変換-タイプのアノード材料には、主に金属酸化物、リン化物、硫化物、窒化物が含まれます。電気化学プロセスでは、これらの材料は、次のような物質の形成または分解を促進します。リチウム化合物金属の還元または酸化反応を通じて。これらの材料は複数の電子酸化還元プロセスに参加できるため、これらの材料をベースにしたアノードは 1000 mA·bg もの可逆容量を示します。{1}
FeOₓ
酸化鉄材料は、低コスト、比較的低い毒性、豊富な自然保護区、特に高い理論比容量により、リチウム-イオン電池の負極材料として広く研究されてきました。一般的な酸化鉄化合物には、-Fe2O3、-Fe2O3、Fe3O4 などがあります。これらの化合物は、それぞれ約 1007 mA・h/g および 926 mA・h/g の理論比容量を示します。しかし、酸化鉄は実用化にあたっては多くの問題に直面しています。電子/イオン輸送の遅い速度論と、繰り返しの充放電プロセス中の激しい体積膨張/収縮により、酸化鉄電極の急速な容量減衰とレート性能の低下が生じます。さらに、バルク酸化鉄材料は本質的に導電率が低いです。これらの問題に対処するために、研究者らは主に、形態と構造の制御、炭素コーティング、高導電性基板を備えた複合材料の構築などの戦略を採用してきました。これらのアプローチは、複数の戦略の組み合わせによって相乗効果を達成することが多く、ある程度の進歩が見られます。
CoOₓ
Co₃O4 や CoO などのコバルト酸化物 (CoOₓ) も、理論比容量が高いため、リチウム- イオン電池の負極材料として広く研究されています。酸化鉄と同様に、CoOₓ も同じ課題に悩まされています。充放電プロセス中の大きな体積変化、低い固有電気伝導度、遅い反応速度により、急速な容量低下とサイクル安定性の低下が生じます。グアンら。反応前駆体として酸素を使用して、単相8-面Co₃O₄ナノディスクを合成しました。これらのナノディスクの粒子サイズは 100 ～ 200 nm で、高電流密度でサイクルした場合、約 474 mA・h/g の可逆比容量を実現しました。この結果は、形態と粒子サイズが CoOₓ の電気化学的性能に大きな影響を与えることを示しています。王ら。水熱法を使用してチタン基板上に直接成長させた Co3O4 ナノニードルを作成しました。これらのナノニードルは、集電体との優れた電気的接触を示しただけでなく、体積膨張を効果的に緩衝しました。 0.2℃で30サイクル後も、1015 mA・h/gという高い可逆容量を維持しました。
2 つ以上の成分で構成される CoOₓ 複合システムの場合、成分間の相乗効果により全体的な電気化学的性能がさらに向上します。たとえば、酸化コバルトを導電性の高い炭素-ベースの材料または他の金属酸化物と組み合わせると、レート性能とサイクル安定性が大幅に向上します。これにより、この分野における複合システムの設計と開発に対する注目が高まっています。
ZnO
酸化亜鉛は、理論比容量が比較的高く、コストが低く、調製が容易で、形態が多様であるため、リチウムイオン電池の負極材料としても広く注目されています。{0}} ZnO は、合金化 (Li-Zn 合金の形成) と変換 (Li2O の形成) の組み合わせメカニズムを通じてリチウムと反応します。その理論比容量は 978 mA・h/g に達することがあり、これはグラファイトアノードの比容量よりも大幅に高くなります。ただし、酸化亜鉛は導電性が低く、充放電サイクルを繰り返すと体積が著しく膨張/収縮し、サイクル中に不活性な Li₂O が大量に生成されます。これらの要因により、ZnO 電極の急速な容量低下、レート性能の低下、サイクル寿命の短縮が生じます。これらの問題に対処するために、研究者らは主に、形態と構造の制御、炭素コーティング、ヘテロ原子のドーピング、高導電性基板を備えた ZnO- ベースの複合材料の構築などの戦略を採用してきました。これらの方法では、複数の修飾戦略を組み合わせることにより、より優れたリチウム貯蔵性能が達成されることが多く、一部の金属亜鉛酸化合物は優れた電気化学的性能も示します。
4.MPₓ
金属リン化物は、近年、リチウムイオン電池の負極材料の用途においても広く注目を集めています。{0}}これらの化合物は一般に変換機構を通じてリチウムと反応し、式単位ごとの複数の-電子移動反応により非常に高い理論的比容量を有することがよくあります。しかし、これらは一般に、リチウム化/脱リチウム化中に体積が大きく膨張し、粉砕や活性粒子と集電体の間の電気的接触の喪失につながり、実用化が大幅に制限されます。
中でも、鉄、コバルト、ニッケル、銅を主成分としたリン化物は、近年集中的に研究されています。{0}リン化鉄を例にとると、理論比容量は 500 ～ 1800 mA·h/g に達します。さらに、金属リン化物は一般に、金属酸化物や金属硫化物よりも高いリチウム貯蔵電圧 (通常、Li+/Li に対して 0.5 ～ 1 V) を示すため、急速充電中のリチウムデンドライト形成のリスクを軽減します。さらに、金属リン化物は一般に、対応する金属酸化物よりも高い導電性を示し、これはレート性能の向上に有益です。したがって、金属リン化物のナノ構造と炭素ベースの材料との複合体の合理的な設計が、この分野における重要な研究方向となっています。{10}例としては、Ni2P、NiP2、NiP3、Ni5P4、CoP、Co2P、CoP3、FeP、FeP2、Cu3Pなどが挙げられます。これらの化合物はすべて、研究において優れたリチウム貯蔵性能を実証しており、実用化の大きな可能性を示しています。 Ni₂P および Li-Ni-P の三元化合物は、その独特な構造と高い導電率により、超高速のリチウムイオン挿入/脱離反応を実現することもできます。-