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Scientific Reports volume 12、記事番号: 16307 (2022) この記事を引用

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43 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ナトリウムイオン電池は、低コストで毒性がないため、定置式および大規模な電力貯蔵に好まれています。コストを理由にリチウムがナトリウムに置き換えられるため、セルの価格をできるだけ低く維持するには安価な処理方法が必要です。我々は、稲わら灰中の炭化ケイ素含有量の高いマイクロ波吸収を利用した超高速合成法を報告する。リン酸鉄ナトリウム-炭素複合材料 (NaFePO4-C) のアモルファス/マリサイト混合物は、ワンステップのマイクロ波加熱を使用して合成、結晶化、および炭素コーティングされます。ナトリウムイオン電気活性複合体は、30 ～ 100 秒の範囲の異なるマイクロ波加熱時間を使用して調製されます。高純度の不活性ガスは、合成、処理中、さらにはセルの組み立て時にも必要ありません。材料は、元素分析技術、X 線回折 (XRD)、走査型/透過型電子顕微鏡 (SEM/TEM)、およびラマン分光法によって特性評価されます。合成されたナノ複合材料の電気化学的性能は、ナトリウムイオン電池の正極および対称スーパーキャパシタとして検査されます。ナトリウムイオン電池およびスーパーキャパシタとしての用途の最適な合成時間は 60 秒です。電池の正極として使用した場合の最大比容量は、0.2 C で 108.4 mA hg−1 です。一方、スーパーキャパシタの場合、静電容量は 0.5 A g-1 で 86 F g-1 です。ナトリウムイオン電池電極として、0.2℃で40サイクル後の容量維持率は92.85%です。スーパーキャパシタの場合、1000 サイクル後の容量保持率は 81.7% です。

電気自動車 (EV)、ラップトップ、携帯電話などのモバイルアプリケーションは、Li セルの比重容量が大きいため、リチウムイオン技術によって侵食されてきました1。リチウム枯渇の懸念は、特に定置型および大規模な一般的な用途において、ナトリウムイオン技術への置き換えの基礎を築くために早期に現れました2、3。ナトリウムには、リチウムに非常に近い多くの特性、特に電気陰性度とイオン半径があります。一方、ナトリウムは環境に優しく、地殻中の存在量はリチウムの約1350倍です4。多くのナノ材料がナトリウムイオン電池 (SIB) の正極および負極として明らかにされており、他の場所で公開されています 5、6、7、8。 NASICON 構造を備えたリン酸バナジウムナトリウム (NVP) Na3V2(PO4)3 および Na3VCr(PO4)3 は、エネルギー密度を最大化する Na/Na+ に対して 3.4 V での高くフラットな放電電位により、最も成功した正極活物質の 1 つです。また、ナトリウムイオン超伝導オープンフレームワーク構造により、高レート能力という利点もあります。ただし、この高電位では 3 つの Na+ イオンのうち 2 つだけが利用できるため、理論上の容量は 118 mA hg-1 と比較的低くなります。さらに、それらのコストは比較的高い9,10。原料としての酸化鉄のコストは酸化バナジウムの 10 分の 1 であり、LiFePO411 と比較した場合、NVP を使用するコストの利点が低くなります。さまざまな形態のリン酸鉄ナトリウムは、環境安全性に加えて、ナトリウムイオン電池の正極として安価な材料を提供します5。 NaFePO4 のマリサイト、カンラン石、および非晶質形態はすべて 152 mA hg-1 の理論容量を持ち、SIB 用の活性かつ低コストの正極材料として研究されてきました 12、13、14、15、16。カンラン石 NaFePO4 は、電気化学的脱リチウム化とその後のナトリウム化によって LiFePO4 からのみ調製できます。一方向の Na/Li 拡散トンネルにより、イオン伝導率が低くなります 12、17。マリサイト NaFePO4 の非晶質相への変換は、Kim et al. によって報告されました。そのため、マリサイトとアモルファス NaFePO4 は、カソード材料と同じ電気化学的影響を与えると考えられます 13。

アルカリ金属を含まない遷移金属リン酸塩は、対称および非対称スーパーキャパシタにとって魅力的な材料であり、Li らによって多くの報告がレビューされています 18。限られた数の論文では、もともと電池の Li/Na イオン正極として活性だった Li/Na 遷移金属リン酸塩材料が、非対称電気化学スーパーキャパシタの活性材料として利用されています。これらは良好な静電容量と優れたサイクル安定性を示しました19、20、21。 2 M の NaOH が電解質として使用され、電圧範囲が 0 ～ 1.6 V20 の場合、NaNiPO4 は 125 F g-1 を供給しました。スンダラムら。は、マリサイト構造を有するNaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4を調製しました。この非対称スーパーキャパシタは、EC/DMC中の1M NaPF6を電解質として使用し、電圧範囲が0〜3 V21であった場合、40 F g−1の比容量を報告しました。

Fe(80) > Fe(100) > Fe(30). For the sample Fe(30), the low capacity may refers to the presence of a large amount of unreacted inactive raw materials. The decrease in capacity with increasing microwave time above 60 s may refer to the decrease in particle size and to the increase in surface area (Table 3). The first charge cycle for all samples exhibits a relatively elevated voltages due to energy consumed during extraction of Na that occupies the corners of the orthorhombic bipyramid in the maricite structure40. As shown in the inset of Fig. 5a, the second charge processes have lower voltages compared to the first. This is because the intercalated Na ions occupy the framework channels in maricite NaFePO4. After the first charge–discharge cycle, maricite NaFePO4 is converted to amorphous phase, so that Na+ ions become easier to extract12,13. Figure 5d shows the difference in XRD pattern before and after cycling, indicating the conversion of the maricite into an amorphous phase. Nyquist plots of samples are presented in Fig. 5c. The RCT values indicate that the sodium ion diffusivity inside the cathode matrix was in the order of Fe(60) > Fe(80) > Fe(100) > Fe(30). Sodium ion diffusion coefficients (DNa) are calculated from the low frequency region according to equation S2 (Supplementary). The calculated values are listed in Table 4. The rate capabilities of samples followed their RCT order, indicating that the enhancement in electronic conductivity of samples is the key factor for improving rate capability. Figure 5,b shows the charge–discharge curves at a different rates for sample Fe(60), the corresponding capacities for other samples are listed in Table 4. Generally, iron based sodium ion batteries suffer from capacity fading with increasing discharge rate41./p>

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