Les progrès des batteries lithium-ion (Li-ion) ont rendu toutes sortes d’appareils portables réalisables et ont alimenté la croissance de l’électronique. Cependant, les inconvénients intrinsèques des batteries Li-ion classiques, dont les cellules utilisent une solution d’électrolyte liquide, ne les rendent pas tout à fait adaptées à des programs très attendues comme les véhicules électriques. Ces limits incluent une durabilité limitée, une faible capacité, des problèmes de sécurité et des préoccupations environnementales concernant leur toxicité et leur empreinte carbone. Heureusement, les scientifiques se concentrent désormais sur la resolution de nouvelle génération à tous ces problèmes : les batteries entièrement à l’état solide. L’utilisation d’un électrolyte solide rend ce type de batteries moreover sûr et capable de contenir une in addition grande densité de puissance.



Cependant, un problème clé de ces batteries est la résistance élevée trouvée à l’interface électrolyte-électrode, qui réduit la sortie des batteries à semi-conducteurs et les empêche d’être chargées rapidement. Un mécanisme discuté derrière cette résistance d’interface élevée est l’effet de double couche électrique (EDL), qui implique la collecte d’ions chargés à partir d’un électrolyte à l’interface avec une électrode. Cela produit une couche de cost favourable ou négative, qui à son tour provoque l’accumulation de fees de signe opposé dans toute l’électrode à une densité égale, créant une double couche de charges. Le problème avec la détection et la mesure de l’EDL dans les batteries tout solide est que les méthodes d’analyse électrochimique conventionnelles ne font pas la différence.

À l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, des scientifiques dirigés par le professeur agrégé Tohru Higuchi ont résolu cette énigme en utilisant une toute nouvelle méthodologie pour évaluer l’effet EDL dans les électrolytes solides des batteries entièrement à l’état solide. Cette étude, publiée en ligne dans Nature’s Communications Chemistry, a été menée en collaboration avec Takashi Tsuchiya, chercheur principal à l’International Middle for Components Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Elements Science, Japan, et Kazuya Terabe, chercheur principal MANA dans la même organisation..



La nouvelle méthode s’articule autour de transistors à effet de champ (FET) fabriqués à partir de diamant hydrogéné et d’un électrolyte solide à foundation de Li. Les FET sont un transistor à trois bornes dans lequel le courant entre les électrodes de source et de drain peut être contrôlé en appliquant une tension à l’électrode de grille. Cette stress, grâce au champ électrique généré dans la région semi-conductrice du FET, contrôle la densité d’électrons ou de trous ( » lacunes d’électrons  » avec une charge constructive). En exploitant ces caractéristiques et en utilisant des canaux en diamant chimiquement inertes, les scientifiques ont exclu les effets de réduction-oxydation chimique affectant la conductivité du canal, ne laissant que les fees électrostatiques accumulées grâce à l’effet EDL comme induce nécessaire.

En conséquence, les scientifiques ont effectué des mesures par effet Hall, qui ne sont sensibles aux porteurs chargés qu’à la floor des matériaux, sur les électrodes en diamant. Ils ont utilisé différents kinds d’électrolytes à base de Li et ont étudié remark leur composition affectait l’EDL. Par leurs analyses, ils ont révélé un aspect significant de l’effet EDL : il est dominé par la composition de l’électrolyte au voisinage immédiat de l’interface (environ cinq nanomètres d’épaisseur). L’effet EDL peut être supprimé de plusieurs ordres de grandeur si le matériau électrolytique permet des réactions de réduction-oxydation qui cèdent la location à une compensation de demand. « Notre nouvelle approach s’est avérée utile pour révéler les features du comportement de l’EDL à proximité des interfaces d’électrolyte solide et a aidé à clarifier les effets des caractéristiques de l’interface sur les performances des batteries Li-ion à semi-conducteurs et d’autres dispositifs ioniques », souligne le Dr Higuchi..

L’équipe prévoit maintenant d’utiliser sa méthode pour analyser l’effet EDL dans d’autres matériaux électrolytiques, dans l’espoir de trouver des indices sur la façon de réduire la résistance interfaciale dans les batteries de nouvelle génération.  » Nous espérons que notre approche conduira au développement de batteries entièrement à l’état solide avec de très hautes performances à l’avenir « , conclut le Dr Higuchi. De plus, une meilleure compréhension de l’EDL facilitera également le développement de condensateurs, de capteurs et de dispositifs de mémoire et de conversation. Espérons que l’exploration de ce phénomène complexe devienne additionally facile pour d’autres scientifiques afin que le domaine des dispositifs ioniques à l’état solide proceed de progresser.