レビュー論文
ナトリウム･イオン電池用二次元陰極材料の改質と
応用に関する研究の進展
Research Progress on Modification and Application of Two-Dimensional Anode Materials for Sodium Ion Batteries
By Jinglong Liang, Chuanbo Wei, Dongxing Huo, Hui Li
Journal of Energy Storage 2024;85: 2024.04.30
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
ハイライト
● ナトリウム･イオン電池における二次元材料の応用。
● 二次元素材の改変。
● ナトリウム･イオン貯蔵に対する粒界の影響を分析した。
● 異なる構造設計の特性を比較する。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
要約
ロッキングチェア型電池のエネルギー貯蔵は、イオンのインターカレーションと移動に対する電極の能力に大きく依存する。地殻中のナトリウム含有量が高いため、ナトリウム･イオン電池は将来のリチウム・イオン電池の代替製品として使用されているが、市販の黒鉛ではナトリウム･イオンの脱離に対応できず、ナトリウム･イオン電池への応用には適していない。二次元材料は、独特の層状構造や低いイオン拡散障壁などの優れた物理化学的特性により、エネルギー貯蔵の分野で高く評価されている。本論文では主に、近年のナトリウム･イオン電池の陰極における二次元材料の応用について概説する。二次元材料の改質処理は、エネルギー貯蔵の分野におけるそれ自体の限界と突破することができる。ヘテロ構造の構築とドーピング工学は、二次元材料に共通する積層問題を軽減するだけでなく、イオン輸送サイトを増やすこともできる。欠陥化学を導入すると、二次元材料内のナトリウム･イオンの吸着が強化され、それによってナトリウム･イオンの貯蔵容量が強化される。さらに、遷移金属ジカルコゲニドの相転移を駆動すると、電極のサイクリング効率を高めることができる。二次元材料の重要なトポロジーとしての粒界の存在は、ナトリウム･イオンの吸着に大きく寄与する。本論文は、近年のナトリウム･イオン電池陰における二次元材料の応用の概要と将来の開発の見通しで締めくくられている。本論文の目的は、ナトリウム･イオン電池における二次元陰極材料の電気化学的挙動を説明し、関連分野での将来の応用のための新しいアイデアを提供することである。
はじめに
近年、化石燃料は環境に多くの問題を引き起こしている。これに応じて多くの分野が変化しており、従来のエネルギー源の主要消費者である燃料自動車産業は大きな打撃を受けている。電池産業の発展は、化石燃料への過度の依存の問題を効果的に軽減することができる。電気自動車は省エネと排出削減の分野で明らかな利点があり、1世紀以上にわたって開発されてきた。電気自動車の核となるのは電池である。初期の鉛蓄電池から現在のリチウム電池に至るまで、開発の方向性は明らかに高容量と長いサイクル寿命に向かう傾向がある。電気自動車の年間販売台数は、2040年には世界で6,000万台を超えると予想されている。図1(省略)は、過去30年間の電気自動車の特許数の統計を示している。これは、関連特許の数が2005年以降に急速に増加していることを示している。また、生活水準の向上に伴い、人々のニーズも高まり、あらゆる種類の携帯型電子製品が登場している。これは、リチウム資源の急速な消費につながり、リチウム資源の供給が逼迫することになる。上記の理由により、現状を改善するために他の形式のエネルギー貯蔵が追求されることになる。
貯蔵容量の観点から、研究者達はリチウムと同じ族のナトリウム元素に注目している。ナトリウムの低コストと適用性に基づいて、ナトリウム･イオンはリチウム・イオン電池の代替品として使用できる。ナトリウムとリチウムは同じ族に属し、リチウムと同様の特性を持っている。ナトリウム･イオンは、低コストと豊富なナトリウム関連資源という利点により、リチウム・イオン電池の代替として期待されている。しかし、ナトリウム･イオンの半径が大きいため、リチウム・イオン電池の陰極として一般的に使用されるグラファイト電極はナトリウム･イオン電池には適していない。ナトリウム･イオン電池の電極材料の選択はより厳しく、ナトリウム･イオンの挿入・放出や電荷の移動がスムースに行なわれることが必要である。リチウム・イオン電池と同様に、ナトリウム･イオン電池の充電中に、ナトリウム･イオンが陽極から抽出され、電解質を通って陰極に移動する。充電プロセス中、陰極内の陽イオンは徐々に増加する。電荷のバランスをとるために、電子は外部回路を通じて陰極に転送される。図2(省略)はナトリウム･イオン電池の充放電の動作原理図である。
二次元材料は、グラフェン、遷移金属炭化物/窒化物、遷移金属ジハロゲン化物、ホスフェン、シリセンなど、調整可能な電子特性によりアルカリ金属イオン電池でよく使用される。超薄層構造は大きな比表面積の形成を容易にし、ナトリウム･イオン電池におけるナトリウム･イオンのより多くの結合点を提供することができる。二次元材料には、大きな層間隔、豊富な表面化学、高い金属伝導率、低いイオン拡散インピーダンスなど、エネルギー貯蔵において大きな利点がある。上記の利点は、ナトリウム･イオン電池のナトリウム･イオン輸送効率に貢献する。調整可能な特性により、さまざまな用途向けに特定の相構造を取得するための遷移金属ジハロゲン化物による相変化エンジニアリングなど、さまざまな反応に適した条件を提供できる。
従来の材料には、適用時の体積膨張や動的性能の低下などの問題がある可能性がある。従来の材料の膨張現象については、従来の材料の材料を二次元材料と混合して不均一構造を形成することができ、これにより体積膨張の問題を効果的に軽減できる。ヘテロ構造の確立により、従来の電極材料に新たな活力が生まれ、両者は相互に達成される。従来の材料は二次元材料の自己積層問題を軽減ことができ、二次元材料は電極の全体的な構造を安定させることができる。二次元材料の高度な可塑性に従って、電気化学的特性、欠陥工学、ドーピング、相変化工学を改善するために材料を修正することができ、これらは二次元材料自体によって運ばれるか、または人工的に導入される。ドーピングは電子伝導性を調整する効果的な方法であり、SやSbなどの半径の大きい元素の導入は、遷移金属炭化物/窒化物層の間隔を拡大するのに役立つ。欠陥の存在により、グラフェンへのナトリウム･イオンの結合エネルギーが増大する可能性があり、ZhangらはDFTによってナトリウム･イオンがグラフェンの空孔欠陥に優先的に吸着され、欠陥空孔がダングリングボンドを生成し、これがグラフェンへの吸着サイトとして機能して周囲の反応性を高めることができる。遷移金属ジハロゲン化物の相転移では、1 T MoS2の導電率が半導体2 H相の導電率より107倍高いことが判明した。
理論と実験に基づいて、本論文は近年のナトリウム･イオン電池における二次元材料の応用の進歩をレビューし、二次元材料のナトリウム貯蔵メカニズムを説明する。二次元材料のヘテロ構造を分類してまとめ、ナトリウム･イオン電池への応用の見通しをまとめる。最後に、ナトリウム･イオン電池における二次元材料の性能を向上させる方法と将来展の展望について説明する。
セクションの抜粋
二次元物質におけるナトリウム･イオン貯蔵の仕組み
二次元材料のナトリウム貯蔵メカニズムは、一般に2つの方法で現われる。1つはナトリウム･イオンが層内の表面に付着すること、もう1つは層間構造内にイオンの挿入が現われることである。反応が進むと層構造がある程度収縮・膨張し、充電時には陰極内でナトリウム･イオンの挿入・脱離が起こり、放電時には陰極上のナトリウム･イオンが挿入を示す。したがって、…
ナトリウム･イオン電池への二次元材料の応用
2004年にGeimらがグラフェンを発見して以来、二次元材料も徐々に登場している。ファンデルワールス力が弱いため、ファンデルワールス・ヘテロ構造が形成され、その応用と開発への道が広がる。グラフェンとその類似体(ホスホレン、シリセンなど)、遷移金属ジハロゲン化物、遷移金属炭化物/窒化物およびその他の材料の出現により、二次元材料ファミリーが拡大した。陰極電極からのスタート…
概要と展望
図12(省略)は、この論文に含まれる二次元材料のさまざまな処理法方法後のナトリウム･イオン電池への応用を示している。グラフェンの場合、欠陥エンジニアリングはシンプルで効率的な修正方法である。しかし、グラフェンの固有の特性により、グラフェンの製造上の欠陥により、グラフェンが長いサイクル寿命の下で高容量を維持できることができない。遷移金属ジハロゲン化物の欠陥は明らかに能力の向上に役立つ。これは主に欠陥を通じて活性サイトを生成することである。
