全固态电池要"上位"？研究人员解决固体电解质中的 EDL 效应难题

锂离子（Li-ion）电池的进步使各种便携式设备变得可行，并推动了电子产品的发展。然而，传统锂离子电池的内在缺点，其电池使用液体电解质溶液，使其不完全适合电动汽车等备受期待的应用。这些限制包括有限的耐用性、低容量、安全问题以及对其毒性和碳足迹的环境问题。幸运的是，科学家们现在正专注于解决所有这些问题的下一代解决方案：全固态电池。固体电解质的使用使这种类型的电池更安全，并能够保持更大的功率密度。

然而，这些电池的一个关键问题是电解质-电极界面处的高电阻，这会降低全固态电池的输出并阻止它们快速充电。这种高界面电阻背后的一个讨论机制是双电层(EDL)效应，它涉及在与电极的界面处从电解质中收集带电离子。这会产生一层正电荷或负电荷，进而导致相反符号的电荷以相等的密度在整个电极上累积，从而形成双层电荷。检测和测量全固态电池中的EDL的问题在于，传统的电化学分析方法无法解决问题。

在日本东京理科大学，由TohruHiguchi副教授领导的科学家们使用一种全新的方法来评估全固态电池的固体电解质中的EDL效应，从而解决了这个难题。这项研究在线发表在Nature'sCommunicationsChemistry上，是与日本国立材料科学研究所国际材料纳米结构中心(MANA)首席研究员TakashiTsuchiya和同一组织的MANA首席研究员KazuyaTerabe合作进行的.

新方法围绕使用氢化金刚石和固体锂基电解质制成的场效应晶体管(FET)展开。FET是一种三端晶体管，其中源极和漏极之间的电流可以通过在栅极上施加电压来控制。由于FET的半导体区域中产生的电场，该电压控制电子或空穴（带正电荷的“电子空位”）的密度。通过利用这些特性并使用化学惰性的金刚石通道，科学家们排除了影响通道导电性的化学还原氧化效应，只留下由于EDL效应积累的静电荷作为必要原因。

因此，科学家们在金刚石电极上进行了霍尔效应测量，该测量仅对材料表面上的带电载流子敏感。他们使用了不同类型的锂基电解质，并研究了它们的成分如何影响EDL。通过他们的分析，他们揭示了EDL效应的一个重要方面：它由界面附近（约5纳米厚）的电解质组成决定。如果电解质材料允许发生电荷补偿的还原-氧化反应，则EDL效应可以被抑制几个数量级。

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该团队现在计划用他们的方法来分析其他电解质材料中的EDL效应，希望找到有关如何降低下一代电池界面电阻的线索。我们希望我们的方法将导致未来具有非常高性能的全固态电池的开发，樋口博士总结道。此外，更好地理解EDL也将有助于电容器、传感器、存储器和通信设备的开发。让我们希望其他科学家能够更轻松地探索这种复杂的现象，从而使固态离子器件领域不断进步。