均一分散した窒素ドープ炭素エアロゲル上の鉄クラスターを高性能リチウム・酸素電池用カソード触媒として利用
Uniformly Dispersed Fe Clusters on Nitrogen-Doped Carbon Aerogel as a High-Performance Cathode Catalyst for Li-O2 Batteries
リチウム・酸素(Li-O2)電池の性能限界を克服するため、超小型鉄クラスターを三次元窒素ドープ炭素エアロゲルに均一に固定化した複合触媒(Fe@NC)を開発した。本材料は、キトサン、セルロースナノクリスタル、酢酸亜鉛を用いた両方向凍結乾燥と高温還元炭化により合成され、ピリジンおよびピロール窒素種を豊富に含むエアロゲルの階層的多孔質構造を維持しつつ、亜鉛昇華により鉄の凝集を抑制し、約10nmの高度に分散したFe0クラスターを得る。Fe@NCは、18,000 mAh/gの深放電比容量を示し、未処理の炭素エアロゲルや市販のケッチェンブラックを大幅に上回る性能を発揮し、500 mAh/gで280サイクル以上の安定したサイクル寿命を維持する。Fe@NCは、Li2O2の均一で微粒子状の析出を促進し、電極のパッシベーションを効果的に軽減する。この研究は、炭素エアロゲルの物質輸送利点と鉄クラスターの触媒活性の相乗効果が、高性能Li-O2電池カソードへの実用的かつスケーラブルなルートを提供することを示す。
- 鉄クラスターを窒素ドープ炭素エアロゲルに固定化したFe@NC複合触媒を開発し、18,000 mAh/gの深放電比容量を達成
- 500 mAh/gで280サイクル以上の安定したサイクル寿命を維持
- キトサン、セルロースナノクリスタル、酢酸亜鉛を用いた両方向凍結乾燥と高温還元炭化によりFe@NCを合成
リチウム・酸素電池のカソード触媒として、鉄クラスターを窒素ドープ炭素エアロゲルに固定化したFe@NC材料が開発された。深放電比容量18,000 mAh/g、500 mAh/gで280サイクル以上の安定動作を示しており、次世代高エネルギー密度電池の実用化に向けた重要なマイルストーンとなる。Li-O2電池は理論エネルギー密度が現行リチウムイオン電池を大幅に上回るため、この材料開発は電池材料領域の投資対象として注目に値する。