全固态电池关键瓶颈已破 大规模应用指日可待:当前快报
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在人类追求清洁能源和碳中和的过程中,锂电(LIB)至关重要。然而,传统锂电的电解质是液态的,这导致了一系列的缺点,如耐用性差、容量低,有安全隐患,以及有毒和碳足迹等环境问题,因此它并不太适合电动汽车等应用。
为了解决这些缺点并进一步提高能量密度,全球范围内的科学家们都在积极开发全固态锂离子电池(ASS-LIBs)。这种电池采用固体电解质,这使它更安全,还能够保持更大的功率密度。不过,其电解质-电极界面处具有较高电阻,会降低输出并阻止快速充电,这影响了这类电池的广泛应用。
事实上,导致这种高界面电阻的确切原因迄今尚不清楚。但有科学家将其归因为双电层(EDL)效应。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。但实践中,传统的电化学方法还无法检测并测量全固态电池中的EDL。
这一瓶颈在日本东京理科大学(Tokyo University of Science)最近的一项研究中得到了解决。据悉,由Tohru Higuchi副教授领导的科学家们开发出了一种全新方法,可以评估并控制EDL效应。他们的最新研究成果已于近期发表在了《今日材料物理》杂志上。
具体而言,研究人员采用了全固态氢化金刚石(H-diamond)为基础的电双层晶体管(EDLT)进行霍尔测量和脉冲响应测量,以确定EDL充电特性。通过在H-diamond和锂固体电解质之间插入一纳米厚的铌酸锂或磷酸锂中间层,研究小组可以研究EDL效应在这两层之间界面的电响应。
经测试发现,当在电极/固体电解质界面之间引入某种电解质作为中间层时,EDL效应降低。与铌酸锂/H-diamond面相比,磷酸锂/ H-diamond界面的EDL电容要高得多。
中间层对EDL充能速度有加速和减速作用。EDLT的电响应时间变化很大,从大约60毫秒(磷酸锂/H-diamond接口的低速切换)到大约230微秒(铌酸锂/ H-diamond接口的高速切换)不等。这使他们能够在ASS-LIBs中实现载波调制,并改善其充电特性。
Higuchi博士表示,“我们对锂离子导电层的研究结果,对于控制界面电阻非常重要,并可能在未来实现所有具有优异充放电特性的固态电池。”
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