日本东京理科大学宣布已开发出一种应用场效应晶体管（FET）结构的新方法，并成功地实现此前难以进行的固体电解质“双电层效应”的定量评估。

该研究成果是由东京理科大学与日本物质材料研究机构（NIMS）国际纳米技术研究中心（MANA）共同合作研究发现的，研究成果详细内容已刊登在英国科学期刊《Nature》化学领域的学术期刊《Communications Chemistry》上。

为进一步提高锂离子电池（LIB）的能量密度，全球范围内都在积极进行锂全固态电池（全固态LIB）的研发，全固态电池采用固体电解质，而不是电解液，但仍存在以下课题：电解质-电极界面处的电阻较高，导致全固态电池的输出降低。

（a）全固态LIB的示意图。

（b）金刚石表面的空穴密度对栅极电压的依赖性。通过增加负栅极电压，锂离子（Li⁺）从金刚石界面向栅电极侧移动。

（c）使用Li⁺固体电解质A的情况（左）与（d）使用Li⁺固体电解质B的情况（右）的比较。

关于高界面电阻的原因，目前还未有明确定论，但有猜测表示其中一个原因可能是由于界面附近的锂离子浓度变化引起的“双电层效应”的影响，与液体电解质相比，固体电解质的材料内部容易发生电荷补偿，很难检测和评估“双电层效应”，因此此前难以明确“双电层效应”的详细情况。

针对该情况，研究小组此次利用“场效应晶体管（FET）”的结构和化学惰性的金刚石特征，开发了对固体电解质界面的双电层电荷进行评估的新方法，并对包含2种不同元素的锂固体电解质的界面进行了研究，该新方法通过利用霍尔效应来测定电子载流子密度和迁移率的测定方法——霍尔测量进行评估。

结果表明，除锂和氧之外，在含硅和锆的锂固体电解质A（Li-Si-Zr-O）中，由于双电层效应，金刚石表面的空穴密度变化高达3个数量级，但是，在含钛和镧的锂固体电解质B（Li-La-Ti-O）中，并未观察到任何变化。这说明在固体电解质A的界面处发生了双电层效应，而在固体电解质B的内部发生了电荷补偿。

另外，进行在界面附近插入纳米薄膜的实验后发现，空穴密度变化的行为主要由界面5nm以内的薄区域的电解质组成决定。因此，对固体电解质B不会因双电层效应引起空穴密度变化的结构进行了研究后发现，在电解质内部发生了钛的氧化数变化，因此可以判断在固体电解质B中钛的氧化还原反应引起了电解质内部的电荷补偿。

此外，研究小组计划今后将该研究成果应用于含有各种元素的电解质材料，研究双电层的行为，同时，与电池的界面电阻进行比较，并将其应用于通过降低界面电阻来实现高输出的下一代电池开发。

日本东京理科大学：实现锂固体电解质“双电层效应”的定量评估