筆頭著者： ミャオ・チェン、シャオチン・パン
責任著者： ボー・リウ
記事タイトル: 「炭素ナノファイバーにその場で固定された二金属Bi-Snナノ粒子を用いた、先進マグネシウムイオン電池向けの柔軟な自立型負極」
インパクトファクター： 13.4
記事リンク： https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159626
01 講師プロフィール
劉波教授は、蘇州科技大学材料科学与工程学院の研究員です。また、中国科学院上海微系統与信息技術研究所（SIMIT）の客員研究員、斉魯科技大学の客員教授も務めています。主な研究テーマはナノスケール光電子材料およびデバイスです。中国国家重点基礎研究開発計画（973計画）などの国家的な主要プロジェクトを含む、60件以上の研究プロジェクトを主導または参加してきました。これまでに317件の学術論文（うち230件はSCI掲載論文）を発表し、119件の中国特許と5件の米国特許を取得しています。
02 研究背景
フレキシブル電子機器の急速な発展に伴い、高性能フレキシブルエネルギー貯蔵システムの探究と開発がますます重要になってきています。その中でも、フレキシブルリチウムイオン電池は、フレキシブルエレクトロニクスやウェアラブルデバイスなどの実用化において大きな進歩を遂げていますが、そのさらなる開発と応用には課題が残っています。具体的には、限られたリチウム資源に伴う高コストと、制御不能なリチウムデンドライト形成による安全上のリスクです。したがって、天然資源が豊富で、低コストで、安全性が高い代替電池システムの開発が急務となっています。充電式マグネシウムイオン電池は、マグネシウム資源が豊富で安価であり、高い理論比容量と適切な還元電位を持ち、電気化学的析出/溶解プロセス中にデンドライトを形成せず、高い動作安全性を提供するため、リチウムベースのシステムに代わる信頼できる代替品として大きな可能性を秘めています。しかしながら、マグネシウムイオン電池用のフレキシブル電極材料に関する研究は依然として少ないままです。近年、エレクトロスピニングは、3D多孔質膜を製造するための最も便利で費用対効果が高く、産業的に実現可能な技術の1つとして広く認識されています。そのため、ますます多くの研究者が、電気紡糸法で作製したナノファイバーをベースとした複合材料を柔軟な電極として利用することに注目している。
03 論文ハイライト／要旨
フレキシブルエレクトロニクス技術の飛躍的な進歩に伴い、互換性のあるフレキシブル電源システムの開発が不可欠となっている。次世代電池システムとして有望なマグネシウムイオン電池（MIB）は、フレキシブル電子機器の電源として大きな可能性を秘めている。しかし、フレキシブルマグネシウムイオン電池の研究はまだ初期段階にあるため、新規かつ信頼性の高いフレキシブル電極の探索が極めて重要である。本研究では、エレクトロスピニングと 現場で 熱還元プロセス。この電極は、カーボンナノファイバー内に固定された二金属Bi-Snナノ粒子（CNF@Bi-Sn）で構成され、マグネシウムイオン電池に初めて適用されます。CNF@Bi-Sn構造は、階層的な多孔質カーボンナノファイバーフレームワーク、均一に分散したナノスケールBi-Sn粒子、および相/粒界密度の増加といういくつかの利点を相乗的に統合しています。これらの特性は、柔軟な電極材料の構造安定性を向上させ、Mg²⁺イオンの拡散速度を促進することに寄与します。CNF@Bi-Sn合金アノードは、738 mAh g⁻¹の高い初期比容量、優れたレート性能、および優れたサイクル安定性を特徴とする卓越した電気化学的性能を示します。特に、40 mA g⁻¹の電流密度で100サイクル後も150 mAh g⁻¹の可逆容量を維持します。定量的速度論解析、および 生息域外 SEM、TEM、およびXRDによる特性評価により、本研究は、充放電サイクル中のフレキシブル電極材料の構造変化を解明し、可逆的な二相合金化／脱合金化変換反応に基づくマグネシウム貯蔵メカニズムを明らかにしました。さらに、この電極の実用化における可能性を示すために、フルセルデバイスを組み立てました。本研究は、高性能で柔軟性のある自立型合金アノードの探索と開発に新たな知見をもたらします。
04 | 図解分析
I：マグネシウムイオン電池用フレキシブル自立型負極として、カーボンナノファイバー内に均一に固定されたBi-Snナノ粒子
電気紡糸とin-situ熱還元を組み合わせた方法を用いて、二金属Bi-Snナノ粒子を担持したフレキシブルフィルム（CNF@Bi-Sn）を作製した。このフィルムは優れた柔軟性を示し、曲げ、ねじり、折り畳みなど、様々な変形に耐えることができる。電池の組み立て工程では、集電体、導電剤、バインダーは一切使用していない。SEMおよびTEM分析の結果、Bi-Snナノ粒子はカーボンナノファイバー全体に均一に分布していることが明らかになった。
II：CNF@Bi-Snは高い可逆容量、優れたレート性能、および良好なサイクル安定性を示す
CNF@Bi-Snは、738 mAh g⁻¹という高い初期比容量を示します。様々なレートでサイクルを繰り返した後、放電比容量は214 mAh g⁻¹まで回復し、CNF@Bi-Sn電極の優れたレート性能が実証されました。さらに、40 mA g⁻¹の電流密度で100サイクル後でも、150 mAh g⁻¹という高い可逆容量を維持します。
III：外部特性評価によって明らかになった構造進化とマグネシウム貯蔵メカニズム
マグネシウム化/脱マグネシウム化プロセス中の CNF@Bi-Sn の形態および構造的変化を、SEM、TEM、および XRD を含む外部特性評価技術を使用して調査しました。TEM 分析により、完全放電 (Mg 挿入) および充電 (Mg 抽出) 後、CNF@Bi-Sn 電極内の Bi-Sn ナノ粒子は、カーボン ナノファイバー全体に均一に分散され、良好にカプセル化されたままであることが示されました。これにより、合金化プロセス中の体積変化が効果的に緩和され、活性物質の損失が防止されました。EDS の結果は、放電状態では、Bi、Sn、および Mg 元素がカーボン マトリックス内に均一に分布していることを示しました。さらに、外部 XRD により、CNF@Bi-Sn 電極のマグネシウム貯蔵メカニズムは、可逆的な 2 相合金化/脱合金化変換反応に基づいていることが確認されました。
05 本研究で使用した機器
劉波教授の研究グループが実験で使用した小型補助管状炉は、Kemi Instruments社から提供されたものです。論文中ではAnhui Kemi Instruments Co., Ltd.社に謝意を表しており、Kemi Instruments社を選定・推薦してくださった劉教授に、この場を借りて心より感謝申し上げます。
