Contrôler la dynamique électrique à double couche pour tous

Université des sciences de Tokyo, Tokyo, Japon

Le développement de batteries tout solide est crucial pour atteindre la neutralité carbone. Cependant, leur résistance de surface élevée fait que ces batteries ont un faible rendement, ce qui limite leurs applications. À cette fin, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour étudier et moduler la dynamique de la double couche électrique à l'interface électrolyte solide/solide. Les chercheurs démontrent un contrôle sans précédent de la vitesse de réponse de plus de deux ordres de grandeur, une étape majeure vers la réalisation de batteries commerciales à semi-conducteurs.

Les batteries Li-ion à semi-conducteurs (ASS-LIB) sont très prometteuses. Les ASS-LIB devraient être utilisés dans un large éventail d'applications, y compris les véhicules électriques (VE). Cependant, l'application commerciale de ces batteries est actuellement confrontée à un goulot d'étranglement - leur rendement est réduit en raison de leur résistance de surface élevée. De plus, le mécanisme exact de cette résistance de surface est jusqu'à présent inconnu. Les chercheurs y ont fait allusion à un phénomène appelé effet de "double couche électrique" (ou EDL) observé dans les substances colloïdales (qui sont des dispersions microscopiques d'un type de particule dans une autre substance).

L'effet EDL se produit lorsque les particules colloïdales acquièrent une charge électrique négative en adsorbant les ions chargés négativement du milieu de dispersion à leur surface. "Cela se produit à l'interface électrolyte solide/solide, ce qui pose un problème dans les batteries au lithium à l'état solide", a expliqué le Dr Tohru Higuchi, professeur agrégé à l'Université des sciences de Tokyo (TUS). Le Dr Higuchi, avec ses collègues, le Dr Makoto Takayanagi de TUS, et le Dr Takashi Tsuchiya et le Dr Kazuya Terabe de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon, ont mis au point une nouvelle technique pour évaluer quantitativement l'effet EDL au niveau de l'électrolyte solide/solide. interface.

Un article détaillant leur technique a été publié dans le volume 31 de Materials Today Physics. Les chercheurs ont utilisé un transistor EDL (EDLT) à base de diamant (diamant H) à terminaison hydrogène entièrement solide pour effectuer des mesures Hall et des mesures de réponse impulsionnelle qui ont déterminé les caractéristiques de charge EDL. En insérant une couche intermédiaire de niobate de lithium ou de phosphate de lithium d'une épaisseur nanométrique entre le diamant H et l'électrolyte solide de lithium, l'équipe a pu étudier la réponse électrique de l'effet EDL à l'interface entre ces deux couches.

La composition de l'électrolyte a effectivement influencé l'effet EDL dans une petite région autour de l'interface de l'électrode. L'effet EDL a été réduit lorsqu'un certain électrolyte a été introduit comme couche intermédiaire entre l'interface électrode/électrolyte solide. La capacité EDL pour l'interface phosphate de lithium/H-diamant était beaucoup plus élevée par rapport à l'interface niobate de lithium/H-diamant.

Leur article explique également comment ils ont amélioré le temps de réponse de commutation pour charger les ASS-EDL. "Il a été démontré que l'EDL influence les propriétés de commutation, nous avons donc considéré que le temps de réponse de commutation pour charger les ASS-EDL pourrait être considérablement amélioré en contrôlant la capacité de l'EDL. Nous avons utilisé la propriété non perméable aux ions du diamant dans l'électron couche du transistor à effet de champ et l'a combiné avec divers conducteurs au lithium », a déclaré le Dr Higuchi.

L'intercalaire a accéléré et ralenti la vitesse de charge EDL. Le temps de réponse électrique de l'EDLT était très variable - il variait d'environ 60 millisecondes (commutation à basse vitesse pour l'interface phosphate de lithium/H-diamant) à environ 230 microsecondes (commutation à grande vitesse pour l'interface niobate de lithium/H-diamant). L'équipe, cependant, a montré un contrôle sur la vitesse de charge EDL sur plus de deux ordres de grandeur.

En résumé, les chercheurs ont réussi à obtenir une modulation de porteuse dans des dispositifs entièrement à semi-conducteurs et à améliorer leurs caractéristiques de charge. "Ces résultats de nos recherches sur la couche conductrice Li-ion sont importants pour améliorer la résistance d'interface et peuvent conduire à la réalisation de toutes les batteries à semi-conducteurs avec d'excellentes caractéristiques de charge-décharge à l'avenir", a ajouté le Dr Higuchi.

Il s'agit d'une étape majeure vers le contrôle de la résistance d'interface des ASS-LIB qui catalyse leur faisabilité pour de nombreuses applications. Cela aidera également à concevoir de meilleurs dispositifs à base d'électrolyte solide, une classe de gadgets qui comprend également des dispositifs neuromorphiques.

Pour plus d'informations, contactez la Division des relations publiques à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir..

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Battery & Electrification Technology Magazine.

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