[論文レビュー] Nanoparticle-enhanced Multifunctional Nanocarbons as Metal-ion Battery and Capacitor Anodes and Supercapacitor Electrodes -- Review

Subrata Ghosh, S. R. Polaki+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 250被引用数 40

ひとこと要約

本レビューでは、電荷貯蔵容量、イオン拡散、および電子移動を向上させることにより、金属イオン二次電池、金属イオンキャパシタ、およびスーパーキャパシタ電極の高性能アノードとして、ナノ粒子修飾ナノカーボンを提案する。主な貢献は、金属、金属酸化物、およびその他の金属化合物ナノ粒子（例：SnO₂、TiO₂、Mn₃O₄）がグラフェン、カーボンナノチューブ、多孔質カーボン構造に統合されることで、相乗効果により電気化学的性能が顕著に向上することの包括的分析である。特に、特定の複合材料はリチウムイオン系で最大1240 mAh/g、ナトリウムイオン系で56.3 W/kgで64.2 Wh/kgを達成している。

ABSTRACT

As renewable energy is becoming a critical energy source to meet the global demand, electrochemical energy storage devices become indispensable for the efficient energy storage and reliable supply. The electrode material is the key factor determining the energy storage capacity and the power delivery of the devices. Carbon-based materials are emerging as a viable candidate for electrodes, yet their low energy densities impede the development of advanced energy storage materials. Nanoparticle decoration of the carbon structures is one of the most promising and easy-to-implement a strategy to enhance the charge-storage performance of carbon-based electrodes. Decoration by nanoparticles of metals, metal oxides, nitrides, carbides, phosphides, chalcogenides, and bimetallic components lead to significant enhancements in the structural and electronic properties, pore refinement, charge storage, and charge transfer kinetics of both pristine and doped carbon structures, thereby making their performance promising for next-generation energy storage devices. This review covers the state-of-art nanoparticle decorated nanocarbons for battery, supercapacitor, and metal-ion capacitor applications. A critical analysis of the elemental composition, structure, associated physico-chemical properties and performance relationships of nanoparticle-decorated nanocarbon electrodes is provided as well to inform the future development of the next generation of advanced energy storage materials, devices, and systems.

研究の動機と目的

• 多様な金属化合物ナノ粒子（例：酸化物、窒化物、ホスファイド）がナノカーボンベース電極の電気化学的性能をどのように向上させるかを厳密に分析すること。
• ナノ粒子のサイズ、形状（固体、中空、ヨークシェル）、および分布が、ナノカーボンマトリックス内での電荷貯蔵容量および反応速度に与える影響を評価すること。
• NP/NC複合材料における性能向上の主要メカニズム（導電性の向上、構造的安定性、イオン拡散パスの最適化など）を同定すること。
• 多機能複合材料（特に多成分系および二重カーボンコーティングを含む）について、既存の文献に不足している詳細なカバーを提供することで、研究ギャップを埋めること。
• 電解液の浸透性、集電体の無駄な質量、コバルトやニッケルのような材料の環境的影響といった、重要な課題を浮き彫りにすること。

提案手法

• バッテリーアノード、金属イオンキャパシタのアノード、およびスーパーキャパシタ電極に用いられるナノ粒子修飾ナノカーボン（NPs/NCs）に関する最近の文献を系統的かつ批判的にレビューすること。
• ナノ粒子の組成（金属、酸化物、窒化物、カーブ化物、ホスファイド、 chalcogenide）および形態（固体、中空、コアシェル、ヨークシェル）を分類し、それらがナノカーボン（グラフェン、CNT、多孔質カーボン）とどのように統合されているかを分析すること。
• 水熱的法、溶媒熱法、マイクロ波支援法、および化学気相成長法などの合成法を評価し、合成プロトコルを詳細に要約した表を提供すること。
• 比容量（mAh/g）、比容量（F/g）、エネルギー密度（Wh/kg）、出力密度（W/kg）、サイクル安定性などの指標を用いて、異なるデバイス間での性能比較を行うこと。
• 電荷貯蔵メカニズム（二重層容量、偽容量、変換反応・アロイ化反応など）の理論的および実験的分析を行うこと。
• 理論的予測値を上回る容量が生じる原因と、ドーピング（例：Nドーピング）が性能向上に果たす役割の評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SnO₂、TiO₂、Mn₃O₄などの異なる金属化合物ナノ粒子は、ナノカーボンベース電極の電荷貯蔵容量およびレート性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ヨークシェル、コアシェルなどのナノ粒子形態は、イオン拡散、構造的安定性、および電気化学的反応速度に果たす役割は何か？
• RQ3 特定のNP/NC複合材料が理論値を超える容量を示す理由は何か？その背後にあるメカニズムは何か？
• RQ4 RGOとGOの違いが、リチウムイオン電池とスーパーキャパシタにおけるMn₃O₄ベース複合材料の性能に与える影響は何か？
• RQ5 電解液の浸透性、集電体による無駄な質量、およびコバルトやニッケルといった希少材料の環境的影響を含めた、NP/NC複合材料のスケーリングアップにおける主な課題は何か？

主な発見

• 還元グラフェン酸化物（RGO）およびカーボンナノチューブにアンカーリングされたSnO₂ナノクリスタルは、0.5 A/gで41 F/gの比容量を示し、1.2 A/gでも27 F/gを維持した。これは高いレート性能を示している。
• ルチル型TiO₂メソケージ@グラフェンナノコンポジットは、56.3 W/kgで64.2 Wh/kg、1357 W/kgで25.8 Wh/kgを達成し、ナトリウムイオン系において優れたエネルギー–出力バランスを示している。
• ろうそくのすす由来カーボンナノ粒子は、0.15 A/gでLi⁺イオン貯蔵容量が1240 mAh/gに達し、多くの報告例を上回る性能を示した。
• Mn₃O₄/RGO複合材料は、高い電気伝導性と構造的安定性のおかげで、Li⁺イオン電池のアノードとして優れた性能を示した。一方、Mn₃O₄/GOは酸素官能基のおかげでスーパーキャパシタ用途に適していた。
• 理論的容量は、特に金属酸化物–カーボン系において、偽容量および界面電荷移動の寄与により、実験的値を下回ることが多い。
• 実験室スケールの結果と実際のデバイスとの間に顕著な性能ギャップが残っており、集電体、バインダー、導電助剤による無駄な質量が考慮されていないことが原因で、実用的エネルギー密度が最大50％まで低下する可能性がある。