모두를 위한 전기 이중층 역학 제어

도쿄이과대학, 도쿄, 일본

탄소 중립을 달성하려면 전고체 배터리 개발이 중요하다. 그러나 높은 표면 저항으로 인해 배터리 출력이 낮아져 응용 분야가 제한됩니다. 이를 위해 연구자들은 고체/고체 전해질 경계면에서 전기 이중층 역학을 조사하고 조절하는 새로운 기술을 사용했습니다. 연구원들은 상업용 전고체 배터리 실현을 향한 주요 디딤돌인 응답 속도의 전례 없는 제어를 20배 이상 보여줍니다.

전고체 리튬 이온 배터리(ASS-LIB)는 상당한 가능성을 제공합니다. ASS-LIB는 전기차(EV)를 비롯한 다양한 애플리케이션에 활용될 것으로 기대된다. 그러나 이러한 배터리의 상업적 적용은 현재 병목 현상에 직면해 있습니다. 높은 표면 저항으로 인해 출력이 감소합니다. 더욱이, 이 표면 저항의 정확한 메커니즘은 지금까지 알려져 있지 않습니다. 연구자들은 이를 콜로이드 물질(다른 물질에 한 종류의 입자가 미세하게 분산된 것)에서 나타나는 "전기 이중층"(또는 EDL) 효과라고 불리는 현상을 암시했습니다.

EDL 효과는 콜로이드 입자가 분산 매질의 음전하 이온을 표면에 흡착하여 음전하를 얻을 때 발생합니다. "이것은 고체/고체 전해질 경계면에서 발생하며 전고체 리튬 배터리에 문제를 제기합니다"라고 도쿄 과학 대학(TUS) 부교수인 히구치 토루(Tohru Higuchi) 박사는 설명했습니다. Higuchi 박사는 동료 TUS의 Makoto Takayanagi 박사, 일본 국립 재료 과학 연구소의 Takashi Tsuchiya 박사 및 Kazuya Terabe 박사와 함께 고체/고체 전해질에서 EDL 효과를 정량적으로 평가하는 새로운 기술을 고안했습니다. 상호 작용.

그들의 기술을 자세히 설명하는 기사는 Materials Today Physics 31권에 게재되었습니다. 연구진은 EDL 충전 특성을 결정하는 홀 측정 및 펄스 응답 측정을 수행하기 위해 전고체 수소 종단 다이아몬드(H-다이아몬드) 기반 EDL 트랜지스터(EDLT)를 사용했습니다. H-다이아몬드와 리튬 고체 전해질 사이에 나노미터 두께의 니오브산리튬 또는 인산리튬 중간층을 삽입함으로써 연구팀은 이 두 층 사이의 경계면에서 EDL 효과의 전기적 반응을 조사할 수 있었습니다.

실제로 전해질의 구성은 전극 경계면 주변의 작은 영역에서 EDL 효과에 영향을 미쳤습니다. 전극/고체 전해질 계면 사이의 중간층으로 특정 전해질을 도입한 경우 EDL 효과가 감소했습니다. 인산리튬/H-다이아몬드 인터페이스의 EDL 정전용량은 니오브산리튬/H-다이아몬드 인터페이스에 비해 훨씬 높았습니다.

또한 해당 기사에서는 ASS-EDL 충전을 위한 스위칭 응답 시간을 어떻게 개선했는지 설명합니다. "EDL은 스위칭 특성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 따라서 우리는 EDL의 커패시턴스를 제어함으로써 ASS-EDL을 충전하기 위한 스위칭 응답 시간을 크게 향상시킬 수 있다고 생각했습니다. 우리는 전자에서 다이아몬드의 비이온 투과 특성을 사용했습니다. 전계 효과 트랜지스터 층을 개발하고 이를 다양한 리튬 전도체와 결합했다고 Higuchi 박사는 말했습니다.

중간층은 EDL 충전 속도를 가속 및 감속시켰습니다. EDLT의 전기적 응답 시간은 매우 다양했습니다. 범위는 약 60밀리초(인산리튬/H-다이아몬드 인터페이스의 저속 스위칭)에서 약 230마이크로초(니오브산리튬/H-다이아몬드 인터페이스의 고속 스위칭)였습니다. 그러나 팀은 EDL 충전 속도를 2배 이상 제어할 수 있었습니다.

요약하면, 연구진은 전고체 소자에서 캐리어 변조를 달성하고 충전 특성을 향상시킬 수 있었습니다. Higuchi 박사는 “리튬 이온 전도성 층에 대한 연구 결과는 인터페이스 저항을 향상시키는 데 중요하며 향후 우수한 충방전 특성을 갖는 모든 전고체 배터리의 실현으로 이어질 수 있습니다”라고 덧붙였습니다.