日本东京理科大学发明研究双电层效应的新方法 改善全固态电池

据外媒报道，随着锂电池（Li-ion）不断得到发展，各种便携式设备也都开始采用该电池，大大推动了电子产品的发展。然而，传统锂离子电池存在内在缺点，即其液体电解质溶液，因此并不完全适合电动汽车等应用。具体缺点包括耐用性有限、容量低，且存在安全问题，以及有毒和碳足迹等环境问题。幸运的是，科学家们现在正专注于可以解决这些问题的下一代解决方案：全固态电池。该电池采用固体电解质，可以更安全，并能够保持更大的功率密度。

（图片来源：日本东京理科大学）

然而，全固态电池的电解质-电极界面处具有较高电阻，降低了全固态电池的输出并阻止快速充电。有科学家认为造成这种高界面电阻的原因是双电层（electric double layer，EDL）效应，包括在与电极界面从电解质中收集带电离子。该过程会产生一层正电荷或负电荷，进而导致相斥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该问题。

在日本东京理科大学（ Tokyo University of Science），由Tohru Higuchi副教授领导的科学家们发明出一种全新方法，可以评估全固态电池的固体电解质中的EDL效应，从而解决了上述难题。

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（field-effect transistors，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。凭借FET的半导体区域中产生的电场，该电压可控制电子或空穴（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，发现由于EDL效应积累的静电荷才是必要原因。

因此，科学家们在金刚石电极上进行了霍尔效应（Hall effect）测量，而该测量仅对材料表面上的带电载流子敏感。科学家使用不同类型的锂基电解质，并对它们的成分视如何影响EDL的进行了研究。经过分析，科学家发现了EDL效应的一个重要方面，即该效应由界面附近（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效应可以被大大抑制。Higuchi表示：“我们的新技术被证明有助于揭示固体电解质界面附近EDL效益的各个方面，并有助于阐明界面特性对全固态锂离子电池和其他离子设备性能的影响。”

目前，该团队计划采用该方法分析其他电解质材料中的EDL效应，希望找到有关降低下一代电池界面电阻的线索。Higuchi表示：“我们希望该方法可以助力未来高性能全固态电池的开发。”此外，该方法也可以更好地理解EDL，从而加速电容器、传感器、存储器和通信设备的开发。