弊社のお客様が新エネルギー材料とデバイス：マグネシウムイオン電池の方向に進展したことをお祝いします

02論文研究の背景

フレキシブル電子機器の盛んな発展に伴い、高性能のフレキシブルエネルギー貯蔵システムの開発を模索することがますます重要になってきた。その中で、フレキシブルリチウムイオン電池はフレキシブル電子とウェアラブルデバイスの実際の応用においてすでに重大な進展を遂げているが、限られたリチウム資源による高コストと制御不能なリチウムデンドライト形成による安全リスクはそのさらなる開発と応用に挑戦している。そのため、高い天然豊度、低コスト、高安全性を有する代替電池システムの開発が切実に求められている。充電可能なマグネシウムイオン電池はリチウム系電池システムの信頼できる代替品となることが期待されている。マグネシウム資源が豊富でコストが安く、理論比容量が高く、適切な還元電位を持ち、電気化学堆積/溶解過程で樹枝状結晶を形成せず、高い操作安全性を有する。しかし、マグネシウムイオン電池のフレキシブル電極材料に関する研究は極めて少ない。近年、静電紡糸は3 D多孔質膜を製造していますほうべん、備わるコスト効果と業界の実行可能性のある技術の1つであり、電気紡績ナノ繊維系複合材料をフレキシブル電極として使用することに集中する研究者が増えている。

03論文のハイライト/概要

フレキシブルエレクトロニクス技術の発展に伴い、それに適合したフレキシブル給電システムの開発が必要となっている。マグネシウムイオン電池（MIB）は将来性のある次世代電池システムとして、フレキシブルな電子機器の電源としての大きな潜在力を示している。しかし、フレキシブルマグネシウムイオン電池の研究はまだ初期段階にあり、新しい信頼性のあるフレキシブル電極を探索することは重要である。本文は静電紡糸法によりその場熱還元プロセスを結合し、バイメタルBi−Snナノ粒子により炭素ナノ繊維（CNF@Bi-Sn）で構成され、マグネシウムイオン電池に応用されている。CNF@Bi-Sn同時に多段多孔質構造カーボンナノファイバーフレーム、均一に分散したナノスケールBi-Sn粒子及び増加した相/粒界などの利点を集積し、これらの特性はフレキシブル電極材料の構造安定性を高め、Mgを促進するのに役立つ²⁺の拡散動力学。CNF@Bi-Sn合金負極は優れた電気化学特性を示し、高い初期比容量738 mAhg⁻¹、優れた倍率性能とサイクル安定性、40 mAg⁻¹の電流密度で100回循環した後も150 mAhgのまま⁻¹の可逆容量です。本作業は定量動力学分析、非insitu SEM、TEMとXRDなどの手段を通じて、循環過程における可撓性電極材料の構造発展及び可逆二相合金化/脱合金化転化反応に基づくマグネシウム貯蔵メカニズムを明らかにした。また、全電池を組み立て、実用化における潜在力を示した。本研究は高性能のフレキシブル自己支持合金負極の探索と開発に新しい構想を提供した。

04図文解析

図1：CNF@Bi-Snの製造概略図とそのフレキシブルな展示。

一：Bi−Snナノ粒子が炭素ナノ繊維中に均一にアンカーされたマグネシウムイオン電池としてのフレキシブル自己支持負極

静電紡糸とその場熱還元の方法により、バイメタルBi−Snナノ粒子を担持した可撓性フィルム（CNF@Bi-Sn）、それは良好な柔軟性を示し、各種の変形（曲げ、ねじれ、折り畳みなど）に耐えることができる。電池の組み立てには集電体、導電剤、接着剤などは使用されていない。SEMとTEMによりBi−Snナノ粒子は炭素ナノ繊維中に均一に分布していることが分かった。

図2：示したCNF@Bi-SnのSEM画像（a，b）、CNF@Bi-SnのTEM画像（c，d）、HAADF−STEM画像及び対応するC、Bi及びSn元素分布図（e−h）、CNF@Bi-SnのHR−TEM画像（i，j）及びCNF@Bi-Snの選択領域電子回折（SAED）画像（k，l）を参照してください。

二：CNF@Bi-Sn高い可逆容量、優れた倍率性能、良好なサイクル安定性を示す

CNF@Bi-Sn738 mAhgを有する^-1の高い初期比容量を得ることができ、異なる倍率サイクルを経て、その放電比容量は214 mAhgに回復することができる^-1ああ、証明されたCNF@Bi-Sn電極には良好な倍率性能がある。そして40 mAg^-1の電流密度で100サイクル後も150 mAhgを維持できる^-1の高い可逆容量を実現します。

図3：試料の電気化学的マグネシウム貯蔵性能を示した。（a）CNF@Bi-Sn0.1 mVsで⁻¹走査速度における循環ボルタンメトリー曲線（CV曲線）、（b）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Snの倍率性能、（c）CNF@Bi-Sn異なる電流密度における充放電曲線、CNF@Bi-Sn40 mAgで^-1電流密度下サイクル100回のサイクル性能（d）及び100 mAg^-1電流密度下サイクル200回のサイクル性能（e）、（f）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Snのナイキスト図（対応する等価回路モデルのイラスト）、（g）CNF@Bi-Sn異なる走査速度における電極のCV曲線、（h）異なる走査速度における容量制御容量と拡散制御容量の寄与割合。

三：非insituキャラクタリゼーションによるマグネシウム化・脱マグネシウム化過程における構造発展とマグネシウム貯蔵機構の開示

非insitu SEM、TEM、XRDなどのキャラクタリゼーション方法によりCNF@Bi-Snマグネシウム化/脱マグネシウム化の過程における形態と構造発展を研究した。TEMが証明したCNF@Bi-Sn電極が十分に放電（マグネシウム埋め込み）され、充電（脱マグネシウム）された後も、Bi−Snナノ粒子は炭素ナノ繊維中によく包まれ、均一に分散されたままであり、これは合金化中の体積変化を効果的に緩和し、活性材料の損失を防止する。EDSの結果、放電状態のBi、Sn、Mg元素は炭素マトリックス中に均一に分布し、非insitu XRDも確認したCNF@Bi-Sn電極のマグネシウム貯蔵機構は可逆的な二相合金化／脱合金化転移反応に基づいている。

図4：展示されていましたCNF@Bi-Sn十分な放電状態で20回循環した後のSEM画像（a）、TEM画像（b，c）、HAADF−STEM画像及び対応するBi、Sn及びMg元素分布図（d）、HR−TEM画像（e）、XRDパターン（f）、及びCNF@Bi-Sn電極の充放電状態における構造発展の模式図（g）。

05本文で使用する装置

劉波先生の課題チームが実験に用いたマイクロブースタ管炉科冪計器から提供され、論文の中でも特に安徽科冪計器有限会社に言及し、ここで先生の科冪計器の選択と認可に感謝します。