Изследователи от Токийския университет на науката демонстрираха безпрецедентен контрол на скоростта на реакция с над два порядъка в твърда батерия. Това е основна стъпка към реализацията на търговски изцяло твърдотелни батерии.
Високото повърхностно съпротивление на твърдотелни батерии причинява тези батерии да имат ниска мощност, което ограничава техните приложения. Изследователите са използвали нова техника за изследване и модулиране на динамиката на двоен електрически слой в интерфейса твърд/твърд електролит. Постижението е носеща модулация и подобрен контрол на скоростта на реакция на превключване в тези батерии.
Докладът, описващ подробно тяхната техника, беше публикуван в том 31 на Materials Today Physics.
Търсенето на чиста енергия и въглеродна неутралност, изцяло твърдотелни литиево-йонни батерии (ASS-LIB) предлага значителни обещания. Очаква се ASS-LIB да се използват в широк спектър от приложения, включително електрически превозни средства (EV). Въпреки това, търговското приложение на тези батерии в момента е изправено пред затруднение – тяхната мощност е намалена поради високата им повърхностна устойчивост. Освен това точният механизъм на това повърхностно съпротивление досега е неизвестен. Изследователите го споменават за феномен, наречен „ефект на двоен електрически слой“ (или EDL), наблюдаван в колоидни вещества (които са микроскопични дисперсии на един вид частици в друго вещество).
EDL ефектът възниква, когато колоидните частици придобият отрицателен електрически заряд чрез адсорбиране на отрицателно заредените йони на дисперсионната среда върху тяхната повърхност.
Д-р Тору Хигучи, доцент в Токийския научен университет (TUS) обясни: „Това се случва на интерфейса твърдо/твърдо електролитно вещество, създавайки проблем при изцяло твърдотелни литиеви батерии.“
Д-р Higuchi, заедно с колегите си д-р Makoto Takayanagi от TUS и д-р Takashi Tsuchiya и д-р Kazuya Terabe от Националния институт за материалознание в Япония, са разработили нова техника за количествена оценка на EDL ефекта при твърдия/твърдия електролит интерфейс.
Изследователите са използвали EDL транзистор (EDLT), базиран на изцяло твърдо състояние с водороден край (H-диамант), за провеждане на измервания на Хол и измервания на импулсната реакция, които определят характеристиките на зареждане на EDL. Чрез вмъкване на междинен слой от литиев ниобат или литиев фосфат с нанометрова дебелина между H-диамант и литиев твърд електролит, екипът може да изследва електрическия отговор на EDL ефекта на интерфейса между тези два слоя.
Съставът на електролита наистина повлия на EDL ефекта в малка област около интерфейса на електрода. EDL ефектът беше намален, когато определен електролит беше въведен като междинен слой между интерфейса електрод/твърд електролит. Капацитетът на EDL за интерфейса литиев фосфат/Н-диамант е много по-висок в сравнение с интерфейса литиев ниобат/Н-диамант.
Статията на екипа също така обяснява как са подобрили времето за реакция при превключване за зареждане на ASS-EDL. Д-р Хигучи отбеляза: „Доказано е, че EDL влияе на свойствата на превключване, така че ние преценихме, че времето за реакция на превключване за зареждане на ASS-EDL може да бъде значително подобрено чрез контролиране на капацитета на EDL. Използвахме свойствата на диаманта да не пропуска йони в електронния слой на транзистора с полеви ефекти и го комбинирахме с различни литиеви проводници.
Междинният слой ускори и забави скоростта на зареждане на EDL. Времето за електрическа реакция на EDLT беше силно променливо – варираше от около 60 милисекунди (нискоскоростно превключване за интерфейс литиев фосфат/H-диамант) до около 230 микросекунди (високоскоростно превключване за интерфейс литиев ниобат/H-диамант). Екипът обаче показа контрол над скоростта на зареждане на EDL за над два порядъка.
За да обобщим, изследователите успяха да постигнат модулация на носителя в изцяло твърдотелни устройства и подобриха техните характеристики на зареждане. „Тези резултати от нашето изследване на литиево-йонния проводящ слой са важни за подобряване на съпротивлението на интерфейса и могат да доведат до реализацията на всички твърдотелни батерии с отлични характеристики на зареждане-разреждане в бъдеще“, отбеляза д-р Хигучи.
Като цяло това е основна стъпка към контролиране на съпротивлението на интерфейса на ASS-LIB, което катализира тяхната осъществимост за много приложения. Освен това ще помогне за проектирането на по-добри устройства, базирани на твърд електролит, клас джаджи, който включва и невроморфни устройства.