Si2BNは、リチウムイオンまたはナトリウムイオン電池のアノードとしても使用されます

リチウムイオン電池は、エネルギー貯蔵においてますます重要な役割を果たしています。テスラなどの企業は、これを電気自動車のエネルギー貯蔵ソリューションであり、再生可能エネルギーに関連する断続的な問題の解決策と見なしています。それらの巨大なエネルギー密度と複数の充電サイクルの容量により、モバイルデバイスではほぼ遍在していますが、問題が発生しています。

ナトリウムイオン電池は最近の競争相手になっています。ナトリウムはリチウムよりも豊富で、これらのバッテリーはより優れた安全記録とより少ない火災を持っています。表面積と体積の比率が最大で、導電率が高く、イオン拡散係数が高い2次元材料は、エネルギー密度が高く、用途が広いため、グラファイトなどのかさばる材料に取って代わる可能性があります。

2D材料の合成と特性評価の分野がより進歩するにつれて、これらの一見魔法の物質は魅力的で、しばしば非常に有用な特性を示します。理論家は、最初にグラフェンを合成するためのストリッピング、原子層堆積または分子線エピタキシーなど、基板上に原子を積層する新しい方法が広く使用されているため、これらの材料の計算の可能性を熱心に調査してきました。このような計算は2015年に行われ、ホウ素原子と窒素原子に結合した2つのシリコン原子を持つSi2BNのグラフェンのような層を合成する可能性があります。

ゲルマニウムなどの他のグラフェン類似体は、格子構造に座屈を示しますが、Si2BNは、ナノチューブの形成を可能にする六角形の構造を平坦化しています。この材料は、さまざまな物理的条件下（おそらく800K以上の温度）で安定していることが期待されます。

この単層Si2BNは、再生可能エネルギー業界にとって非常に興味深い多くの理論的特性で説明されています。当初は、水素貯蔵の有用な手段になるのではないかと考えられていました。多くの再生可能エネルギー支持者は、風力タービンやソーラーパネルからの断続的なエネルギーを水素として貯蔵したいと考えています。水素は、供給のピーク時に電気分解によって生成されます。

「水素経済」が軌道に乗るのを妨げる1つの要因は、水素の貯蔵の難しさです。水素は、特にエネルギー密度が高く、ガスのような爆発物ではありません。そのため、米国エネルギー省を含む研究チームは、水素原子と結合できる材料を見つけようとしています。層の表面にシリコンが存在することで、大量の水素を貯蔵するのに十分な反応性があるという期待が高まりましたが、それはまた別のプラスの効果を引き起こしました。 Si2BNは、リチウムイオン電池の優れたアノードです。

ナノエネルギーに関する2017年の論文では、この特性について説明しています。論文のタイトル-「2dSi2BN：大容量バッテリーカソード材料の奇妙な状況」-は、この材料の異常な特性について何かを述べています。リチウムイオンを吸収して貯蔵する理論的能力があり、これは現在バッテリーに使用されている既存のアノード材料の5倍です。すでに合成された2D材料も一般に良好な吸着特性を示しますが、2DSi2BNは、シリセン、ボロフェン、2D黒リンなどの他の材料、およびグラファイト、二酸化チタン、二セレン化モリブデンなどの他の材料と組み合わせることができます。

結果は、重要なのはSi-Si結合と、吸着されたイオンに対する構造の独自の応答にあることを示しています。リチウム/ナトリウムイオンが材料に入ると、構造が曲がります。これにより、構造全体が他の2Dマテリアルよりも高い容量になります。ゲルマニウムなどの他の2D材料で見られるこの座屈は、複数のイオンが表面に吸着されると相転移として現れます。これらの計算によれば、相転移は完全に可逆的であり、アノードからのイオンの拡散を促進するはずです。

Si2BNはまた、さらに多くの電子特性を持つことが期待されており、2次元材料を材料科学の分野でかなりの興奮の源にしています。強力で柔軟性があり、調整可能なバンドギャップがあり、高導電率と高導電率を備えています。 Si2BNが高い電子移動度を持っているという事実は、アノードとしてのその有用性にとって重要です。これは、イオンが高度に拡散し、バッテリーの急速な充電と放電を可能にするという事実と組み合わされています。大量のエネルギーを確実に蓄えることができる高速充電式バッテリーを作成することは、電気自動車のアプリケーションだけでなく、グリッドのストレージとバックアップにとって重要です。

Si2BNは、これまで大量に合成されたことはありませんが、現在、この2Dマテリアルの作成にさまざまなチームが取り組んでいます。この分野は急速に進歩しています。数年前、ホウ素フルオレンは有望なアノード材料と見なされていました。合成が成功した直後（2015年）に、レポートは初めてSi2BNがそのアノードの容量を超える可能性があると予測しています。これらの電子特性の理論的予測により、材料科学者は物理的に可能なパラメータ空間を探索することができます。次のステップは、フィールドのアノード性能をテストするためのプロトタイプバッテリーを構築し、次にバッテリーを改良してイオン貯蔵の理論上の最大値に近づけることです。より大容量でより柔軟なエネルギー貯蔵システムに対する需要が高まるにつれ、このブレークスルーは継続的な技術改善にとって重要になる可能性があります。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。