Research Abstract
MXeneナノシートの高出力ナトリウムイオン・ハイブリッドキャパシタへの応用
Pseudocapacitance of MXene nanosheets for high-power sodium-ion hybrid capacitors
2015年4月2日 Nature Communications 6 : 6544 doi: 10.1038/ncomms7544
高出力Naイオン電池は、電力平準化などの大規模用途に対応できる可能性が高く、大きな注目を集めている。しかし、イオンのインターカレーション反応や電気二重層形成による従来の電荷貯蔵メカニズムは、大規模用途に必要な条件を満たすことが難しい。例えば、前者は反応速度が遅い一方で、後者は電荷貯蔵量が小さい。本研究では、ナノシート化合物MXene Ti2Cの擬似キャパシタンスが、電気二重層キャパシタ電極と比較して大量の電荷貯蔵を実現し、また、イオンインターカレーション電極と比較して非常に高速な反応速度を示すことを実証している。マイナス極にこの擬似キャパシタンスを利用することによって、アルオード石型Na2Fe2(SO4)3プラス極とMXene Ti2Cマイナス極からなるNaイオンフルセルのプロトタイプは、2.4 Vという比較的高い電圧で動作し、1.0 A g-1で90 mAh g-1、5.0 A g-1で40 mAh g-1（マイナス極の重量に基づく）という容量を示した。これらは、従来の電気化学的なエネルギー貯蔵システムでは達成できない値である。
Xianfen Wang, Satoshi Kajiyama, Hiroki Iinuma, Eiji Hosono, Shinji Oro, Isamu Moriguchi, Masashi Okubo & Atsuo Yamada
Corresponding Author
High-power Na-ion batteries have tremendous potential in various large-scale applications. However, conventional charge storage through ion intercalation or double-layer formation cannot satisfy the requirements of such applications owing to the slow kinetics of ion intercalation and the small capacitance of the double layer. The present work demonstrates that the pseudocapacitance of the nanosheet compound MXene Ti2C achieves a higher specific capacity relative to double-layer capacitor electrodes and a higher rate capability relative to ion intercalation electrodes. By utilizing the pseudocapacitance as a negative electrode, the prototype Na-ion full cell consisting of an alluaudite Na2Fe2(SO4)3 positive electrode and an MXene Ti2C negative electrode operates at a relatively high voltage of 2.4 V and delivers 90 and 40 mAh g−1 at 1.0 and 5.0 A g−1 (based on the weight of the negative electrode), respectively, which are not attainable by conventional electrochemical energy storage systems.
