锂离子电池一直是储能技术的前沿。然而，锂的供应有限。因此，对储能系统日益增长的需求促使人们寻找低成本、更易获得的可充电电池材料。由于海水和盐矿中钠(Na)资源几乎无限，钠离子电池(SIB)是一个有希望的候选材料。

人们进行了大量研究来改进正极(阴极)、负极(阳极)和电解质材料，以提高长循环稳定性，并为SIB实现薄固体电解质界面(SEI)。SEI是在初始充电/放电循环期间在阳极表面形成的钝化层，可防止阳极因与电解质发生反应而退化。

良好的SEI对电池性能至关重要。在此背景下，硬碳(HC)已成为一种有前途的阳极材料。然而，由于电解质消耗增加，它会形成不均匀、厚且脆弱的SEI，从而降低充电/放电稳定性和反应速度，因此其商业化一直很困难。

为了解决这些问题，人们使用了羧甲基纤维素盐、聚丙烯酸衍生物和聚偏氟乙烯(PVDF)等粘合剂。然而，这些粘合剂会导致Na离子在阳极中扩散缓慢，从而导致HC基SIB的倍率性能较差。

为了克服这些缺点，日本高等科学技术研究院(JAIST)的NoriyoshiMatsumi教授和博士生AmarshiPatra使用聚富马酸(PFA)粘合剂开发了HC阳极。他们的研究成果于2024年5月10日发表在《材料化学A杂志》上。

Matsumi教授在解释PFA的优势时表示：“与传统的聚丙烯酸粘合剂不同，PFA是一种高功能密度聚合物，主链的所有碳原子上都存在羧酸。这使得PFA能够通过高浓度的离子跳跃位点改善Na离子扩散，并更牢固地粘附在电极上。此外，PFA粘合剂具有水溶性和无毒性，其前体富马酸是一种生物基聚合物。”

研究人员通过水解聚富马酸酯合成了PFA。接下来，他们将HC、SuperP碳和PFA混合在水中形成水性浆料，将其涂在铜箔上并干燥一夜，以产生HC阳极。该阳极与作为对电极的钠金属盘和作为电解质的1.0MNaClO4一起用于构建阳极型半电池。

研究人员进行了剥离试验，以测试粘合剂对电极组件和铜集电器之间粘合性的影响。值得注意的是，强粘合性是SIB长寿命的必要条件。含有PFA粘合剂的HC电极的剥离力为12.5N，明显高于聚丙烯酸-HC电极的剥离力(11.5N)和PVDF-HC电极的剥离力(9.8N)。

对阳极半电池进行了各种电化学和电池性能测试。在充电/放电循环测试中，阳极半电池在电流密度为30mAg-1和60mAg-1时分别显示出288mAhg-1和254mAhg-1的比容量，明显优于PVDF和聚丙烯酸型电极。它还表现出优异的长循环稳定性，在250次循环后仍保留了85.4%的容量。

阳极形成一层薄薄的SEI，没有出现裂纹或剥落，这有助于提高半电池的耐久性。此外，PFA-HC电极的Na离子扩散系数为1.9×10-13cm2/s，高于聚(丙烯酸)-HC和PVDF-HC电极。

这些发现有助于开发电化学性能更佳的SIB。展望未来，松美教授表示：“在这种聚合物材料中，通过不同的聚合物反应可以进行各种结构改性，从而进一步提高性能。未来，我们的目标是与公司联合研究，实现其商业化应用。此外，作为一种可提高耐久性的水溶性无毒粘合剂材料，它不仅可以应用于SIB，还可以应用于各种储能设备。”

总体而言，这种新材料可以促进基于SIB的低成本能源设备的更广泛使用，从而实现更加能源高效、碳中和的社会。