三つ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16002 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

三次元構造のシリコン（Si）-炭素（C）ナノ複合材料は、リチウムイオン電池（LIB）の負極として大きな可能性を秘めています。 ここでは、表面改質、静電的自己組織化、熱処理による架橋、およびさらなる炭化の方法によって調製された、窒素ドープグラフェン/炭素カプセル化Siナノ粒子/カーボンナノファイバー複合体(NG/C@Si/CNF)を報告します。 LIB の高性能アノードとしての可能性があります。 Si ナノ粒子の周りを包み込んだ N ドープ C マトリックスは、複合材料の導電性を向上させ、リチウム化/脱リチウム化中の Si ナノ粒子の体積変化を緩衝しました。 複合材料中に均一に分散された CNF は、イオンと電子を高速に輸送するための導電ネットワークとして機能しました。 NG/C@Si と CNF の有機材料全体がしっかりと結合しているため、粒子の粉砕や脱落が防止され、電極構造の完全性が維持されます。 NG/C@Si/CNF 複合材料は、他の電極材料と比較して、優れたレート特性とサイクル性能を示しました。 100 サイクル後、電極は 1371.4 mAh/g という高い可逆比容量を維持しました。

地球温暖化による環境問題は、私たちの生存に大きな脅威をもたらしています。 地球温暖化を引き起こす最も重要な要因は、二酸化炭素などの汚染物質の大量排出です。 炭素 (C) 排出の主な発生源は、化石燃料の燃焼と輸送です。 したがって、新エネルギー技術の持続可能な開発は緊急の研究課題です1、2、3。 充電式リチウム (Li) イオン電池 (LIB) は、その高いエネルギー密度、広い動作電圧、低い自己放電、大きな出力電力、高い電力特性により、電気自動車/ハイブリッド自動車やポータブル電子機器のエネルギー貯蔵用途の有望な候補です。貯蔵容量、優れたサイクル性能、環境適合性。 エネルギー貯蔵装置に対する需要の高まりに応えるために、より優れたエネルギー密度とサイクル性能を備えた LIB の開発がより重要になっています4、5、6。 さまざまなアノード材料の中で、シリコン (Si) は、高い理論比容量 (~ 4200 mAh g-1)、低い動作電位 (~ 0.4 V vs. Li/Li+)、豊富で、低価格であるため、最も有望な材料の 1 つです。 、環境安全性。 Si は、理論容量 372 mAh g−17,8,9 を持つ従来のグラファイトベースのアノード材料の代替品となっています。 しかし、Siベースの材料を商用LIBに実用化するには、いくつかの課題に直面しています。 Si ベースの材料は導電率が低いため、電極のレート性能が低下します。 サイクル中の Si 粒子の体積変化 (約 300%) により、電極材料が砕け、脱落し、集電体との電子的接触が失われます。 バッテリー容量の急速な低下、サイクル寿命の短縮、バッテリーセルの損傷を引き起こします。 最後に、一般的な電解質は、1 V 未満の電位で Si 表面に固体電解質界面 (SEI) を形成します。体積変化中に、SEI に亀裂が入り、Si 粒子が露出することがあります。 したがって、露出した Si 表面にさらに多くの SEI が形成されます。 SEI フィルムは、Si 粒子の総層厚さを継続的に増加させ、電極の穴を急速に埋めて、Li イオンと電子の透過を防ぎます。 これにより、インピーダンスと導電率がそれぞれ増加および減少し、バッテリーのサイクル安定性に影響を与えます10、11、12、13。

上述の問題を解決するために、Si ナノ粒子は C ベースの材料（例えば、さまざまな C 前駆体からのアモルファス C、グラフェン（G）、C ナノチューブ、および高い黒鉛化強度を備えたカーボン ナノファイバー（CNF））によってコーティング/カプセル化されてきました14。 、15、16。 Si ナノ粒子は、Li+ 伝達経路の距離を短縮し、サイクル中の体積変化を維持します。 不活性/活性マトリックスは、高い導電性と強い機械的強度を備えたバッファ層として機能し、構造の安定性と導電性を高めます。 最近、G は、高い導電性、化学的安定性、高い熱安定性、優れた機械的柔軟性、高い理論表面積などの独特の特性により、LIB 製造における高効率のコーティング材料として認識されています。 エネルギー貯蔵に応用できる可能性があります。 GベースのSi/C複合材料は、Siナノ粒子の体積変化を緩和し、安定したSEI膜を形成することができます。 また、Si ナノ粒子の導電性と Li 貯蔵性能も向上させることができます。 さらに、G の空孔欠陥によって形成された空隙は、イオン透過のチャネルを開き、イオンに対する G の透過性を高め、イオンの拡散係数と反応性を向上させます。 ドーピングの欠陥と空孔は、吸着原子と G17、18 の間の相互作用を強化します。 酸化グラフェン (GO) は、G ナノ複合材料の合成に使用される最も一般的な G 前駆体です。 窒素 (N) 原子ドープ還元 GO (N ドープ rGO) は、G. Roshni Yadav らの物理的および電気化学的特性を効果的に改善できます。 N ドープ G19 の合成、特性評価、および潜在的な用途をレビューしました。 N 原子が G にドープされると、C 格子内に 4 級 N (またはグラファイト N)、ピリジン N、およびピロール N を含む 3 つの一般的な結合構成が観察されます。 一般に、ピリジン N はグラフェンのエッジまたは欠陥にある 2 つの C 原子と結合し、π 系に p 電子を与えます。 ピロール N は、N 原子が 2 つの p 電子を π 系に提供し、不必要に 5 員環に結合していることを意味します (例: ピロール)。 四級 N は、六角形の環の C 原子を置き換える N 原子です。 ピリジン N と四級 N は sp2 ハイブリダイズしますが、ピロール N は sp3 ハイブリダイズします。 グラファイト N、ピリジン N、ピロール N は、それぞれ材料の導電率を向上させ、電気化学的活性を決定し、電荷移動を改善します20、21、22、23。 研究により、2つの非共有電子対を持つN原子はC原子よりも電気陰性度が高いことが示されています。 したがって、電気化学的活性が強くなると、N ドープ C の電子密度は低くなります。 N の電気陰性により、N 孤立電子対電子は G π 系と混成されます。 グラファイト面では、N電子の孤立電子対とGのπ電子の間にp-π共役が形成され、NドープGの電荷移動能力が向上します。 それにより、導電率が増加します24、25、26。