Kontrolle der elektrischen Doppelschichtdynamik für alle

Wissenschaftliche Universität Tokio, Tokio, Japan

Die Entwicklung von Festkörperbatterien ist für die Erreichung der CO2-Neutralität von entscheidender Bedeutung. Aufgrund ihres hohen Oberflächenwiderstands haben diese Batterien jedoch eine geringe Leistung, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Zu diesem Zweck haben Forscher eine neuartige Technik eingesetzt, um die elektrische Doppelschichtdynamik an der Grenzfläche zwischen Festkörper und Festelektrolyt zu untersuchen und zu modulieren. Die Forscher demonstrieren eine beispiellose Kontrolle der Reaktionsgeschwindigkeit um mehr als zwei Größenordnungen, ein wichtiger Schritt hin zur Realisierung kommerzieller Festkörperbatterien.

All-Solid-State-Li-Ionen-Batterien (ASS-LIBs) sind vielversprechend. Es wird erwartet, dass ASS-LIBs in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Elektrofahrzeugen (EVs). Allerdings stößt die kommerzielle Anwendung dieser Batterien derzeit auf einen Engpass: Ihre Leistung wird aufgrund ihres hohen Oberflächenwiderstands reduziert. Darüber hinaus ist der genaue Mechanismus dieses Oberflächenwiderstands bisher unbekannt. Forscher haben es auf ein Phänomen zurückgeführt, das als „elektrischer Doppelschichteffekt“ (oder EDL-Effekt) bezeichnet wird und bei kolloidalen Substanzen auftritt (bei denen es sich um mikroskopische Dispersionen einer Partikelart in einer anderen Substanz handelt).

Der EDL-Effekt tritt auf, wenn kolloidale Partikel eine negative elektrische Ladung erhalten, indem sie die negativ geladenen Ionen des Dispersionsmediums auf ihrer Oberfläche adsorbieren. „Dies geschieht an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Festelektrolyt und stellt ein Problem bei Festkörper-Lithiumbatterien dar“, erklärte Dr. Tohru Higuchi, außerordentlicher Professor an der Tokyo University of Science (TUS). Dr. Higuchi hat zusammen mit seinen Kollegen Dr. Makoto Takayanagi von der TUS sowie Dr. Takashi Tsuchiya und Dr. Kazuya Terabe vom National Institute for Materials Science in Japan eine neuartige Technik zur quantitativen Bewertung des EDL-Effekts am Festkörperelektrolyten entwickelt Schnittstelle.

Ein Artikel, der ihre Technik detailliert beschreibt, wurde in Band 31 von Materials Today Physics veröffentlicht. Die Forscher verwendeten einen EDL-Transistor (EDLT) auf der Basis von wasserstoffterminiertem Diamant (H-Diamant) im festen Zustand, um Hall-Messungen und Impulsantwortmessungen durchzuführen, die die EDL-Ladeeigenschaften bestimmten. Durch das Einfügen einer nanometerdicken Lithiumniobat- oder Lithiumphosphat-Zwischenschicht zwischen dem H-Diamant und dem Lithium-Festelektrolyten konnte das Team die elektrische Reaktion des EDL-Effekts an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten untersuchen.

Die Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflusste tatsächlich den EDL-Effekt in einem kleinen Bereich um die Elektrodenschnittstelle. Der EDL-Effekt wurde verringert, wenn ein bestimmter Elektrolyt als Zwischenschicht zwischen der Grenzfläche zwischen Elektrode und Festelektrolyt eingebracht wurde. Die EDL-Kapazität für die Lithiumphosphat/H-Diamant-Grenzfläche war viel höher im Vergleich zur Lithiumniobat/H-Diamant-Grenzfläche.

In ihrem Artikel wird auch erläutert, wie sie die Schaltreaktionszeit beim Laden von ASS-EDLs verbessert haben. „Es hat sich gezeigt, dass die EDL die Schalteigenschaften beeinflusst. Deshalb haben wir angenommen, dass die Schaltreaktionszeit beim Laden von ASS-EDLs durch die Steuerung der Kapazität der EDL erheblich verbessert werden könnte. Wir nutzten die nicht ionendurchlässige Eigenschaft von Diamant im Elektron.“ Schicht des Feldeffekttransistors und kombinierte sie mit verschiedenen Lithiumleitern“, sagte Dr. Higuchi.

Die Zwischenschicht beschleunigte und verlangsamte die EDL-Ladegeschwindigkeit. Die elektrische Reaktionszeit des EDLT war sehr unterschiedlich – sie reichte von etwa 60 Millisekunden (langsames Schalten für die Lithiumphosphat/H-Diamant-Schnittstelle) bis etwa 230 Mikrosekunden (hohes Schalten für die Lithiumniobat/H-Diamant-Schnittstelle). Das Team konnte jedoch die EDL-Ladegeschwindigkeit um mehr als zwei Größenordnungen kontrollieren.

Zusammenfassend konnten die Forscher eine Trägermodulation in Festkörpergeräten erreichen und deren Ladeeigenschaften verbessern. „Diese Ergebnisse unserer Forschung zur Li-Ionen-Leitschicht sind wichtig für die Verbesserung des Grenzflächenwiderstands und können in Zukunft zur Realisierung aller Festkörperbatterien mit hervorragenden Lade-Entlade-Eigenschaften führen“, fügte Dr. Higuchi hinzu.

Dies ist ein wichtiger Schritt hin zur Kontrolle des Schnittstellenwiderstands von ASS-LIBs, der ihre Machbarkeit für viele Anwendungen beschleunigt. Es wird auch dazu beitragen, bessere Geräte auf der Basis fester Elektrolyte zu entwickeln, eine Klasse von Geräten, zu der auch neuromorphe Geräte gehören.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die Abteilung für Öffentlichkeitsarbeit unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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