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ナノドットは、ナノメートル規模の局所構造を使用するいくつかの技術を指します。ナノドットは一般に、量子ドットの特性を利用して、非常に小さなスケールで磁場または電場を局所化します。ナノドットの用途には、高密度情報ストレージ、エネルギーストレージ、発光デバイスなどがあります。
情報保存
磁気ナノドットは、将来の情報ストレージ用に開発されています。[1] ナノドット技術は、現在のハードドライブの 100 倍以上のデータを保存できる可能性があります。ナノドットは、極性を切り替えて2 進数を表すことができる小さな磁石と考えることができます。ハードドライブは通常、200 ～ 250 nm の長さの領域を磁化して個々のビットを保存します (2006 年現在)。一方、ナノドットの直径は 50 nm 以下です。[1]したがって、ナノドットベースのストレージは、既存のハードドライブよりもかなり高い情報密度を提供できます。ナノドットは超高速メモリにもつながる可能性があります。[2]
バッテリー
2014年、自己組織化され化学合成されたバイオ有機ペプチドナノドットが、バッテリーの充電時間を短縮するために提案されました。エネルギー密度と電解質の性能を向上させると言われています。新しいバッテリーは、充電時には（急速充電）スーパーキャパシタのように、電力供給時には（低速放電）バッテリーのように動作すると言われています。 [3]
リチウムイオン電池
ナノドット技術の応用は、リチウムイオン電池でテストされています。バインダーフリーの3次元（3D）マクロメソポーラス電極構造により、高性能スーパーキャパシタのようなリチウム電池が得られることが実証されています。これは、最先端のグラファイトアノードの現在のモデルと比較して約10倍の効率です。この電極構造は、迅速なイオン移動と超短時間の固相イオン拡散を同時に可能にし、高性能スーパーキャパシタのようなリチウムイオン電池の開発に向けた効率的な新しいバインダーフリー電極技術をもたらします。[4]
リチウム硫黄電池
充電式リチウム硫黄電池は環境に優しく、理論上のエネルギー密度が高いため、重要なエネルギー貯蔵装置であるため、ナノドット技術をリチウム硫黄電池に組み込むことは非常に重要です。しかし、可溶性多硫化物のシャトル効果と遅い酸化還元反応速度論が、リチウム硫黄電池の開発を制限しています。研究によると、階層的多孔質炭素におけるミクロ細孔、メソ細孔、マクロ細孔の共存は、活性物質である硫黄の物理的な収容/固定化と急速な電荷/イオン移動に有益であり、最も報告されているバイオ炭ベースの電極よりも優れていることが示されており、将来の高度なリチウム硫黄電池用の多機能硫黄ホストの設計への道を開きます。[5]
リチウム硫黄（Li-S）電池のシャトル効果は、主に可溶性多硫化物（LiPS）の拡散とその酸化還元反応速度の低下に起因し、電池自体の活性物質の漏出が進行する原因となっている。研究者らは、導電性インターフェースとして機能するだけでなく、活性物質を保持しLiPSの移動を抑制する二重吸着バリアも提供する、どんぐり殻型多孔質炭素/Sn4P3ナノドット電気触媒で構成された層を開発している。[6]
ナトリウムイオン電池
ナトリウムイオン電池は、どちらも陽イオンであるという点でリチウムイオン電池と非常によく似ています。しかし、これらのセルでは、スタッキングによるサイクル安定性の悪さが主な課題の 1 つですが、研究により、硫黄ナノドットがMoS2シートの効率的なブロッキング防止剤として使用されていることが証明されています。これらの硫黄シートのこの配置は、優れたサイクル安定性を備えた高い電流密度を示し、300 回のフル充電/放電サイクルに耐え、保持率は 83.8% です。[7]
ナトリウムイオン電池は、地球上に天然ナトリウムが豊富に存在するため、低コストで大規模なエネルギー貯蔵の魅力的な選択肢でもあります。赤リンは、ナトリウムイオン電池の高容量アノードとして考えられています。リチウムイオン電池のシリコンと同様に、ナトリウム化/脱ナトリウム化による大きな体積膨張や低い電子伝導性など、いくつかの制限が赤リンアノードの性能を阻害します。科学者は、還元グラフェン酸化物シート上にナノドットを高密度かつ均一に堆積させることで、ナトリウムイオンの拡散距離とナトリウム化/脱ナトリウム化のストレスを最小限に抑え、リン粒子の体積変化に対応するための自由空間を作り出しました。これにより、ナトリウムイオン化学用の赤リンアノードと、ウェアラブル電子機器やスマートフォン技術用の柔軟な電源の性能が大幅に向上しました。[8]
カリウムイオン電池
研究者らは、理論容量の高いアンチモンベースの材料がカリウムイオン電池（PIB）の有望なアノード材料として考えられていることを明らかにした。残念ながら、大きな体積膨張は急速な容量低下と低いレート容量につながる。超微細ナノドットは、電池セル内の運動プロセスを強化してイオンの拡散距離を短縮することができる。カリウムイオン電池のアノードとして適用した場合、それらはすべて、高い可逆容量と優れたレート容量、特に優れた電気化学的性能の点で満足のいくカリウム貯蔵特性を示す。[9]
参照
参考文献
- ^ ab Atkins, William (2007年1月23日). 「ナノドットはデジタルデータストレージ容量を大幅に増加させる可能性がある」. ITWire . 2014年4月4日閲覧。
- ^ Johnson, Dexter (2012年4月20日). 「ナノドットメモリが電荷蓄積メモリを凌駕」. ITWire . 2014年4月4日閲覧。
- ^ 「30秒以下で充電できるナノドットベースのスマートフォンバッテリー」Gizmag.com、2014年4月7日。 2014年4月24日閲覧。
- ^ Zheng, Xianfeng; Wang, Hongen; Wang, Chao; Deng, Zhao; Chen, Lihua; Li, Yu; Hasan, Tawfique ; Su, Bao-Lian (2016 年 4 月). 「高性能スーパーキャパシタのような Li イオン電池のための自己組織化 NiO ナノドットを備えた 3D 相互接続マクロメソポーラス電極」. Nano Energy . 22 : 269–277 . doi : 10.1016/j.nanoen.2016.02.017 .
- ^ Zhong, Mei-e; Guan, Jindiao; Sun, Jingchun; Guo, Hui; Xiao, Zhubing; Zhou, Nan; Gui, Qingwen; Gong, Daoxin (2019 年 3 月)。「炭素ナノドットで装飾されたアルベオレート N、O、S トリドープ階層的多孔質炭素は、リチウム硫黄電池のポリスルフィド変換の効率的な電気触媒として機能します」。Electrochimica Acta . 299 : 600– 609. doi :10.1016/j.electacta.2019.01.024。
- ^ Ye, Zhengqing; Jiang, Ying; Feng, Tao; Wang, Ziheng; Li, Li; Wu, Feng; Chen, Renjie (2020年4月). 「リチウム硫黄電池における支持されたSn4P3ナノドット電気触媒で構成された相乗的なエンジニアリング層によるポリサルファイドのシャトリングの抑制」. Nano Energy . 70 : 104532. doi :10.1016/j.nanoen.2020.104532.
- ^ シュウ、ザンウェイ;ヤオ、カイ。李志；フー、リカイ。フー、ハオ。リー、ジア。曹操、麗雲。黄建峰（2018）。 「安定したナトリウムイオン電池アノード用の MoS 2 ブロッキング防止剤としての硫黄ナノドット」。材料化学ジャーナル A。6 (22): 10535–10542。土井:10.1039/C8TA02339E。
- ^ 劉宜航;張、安宜。シェン、チェンフェイ。劉、青州。曹玄。馬、玉強。チェン、リャン。ラウ、クリスチャン。チェン・ティエンチー。ウェイ、フェイ。周、崇武（2017年6月27日）。 「ナトリウムイオン電池用の柔軟かつ超高速アノードとしての還元酸化グラフェン上の赤リンナノドット」。ACSナノ。11 (6): 5530–5537。土井:10.1021/acsnano.7b00557。PMID 28530803。
- ^ Yang, Li; Hong, Wanwan; Tian, Ye; Zou, Guoqiang; Hou, Hongshuai; Sun, Wei; Ji, Xiaobo (2020 年 4 月)。「高性能カリウムイオン電池向け Sb2X3 (X = S, Se) ナノドットをインレイしたヘテロ原子ドープカーボン」。化学工学ジャーナル。385 : 123838。doi : 10.1016 /j.cej.2019.123838。