加快锂离子电池的极速充电能力

当前社会正在从化石燃料向可再生资源和电池大规模过渡。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正受到其缓慢充电速度的阻碍。“极致”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功能的“圣杯”。

为了使电池具有快速充电能力，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，与后者相比，对前者进行了广泛的研究。现在，由日本科学技术大学(JAIST)Noriyoshi Matsumi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活性材料锂离子嵌入的快速充电的新方法。粘合剂材料可改善脱溶剂化锂离子在固体电解质界面(SEI)和阳极材料内的扩散，并产生高导电性、低阻抗和良好的稳定性。

该团队由前高级讲师Rajashekar Badam，博士后研究员Anusha Pradhan，前研究生Ryoya Miyairi和JAIST的博士课程学生Noriyuki Takamori组成。他们的研究结果已发表在ACS Materials Letters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来增强石墨阳极等电极内的电荷转移，表现出快速充电能力，”通讯作者教授说。JAIST的松美和巴达姆。

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进的电解质传质上，但目前的研究通过设计特定的粘合剂材料提供了一种不同的方法，该材料促进了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，其界面电阻非常低，“松美教授解释说。

硼化合物(如粘合剂中的四腫酸硼和富硼SEI)的作用是通过降低锂从SEI处溶剂鞘中脱溶剂化的活化能来帮助锂离子的脱溶剂化。此外，通过高扩散和低阻抗，与界面电荷转移相关的过电位降低。“这是极端快速充电的重要决定因素之一，”JAIST的Anusha Pradhan博士解释说，他是该论文的第一作者。++

通常，当充电超过插层速率时，石墨电极上会发生镀锂。这是一个不希望的过程，导致电池寿命缩短并限制快速充电能力。在这项研究中，离子在SEI和电极内的扩散改善限制了锂离子的浓度极化，导致石墨上没有镀层。+

在他们的研究中，研究人员不仅提出了一种用于极高速率可充电电池和降低界面电阻的新策略，而且还使用了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无害的材料来源。因此，虽然这些电池的市场大幅增长，但在这些电池中使用生物基资源也将减少二氧化碳排放。

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，我们的粘合剂还可以与高倍率可充电活性材料结合使用，以进一步发挥协同效应，以提高性能。

随着对电池性能的研究越来越多，人们很快就可以在我们使用能源的方式上期待更环保的选择，尤其是在运输领域。“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长期保持产品的可用性，无论化石资源的可用性如何，并且......社交场合，“松美教授总结道。