Учёные из Японии предложили методику для исследования эффекта двойного электрического слоя
Прогресс в сфере литий-ионных аккумуляторов сделал возможным выпуск самых разных видов портативных устройств и электроники. Однако до сих пор существуют серьёзные недостатки стандартной литий-ионной электрохимической системы. Например, жидкий электролит не совсем подходит для такой области применения, как аккумуляторы электромобилей. Данное решение снижает срок службы, уменьшает ёмкость аккумулятора, вызывает проблемы с безопасностью. Кроме того, токсичность электролита отрицательно сказывается на экологии и переработке отработанных батарей. Поэтому специалисты сосредоточились на решении этих проблем в аккумуляторах будущего поколения. По их мнению, это должны быть полностью твердотельные аккумуляторы, которые будут иметь высокую степень безопасности и удельную мощность.
Основной проблемой твердотельных аккумуляторов является большое сопротивление на границе раздела электролит-электрод. Это приводит к снижению выходной мощности аккумуляторов и уменьшает скорость их зарядки. Учёные считают, что дело заключается в эффекте двойного электрического слоя (EDL). Он представляет собой скопление заряженных ионов из электролита на границе раздела с электродом. Образуется слой положительного или отрицательного заряда, который приводит к накоплению заряда противоположного знака по всему электроду с одинаковой плотностью. В результате создаётся двойной слой заряда. Дополнительная проблема для исследователей заключается в том, что прецизионные методы электрохимического анализа для обнаружения и измерения EDL не подходят.
Японские ученые во главе с доцентом Тору Хигучи (Tohru Higuchi) из Токийского университета науки решили эту проблему, благодаря использованию совершенно новой методологии оценки эффекта EDL в твердом электролите. Результаты своего исследования они опубликовали в журнале Nature’s Communications Chemistry. Работы проводились при сотрудничестве с сотрудниками Международного центра наноархитектоники материалов (MANA) Такаши Цутия (Takashi Tsuchiya) и Казуей Терабе (Kazuya Terabe), а также Национальным институтом материаловедения Японии.
Новая методика основана на использовании полевых транзисторов (FET), которые изготавливаются с использованием твердого электролита на основе лития и гидрогенизированного алмаза. Это трёхконтактные транзисторы, в которых силу тока между электродами стока и истока можно регулировать, посредством приложения напряжения к электроду затвора. Благодаря электрическому полю, создаваемому в полупроводниковой области полевого транзистора, напряжение позволяет контролировать плотность электронов или «дырок» (это пустоты с положительным зарядом).
Учёные использовали эти характеристики и инертные алмазные каналы для исключения эффектов химического восстановления и окисления, которые влияют на проводимость канала. В результате остались только электростатические заряды, накопленные благодаря эффекту EDL.
Учёные провели измерения эффекта Холла, которые чувствителен к носителям заряда на поверхности материалов. Они использовали различные типы электролитов на базе лития, чтобы понять, как их состав влияет на EDL. При этом был выявлен важный аспект эффекта двойного электрического слоя: в непосредственной близости от границы раздела (примерно 5 нм) преобладает состав электролита. Учёные считают, что эффект EDL можно уменьшить на несколько порядков, если вещество электролита допускает реакции окисления-восстановления, сменяемые компенсацией заряда.
Тору Хигучи считает, что новая методика очень полезна для выявления поведения EDL на границе раздела твёрдых электролитов. Она помогла им прояснить влияние эффекта на производительность твердотельных литий-ионных аккумуляторов.
В дальнейшем команда исследователей планирует использовать свою методику для анализа эффекта EDL в прочих электролитических материалах. Они хотят собрать больше информации о том, как можно снизить межфазное сопротивление в твердотельных аккумуляторах будущего поколения.
Как говорит Хигучи, предложенный ими подход в будущем должен привести к разработке твердотельных аккумуляторов с высокими эксплуатационными характеристиками. Кроме того, по его словам, лучшее понимание эффекта EDL поможет специалистам при разработке конденсаторов, датчиков, устройств связи, запоминающих устройств. Изучение этого сложного явления должно стать проще благодаря новой методике. Это должно стать толчком для развития сферы твердотельных литий-ионных аккумуляторных батарей.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
