当前社会正在从化石燃料整体过渡到可再生资源和电池。尽管迫切需要转向更环保的方法，但与效率和可持续性相关的核心挑战构成了需要克服的障碍。例如，用于电动汽车的锂离子(Li-ion)电池的大众市场采用因其充电速度慢而受到阻碍。“极端”快速充电(其中80%的电池在10分钟内充电)、高能量密度和循环寿命是汽车行业在电池中寻求的“圣杯”特性。

为了实现电池的快速充电能力，研究人员长期以来一直在尝试增强电解质的传质和电极中的电荷转移，并对前者与后者进行了广泛的研究。现在，由日本高级科学技术研究所(JAIST)的NoriyoshiMatsumi教授领导的一组研究人员进行的一项研究展示了一种使用粘合剂材料促进快速充电的新方法，该粘合剂材料可促进活性材料的锂离子嵌入。粘合剂材料改善了去溶剂化锂离子在固体电解质界面(SEI)和负极材料内的扩散，并产生高电导率、低阻抗和良好的稳定性。

该团队由JAIST的前高级讲师RajashekarBadam、博士后研究员AnushaPradhan、前研究生RyoyaMiyairi和博士课程学生NoriyukiTakamori组成。他们的发现已发表在ACSMaterialsLetters杂志上。

“我们目前使用生物衍生的硼酸锂聚合物作为水性聚电解质粘合剂来增强石墨阳极等电极内的电荷转移的策略表现出快速充电能力，”相应的作者教授说。JAIST的Matsumi和Badam。

虽然大多数关于电池的研究都集中在活性材料的设计和改善电解质的传质上，但目前的研究提供了一种不同的方法，即通过设计特定的粘合剂材料来促进活性材料的锂离子嵌入。“粘合剂材料包括高度可离解的硼酸锂，可改善阳极基质中的锂离子扩散。此外，这种粘合剂可以形成有机硼SEI，与普通电池相比，它显示出非常低的界面电阻，”Matsumi教授解释说。

硼化合物(如粘合剂中的四配位硼和富含硼的SEI)的作用是通过降低Li+从SEI溶剂鞘中脱溶剂的活化能来帮助Li+离子脱溶剂。此外，在高扩散和低阻抗的情况下，界面处与电荷转移相关的过电势也会降低。“这是极速充电的重要决定因素之一，”JAIST的AnushaPradhan博士解释道，他是该论文的第一作者。

通常，当充电速度超过嵌入速度时，石墨电极上会发生锂镀层。这是一个不受欢迎的过程，会导致电池寿命缩短并限制快速充电能力。在这项研究中，改善离子在SEI和电极内的扩散限制了Li+离子的浓差极化——导致石墨上没有电镀。

在他们的研究中，研究人员不仅提出了一种用于极高速充电电池和降低界面电阻的新策略，而且他们还使用了一种源自咖啡酸的生物聚合物。咖啡酸是一种植物性有机化合物，是一种可持续且对环境安全的材料来源。因此，虽然这些电池的市场增长迅猛，但在这些电池中使用生物基资源也将减少二氧化碳的排放。

Matsumi教授强调了这项研究中使用的结构的关键能力，他补充说：“在未来的研究中，我们的粘合剂还可以与高倍率可充电活性材料结合使用，从而在提高性能方面产生进一步的协同效应。”

随着对电池性能的研究越来越多，人们很快就会期待我们使用能源的方式有更环保的选择，尤其是在交通运输领域。“通过高倍率可充电电池技术，人们将享受电动汽车和便捷的移动设备。由于可再生资源的使用将使产品的可用性保持[a]长[时间]，而不管化石资源的可用性和......社交场合，”Matsumi教授总结道。