電解質的成分在開發最小化電極界面電荷的固態電池至關重要。
固態鋰電池是將液體電解液替換成聚合物固體或陶瓷固體。固態鋰電池展示了未來前景，將電動汽車（EV）的續航里程與安全性作為下一個目標。與目前的石墨陽極（負極）相比，固態電解質由鋰金屬薄片構成，可以顯著提升電池的能量密度。
固態電解質的關鍵問題之一是電解質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電池的放電，而且還會影響充電速度。根據東京理科大學（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。雙電層在電極界面處從電解質收集帶電離子，產生帶正電或帶負電的層，然后導致相反符號的電荷在整個電極中累積，從而產生雙層電荷。
傳統的電化學分析方法難以檢測和測量固態電池中的雙電層。日本東京理科大學研究人員開發了一種全新的方法來評估固態電解質的雙電層效應。這項研究是在國際材料納米結構中心（MANA）與日本國家材料科學研究所（National Institute for Materials Science, Japan）的協助下進行的。
金剛石晶體管
根據東京理科大學的新聞發布：新方法是圍繞場效應晶體管（FET）進行，使用氫化金剛石和固態鋰基電解質制成。場效應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。由于場效應晶體管半導體區域產生的電場，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惰性金剛石通道，研究人員排除改變通道導電行化學氧化還原反應，只留下雙電層效應累積的靜電電荷?？茖W家們隨后進行了霍爾效應（Hall Effect）測量，霍爾效應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。研究團隊使用不同種類的鋰基電解質來觀察成分的變化是如何影響雙電層的。根據研究團隊分析，雙電層效應主要由界面附近的電解質成分決定（厚度約為5納米）。
控制雙電層
該研究團隊還發表了如果電解質材料可以完成氧化還原反應，則雙電層效應或被壓制。東京大學研究小組組長Tohru Higuchi說：“我們的新技術證明了固態電解質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鋰離子電池和其他離子電池性能的影響。”
該研究團隊現在計劃使用新方法來分析其他電解質材料的雙電層效應，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所有固態電池的高性能發展。”該研究團隊指出，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備的開發。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2021.10.21