知っておくべき重要事項:
- AIBの進歩 テクノロジー: アンモニウム イオン バッテリー (AIB) は、酢酸アンモニウム (NH4Ac) を使用することで樹枝状結晶の成長を防ぎ、バッテリー寿命を延長する、従来のバッテリーに代わるより安全で環境に優しい代替品を提供します。
- 革新的なアノード材料: MXenes などのアノード材料の最近の開発は、DFT 計算を通じて調査され、有望な低電圧性能と高いエネルギー密度を示しています。
- 擬似容量性の動作: AIB の MXene アノードは、NH4Ac に対して独特の擬似容量挙動を示し、5000 サイクルにわたる高容量と安定性を達成し、他の材料に比べて大幅な進歩を遂げています。
- 研究に裏付けられた改善: Sun らのような研究。酢酸アンモニウムを使用する利点を確認し、AIB の全体的な安全性と有効性を高めます。
その他にもたくさんのグーグルの バッテリーアーキテクチャ エンジニアや科学者がそこから転換しようとして、現在は存在しています。 リチウムイオン電池 エネルギー密度が高く、より速く充電でき、より環境に優しい新しいバッテリーシステムを導入しようと努めています。近年、長年にわたる学術開発を経て、多くの新しい電池アーキテクチャが商品化され、他の新しい電池が学術界での地位を確立し始めています。
これらのバッテリーの 1 つはアンモニウム イオン バッテリー (AIB) で、水性電解質を使用するため、より安全で熱暴走が起こりにくくなっています。 AIB は低コスト、固有の安定性、優れた電気化学的特性を備えており、環境に優しいものです。これは、より確立されたシステムのいくつかと比較して電池研究の新しい分野であり、より環境に優しい電池を作成する可能性がある一方で、AIB はアノード設計の課題によって妨げられてきました。
アンモニウム電池の可能性
AIBは 充電式電池 アンモニウムイオン (NH4+) を電荷キャリアとして使用します。従来の金属イオン (Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+) と比較して、アンモニウム イオンは、イオン半径が小さく、モル質量が軽いため、水性 (水ベース) 電解質中での高速拡散特性を備えています。また、アンモニウム イオンは、他の多くのイオンとは異なり、バッテリーの短絡の原因となる樹枝状成長を起こしません。 金属イオン電池、したがって、劣化が遅い、より安全なバッテリーを作成できる可能性があります。アンモニウムイオン電解質は、金属イオン電池で使用される有機溶媒よりも環境に優しく、はるかに安価です。最も一般的な電解質の 4 つは酢酸アンモニウム (NHXNUMXAc) です。
AIB の環境上の利点と動作の安全性をさらに強調するために、Sun らによる最近の研究では、これらの電池の安定性と容量の向上における酢酸アンモニウム (NH4Ac) 電解質の役割が強調されています。従来の電解質とは異なり、NH4Ac は、バッテリー動作において多くの場合安全上の重大な危険となる樹状突起の形成を防止します。この特性により、安全性が向上するだけでなく、バッテリーのライフサイクルが大幅に延長されるため、AIB は長期的にはより持続可能な選択肢となります。
これらすべての特性は、特にこれらの特性が今日商業標準となっている金属イオン電池よりも優れているとみなされるため、AIB に多くの可能性があることを示しています。 AIB のカソード設計には多大な労力が費やされ、現在では高い比容量が達成できるようになりました。カソードの例には、ニッケルベース、マンガンベース、バナジウムベースの材料が含まれます。しかし、アノードの設計にはそれほど力が注がれておらず、アノードと電解質の間の相互作用は、さらに開発する必要がある領域です。
新しい負極材料の開発
現在のところ、動作電圧が低いアノード材料はそれほど多くないため、アノードが現在 AIB の制限要因となっています。 AIB アノードの開発は、主に遷移金属の酸化物/硫化物および有機ポリマーに限定されてきました。これらは、遷移金属化合物の容量が劣る傾向があり、ポリマーアノードの溶解速度が速いため、サイクル安定性が低下するため、理想的な材料ではありません。このため、これまでに開発された多くの AIB は実用化できなくなりました。
材料の課題にもかかわらず、新しい材料が提案され、試行され続けています。潜在的な解決策として宣伝されている材料の 1 つのクラスは、 MXenes。 MXene は、Mn+2AXn の一般式を持つ MAX 相材料から作成される 1D 材料です。この化学構造では、M は初期遷移金属、A は 13 族または 14 族の元素、X は炭素または窒素のいずれかです。
MXene には、電極にとって有益なさまざまな特性があります。たとえば、それらは優れた導電性と高い表面活性を備えており、特に他の種類のナノ材料と比較して、層が互いに重なり合う方法はイオン貯蔵にとって望ましいものです。したがって、MXene は AIB にとって潜在的な利点とみなされており、実験的にさらに調査する価値があるかどうかを確認するために、現在多くの理論的研究が行われています。
アンモニウムイオン電池の効果的な負極材料としての MXene の可能性は、詳細な密度汎関数理論 (DFT) 計算によって裏付けられています。以下の図 1 に示すように、これらの計算により、MXene 材料、特に V2CTx の低い作動電位と高い擬似容量挙動が明らかになり、電池技術における高性能アプリケーションへの適合性が示唆されます。
a V2CTx MXene の構造モデルの側面図が示されています。灰色、黒、オレンジ色の球は、それぞれ V、C、および T 終端を表します。 b、c V2CO2 と V2CF2 の平面平均静電ポテンシャル曲線をそれぞれ示します。 d 1T-MoS2 の面平均静電ポテンシャル曲線を示します。 e この研究で研究された二次元材料の仕事関数と動作ポテンシャル窓の間の相関関係が実証されています。
AIB アプリケーションに対する MXene の適合性を裏付けるために、次の研究で概説されています。 ネイチャー·コミュニケーションズ サンらによる。は、NH2Ac 電解質と使用した場合の V4CTx MXene の擬似容量特性について説明しています。これらの材料は、動作電位の低下を約束するだけでなく、高性能電池に不可欠な安定性とエネルギー密度の向上も実証します。 MXene の固有の高い表面活性により効率が向上し、持続可能な電池技術におけるアノード製造が大幅に進歩します。
DFT 計算により、MXene アノードに最適な水電解液が提案される
密度汎関数理論 (DFT) は、理論および理論の分野で十分に確立された手法です。 計算化学 また、さまざまな材料システムの特性をモデル化および調査して、特定の用途に適用可能かどうかを確認するために (また、その構造を推定するために) 使用されることがよくあります。 DFT 計算により、MXene である V2CTx は他のバナジウムベースの材料と比較して動作電位ウィンドウが最も低く、AIB の有望なアノード材料となる可能性があることが示されています。
研究者らは現在、DFT 計算と物理的材料特性評価手法を組み合わせてこの MXene アノードをさらに調査し、水性電解質とどのように相互作用するかを確認し、これらのアノードの性能がどのようなものになるかを調査しています。研究者らは、このMXeneアノードがアンモニウムイオン貯蔵に対して擬似容量挙動を示し、比容量が115.9A g-1で1mAh g-1、100A g-5000で5サイクル後の容量保持率が1%であることを発見した。
(NH4)2SO4、NH4Cl、(NH4)2C2O4、NH4Me など、多くの水性電解質が MXene アノードで試験されているにもかかわらず、MXene アノードがこの疑似容量挙動を示した唯一の電解質は、NH4Ac 酢酸アンモニウム電解質でした。 MXene アノードと NH4Ac 電解質の間で示される擬似容量性挙動性能は、これまでの AIB のすべての容量性タイプの電極を上回っています。
アノードの特性と電解質との相互作用を調べるには、 その場 電気化学的水晶微量天秤（EQCM）測定が行われ、酢酸アンモニウム電解質中で擬似容量性蓄積挙動を生成する 2 段階の電気化学プロセスが示されました。
この電気化学プロセスをより深く理解するために、実験結果を DFT 計算とシミュレーションで追跡しました。プロセスの最初の部分には、MXene 表面への NH4+ の静電吸着/堆積が含まれます。プロセスの 2 番目のステップでは、アノードの d-V4CTx 基と電解質の [NH3+(HAc)4] 基の間で酸化還元反応が起こります。この酸化還元プロセス中、中心の NH2+ イオンは擬似プロトンとして機能し、VXNUMXCTx 終端の変更を促進します。これにより、錯体内のバナジウムイオンの価数状態が変化し、電荷の移動が促進されます。
MXene ベースの AIB における酢酸アンモニウムの革新的な使用は、電気化学的安定性を向上させるだけでなく、Sun らによって詳述されているようにエネルギー貯蔵容量も強化します。この画期的な進歩は、NH4+ イオンと電解質の間の独特の相互作用によるもので、これにより効率的なイオン輸送と堅牢なサイクル安定性が促進され、次世代のエネルギー貯蔵ソリューションの基礎が築かれます。
研究者らはまた、MoS2 ベース（遷移金属ジカルコゲニド族の別の 2D 材料）アンモニウムイオン電池における酢酸イオン増強効果を確認しました。さまざまな材料とともに使用できるということは、酢酸塩電解質をさまざまな 2D 材料と一緒に使用して AIB の容量を向上できることを意味します。このアプローチは、ファラデー（酸化還元）と非ファラデー（静電相互作用のみ）の両方の容量制限を打破する可能性もあり、さまざまなAIBを改善し、より持続可能な電池の作成につながる可能性があります。
アンモニウムイオン電池の環境への影響と安全性への配慮
アンモニウム イオン電池 (AIB) への移行は、従来の電池システムの技術的向上だけでなく、環境保全においても大きな前進となります。 AIB は危険性の低い材料を使用し、より安全な化学反応を伴うため、事故のリスクが軽減され、環境汚染が軽減されます。 Sun らのような研究。で ネイチャー·コミュニケーションズ 酢酸アンモニウムのようなより安全な電解質を使用すると、熱暴走や化学浸出などのリスクが大幅に軽減され、AIB が持続可能なエネルギー貯蔵に好ましい選択肢となることが示されています。
参照：
Sun Z. et al.、アンモニウムイオン水溶液電池における疑似容量を強化するための酢酸塩電解質、Nature Communications、15、(2024)、1934。