レビュー論文
ナトリウム･イオン電池用のバイオマスからの硬質炭素負極
Hard-Carbon Negative Electrodes from Biomasses for Sodium-Ion Batteries
By Bin Lu, Chengjun Lin, Haiji Xiong, Chi Zhang, Lin Fang, Jiazhou Sun, Ziheng Hu, Yalong Wu, Xiaohong Fan, Guigang Li, Jile Fu, Dingrong deng and Qihui Wu
Molecules 2023;28:4027 2023.05.11
要約
高性能電極材料の開発に伴い、ナトリウム･イオン電池が広く研究されており、低コストで自然に存在するため、ナトリウム･イオン電池に代わる様々な分野で応用できる可能性がある。ナトリウム･イオン電池の主要な負極材料として、硬質炭素は依然としてサイクル性能の低下や初期クーロン効率の低さなどの問題に直面している。バイオマスは、合成コストが低く、バイオマスへのヘテロ原子が自然に存在しているため、ナトリウム･イオン電池用の硬質炭素の合成にプラスの意味を持っている。本ミニレビューでは、主に硬質炭素材料作製の前駆体となるバイオマス研究の進捗状況について解説する。硬質炭素の貯蔵機構、異なるバイオマスから調製した硬質炭素の構造特性の比較、および硬質炭素の電気化学的特性に対する調製条件の影響について紹介する。さらに、原子をドーピングする効果も要約され、ナトリウム･イオン電池用の高性能硬質炭素の設計に関する深い理解とガイダンスを提供する。
1．はじめに
現在、天然資源の枯渇、石油価格の上昇、化石燃料の燃焼から発生する様々な有毒ガスは、人間の生活環境に深刻な影響を及ぼしている。したがって、代替のグリーン・エネルギー源の探索と環境保護が最も緊急な問題になっている。持続可能な開発のために、気候学的および環境的変化のために現在安定していない太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギー、波力エネルギーなどのクリーン･エネルギーの応用に焦点を当ててきた。したがって、エネルギー貯蔵装置は、クリーン･エネルギー源の開発に伴い極めて重要である。リチウム・イオン電池は、理論上の容量が高く、サイクリング性能が優れているため、最も調査されており、現在、世界のエネルギー貯蔵市場の63％を占めている。しかし、現在、地球で検出されているリチウム金属の量はわずか0.0065％であり、その結果、リチウムの価格が高くなり、その結果、リチウム・イオン電池の幅広い適用が妨げられている。リチウム・イオン電池とは別に、ナトリウム･イオン電池も比較的大容量で低コストであり、リチウム・イオン電池の代替品と見なすことができる。ナトリウムの埋蔵量は2.09％で、リチウムの約320倍である。さらに、アルミニウム金属はナトリウム･イオン電池の負極集電体として使用でき、エネルギー貯蔵装置のコストをざらに削減する。しかし、ナトリウム･イオン半径(0.102 nm)はリチウム・イオン(0.076 nm)よりも0.02 nm大きいため、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池に必要な負極材料の間にはギャップがある。現在、ナトリウム･イオン電池の負極材料は、主に金属酸化物、金属合金、および炭素に分けられる。金属酸化物のレート性能は比較的良好であり、理論容量は要件を満たしているが、それらの欠点も明らかである。初期のクーロン効率は非常に低く、実際の用途では無視できない。ナトリウム･イオン電池用の合金の利点は、理論容量が比較的高いことであるが、反応中の体積膨張は非常に深刻であり、電気的接触から活物質が分離するため、サイクル性能が低下する。金属硫化物は、その高容量、高レート能力、および安定した性能により、ナトリウム･イオン電池のアノードにも使用できる。価格を考えると、電池に使用される最も一般的な負極は比較的入手が容易で、多孔質構造を持つものが多いため、ナトリウム･イオンの挿入と抽出に適しているため、炭素である。現在、ナトリウム･イオン電池に適用される炭素系材料は最も人気がある。軟質炭素と硬質炭素に分けられる。硬質炭素の調製に使用される材料は簡単に見つけることができ、ほとんどの硬質炭素は豊富な微結晶構造を持っているため、ナトリウム･イオンが移動するための経路を効果的に作成し、充電/放電プロセス中に自由な挿入と抽出を実現できる。いわゆる硬質炭素は高温(1600℃)の焼成でも黒鉛化できず、層間間隔が変化しにくく、0.41 nmで残る。硬質炭素はナトリウム･イオンの貯蔵に適しているが、まだ多くの問題がある。最も大きな問題は、初期容量が比較的低く、商用用途に適応できないことである。電池のエネルギー密度を向上させることは、電極材料を設計する際の優先事項である。例えば、一般的に使用される方法は、高容量の硬質炭素を合成するためのテンプレートとしてMgOを使用することである。現時点で最も一般的に研究されている主題は、N原子やP原子や金属原子などのヘテロ原子ドーピングである。この方法を使用すると、層間距離を拡大できるだけでなく、初期クーロン効率を効果的に向上させることができ、その結果、電池のサイクル安定性能も大幅に向上させることができる。
硬質炭素材料は一般的にフェノール樹脂から作られている。コストを節約するために多くの研究者達はバイオマスを硬質炭素前駆体として使用しており、これは主に古いヘチマやオレンジの皮などの植物やシーフード廃棄物に由来する。植物バイオマスにはリグニンとセルロースが多く含まれている。炭素に加えてNやPなどの他の元素も含まれているため、層間間隔を改善し、電池の電気化学的性能を向上させることができる。硬質炭素を生産するバイオマスを選択する際には、バイオマス中の炭素含有量を考慮するだけでなく、前駆体構造にも注意を払う必要がある。前駆体は硬質炭素の微細構造に直接影響を与える主な要因の1つであるためである。一般に線状、球状、多孔質構造に分けられる。ナトリウム･イオン電池の負極の需要を満たすために、通常はナトリウム･イオンの埋め込みや埋め込みをより伝導しやすい多孔質構造が選択される。ほとんどの炭素原子は六員
炭素環の形をしているが、五角形または七角形の欠陥サイトも存在する。グラファイトを除いて硬質炭素には比較的多くの空孔、エッジ、欠陥サイトがあり、元素ドーピングにより適している。以前のレビューでは硬質炭素の使用法をまとめている。しかし、バイオマス由来の硬質炭素に関するレビューは比較的少数しか報告されていない。現在の記事では、硬質炭素のナトリウム･イオン貯蔵メカニズムをレビューし、低コストで環境に優しいバイオマスを使用した硬質炭素の生産を要約し、ナトリウム･イオン電池用に様々なバイオマスから調製された硬質炭素の容量と性能を比較する。
2．硬質炭素中のナトリウム貯蔵のメカニズム
3．バイオマスから調製した硬質炭素
3.1. アンドープ硬質炭素
3.2. ヘテロ原子ドープ硬質炭素
以上の章と節は省略。
4．結論
硬質炭素は様々なバイオマス資源から製造でき、ナトリウム･イオン電池としては特異な構造と高容量を示す。しかし、比表面積が大きいため、ほとんどの硬質炭素アノードの初期クーロン効率は80％以下である。この作業では主に硬質炭素材料の調製と進捗状況と、初期クーロン効率を改善するための最適化戦略について説明する。高性能な陽極を実現するためには、バイオマス前駆体の層状または柱状の多孔質構造など、実際の行動をとる前に硬質炭素の製造にいくつかの基準が必要であり、イオン輸送の速度を加速する。一方、元素ドーピングは、主に層間間隔を効果的に拡大し、硬質炭素の順序を変更し、電気化学的性能を向上させることができるため、高エネルギー密度のナトリウム･イオン電池の構築に不可欠である。例えば、N, P, Oなどの共通原子をドープした後、サイクル安定性、初期クーロン効率、ナトリウム･イオン移動速度が大幅に向上し、プラットフォーム容量とスロープ容量の両方が増加した。
