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全固態電池的安全性、耐用性和容量都得到了提高，預計將用液體電解質代替傳統電池。然而，電雙層效應被認為是一種阻礙電池性能的現象，而且很難測量。為了解決這個問題，科學家們開發了一種新的方法，利用基于金剛石的場效應晶體管來探索EDL，為更好的固態離子器件和電池鋪平了道路。
鋰離子電池的發展使各種便攜設備成為可能，并推動了電子行業的發展。然而，傳統鋰離子電池使用液態電解質溶液，其固有的缺點使其不完全適合期待已久的應用，如電動汽車。這些限制包括有限的耐久性，低容量，安全問題，以及關于其毒性和碳足跡的環境問題。幸運的是，科學家們現在正專注于解決所有這些問題的下一代解決方案:全固態電池。使用固體電解質使這種類型的電池更安全，能夠保持更大的功率密度。
然而，這些電池的一個關鍵問題是在電解質-電極界面發現的高電阻，這降低了全固態電池的輸出，阻止了它們快速充電。這種高界面電阻背后的一個被討論的機制是電雙層(EDL)效應，它涉及電解液中帶電離子在與電極的界面上的聚集。這就產生了一層正電荷或負電荷，這反過來又會導致負號相反的電荷以相同的密度在整個電極上聚集，形成雙層電荷層。在全固態電池中檢測和測量EDL的問題是傳統的電化學分析方法無法實現。
在日本東京科學大學，由副教授Tohru Higuchi領導的科學家們已經解決了這個難題，他們使用了一種全新的方法來評估全固態電池的固體電解質中的EDL效應。這項研究發表在《自然通訊化學》的網站上，是與日本國家材料科學研究所國際材料納米結構中心(MANA)的首席研究員Takashi Tsuchiya和同一組織的MANA首席研究員Kazuya Terabe合作進行的。
這種新方法圍繞著用氫化金剛石和固態鋰基電解質制成的場效應晶體管(fet)展開。fet是一種三端晶體管，其源極和漏極之間的電流可以通過在柵極上施加電壓來控制。由于FET半導體區域產生的電場，這個電壓控制著電子或空穴(帶正電荷的“電子空穴”)的密度。通過利用這些特性并使用化學惰性的鉆石通道，科學家們排除了影響通道電導率的化學還原-氧化效應，只留下由于EDL效應積累的靜電電荷作為必要原因。
因此，科學家們對金剛石電極上的霍爾效應進行了測量，霍爾效應只對材料表面的帶電載流子敏感。他們使用了不同類型的鋰基電解質，并研究了其組成對EDL的影響。通過他們的分析，他們揭示了EDL效應的一個重要方面:它由界面附近(大約5納米厚度)的電解質組成主導。如果電解質材料允許還原-氧化反應讓路給電荷補償，EDL效應可以被抑制幾個數量級。Higuchi博士強調說:“我們的新技術被證明在揭示固體電解質界面附近EDL行為方面是有用的，并有助于澄清界面特性對全固態鋰離子電池和其他離子器件性能的影響。”
該研究小組現在計劃用他們的方法來分析其他電解質材料中的EDL效應，希望找到如何降低下一代電池界面電阻的線索。“我們希望我們的方法能在未來引領高性能全固態電池的發展，”Higuchi博士總結道。此外，更好地理解EDL也將有助于電容器、傳感器、存儲器和通信設備的開發。希望其他科學家能更容易地探索這一復雜的現象，從而使固態離子器件領域不斷向前發展。
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