Однако ключевой проблемой этих аккумуляторов является высокое сопротивление на границе раздела электролит-электрод, которое снижает выходную мощность полностью твердотельных аккумуляторов и предотвращает их быструю зарядку. Одним из обсуждаемых механизмов такого высокого интерфейсного сопротивления является эффект двойного электрического слоя (EDL), который включает сбор заряженных ионов из электролита на границе раздела с электродом.
Это создает слой положительного или отрицательного заряда, который, в свою очередь, заставляет заряд противоположного знака накапливаться по всему электроду с одинаковой плотностью, создавая двойной слой зарядов. Проблема с обнаружением и измерением EDL в полностью твердотельных батареях заключается в том, что традиционные методы электрохимического анализа не позволяют решить эту проблему.
В Токийском университете науки, Япония, ученые под руководством доцента Тору Хигучи решили эту загадку, используя совершенно новую методологию оценки эффекта EDL в твердых электролитах полностью твердотельных батарей. Это исследование, опубликованное в Интернете в журнале Nature’s Communications Chemistry, было проведено в сотрудничестве с Такаши Цутия, главным научным сотрудником Международного центра наноархитектоники материалов (MANA), Национальный институт материаловедения, Япония, и Казуей Терабе, главным исследователем MANA в той же организации.
Новый метод основан на полевых транзисторах (FET), изготовленных с использованием гидрогенизированного алмаза и твердого электролита на основе лития. Полевые транзисторы представляют собой трехконтактный транзистор, в котором ток между электродами истока и стока можно регулировать, прикладывая напряжение к электроду затвора.
Это напряжение, благодаря электрическому полю, создаваемому в полупроводниковой области полевого транзистора, контролирует плотность электронов или дырок («электронные вакансии» с положительным зарядом). Используя эти характеристики и химически инертные алмазные каналы, ученые исключили эффекты химического восстановления и окисления, влияющие на проводимость канала, оставив в качестве необходимой причины только электростатические заряды, накопленные благодаря эффекту EDL.
Соответственно, ученые провели измерения эффекта Холла, чувствительные к носителям заряда только на поверхности материалов, на алмазных электродах. Они использовали различные типы электролитов на основе лития и исследовали, как их состав влияет на EDL.
В ходе своего анализа они выявили важный аспект эффекта EDL: в нем преобладает состав электролита в непосредственной близости от границы раздела (около пяти нанометров в толщину). Эффект EDL может быть подавлен на несколько порядков, если материал электролита допускает реакции окисления-восстановления, которые сменяются компенсацией заряда. «Наша новая методика оказалась полезной для выявления аспектов поведения EDL вблизи границ раздела твердых электролитов и помогла прояснить влияние характеристик интерфейса на производительность твердотельных литий-ионных аккумуляторов и других ионных устройств», – подчеркивает доктор. Хигучи.
Теперь команда планирует использовать свой метод для анализа эффекта EDL в других электролитных материалах, надеясь найти подсказки о том, как уменьшить межфазное сопротивление в батареях следующего поколения. «Мы надеемся, что наш подход приведет к разработке полностью твердотельных батарей с очень высокими характеристиками в будущем», – заключает д-р. Хигучи. Более того, лучшее понимание EDL также поможет в разработке конденсаторов, датчиков, запоминающих устройств и устройств связи.
Будем надеяться, что изучение этого сложного явления станет проще для других ученых, так что область твердотельных ионных устройств продолжает развиваться.