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May 28, 2023

Scientific Reports volume 6、記事番号: 23289 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

全固体の高性能非対称スーパーキャパシタ（ASC）は、正極としてγ-MnS、負極として多孔質ナス由来活性炭（EDAC）を使用し、固体電解質として飽和水酸化カリウム寒天ゲルを使用して製造されます。 γ-MnS の層状ウルツ鉱ナノ構造は、層間空間へのヒドロキシル イオンの挿入を促進し、硫化マンガン ナノワイヤは電子輸送チャネルを提供します。 EDAC のサイズが均一な多孔質ナノ構造は、連続的な電子経路を提供するだけでなく、短いイオン輸送経路も促進します。 MnS と EDAC の両方の特殊なナノ構造により、0.5 A g-1 でそれぞれ 573.9 と 396 F g-1 の比容量を示しました。 最適化された MnS//EDAC 非対称スーパーキャパシタは、110.4 F g-1 の比静電容量と 5000 サイクル後の 89.87% の静電容量保持という優れた性能を示し、電力密度 181.2 W kg-1 で 37.6 Wh kg-1 の高エネルギー密度を示します。 5976 W kg-1 であっても 24.9 Wh kg-1 のままです。 驚くべきことに、このように直列に組み立てられた 2 つの全固体電池は、完全に充電された後、赤色 LED インジケータを 15 分間点灯できます。 これらの目覚ましい結果により、これらの無公害材料は固体水性電解質ベースの ASC での実用化に有望なものとなっています。

スーパーキャパシタは、先進的なエネルギー貯蔵デバイスとして、高電力密度、高速充放電能力、優れたサイクル安定性など、複数の望ましい特性を備えており、家庭用電化製品の急激に増加する需要を満たすことが期待されています1、2。 しかし、これまで市販されているスーパーキャパシタのほとんどはエネルギー密度が低く（10 Wh kg-1 未満）、電池に代わる主電源としての用途が限られていました 3,4。 E = CV2/2 で表されるエネルギー密度 (E) は、電極材料の比容量 (C) を増加したり、動作電位ウィンドウ (V) を拡張したりすることによって改善できることに注意してください。 現在、動作電位ウィンドウを拡張するために、有機電解質 (最大 4 V) を使用するか、非対称スーパーキャパシタ (ASC) を開発する 2 つの戦略が使用されています4。 水性電解質と比較して、有機電解質は電極に優れた電気化学的安定性を提供できますが、通常、イオン伝導性が限られ、安全性が低く、毒性が低い5、6。 したがって、水性電解質での ASC 設計は、動作電位ウィンドウを拡張し、有効なエネルギー密度を提供する効率的なアプローチです。 これらの非対称スーパーキャパシタは、通常、電池タイプのファラデー電極（エネルギー源として）とコンデンサタイプの電極（電源として）で構成されており、電池タイプの材料（エネルギー密度）とコンデンサの両方の優位性を備えています。タイプの材料（サイクル寿命、電子移動速度）7,8。 一方、ASC は電極材料のさまざまな電位ウィンドウを最大限に活用できるため、セルシステムに最大の電位ウィンドウが提供されます 7,9。 したがって、高性能 ASC を組み立てるためには、正極と負極の両方に適切な材料を選択することが重要です。

これまで、遷移金属の酸化物/硫化物は、その高い擬似容量のため、正極材料として広く研究されてきました 1,6,10,11。 中でも、硫化マンガン（MnS）ナノ結晶は、理論比容量が高く、安価で環境に優しく、酸化物や水酸化物に比べて高い電子伝導性（3.2 × 103 S/cm もの高さ）などの顕著な優位性を備えているため、ますます注目を集めています1。 5、12。 さらに、層状ナノ構造（特にウルツ鉱型構造のγ相）は、電解質の浸透とイオンのインターカレーションを加速し、容量性挙動に対する固有の電気化学反応性を大幅に促進します（図1a）。 たとえば、錯化剤および沈殿剤としてアンモニアを使用して硫化物イオン含有量を調整することにより、γ相MnSナノ結晶の合成に成功しました。その比容量は704.5 F g−1 11に達し、これはMnO2（310 F g）よりもはるかに高くなります。 2 mV s-1 で -1)13、Mn3O4 (2 mV s-1 で 314 F g-1)14。