电池广泛应用于许多设备中。固态电池的发展使其具备更高的工作电压和更大的容量，并且不会燃烧，这是当前研究的重点。马克斯·普朗克高分子研究所和日本大学的研究人员现在研究了这种电池中的空间电荷效应，这会在充电和放电时增加额外的阻力。通过显微技术，他们首次确定了空间电荷区的范围及其造成的阻力。
固态电池提供安全优势
无论是在电动交通还是固定储能领域，固态电池都承诺带来更大的储存容量和更高的安全性。这是因为它们不再使用液体电解质，而是使用固体电解质。这意味着它们不会泄漏，并且与当前电池常提到的火灾风险几乎不存在。
研究人员现在通过在期刊 ACS Nano 上发表的研究，开启了提升固态电池性能的新可能性。MPI-P 的小组负责人 Rüdiger Berger 解释道：“电池是一种泵的作用。” “离子或带电原子在电池内部移动，外部必须通过电子流来保持平衡。”
理解空间电荷层
当离子在电池中迁移时，所谓的 空间电荷层 可能会在电池的内部界面形成。这会排斥其他迁移的离子。这个电荷层会在电池内部增加额外的阻力，导致能量损失——它阻碍了充电和放电过程。美因茨团队现在发现，这一现象主要发生在正极，形成的电荷层厚度不到 50 纳米，和肥皂泡最薄的部分一样薄。
此外，他们定量发现空间电荷层是动态变化的，这意味着它依赖于电池的充电状态。这个空间电荷层大约占电池总电阻的7%左右，不过，具体大小还得看所用的电解质材料。
到目前为止，关于这个电荷层的大小以及它对电流流动的阻碍程度知之甚少。全球各地的多个研究团队在之前的研究中已经调查了这一效应，但由于所采用的方法不同，他们对电荷层厚度的估计却大相径庭。
新的显微镜方法推动研究进展
因此，以伯杰为首的国际团队首次使用两种显微镜方法研究电荷层的形成位置和方式。挑战在于在准工作模式和不同充电状态下，使用显微镜方法检查模型电池的边界层。
为此，他们构建了一个薄膜模型电池，并使用开尔文探针力显微镜和核反应分析对其进行研究。通过开尔文探针力显微镜，他们能够用细针扫描电池的横截面——就像一个切开的电池，从而更深入地了解电压的局部影响，并实时观察电位。通过核反应分析，他们能够检测到锂在电池正极与界面处的积累。
“这两种技术在电池研究中都是新兴的，未来也可以应用于其他领域，”东京大学的日杉太郎解释说。通过进一步的研究工作，研究人员希望通过修改电极的材料或结构，找到减少电阻、进一步提升固态电池性能的方法。
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