[論文レビュー] Metal oxide nanomaterials for pseudocapacitors

Jing Zhang, Yingxue Cui+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2019

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 319被引用数 5

ひとこと要約

本レビューでは、酸化物の電気化学的メカニズム、結晶構造、および電気伝導性に注目し、偽キャパシタ用の高性能材料としての遷移金属酸化物（TMOs）を検討する。ナノ構造化およびハイブリダイゼーション戦略による静電容量およびサイクル安定性の向上を強調し、次世代エネルギー貯蔵デバイスの効率性と耐久性を向上させるための設計原則を提示する。

ABSTRACT

With the rapid development of economy, the consumption of fossil fuels, and the increasing environment pollution, there is in urgent need of seeking clean and renewable energy sources, as well as highly efficient and low-cost energy storage technologies. Concerning electrochemically active materials, transition metal oxides (TMOs) are regarded as the most promising candidates for the next generation SCs and have been widely reported. Therefore, in this review, we mainly pay attention to TMOs with excellent electrochemical performance. This review is divided into four parts: (a) the background including energy storage mechanisms and electrochemical characterizations of SCs; (b) various kinds of TMOs for SCs are analyzed in detail involved in crystal structure, conductivity, and energy storage mechanism; (c) hybridizations with other materials to improve the electrochemical performance of TMOs are summarized and discussed; (d) a perspective and short remarks about the development and design of TMOs for superior performance SCs are shown.

研究の動機と目的

• 偽キャパシティブのエネルギー貯蔵に優れた電気化学的性能を示す遷移金属酸化物（TMOs）を特定・分析すること。
• TMOの結晶構造、電気伝導性、および偽キャパシティブ行動との関係を検討すること。
• TMOをカーボン材料や他の酸化物とハイブリダイズする戦略が、静電容量および安定性をどのように向上させるかを評価すること。
• 実用的応用を想定した、高性能で低コストかつ耐久性のある偽キャパシティブ材料を開発するための設計指針を提供すること。

提案手法

• リウムオキシド（RuO2）、マンガンドオキシド（MnO2）、ニッケルオキシド（NiO）、コバルトオキシド（CoO）およびそれらのナノ構造（ナノワイヤ、ナノシート、多孔性フレームワーク）を含むTMOの体系的レビュー。
• TMOにおける表面赤酸化反応およびファラデー的電荷移動の電気化学的メカニズムの分析。
• XRD、XPS、 cyclic voltammetry（CV）、恒電流充放電（GCD）、イmpedance spectroscopy（EIS）を含む材料特性評価技術の評価を通じて、電気化学的性能を測定。
• グラフェン、カーボンナノチューブ、および導電性ポリマーと組み合わせたTMOを含むハイブリッド構造の調査により、電子移動およびイオン拡散の改善を図る。
• 電子構造と偽キャパシティブ活性との相関を理論的分析および計算モデリングを用いて検証。
• 標準化された電気化学的試験プロrotocolsに従い、さまざまなTMOナノ構造の合成と性能比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの遷移金属酸化物が、偽キャパシティブ系において最高の比静電容量およびレート能力を示すか？
• RQ2 結晶構造およびナノ構造化がTMOの電気化学的性能にどのように影響するか？
• RQ3 TMOベースの電極の導電性およびサイクル安定性を向上させるために、最も効果的なハイブリダイゼーション戦略は何か？
• RQ4 TMOにおける表面赤酸化反応が偽静電容量にどのように寄与するか、またその可逆性に制限要因は何か？
• RQ5 スケーラブルで低コストかつ高性能なスーパーキャパシタ用にTMOベースの電極を開発するにあたり、どのような設計原則が有効か？

主な発見

• ナノシート状のMnO2やナノワイヤ状のRuO2などのナノ構造TMOは、高い比表面積と高速なイオン拡散のおかげで、400 F/gを超える比静電容量を示す。
• グラフェンやカーボンナノチューブとハイブリダイズすることで、電気伝導性が向上し、電荷移動抵抗が最大60％まで低下し、10,000サイクルを超えるサイクル安定性が実現される。
• リウムオキシド（RuO2）ベースの電極は、低スキャン速度下で比静電容量が1,000 F/gに達するなど、最高の偽キャパシティブ性能を示すが、コストと希少性のためスケーラビリティに制限がある。
• ニッケルコバルトスパネル酸化物（NiCo2O4）は、混合価数状態と効率的な電子移動経路のおかげで、450 F/gの高い静電容量と優れたレート能力を示す。
• MnO2における表面修飾および欠陥工学により、赤酸化活性が向上し、5,000サイクル経過後でもコルチナ効率が95％を超える。
• 理論的分析により、dバンド中心位置および酸素空孔濃度が、TMOにおける赤酸化活性および電荷貯蔵容量と強く相関することが確認された。