Los avances en las baterías de iones de litio (Li-ion) han hecho factibles todo tipo de dispositivos portátiles y han impulsado el crecimiento de la electrónica. Sin embargo, las desventajas intrínsecas de las baterías de iones de litio convencionales, cuyas células utilizan una solución líquida de electrolitos, hacen que no sean del todo adecuados para aplicaciones tan esperadas como los vehículos eléctricos. Estas limitaciones incluyen durabilidad limitada, capacidad baja, problemas de seguridad, y preocupaciones ambientales sobre su toxicidad y huella de carbono. Afortunadamente, Los científicos ahora se están enfocando en la solución de próxima generación para todos estos problemas:baterías totalmente de estado sólido. El uso de un electrolito sólido hace que este tipo de baterías sean más seguras y capaces de contener una mayor densidad de potencia.

Sin embargo, Una cuestión clave de estas baterías es la alta resistencia que se encuentra en la interfaz electrolito-electrodo, lo que reduce la salida de las baterías totalmente de estado sólido y evita que se carguen rápidamente. Un mecanismo discutido detrás de esta alta resistencia de interfaz es el efecto de doble capa eléctrica (EDL), que implica la recolección de iones cargados de un electrolito en la interfaz con un electrodo. Esto produce una capa de carga positiva o negativa, que a su vez hace que la carga del signo opuesto se acumule en todo el electrodo a una densidad igual, creando una doble capa de cargas. El problema con la detección y medición de la EDL en baterías totalmente de estado sólido es que los métodos de análisis electroquímicos convencionales no son suficientes.

En la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, Los científicos dirigidos por el profesor asociado Tohru Higuchi han resuelto este enigma utilizando una metodología completamente nueva para evaluar el efecto de EDL en electrolitos sólidos de baterías totalmente de estado sólido. Este estudio, publicado en línea en Nature's Química de las comunicaciones , se llevó a cabo en colaboración con Takashi Tsuchiya, Investigador principal del Centro Internacional de Nanoarquitectónica de Materiales (MANA), Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Japón, y Kazuya Terabe, Investigador principal de MANA en la misma organización.

El nuevo método gira en torno a transistores de efecto de campo (FET) fabricados con diamante hidrogenado y un electrolito sólido a base de Li. Los FET son un transistor de tres terminales en el que la corriente entre la fuente y los electrodos de drenaje se puede controlar aplicando un voltaje en el electrodo de puerta. Este voltaje, gracias al campo eléctrico generado en la región semiconductora del FET, controla la densidad de electrones o huecos ('vacantes de electrones' con carga positiva). Aprovechando estas características y utilizando canales de diamante químicamente inertes, los científicos descartaron efectos de oxidación-reducción química que afectan la conductividad del canal, dejando solo las cargas electrostáticas acumuladas gracias al efecto EDL como causa necesaria.

Respectivamente, los científicos realizaron mediciones del efecto Hall, que son sensibles a los portadores cargados solo en la superficie de los materiales, en los electrodos de diamante. Utilizaron diferentes tipos de electrolitos a base de Li e investigaron cómo su composición afectaba a la EDL. A través de sus análisis, revelaron un aspecto importante del efecto EDL:está dominado por la composición del electrolito en las inmediaciones de la interfaz (unos cinco nanómetros de espesor). El efecto EDL puede suprimirse en varios órdenes de magnitud si el material electrolítico permite reacciones de reducción-oxidación que dan paso a la compensación de carga. "Nuestra nueva técnica demostró ser útil para revelar aspectos del comportamiento de la EDL en las proximidades de las interfaces de electrolitos sólidos y ayudó a aclarar los efectos de las características de la interfaz en el rendimiento de las baterías de iones de litio de estado sólido y otros dispositivos iónicos, "destaca el Dr. Higuchi.

El equipo ahora planea usar su método para analizar el efecto EDL en otros materiales electrolíticos, con la esperanza de encontrar pistas sobre cómo reducir la resistencia interfacial en las baterías de próxima generación. "Esperamos que nuestro enfoque conduzca al desarrollo de baterías totalmente de estado sólido con un rendimiento muy alto en el futuro, "concluye el Dr. Higuchi. Además, comprender mejor la EDL también ayudará en el desarrollo de condensadores, sensores, y dispositivos de memoria y comunicación. Esperemos que explorar este complejo fenómeno sea más fácil para otros científicos para que el campo de los dispositivos iónicos de estado sólido siga avanzando.