中空メソポーラスカーボンナノスフェアーに埋め込まれた超微細バイメタルCo-Feセレン化物の変換反応機構と優れたK-イオン貯蔵性能

Conversion Reaction Mechanism of Ultrafine Bimetallic Co-Fe Selenides Embedded in Hollow Mesoporous Carbon Nanospheres and Their Excellent K-Ion Storage Performance.

• Su Hyun Yang
• Seung-Keun Park
• Gi Dae Park
• Jong-Heun Lee
• Yun Chan Kang

抄録

カリウムイオン電池（KIB）は、カリウムが豊富で安価であることから、リチウムイオン電池に代わる有望な電池と考えられていますが、大型のKイオンを安定的に貯蔵できる電極材料の開発が課題となっています。しかし、大型のカリウムイオンを安定して貯蔵できる電極材料の開発が課題となっている。本研究では、中空メソポーラスカーボンナノスフェア（HMCS）に埋め込まれた超微細なコバルト-鉄二元金属セレン化物を合成するための簡便な含浸法を提案する。この方法では、金属前駆体をHMCSテンプレートに装填し、「落下と乾燥」を繰り返すプロセスを経て、様々な温度でセレン化を行うことで、二元金属セレン化物/炭素複合体の調製を容易にするだけでなく、その構造を制御することができます。HMCSは、熱処理中の二元セレン化粒子の過剰成長を抑制するための構造骨格、導電性テンプレート、ビヒクルとしての役割を果たします。新しいバイメタルセレン化物アノードの充放電メカニズムを調べるために、さまざまな解析戦略を採用した。このユニークな構造の複合材料は、高い放電容量(200サイクル後に485mA h g, 0.1A g)とレート能力の向上(272mA h g, 2.0A g)を示し、KIB用の有望な負極材料として期待されている。さらに、セレン化温度を調整して得られた中空構造からカエルの卵のような構造まで、様々なナノ構造の電気化学的特性を比較した。

Potassium-ion batteries (KIBs) are considered as promising alternatives to lithium-ion batteries owing to the abundance and affordability of potassium. However, the development of suitable electrode materials that can stably store large-sized K ions remains a challenge. This study proposes a facile impregnation method for synthesizing ultrafine cobalt-iron bimetallic selenides embedded in hollow mesoporous carbon nanospheres (HMCSs) as superior anodes for KIBs. This involves loading metal precursors into HMCS templates using a repeated "drop and drying" process followed by selenization at various temperatures, facilitating not only the preparation of bimetallic selenide/carbon composites but also controlling their structures. HMCSs serve as structural skeletons, conductive templates, and vehicles to restrain the overgrowth of bimetallic selenide particles during thermal treatment. Various analysis strategies are employed to investigate the charge-discharge mechanism of the new bimetallic selenide anodes. This unique-structured composite exhibits a high discharge capacity (485 mA h g at 0.1 A g after 200 cycles) and enhanced rate capability (272 mA h g at 2.0 A g ) as a promising anode material for KIBs. Furthermore, the electrochemical properties of various nanostructures, from hollow to frog egg-like structures, obtained by adjusting the selenization temperature, are compared.

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