Control de la dinámica eléctrica de doble capa para todos

Universidad de Ciencias de Tokio, Tokio, Japón

El desarrollo de baterías de estado sólido es crucial para lograr la neutralidad de carbono. Sin embargo, su alta resistencia superficial hace que estas baterías tengan un bajo rendimiento, lo que limita sus aplicaciones. Con este fin, los investigadores han empleado una técnica novedosa para investigar y modular la dinámica eléctrica de doble capa en la interfaz sólido/electrolito sólido. Los investigadores demuestran un control sin precedentes de la velocidad de respuesta en más de dos órdenes de magnitud, un paso importante hacia la realización de baterías comerciales de estado sólido.

Las baterías de iones de litio de estado sólido (ASS-LIB) ofrecen una promesa considerable. Se espera que los ASS-LIB se utilicen en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los vehículos eléctricos (EV). Sin embargo, la aplicación comercial de estas baterías se enfrenta actualmente a un cuello de botella: su rendimiento se reduce debido a su alta resistencia superficial. Además, hasta ahora se desconoce el mecanismo exacto de esta resistencia superficial. Los investigadores lo han aludido a un fenómeno llamado efecto de "doble capa eléctrica" ​​(o EDL) que se observa en las sustancias coloidales (que son dispersiones microscópicas de un tipo de partícula en otra sustancia).

El efecto EDL ocurre cuando las partículas coloidales adquieren carga eléctrica negativa al adsorber los iones cargados negativamente del medio de dispersión en su superficie. "Esto ocurre en la interfaz de electrolito sólido/sólido, lo que plantea un problema en las baterías de litio de estado sólido", explicó el Dr. Tohru Higuchi, profesor asociado de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS). El Dr. Higuchi, junto con sus colegas, el Dr. Makoto Takayanagi de TUS, y el Dr. Takashi Tsuchiya y el Dr. Kazuya Terabe del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, han ideado una técnica novedosa para evaluar cuantitativamente el efecto EDL en el electrolito sólido/sólido. interfaz.

Se publicó un artículo que detalla su técnica en el Volumen 31 de Materials Today Physics. Los investigadores emplearon un transistor EDL (EDLT) basado en un diamante terminado en hidrógeno (diamante H) de estado sólido para realizar mediciones de Hall y mediciones de respuesta de pulso que determinaron las características de carga de EDL. Al insertar una capa intermedia de niobato de litio o fosfato de litio de un nanómetro de espesor entre el diamante H y el electrolito sólido de litio, el equipo pudo investigar la respuesta eléctrica del efecto EDL en la interfaz entre estas dos capas.

De hecho, la composición del electrolito influyó en el efecto EDL en una pequeña región alrededor de la interfaz del electrodo. El efecto EDL se redujo cuando se introdujo cierto electrolito como capa intermedia entre la interfaz electrodo/electrolito sólido. La capacitancia EDL para la interfaz de fosfato de litio/diamante H fue mucho mayor en comparación con la interfaz de niobato de litio/diamante H.

Su artículo también explica cómo mejoraron el tiempo de respuesta de conmutación para cargar ASS-EDL. "Se ha demostrado que el EDL influye en las propiedades de conmutación, por lo que consideramos que el tiempo de respuesta de conmutación para cargar ASS-EDL podría mejorarse en gran medida controlando la capacitancia del EDL. Usamos la propiedad de no permeabilidad a los iones del diamante en el electrón capa del transistor de efecto de campo y lo combinó con varios conductores de litio", dijo el Dr. Higuchi.

La capa intermedia aceleró y desaceleró la velocidad de carga de EDL. El tiempo de respuesta eléctrica del EDLT fue muy variable: osciló entre unos 60 milisegundos (conmutación de baja velocidad para la interfaz de fosfato de litio/diamante H) y aproximadamente 230 microsegundos (conmutación de alta velocidad para la interfaz de niobato de litio/diamante H). Sin embargo, el equipo exhibió control sobre la velocidad de carga de EDL en más de dos órdenes de magnitud.

En resumen, los investigadores pudieron lograr la modulación de la portadora en todos los dispositivos de estado sólido y mejoraron sus características de carga. "Estos resultados de nuestra investigación sobre la capa conductora de iones de litio son importantes para mejorar la resistencia de la interfaz y pueden conducir a la realización de todas las baterías de estado sólido con excelentes características de carga y descarga en el futuro", agregó el Dr. Higuchi.

Este es un paso importante hacia el control de la resistencia de la interfaz de ASS-LIB que cataliza su viabilidad para muchas aplicaciones. También ayudará a diseñar mejores dispositivos basados ​​en electrolitos sólidos, una clase de dispositivos que también incluye dispositivos neuromórficos.

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Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Battery & Electrification Technology.

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