3Dマクロ多孔質電極と高い

Scientific Reports volume 6、記事番号: 18626 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

三次元多孔質構造は、本質的な構造的完全性と、サイクル中の高容量アノード材料の大きな体積変化によって引き起こされるリチウムイオン電池の応力を緩衝する能力を備えているため、魅力的な電極構造を実現します。 今回我々は、方向性凍結鋳造プロセスとゾルゲルコーティングプロセスの容易かつ拡張可能な組み合わせを採用することにより、SnO2 でコーティングされたマクロ多孔質 Cu フォームアノードの最初の実証を報告します。 三次元的に相互接続されたアノードは、SnO2 でコーティングされた Cu 壁とより微細なマイクロメートルの細孔によって分離された、整列したマイクロスケールのチャネルで構成され、表面積を増加させ、SnO2 コーティング層の体積拡張のためのスペースを提供します。 このアノードを使用すると、50 サイクル後の電流速度 0.5 C で 750 mAh g−1 という高い可逆容量と、2 C での優れたレート容量 590 mAh g−1 を達成します。これは、Sn の最高の性能に近い値です。これまでのところナノスケール材料に基づいています。

ポータブル電子機器、電気自動車、グリッドスケールのエネルギー貯蔵アプリケーション向けの技術開発では、高エネルギー、高電力密度、優れたサイクル安定性を備えた高性能リチウムイオン電池 (LIB) が求められています1,2。 二酸化スズ (SnO2) は、現在使用されている次世代 LIB 用黒鉛陽極の有望な代替品として、その理論容量が 781 mAh g-1 と従来の黒鉛陽極の 2 倍と高いため、大きな注目を集めています。 372mAh g−1)3,4. しかし、SnO2 ベースのアノードの実用化は、大量の Li イオンの挿入および抽出中に本質的に激しい体積変化 (最大 300%) によって妨げられてきました。 これにより、活物質の粉砕や電気的接触の喪失が引き起こされ、最終的には容量維持率が低下する可能性があります3、4、5。 この問題を解決するために、ナノスケール電極 6、7、8、カーボンまたはポリマーとハイブリッド化した電極 9、10、11、12、独自の構造用に設計された電極 13、14、15、16 など、いくつかの戦略が提案されています。

三次元 (3D) 多孔質金属構造には、(i) 電極表面への電解質の容易なアクセス、(ii) 電極と電解質間の界面を横切る電荷移動の促進、(iii) 応力の緩和など、いくつかの重要な利点があるはずです。大きな体積変化を吸収する空隙を提供することによる活物質の粉砕、さらに (iv) 電極アセンブリ内の高電子経路 17、18、19。 逆オパール構造 18、20、ステンレス鋼メッシュ 21、発泡体 22、23、24、粒子の長鎖 25 および繊維 26 またはワイヤ 27 アセンブリなど、3D 金属足場に関するさまざまな製造が研究されています。 さらに、二重の細孔サイズと細孔形状の分布構造である高多孔質金属足場の相互嵌合により、堆積した活物質のテンプレートまたは活物質自体としての 3D 足場の表面積を増加させることで、活物質の体積密度を高めることができます 18。 28. 凍結鋳造プロセスは、高度に相互接続されたマイクロスケールの細孔構造を調製するための、簡単で用途が広く、有望な方法です29,30。 この低コストで拡張可能なプロセスでは、溶液を凍結し、凍結した溶媒を凍結乾燥によって除去し、固化した溶媒構造のレプリカとしてマクロ多孔質体構造を形成します29、30。 化学反応を伴わない物理的なプロセスであり、水または他の形態の液体テンプレートから得られる氷の結晶を使用するため、凍結鋳造では一般に、構造の表面にチャネルと同時に数十マイクロメートルのサイズの細孔が形成されます。構造内の数十マイクロメートルの細孔のようなもの。

本明細書では、方向性凍結鋳造技術による二重細孔サイズ分布を有する３Ｄマクロ多孔質Ｃｕ発泡体に基づく、新しいＳｎＯ２アノード設計コンセプトを初めて報告する。 Cu 発泡体は、アノード集電体と SnO2 コーティング層のテンプレートの両方として利用されます。 3D マクロ多孔質 Cu フォームは、効果的な電子経路として機能する連続的な金属支柱と、サイクリング中の SnO2 コーティング層の大きな体積変化から発生する応力を軽減する局所的な空隙スペースの両方を提供します。 電極におけるこの特性の組み合わせにより、構造的完全性を維持しながら、高い可逆容量、優れたレート機能、および安定したサイクル保持が実証されます。