dǎo)致負(fù)號(hào)相反的電荷以相同的密度在整個(gè)電極上聚集，形成雙層電荷層。在全固態(tài)電池中檢測(cè)和測(cè)量EDL的問題是傳統(tǒng)的電化學(xué)分析方法無法實(shí)現(xiàn)。
在日本東京科學(xué)大學(xué)，由副教授Tohru Higuchi領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們已經(jīng)解決了這個(gè)難題，他們使用了一種全新的方法來評(píng)估全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中的EDL效應(yīng)。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊化學(xué)》的網(wǎng)站上，是與日本國家材料科學(xué)研究所國際材料納米結(jié)構(gòu)中心(MANA)的首席研究員Takashi Tsuchiya和同一組織的MANA首席研究員Kazuya Terabe合作進(jìn)行的。
這種新方法圍繞著用氫化金剛石和固態(tài)鋰基電解質(zhì)制成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)展開。fet是一種三端晶體管，其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半導(dǎo)體區(qū)域產(chǎn)生的電場(chǎng)，這個(gè)電壓控制著電子或空穴(帶正電荷的“電子空穴”)的密度。通過利用這些特性并使用化學(xué)惰性的鉆石通道，科學(xué)家們排除了影響通道電導(dǎo)率的化學(xué)還原-氧化效應(yīng)，只留下由于EDL效應(yīng)積累的靜電電荷作為必要原因。
因此，科學(xué)家們對(duì)金剛石電極上的霍爾效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量，霍爾效應(yīng)只對(duì)材料表面的帶電載流子敏感。他們使用了不同類型的鋰基電解質(zhì)，并研究了其組成對(duì)EDL的影響。通過他們的分析，他們揭示了EDL效應(yīng)的一個(gè)重要方面:它由界面附近(大約5納米厚度)的電解質(zhì)組成主導(dǎo)。如果電解質(zhì)材料允許還原-氧化反應(yīng)讓路給電荷補(bǔ)償，EDL效應(yīng)可以被抑制幾個(gè)數(shù)量級(jí)。Higuchi博士強(qiáng)調(diào)說:“我們的新技術(shù)被證明在揭示固體電解質(zhì)界面附近EDL行為方面是有用的，并有助于澄清界面特性對(duì)全固態(tài)鋰離子電池和其他離子器件性能的影響。”
該研究小組現(xiàn)在計(jì)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能在未來引領(lǐng)高性能全固態(tài)電池的發(fā)展，”Higuchi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(chǔ)器和通信設(shè)備的開發(fā)。希望其他科學(xué)家能更容易地探索這一復(fù)雜的現(xiàn)象，從而使固態(tài)離子器件領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。
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