高エネルギー密度・超高速充電可能なハイブリッドエネルギー貯蔵のためのコイル状コンフォメーション中空カーボンナノスフィア正極および負極

Coiled Conformation Hollow Carbon Nanosphere Cathode and Anode for High Energy Density and Ultrafast Chargeable Hybrid Energy Storage.

抄録

リチウムイオン電池や擬似キャパシタは、現在、多くのアプリケーションのための電気化学的エネルギー貯蔵として普及しているが、それらの正極および負極は、高エネルギー密度だけでなく、イオン拡散性が鈍く、電子伝導性が低いため、高速充電の妨げとなり、豊富な酸化還元イオンを受け入れるにはまだ限界がある。ここでは、この課題に対する解決策として、高容量・高レートの正極および負極を実現するための戦略について報告する。正極材料として、高容量化のためのマイクロポーラスシェルと高速イオン移動のための中空コア/メソポーラスシェルを有する多孔性導電性中空炭素（HC）ナノスフェアをコイル構造のキノイド：ベンゼノイド（Q：B）ユニット樹脂を用いて合成し、線形構造のベンゼノイド：ベンゼノイド樹脂に比べて約5倍の容量を達成しました。また、負極材料としてGeを内包したQ:B HCナノスフェアーを導出した。原子配置とエネルギー貯蔵メカニズムから、単核GeOユニットがバルクGeよりも約7倍高いイオン拡散性を持ち、長時間のイオン挿入・脱離サイクルでも体積変化が抑制されることが明らかになった。さらに、Q:B HC正極とGe-Q:B HC負極によるハイブリッド蓄電は、電池並みの高エネルギー密度（最大285 Wh kg）と1分以内に充電可能なキャパシタ並みの超高出力密度（最大22600 W kg）という、キャパシタ型正極と電池型負極の長所を併せ持つことが明らかになった。

Lithium-ion batteries and pseudocapacitors are nowadays popular electrochemical energy storage for many applications, but their cathodes and anodes are still limited to accommodate rich redox ions not only for high energy density but also sluggish ion diffusivity and poor electron conductivity, hindering fast recharge. Here, we report a strategy to realize high-capacity/high-rate cathode and anode as a solution to this challenge. Multiporous conductive hollow carbon (HC) nanospheres with microporous shells for high capacity and hollow cores/mesoporous shells for rapid ion transfer are synthesized as cathode materials using quinoid:benzenoid (Q:B) unit resins of coiled conformation, leading to ∼5-fold higher capacities than benzenoid:benzenoid resins of linear conformation. Also, Ge-embedded Q:B HC nanospheres are derived as anode materials. The atomic configuration and energy storage mechanism elucidate the existence of mononuclear GeO units giving ∼7-fold higher ion diffusivity than bulk Ge while suppressing volume changes during long ion-insertion/desertion cycles. Moreover, hybrid energy storage with a Q:B HC cathode and Ge-Q:B HC anode exploit the advantages of capacitor-type cathode and battery-type anode electrodes, as exhibited by battery-compatible high energy density (up to 285 Wh kg) and capacitor-compatible ultrafast rechargeable power density (up to 22 600 W kg), affording recharge within a minute.