麻省理工學院的研究團隊最近發佈了一項新模型，稱為「耦合離子-電子轉移」（Coupled Ion-Electron Transfer, CIET）模型，旨在推進鋰離子電池的技術。這個新模型重新定義了基本的化學反應，稱為層間插入（intercalation）。鋰離子電池的性能受鋰離子「插入」固體電極的速度影響，這決定了電池的充電和放電速度。然而，控制這一速度的具體機制一直以來都不明朗。
這項研究涉及測量鋰離子在各種電池材料中插入的速度，並利用這些數據創建了一個修訂版本的模型。該模型表明，插入速度是由耦合的離子-電子轉移所控制。在這一反應中，「鋰離子與一個電子一起轉移到電極上」。這一發現可能為研發更強大且充電更快速的鋰離子電池鋪平道路。麻省理工學院的數學教授馬丁·巴贊特（Martin Bazant）表示：「我們希望這項工作能夠使反應更快且更可控，從而加快充電和放電的速度。」
長期以來，科學家認為鋰的插入速度受限於離子的擴散速度，這一過程曾用巴特勒-沃爾默（Butler-Volmer）方程描述。然而，實驗數據卻在不同實驗室之間波動很大，且很少符合舊模型的預測。巴贊特指出：「電化學步驟並不是鋰的插入，而實際上是電子轉移以減少承載鋰的固體材料。」麻省理工學院的研究團隊利用一種特定的電化學技術，透過施加重複的短時電壓脈衝，精確測量鋰的插入速率。他們收集了超過 50 種電解質和電極的組合數據，包括在現代電池中廣泛使用的材料，如鋰鎳錳鈷氧化物（適用於電動車）和鋰鈷氧化物（適用於手機和筆記本電腦）。
這些測量結果顯示，插入速率遠低於之前的預測，且與舊的巴特勒-沃爾默模型的預測不符。研究人員根據這些新數據發展出一種替代理論：只有在電子從電解質轉移到電極的同時，鋰離子才能進入電極。這一過程實際上才是真正控制反應速率的因素。研究人員表示：「鋰在電子轉移的同時被插入，兩者相互促進。」這一 CIET 機制還降低了反應的能量障礙，從而成為電池的真正速度控制器。
新模型的發現為電池改進提供了兩條主要的路徑。首先是加快充電速度。通過理解反應速率如何被控制，研究人員可以加速鋰的插入反應，設計出充電更快的電池。其次是延長電池的使用壽命，通過減少電池退化。該模型可以幫助減少不必要的副反應，即電子從電極溶解到電解質中的現象。研究還顯示，通過改變電解質的成分，可以主動調整插入速率。這些發現已發表在《科學》（Science）期刊上，預示著鋰離子電池未來的發展方向。
