I progressi nelle batterie agli ioni di litio (Li-ion) hanno reso fattibili tutti i tipi di dispositivi portatili e hanno alimentato la crescita dell'elettronica. Però, gli svantaggi intrinseci delle tradizionali batterie agli ioni di litio, le cui celle utilizzano una soluzione elettrolitica liquida, li rendono non del tutto adatti per applicazioni tanto attese come i veicoli elettrici. Queste limitazioni includono una durata limitata, bassa capacità, problemi di sicurezza, e preoccupazioni ambientali circa la loro tossicità e impronta di carbonio. Fortunatamente, gli scienziati si stanno ora concentrando sulla soluzione di nuova generazione a tutti questi problemi:le batterie completamente allo stato solido. L'utilizzo di un elettrolita solido rende questo tipo di batterie più sicure e in grado di contenere una maggiore densità di potenza.

Però, un problema chiave di queste batterie è l'elevata resistenza che si trova all'interfaccia elettrolita-elettrodo, che riduce l'uscita di tutte le batterie a stato solido e impedisce loro di caricarsi rapidamente. Un meccanismo discusso alla base di questa elevata resistenza di interfaccia è l'effetto a doppio strato elettrico (EDL), che comporta la raccolta di ioni carichi da un elettrolita all'interfaccia con un elettrodo. Questo produce uno strato di carica positiva o negativa, che a sua volta fa accumulare carica di segno opposto in tutto l'elettrodo con una densità uguale, creando un doppio strato di cariche. Il problema con il rilevamento e la misurazione dell'EDL nelle batterie completamente allo stato solido è che i metodi di analisi elettrochimica convenzionali non riescono a raggiungere il traguardo.

All'Università delle Scienze di Tokyo, Giappone, gli scienziati guidati dal Professore Associato Tohru Higuchi hanno risolto questo enigma utilizzando una metodologia completamente nuova per valutare l'effetto EDL negli elettroliti solidi delle batterie completamente allo stato solido. Questo studio, pubblicato online su Nature's Chimica delle comunicazioni , è stato condotto in collaborazione con Takashi Tsuchiya, Principal Researcher presso il Centro Internazionale di Nanoarchitettura dei Materiali (MANA), Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali, Giappone, e Kazuya Terabe, MANA Principal Investigator presso la stessa organizzazione.

Il nuovo metodo ruota attorno a transistor ad effetto di campo (FET) realizzati con diamante idrogenato e un elettrolita solido a base di litio. I FET sono un transistor a tre terminali in cui la corrente tra gli elettrodi di source e drain può essere controllata applicando una tensione all'elettrodo di gate. Questa tensione, grazie al campo elettrico generato nella regione dei semiconduttori del FET, controlla la densità di elettroni o lacune ("vacanze di elettroni" con una carica positiva). Sfruttando queste caratteristiche e utilizzando canali diamantati chimicamente inerti, gli scienziati hanno escluso gli effetti di riduzione-ossidazione chimica che influenzano la conduttività del canale, lasciando come causa necessaria solo le cariche elettrostatiche accumulate grazie all'effetto EDL.

Di conseguenza, gli scienziati hanno eseguito misurazioni dell'effetto Hall, sensibili ai portatori di carica solo sulla superficie dei materiali, sugli elettrodi diamantati. Hanno usato diversi tipi di elettroliti a base di litio e hanno studiato come la loro composizione influisse sull'EDL. Attraverso le loro analisi, hanno rivelato un aspetto importante dell'effetto EDL:è dominato dalla composizione dell'elettrolita nelle immediate vicinanze dell'interfaccia (circa cinque nanometri di spessore). L'effetto EDL può essere soppresso di diversi ordini di grandezza se il materiale elettrolitico consente reazioni di riduzione-ossidazione che lasciano il posto alla compensazione della carica. "La nostra nuova tecnica si è rivelata utile per rivelare aspetti del comportamento dell'EDL in prossimità di interfacce di elettroliti solidi e ha contribuito a chiarire gli effetti delle caratteristiche dell'interfaccia sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio a stato solido e di altri dispositivi ionici, " evidenzia il dottor Higuchi.

Il team ora prevede di utilizzare il proprio metodo per analizzare l'effetto EDL in altri materiali elettrolitici, sperando di trovare indizi su come ridurre la resistenza interfacciale nelle batterie di prossima generazione. "Speriamo che il nostro approccio porti allo sviluppo di batterie completamente allo stato solido con prestazioni molto elevate in futuro, " conclude il dottor Higuchi. Inoltre, comprendere meglio l'EDL aiuterà anche nello sviluppo di condensatori, sensori, e dispositivi di memoria e comunicazione. Speriamo che l'esplorazione di questo complesso fenomeno diventi più facile per altri scienziati in modo che il campo dei dispositivi ionici a stato solido continui ad avanzare.