グラフェン系亜鉛イオン電池の最新動向

 グラフェン系材料は、調整可能な層間チャネル、高い比表面積、良好な導電特性などのユニークな特性を有しており、二次電池用電極の材料として有望です。リチウムイオン電池は現在、商用二次電池市場を独占していますが、リチウム資源の限られた量、リチウムコストの高さ、有機電解液の安全性への懸念により、さらなる発展が妨げられています。性能、安全性、コストの観点から、亜鉛ベースの二次電池は、二次電池の有望な代替手段として浮上しています。

シンガポールの南洋理工大学のHong Hui Xiang教授は、中国の教授と共同で、様々なグラフェンベースの誘導体とその複合材料の最近の進歩と開発、および二次電池、特にリチウムイオン電池、亜鉛空気電池、亜鉛イオン電池、ヨウ化亜鉛電池におけるこれらの材料のターゲット設計のための科学的原理を強調しました。また、有機廃棄物を用いた持続可能なグラフェンベース材料の製造、アディティブマニュファクチャリング技術を用いた電池部品の迅速な製造、保護層を用いた陽極の安全性向上の展望についても概説しています。本研究成果は、“最近のGraphene-Based Materials for Zinc-Based Batteries：Beyond Lithium-Ion Batteries”というタイトルでSmall誌に掲載されました。

グラフェンを用いた強化

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池（LIB）の主な障害は、比較的比容量が低いことであり、電気自動車の長距離走行や電子機器の頻繁な充電での使用が制限されています。グラファイトなどの従来の電極材料の理論容量はわずか372 mAh/gです。この限界に対処するため、優れた導電性と高い比表面積を持つグラフェンおよびその誘導体は、LIBの代替電極材料として検討されています。これらのグラフェンベースの材料は、層間ナノポアを介したLi+イオンの拡散を加速し、表面に効率的に電荷を蓄積することができる。その結果、LIBの比容量が大幅に増加します。

また、遷移金属酸化物·硫化物（TMO/TMS）とグラフェン系材料を組み合わせた複合材料が開発され、比容量·速度性能をさらに向上させています。これらの複合材料は、より多くの電気化学的活性部位を提供し、電子移動度を高め、Li+イオンの輸送を促進する。一般的に、グラフェンベース材料のLIBに関する先進的な研究は、低比容量の問題を解決し、全体的な電気化学的特性を向上させることで電池性能を向上させる。

グラフェン複合材料の利用

亜鉛イオン電池の性能向上

亜鉛イオン電池（ZIBs）は、亜鉛の豊富さと経済性からリチウムイオン電池の有望な代替品と考えられています。しかし、ZIBは比容量が低く、サイクル寿命が悪いなどの課題に直面しています。これらの問題を解決するため、研究者たちはグラフェンベースの材料を探索した。例えば、マンガン酸化物/グラフェン複合材料は、マンガン2+イオンの溶解を軽減することでZIBの比容量とサイクル安定性を向上させます。酸化バナジウム/グラフェン複合材料は、電子およびイオン輸送を改善することでZIBの速度容量とサイクル寿命を向上させます。加えて、グラフェンとポリアニリン（PANI）などの材料との複合材料は、電気伝導率と電荷移動を向上させることによって比容量を増加させる。これらのグラフェンベースの進歩は、ZIBの性能を向上させるソリューションを提供し、エネルギー貯蔵技術の競争力のある選択肢となっています。

科学的原理：グラフェン系材料は、優れた導電率と高い比表面積を有し、イオンの拡散と効率的な電荷蓄積を促進し、従来の電極材料の限界を解決します。これらの複合材料のナノスケールエンジニアリングは、イオン輸送、電子移動ダイナミクス、構造安定性を最適化し、最終的には電池性能を向上させます。また、水素結合やπ-π相互作用を介して他の材料と相互作用するなどのグラフェン独自の特性により、エネルギー貯蔵デバイスの性能向上に役立つ特性を高める複合材料の作製が可能になります。

グラフェンに基づく技術革新

亜鉛空気電池

亜鉛空気電池（ZABs）は、リチウムイオン電池（LIB）の約5倍の理論エネルギー密度に優れており、大きな可能性を秘めています。しかし、酸素還元反応や酸素進化反応（ORRやOER）の速度が遅いこと、白金（Pt）などの従来の電気触媒の不安定性など、大きな障害に直面しています。最近のグラフェン材料の進歩は、これらの課題の解決策を提供します。研究チームは、コバルト（Co）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni）などの非貴金属とグラフェン誘導体を組み合わせることで、費用対効果の高い二機能性電気触媒を開発しました。これらの複合材料は優れたORRおよびOER特性を示し、安定性も向上します。例えば、窒素ドープされた还元黒酸化物rGOにアンカーされたコバルトベースのナノ粒子は、高い开回路电圧および密度を含む印象的なを示す。加えて、ヘテロ原子ドーピングや金属有機骨格（MOF）複合などのストラテジーは、ZABsの電気化学的性能をさらに増強した。これらのイノベーションは、グラフェンの優れた導電性と表面積を利用して、従来のZABの限界を解決し、エネルギー貯蔵技術の競争力のある選択肢となります。

グラフェンベースのブレークスルーの利用

亜鉛ヨウ素電池の性能向上

亜鉛ヨウ素電池（Zn-I2B）は、その天然の豊富さと高い理論容量により大きな可能性を秘めていますが、元素ヨウ素（I 2）固有の導電性が低く、放電生成物の溶解度が高いなどの課題に直面しています。この問題を克服するため、研究者たちはグラフェンフォーム（GF）などの炭素系材料を含む多孔質マトリックスにヨウ素を濃縮することに着目した。最近では、グラフェン系材料の進歩により、Zn-I 2 Bの性能向上が図られています。例えば、窒素及び硫黄を共ドープしたグラフェンフォーム（NSGF）及び三次元グラフェン状炭素（I2/3DGC）マトリックスは、ヨウ素を安定化させ且つ电気伝导率を向上させるためのを提供することにより、増强された电気化学的性能を示す。これらのグラフェンベースのイノベーションは、Zn-I 2 Bの限界に対処し、効率とサイクル安定性を向上させ、有望なエネルギー貯蔵技術となっています。

展望-グラフェン材料の進歩

エネルギー貯蔵の強化

本レビューでは、リチウムイオン電池（LIBs）および酸化亜鉛電池（ZBBs）のエネルギー貯蔵性能を向上させるグラフェンベース材料（GBM）の最近の進歩を強調する。グラフェンとその誘導体は、導電性フレームワークと貯蔵媒体の両方を提供するエネルギー貯蔵に重要な役割を果たしています。その低い比容量を克服するために、研究者たちは他のグラフェン複合材料、特に遷移金属酸化物（TMO）と硫化物（TMS）をグラフェン誘導体の相乗パートナーとして探索してきた。これらの組み合わせはLIBの比容量を大幅に向上させ、低導電率の課題を解決します。一方、ZBBは、その費用対効果と安全性のために大きな注目を集めています。TMOとTMSをグラフェン誘導体、マンガンとバナジウム酸化物に組み込む戦略は、ZBBの比容量とサイクル寿命を向上させた。さらに、ZBBの高価な貴金属を非貴金属ベースのGBMに置き換える努力も可能性を示しています。課題には、GBM材料の持続可能な入手、新しいZBBの迅速なプロトタイピング、ZBB亜鉛電極の保護層の開発などがあります。全体として、本レビューでは、持続可能性、コンピューティング設計、保護層が焦点となるLIBおよびZBBの電気化学的性能を向上させるためのGBMのさらなるイノベーションが期待されます。