東京科學大學的研究人員實驗證明，鈉離子電池（SIBs）的充電速度比標準鋰離子電池（LIBs）更快。這項研究提供了量化證據，顯示硬碳（HC）陽極能夠實現更快的離子插入，表明鈉離子電池適合用於電動車等高功率應用，而不僅僅是作為一種成本效益高的替代品。全球向可再生能源系統的轉型加強了對耐用電池技術的需求。儘管鋰離子電池目前是標準，但對鋰資源的可用性擔憂促使尋找其他替代方案。研究人員指出：「由於鈉資源豐富且成本低廉，鈉離子電池是取代鋰離子電池的主要候選者，同時滿足全球能源需求。」
鈉離子電池的有效性依賴於一種稱為硬碳的負電極材料。這種多孔的低結晶碳形式能夠儲存大量鈉，使得鈉離子電池能夠達到與商業鋰離子電池類似的能量密度。歷史上，確定硬碳的精確充電速度一直是一個挑戰。傳統的電池測試方法通常因為複合電極中的濃度過電壓問題而低估材料的能力。在密集的電極結構中，當電解質內的離子運輸受到限制時，會發生離子交通堵塞，這一現象掩蓋了硬碳材料自身的基本充電速率限制。為了解決這一測量問題，以小林信一教授為首的研究團隊，與博士候選人藤井幸和助理教授扎卡里·T·戈薩奇一起，採用了稀釋電極方法。這種方法通過將硬碳顆粒與電化學惰性的氧化鋁粉末混合來進行。通過調整這些材料的比例，研究人員能夠將單個硬碳顆粒隔離，確保它們被足夠的離子供應包圍。新聞稿補充道：「通過這種方法，研究人員能夠有效地測量和比較鈉插入、鋰插入及鋰插層的最大速率。」
實驗結果顯示，對於相同的負電極，鈉插入過程本質上比鋰插入更快。通過使用循環伏安法和電化學阻抗光譜法的詳細分析，團隊計算了表觀擴散係數，這一指標測量了離子在材料中的移動速度。數據顯示，鈉的擴散係數通常高於鋰。小林教授指出：「我們的結果量化證明，使用硬碳陽極的鈉離子電池的充電速度可以達到比鋰離子電池更快的速率。」
這項研究進一步確定了充電過程中的具體瓶頸。速率決定步驟被發現是孔填充機制，即離子在硬碳的納米孔內聚集形成假金屬集群。化學動力學分析顯示，鈉形成這些集群所需的活化能低於鋰，這一較低的能量需求解釋了觀察到的更快動力學，並表明鈉插入對溫度變化的敏感度較低。新聞稿最後強調：「這項工作的發現告訴我們，鈉離子電池不僅僅是鋰離子電池更便宜和安全的替代品，而是在充電速度上提供了真實的性能優勢，這在高功率應用中尤其相關。」
