当今社会正在大规模地从化石燃料向可再生资源和电池过渡。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是一个需要克服的障碍。
例如，用于电动汽车的锂离子电池的大规模市场采用正受到充电速度慢的阻碍。“极端”快速充电(80%的电池在10分钟内充满电)、高能量密度和循环寿命是汽车行业在电池中寻找的“圣杯”功能。
为了使电池具有快速充电的能力，研究人员长期以来一直试图增强电解质的传质和电极中的电荷转移，并对前者进行了广泛的研究。现在，由日本先进科学技术研究所(JAIST)的Noriyoshi Matsumi教授领导的一组研究人员的一项研究展示了一种使用粘结剂材料促进锂离子插层活性材料的快速充电的新方法。结合剂材料改善了Li离子在固体电解质界面(SEI)和负极材料内的扩散，并产生了高导电性、低阻抗和良好的稳定性。
该团队由来自日本理工学院的前高级讲师Rajashekar Badam，博士后研究员Anusha Pradhan，前研究生Ryoya Miyairi和博士生Noriyuki Takamori组成。他们的研究结果发表在ACS材料快报杂志上。
“我们目前的策略是使用生物衍生的硼酸锂聚合物作为水性聚电解质粘合剂，以增强电极内的电荷转移，如石墨阳极显示出快速充电能力，”通讯作者教授说。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，但目前的研究提供了一种不同的方法，通过设计特定的粘结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解离的硼酸锂，可以改善锂离子在阳极基质中的扩散。此外，这种粘结剂可以形成有机硼SEI，与普通电池相比，SEI显示出非常低的界面电阻，”Matsumi教授解释道。
硼化合物(如粘结剂中的四配位硼和富硼的SEI)的作用是通过降低SEI上Li+从溶剂鞘中脱溶的活化能来帮助Li+离子的脱溶。此外，由于具有高扩散和低阻抗，界面上与电荷转移有关的过电位也降低了。“这是极端快速充电的重要决定因素之一，”该论文的第一作者、日本科学技术研究所的阿努沙·普拉丹博士解释说。
一般情况下，当充电超过插层速率时，石墨电极会发生镀锂现象。这是一个不受欢迎的过程，导致缩短电池寿命和限制快速充电能力。在本研究中，离子在SEI和电极内扩散的改善限制了Li+离子的浓度极化-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超高速率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来自咖啡酸的生物聚合物。咖啡酸是一种基于植物的有机化合物，是一种可持续的和环境安全的材料来源。因此，虽然这些电池的市场增长巨大，但在这些电池中使用生物资源也将减少二氧化碳的排放。
Matsumi教授强调了本研究中使用的结构的关键能力，他补充说:“在未来的研究中，我们的粘结剂还可以与高速率带电活性材料结合，以实现进一步的协同效应，提高性能。”
随着对电池性能的研究越来越多，人们很快就可以期待我们使用能源的方式有更环保的选择，尤其是在交通领域。“通过高倍率充电电池技术，人们将享受电动汽车和便捷的移动设备。因为使用可再生资源将长期保持产品的可用性，而不考虑化石资源的可用性和高社会状况的影响，”Matsumi教授总结道。
