Controllare la dinamica elettrica a doppio strato per tutti

Università delle Scienze di Tokyo, Tokyo, Giappone

Lo sviluppo di batterie interamente allo stato solido è fondamentale per raggiungere la neutralità del carbonio. Tuttavia, la loro elevata resistenza superficiale fa sì che queste batterie abbiano una bassa potenza, limitandone le applicazioni. A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato una nuova tecnica per studiare e modulare la dinamica elettrica del doppio strato all'interfaccia solido/solido dell'elettrolita. I ricercatori dimostrano un controllo senza precedenti della velocità di risposta di oltre due ordini di grandezza, un importante passo avanti verso la realizzazione di batterie commerciali interamente allo stato solido.

Le batterie agli ioni di litio allo stato solido (ASS-LIB) offrono notevoli promesse. Si prevede che gli ASS-LIB verranno utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, compresi i veicoli elettrici (EV). Tuttavia, l’applicazione commerciale di queste batterie si trova attualmente ad affrontare un collo di bottiglia: la loro potenza è ridotta a causa della loro elevata resistenza superficiale. Inoltre l’esatto meccanismo di questa resistenza superficiale è finora sconosciuto. I ricercatori lo hanno alluso a un fenomeno chiamato effetto del “doppio strato elettrico” (o EDL) osservato nelle sostanze colloidali (che sono dispersioni microscopiche di un tipo di particella in un’altra sostanza).

L'effetto EDL si verifica quando le particelle colloidali acquisiscono carica elettrica negativa adsorbendo sulla loro superficie gli ioni caricati negativamente del mezzo di dispersione. "Ciò si verifica nell'interfaccia elettrolita solido/solido, ponendo un problema nelle batterie al litio completamente allo stato solido", ha spiegato il dottor Tohru Higuchi, professore associato presso l'Università delle Scienze di Tokyo (TUS). Il Dr. Higuchi, insieme ai colleghi Dr. Makoto Takayanagi del TUS, Dr. Takashi Tsuchiya e Dr. Kazuya Terabe dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone, ha ideato una nuova tecnica per valutare quantitativamente l'effetto EDL sull'elettrolita solido/solido interfaccia.

Un articolo che descrive in dettaglio la loro tecnica è stato pubblicato nel volume 31 di Materials Today Physics. I ricercatori hanno utilizzato un transistor EDL (EDLT) basato su diamante con terminazione a idrogeno (H-diamond) interamente allo stato solido per condurre misurazioni Hall e misurazioni della risposta agli impulsi che determinavano le caratteristiche di carica dell'EDL. Inserendo uno strato intermedio di niobato di litio o fosfato di litio di spessore nanometrico tra il diamante H e l’elettrolita solido di litio, il team ha potuto studiare la risposta elettrica dell’effetto EDL all’interfaccia tra questi due strati.

La composizione dell'elettrolita, infatti, ha influenzato l'effetto EDL in una piccola regione attorno all'interfaccia dell'elettrodo. L'effetto EDL veniva ridotto quando un determinato elettrolita veniva introdotto come interstrato tra l'interfaccia elettrodo/elettrolita solido. La capacità EDL per l'interfaccia fosfato di litio/diamante H era molto più elevata rispetto all'interfaccia niobato di litio/diamante H.

Il loro articolo spiega anche come hanno migliorato il tempo di risposta alla commutazione per caricare gli ASS-EDL. "È stato dimostrato che l'EDL influenza le proprietà di commutazione, quindi abbiamo ritenuto che il tempo di risposta di commutazione per caricare gli ASS-EDL potesse essere notevolmente migliorato controllando la capacità dell'EDL. Abbiamo utilizzato la proprietà di non permeabilità agli ioni del diamante nell'elettrone strato del transistor ad effetto di campo e lo ha combinato con vari conduttori al litio", ha affermato il dott. Higuchi.

Lo strato intermedio ha accelerato e decelerato la velocità di ricarica dell'EDL. Il tempo di risposta elettrica dell'EDLT era molto variabile: variava da circa 60 millisecondi (commutazione a bassa velocità per interfaccia litio fosfato/H-diamante) a circa 230 microsecondi (commutazione ad alta velocità per interfaccia litio niobato/H-diamante). Il team, tuttavia, ha mostrato di controllare la velocità di ricarica dell’EDL per oltre due ordini di grandezza.

In sintesi, i ricercatori sono riusciti a ottenere la modulazione della portante in dispositivi interamente a stato solido e a migliorarne le caratteristiche di carica. "Questi risultati della nostra ricerca sullo strato conduttivo degli ioni di litio sono importanti per migliorare la resistenza dell'interfaccia e potrebbero portare in futuro alla realizzazione di tutte le batterie allo stato solido con eccellenti caratteristiche di carica-scarica", ha aggiunto il dottor Higuchi.