電解質(zhì)的成分在開發(fā)最小化電極界面電荷的固態(tài)電池至關(guān)重要。
固態(tài)鋰電池是將液體電解液替換成聚合物固體或陶瓷固體。固態(tài)鋰電池展示了未來前景，將電動汽車（EV）的續(xù)航里程與安全性作為下一個目標(biāo)。與目前的石墨陽極（負(fù)極）相比，固態(tài)電解質(zhì)由鋰金屬薄片構(gòu)成，可以顯著提升電池的能量密度。
固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵問題之一是電解質(zhì)與電極界面接口處的高電阻。接口處的高電阻不僅會減少所有固態(tài)電池的放電，而且還會影響充電速度。根據(jù)東京理科大學(xué)（Tokyo University of Science）研究人員分析，這種高界面電阻的背后是雙電層（EDL）效應(yīng)。雙電層在電極界面處從電解質(zhì)收集帶電離子，產(chǎn)生帶正電或帶負(fù)電的層，然后導(dǎo)致相反符號的電荷在整個電極中累積，從而產(chǎn)生雙層電荷。
傳統(tǒng)的電化學(xué)分析方法難以檢測和測量固態(tài)電池中的雙電層。日本東京理科大學(xué)研究人員開發(fā)了一種全新的方法來評估固態(tài)電解質(zhì)的雙電層效應(yīng)。這項研究是在國際材料納米結(jié)構(gòu)中心（MANA）與日本國家材料科學(xué)研究所（National Institute for Materials Science, Japan）的協(xié)助下進(jìn)行的。
金剛石晶體管
根據(jù)東京理科大學(xué)的新聞發(fā)布：新方法是圍繞場效應(yīng)晶體管（FET）進(jìn)行，使用氫化金剛石和固態(tài)鋰基電解質(zhì)制成。場效應(yīng)晶體管是三端晶體管，源極和漏極之間的電流可以通過柵極上施加電壓來控制。由于場效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體區(qū)域產(chǎn)生的電場，該電壓可以控制電子密度或帶正電荷的電子空位的密度。
利用這些特性和化學(xué)惰性金剛石通道，研究人員排除改變通道導(dǎo)電行化學(xué)氧化還原反應(yīng)，只留下雙電層效應(yīng)累積的靜電電荷。科學(xué)家們隨后進(jìn)行了霍爾效應(yīng)（Hall Effect）測量，霍爾效應(yīng)只對材料表面的帶電載流子比較敏感，可以在金剛石電極上測定雙電層的范圍。研究團(tuán)隊使用不同種類的鋰基電解質(zhì)來觀察成分的變化是如何影響雙電層的。根據(jù)研究團(tuán)隊分析，雙電層效應(yīng)主要由界面附近的電解質(zhì)成分決定（厚度約為5納米）。
控制雙電層
該研究團(tuán)隊還發(fā)表了如果電解質(zhì)材料可以完成氧化還原反應(yīng)，則雙電層效應(yīng)或被壓制。東京大學(xué)研究小組組長Tohru Higuchi說：“我們的新技術(shù)證明了固態(tài)電解質(zhì)界面附近的雙電層行為，并有助于闡明界面特性對所有固態(tài)鋰離子電池和其他離子電池性能的影響。”
該研究團(tuán)隊現(xiàn)在計劃使用新方法來分析其他電解質(zhì)材料的雙電層效應(yīng)，希望可以找到如何降低下一代電池界面電阻的線索。Higuchi說：“希望我們的新方法可以在未來帶領(lǐng)所有固態(tài)電池的高性能發(fā)展?！痹撗芯繄F(tuán)隊指出，更好的了解雙電層也將有助于電容器、傳感器和其他存儲和通信設(shè)備的開發(fā)。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯
