電池革命の革命：硬質炭素負極のパワー
Revolutionising Battery Technology: The Power of Hard Carbon Anodes
By Team IO
https://innovationorigins.com/ 2023.09.14
科学－炭素負極を硬質炭素に置き換えることで、複数の電池化学の性能を大幅に向上させることができる。
研究者達はナトリウム･イオン、リチウム・イオン、カリウム・イオン電池の従来のグラファイト陰極に代わる持続可能な高容量代替品としての硬質炭素負極の可能性を研究している。インペリアル・カレッジ・ロンドンのチームは、これについて「Advanced Materials」誌に発表した。硬質炭素は高いイオン貯蔵能力、持続可能性、および原料の幅広い入手可能性を示す。この研究により、これらの陰極の電気化学的性能は熱分解温度に大きく影響され、その構造に大きな影響を与えることが明らかになった。硬質炭素陰極はその高い表面積と欠陥の多い構造によりリチウム・イオン電池で優れているだけでなく、ナトリウム･イオン電池でも優れており、より低い電流密度で優れた性能を示す。この研究は、従来のリチウム・イオン電池を超えて次世代電池技術を推定するための硬質炭素負極の可能性を強調している。
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ハイライト
● ナトリウム･イオン、リチウム・イオン、カリウム・イオン電池における硬質炭素陰極の使用は電気化学的性能に影響を与える構造の変化を明らかにする。
● 低温合成硬質炭素(G1000)は、表面積が大きく欠陥が多い構造であるため、リチウム・イオン電池に優れている。一方、G1500は、欠陥、層間距離、多孔性のバランスが取れており、ナトリウム･イオン電池に優れた性能を示している。
● 持続可能性、高容量、高出力密度、長期安定性などの硬質炭素の潜在的な利点により、硬質炭素は次世代電池技術を進歩させるための有望な候補として位置付けられている。
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硬質炭素陰極の可能性を解き放つ
研究の中心となるのは、将来の電池システムに有望な素材である硬質炭素の徹底的な探求である。硬質炭素は、その名前が示すように、他の形態よりも構造的に密度が高い炭素の形態である。イオン貯蔵能力が高いため、電池システムの陰極として魅力的な候補となる。電池の重要なコンポーネントである陰極は、イオンが電解質を通って陽極に移動して電流を生成する前に蓄えられる場所である。
硬質炭素が一般的に使用される炭素など他の陰極材料と異なるのは、その構造の多様性である。硬質炭素の構造は、硬質炭素の合成方法である水熱炭化と熱分解のプロセスを通じて操作できる。
水熱炭化と熱分解を理解する
水熱炭化は、高圧および炭加点以下の温度(通常180～250℃の範囲)で有機材料を分解するプロセスである。このプロセスにより、炭化水素として知られる高炭素質固体が形成される。一方、熱分解では、酸素の不在下で炭化水素を加熱し、材料に物理的および化学的変化を引き起こす。熱分解中に揮発性物質が除去され、炭素が豊富な硬質炭素が残る。
熱分解温度は、硬質炭素の特性を決定する重要な要素である。温度が上昇すると、硬質炭素の構造秩序も変化し、層間距離、層数、多孔度、表面官能基に影響を与える。これらの特性は、さまざまな電池システムの陰極としての硬質炭素の性能を決定する。
さまざまな電池システムでのパフォーマンス
リチウム・イオン電池ではG1000と呼ばれる低温で合成された硬質炭素が優れた性能を実証した。これは、その高い表面積と欠陥の多い構造に起因しており、リチウム・イオンの貯蔵容量が向上している。電池の容量は蓄えることができるイオンの数に直接関係しているため、これは大きな利点である。
しかし、ナトリウム･イオン電池に関しては、性能のダイナミックスが変化する。ここで、G1500として知られる高温で合成された硬質炭素は、より低い電流密度で低温の硬質炭素よりも優れた性能を発揮する。G1500の優れた性能は、欠陥、層間距離、多孔性のバランスに溯ることができる。これらの特性により、G1500はリチウム・イオンよりも大きいナトリウム･イオンを貯蔵する能力が向上する。
硬質炭素陰極の将来はどうなるか
これらの結果を考慮すると、なぜ硬質炭素陰極が注目を集めているのかが分かる。これらは、より持続可能な大容量電池への道を提供し、現在のリチウム・イオン電池技術の限界を押し上げる可能性を秘めている。リチウム・イオン電池やナトリウム･イオン電池だけでなく、カリウム・イオン電池にも使用できるため、用途が多様化する。
さらに、硬質炭素は豊富に存在し、持続可能である。幅広い供給源から得られるため、より環境に優しい代替品となる。硬質炭素の高いイオン貯蔵容量は、より高いエネルギー密度の電池にもつながる可能性があり、急速なエネルギー放電を必要とする用途に適している。
