グラフェン系長寿命アルミニウム電池-リチウム-イオン電池装置

寧波材料研究所のパワーリチウム電池工学研究所は、グラフェンを電極として使用したアルミニウムイオン電池の研究を行ってきました。最近の研究成果は、超高速・長寿命のアルミイオン電池を可能にする大型数層グラフェンというタイトルで「先端エネルギー材料」のオンライン版に掲載されました。

電気化学エネルギー貯蔵技術は、電気自動車と再生可能エネルギーを発電用のグリッドに統合する問題を解決するための鍵です。有機溶媒を電解質として使用するリチウムイオン電池は、エネルギー密度に利点がありますが、安全上の問題があり、リチウム資源が限られています。対照的に、水性非リチウムイオン(ナトリウムイオン、カリウムイオン、亜鉛イオン、マグネシウムイオンなど)電池は、安全性が高く低コストであるという利点があり、エネルギー貯蔵の分野で重要な応用の見通しがあります。2013年以来、中国科学院寧波材料技術工程研究所のパワーリチウム電池工学研究所は、非リチウムイオン電池の新しいコンセプト電池の研究を積極的に展開し、水性イオンの新しいコンセプト電池の基礎研究において一連の進歩を遂げてきました(ScientificReports2013、3、1946;ケムサスケム2014,7,2295;先端エネルギー材料2015,5,1400930;サイエンティフィックレポート2015,5,18263;ネイチャーコミュニケーションズ2016,7,11982)。しかし、水系イオン電池のサイクル寿命は比較的限られており、一般に1,000倍未満であり、大規模なエネルギー貯蔵のニーズを満たすことは困難です。2015年、米国のスタンフォード大学のHongjie Dai教授は、Natureで新しいタイプのアルミニウムイオン電池を報告しました(2015、520、324)。耐久性、低可燃性、コストから学界や産業界から広く注目を集めています。(リチウムイオン電池装置)

この研究に触発されて、寧波材料研究所のパワーリチウム電池工学研究所は、グラフェンを電極として使用したアルミニウムイオン電池の研究を実施しました。最近の研究成果は、超高速・長寿命のアルミイオン電池を可能にする大型数層グラフェンというタイトルで「先端エネルギー材料」のオンライン版に掲載されました。(先端エネルギー材料, DOI: 10.1002/aenm.201700034).この研究では、科学研究者は、フレキシブル正極として大量生産された多層グラフェン(寧波Moxi Technology Co.、Ltd.によって製造および提供)を使用し、負極として金属アルミニウムを使用し、電解質としてイオン液体を使用して、超長いサイクル寿命と超高性能のデバイスを構築しました。高レート性能の2Vアルミイオン電池。この研究では、2次元フレークグラファイトアノード材料の厚さ(層数)と横方向の寸法の両方が、AlCl4-イオンの層間形成挙動に重要な影響を与えることがわかりました。数千層の薄片状グラファイトと比較して、多層グラフェンは層が非常に少なく(10層未満)、AlCl4-イオンの挿入と拡散の活性化エネルギーを大幅に低減できるため、バッテリーは超高速性能を発揮します。充放電は1分以内に完了することができます。一方、より大きなサイズの多層グラフェンで作られた電極は、柔軟性とグラファイト化が優れており、AlCl4-イオンの繰り返しの挿入と抽出に対してより耐性があるため、バッテリーの性能が向上します。10,000回の充放電サイクル後に容量減衰がほとんどない超長いサイクル寿命。さらに、本研究により、多層グラフェンやグラファイトなどの2次元グラファイトカソード材料におけるAlCl4-イオンインターカレーションの化学的メカニズムを、一連の微細な特性、すなわちインターカレーションイオンによって誘起される4次および5次構造によって明らかにしました。変更メカニズム。この研究は、アルミニウムイオン電池におけるグラファイト正極材料の選択にとって重要な指針となるだけでなく、実用的なグラフェンベースの新しい長寿命エネルギー貯蔵電池の開発にとっても大きな学術的価値があります。

上記の研究成果は、中国科学院、中国科学院青少年振興協会、国家自然科学財団、浙江省自然科学財団の主要な展開プロジェクトによって資金提供されています。