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界面活性剤は 、金属酸化物の結晶形態を変更し、水素の発生を抑制し、デンドライトの成長を抑制し、腐食を軽減し、電極の不動態化を遅らせることができます。界面活性剤を使用して調製されたエマルジョンは「マイクロリアクター」として機能し、ナノ粒子の凝集を防ぐことができます。
この論文では、電池材料の調製および使用済み電池のリサイクルにおける界面活性剤の使用に関する研究の進捗状況を概説します。世界的なエネルギー資源の枯渇と環境悪化に伴い、環境に優しい新エネルギーの開発が広く注目を集めており、新エネルギー材料は重要な指導および支援の役割を果たしています。バッテリー材料には主に、電気エネルギーの貯蔵と供給に重要なコンポーネントであるカソード、アノード、電解質、セパレーターが含まれます。
現在、電池材料はナノスケールの寸法に向かう傾向にあります。ナノマテリアルは、独特の微細な形態、高いリチウムインターカレーション容量、高いエネルギー密度、長いサイクル寿命を特徴としています。しかし、ナノ粒子の凝集とサイズの制御、電極材料と電解質間の限られた接触面積の改善、電解質の腐食抑制の強化などの重要な課題はすべて、界面活性剤の使用を必要とします。
界面活性剤分子は疎水基と親水基から構成されます。溶液中では、それらはミセル、などの規則正しい凝集体に自己集合し 逆ミセル、小胞、ナノ粒子を調製するための「マイクロリアクター」として機能します。界面活性剤は、キャリア上で方向性の整列を誘導し、ナノ粒子の凝集を防止し、粒子サイズを制御し、電極の電気化学的性能を向上させることもできます。界面活性剤は、電池触媒の製造、電極材料の合成、腐食防止剤としての役割、使用済み電池のリサイクルにおいて極めて重要な有用性を実証しています。
界面活性剤は、主にマイクロエマルジョン法によるイオン交換膜燃料電池用の触媒の製造において重要な役割を果たします。マイクロエマルションシステムは、通常ミセルシステムと逆ミセルシステムに分けられます。
通常のミセルマイクロエマルションシステム: その主な欠点は、マイクロエマルションから粒子を分離および精製することが難しいことと、処理中に試薬を大量に消費することです。
逆ミセル法: 陽子交換膜燃料電池 (PEMFC) 用の電極触媒の調製に使用される場合、この方法で合成された粒子は、他の化学的ルートと比較して凝集しにくく、制御可能なサイズを示し、良好な分散性を示します。装置と処理要件が簡単なため、ナノ粒子調製の有望な方法です。
逆ミセル法によるナノ粒子の調製における界面活性剤の主な機能は次のとおりです。
逆ミセルシステムを形成して粒子の寸法を制御します。
粒子の凝集を軽減します。
粒子の形状、結晶形態、および関連する特性を制御します。
電極材料の調製に現在使用されている界面活性剤には、主に CTAB、2-エチルヘキシルスルホコハク酸ナトリウム、ノニルフェノールエトキシレート (NPE)、エチレンオキシド (EO) およびプロピレンオキシド (PO) トリブロックコポリマー EO100PO70EO100、P123 (EO20PO70EO20 EO 20PO 70EO 20) 、PEO600、 Tween-80、Span、Triton X-100、モノオレイン酸ソルビタン、SDBS、SDS、シクロヘキサン、フルオロアルキル第四級アンモニウム塩、オレイン酸、および 4-スチレンスルホン酸ナトリウム。
一般的な調製技術には、相転移、沈殿、自己組織化、テンプレート、およびゾルゲル法が含まれます。
SDBS、CTAB、Triton X-100、および Brij56 [C16H33(OCH2CH2)8H C 16H 33( OCH 2CH 2) 8 H ] を使用すると、異なる構造と電気化学的特性を持つ MnO2 MnO2 を合成できます。
SDBS をテンプレートとして使用して調製された2MnO2 MnO は、バッテリーのサイクル性能を妨げます。
CTAB はサイクリングのパフォーマンスをわずかに向上させるだけです。
Triton X-100 は、良好な放電容量とサイクル安定性を提供します。
Brij56 を電着の電解質添加剤として使用すると、優れたサイクル性能と高い放電容量を備え2たナノスケールの MnO2 MnO正極材料が得られます。
P123、4-スチレンスルホン酸ナトリウム、CTAB、およびオレイン酸/灯油の溶融混合物は、それぞれリチウム電池の正極材料の調製に適用できます。
P123 テンプレート: LiCoO2ゾルゲル法で調製され2た LiCoO電極は、簡単な処理と低コストで良好なサイクル性能を示します。
4-スチレンスルホン酸ナトリウムのテンプレート: FeCl3 FeCl を3酸化剤 として使用すると、硫黄-ポリピロール (S-PPy) 複合材料が生成されます。 Li/S-PPy バッテリーの正極として使用すると、放電容量とサイクル性能が大幅に向上します。
CTAB テンプレート: 水熱法で調製された LiFePO4 LiFePO4 正極材料は、放電容量の増加、コストの削減、および毒性の低下を示します。
オレイン酸と灯油の溶融混合物: LiFePO4 LiFePOとナノスケール TiO2 4TiO / グラファイト複合材料 を組み合わせて、 2LiFePO4 / TiO2 LiFePO 4/ TiO2 複合電極を形成します。従来のリチウム電池と比較して、エネルギー密度は低いものの、700サイクルを超えても容量損失がほとんどなく、最大100%の電流効率を達成し、耐久性、低コスト、高い安全性を実現します。
これらの結果は、界面活性剤がカソード材料の調製において重要な役割を果たし、オレイン酸と灯油の溶融混合物界面活性剤系が特に強力な LiFePO4/TiO2 LiFePO 4/ TiO2 複合電極性能をもたらすことを示しています。
界面活性剤は粒子サイズを制御し、規則正しい結晶配列を促進するだけでなく、多孔性も制御し、それによって得られる電極の電気的特性を向上させます。
ウラガッパンら。最初に、カチオン性界面活性剤である2-エチルヘキシルスルホコハク酸ナトリウムをテンプレートとして使用して、スズベースのメソポーラス材料（細孔直径3.2 nm）を合成しました。
界面活性剤 CTAB によって修飾されたCuO CuO 表面は、規則正しい針状結晶構造を示し、CuO CuO と電解質の間の接触面積が増加します。 CTAB の投与量を調整すると、リン酸スズ材料の多孔性を制御し、バッテリーのサイクル性能を向上させることができます。
複合界面活性剤は相乗的な腐食抑制効果をもたらします。 Triton X-100 と n-ヘキサノールの比率によって Cu-Sn 粒子の寸法を制御すると、リチウムイオン電池の負極に組み立てられると、より高いサイクル容量と可逆的な比容量を示す Cu-Sn ナノ粒子が得られます。
ポリオキシエチレン基を含む非イオン性界面活性剤と水酸化インジウム添加剤を組み合わせると、充電式アルカリ亜鉛マンガン電池の電気化学的性能を向上させながら、電池の自己放電を大幅に抑制します。
P123-エタノール溶液中で調製されたナノスケール二酸化スズ/炭素複合体およびスズベース酸化物/炭素複合体は、リチウムイオン電池の負極として使用した場合、従来のナノスケールスズベース材料と比較して優れたサイクル性能を示します。
アルカリ亜鉛マンガン電池の亜鉛電極の自己放電は、電池の耐用年数を制限する主な要因です。従来、自己放電を抑制するために水銀または水銀塩が使用されてきました。しかし、水銀は毒性が高く、環境に有害であり、亜鉛電極の変形を促進します。したがって、有毒な水銀を排除または代替することが不可欠です。
アルカリ亜鉛マンガン電池における現在の水銀フリーへの取り組みは、 電解液に腐食防止剤を添加するか、亜鉛アノードに評価される添加剤には、無機抑制剤と有機水銀代替抑制剤が含まれます。有機代替剤は主に防食性界面活性剤で構成されます。 腐食防止剤を直接組み込むという 2 つのアプローチに焦点を当てています。
KOH溶液中の亜鉛に対する阻害性能に関して、異なる親水鎖を持つ6種類の界面活性剤を評価したところ、デシル(オクタ)オキシエチレンエーテルリン酸カリウムが亜鉛粉末の水素発生を70.6%減少させ、78.7%の阻害効率を達成したことが示されました。
単一の添加剤が電気化学全体に大幅な改善をもたらすことはほとんどないため、研究は高効率の界面活性剤ブレンドに焦点を当てています。
有機添加剤 YLZX (C12～C16 C 12～ Cアルキル鎖を持つ臭化アルキルトリメチルアンモニウム)、YZ (C10～C17 16C ～ 10Cアルキル鎖を持つアルキルフェノールエトキシレートとアルキルエトキシ硫酸のブレンド17 ) 、アルキルエトキシ硫酸とブレンドしたラウリルアルコールエトキシレート、PEO400、SDS、およびTween-20 は、YLZX と YZ が亜鉛電極の放電性能を損なうことなく、水素の発生と樹枝状結晶の形成を顕著に抑制することを示しました。
SDBS と Tween-20 複合システムは、優れた腐食抑制、遅延不動態化、明確な相乗効果を示し、亜鉛電極の放電容量を大幅に増加させ、最適な混合比の下で 83.26% の抑制効率を達成します。
ほとんどの研究は電解質への阻害剤の添加に焦点を当てていますが、電極材料への直接の添加を研究する研究はほとんどありません。亜鉛粉末への SDBS と CTAB の添加に関する現在の研究では、同時に添加するとバッテリーの充放電効率、容量保持率、サイクル寿命が向上することが示されています。しかし、アノードに添加された有機抑制剤は亜鉛ニッケル電池の自己放電を減少させますが、それでも商業的要件を完全には満たしていません。
界面活性剤は、特定の金属の輸送速度を向上させるエマルションを形成します。
灯油、界面活性剤（Span-80）、キャリア、内部アンモニア水からなるエマルション液膜を用いて、使用済みニッケルカドミウム電池からカドミウムイオンを分離・濃縮しました。 100 L 反応器のスケールアップ実験では、カドミウムの移行率は 93.3% に達しましたが、ニッケルの移行率はわずか 14.6% であり、カドミウムとニッケルの効果的な分離が達成されました。
界面活性剤は、炭素と酸化マンガンの間の界面反応の活性化エネルギーを低下させることもあり、還元率に大きな影響を与えます。使用済み電池を選別、破砕、選別した後、二酸化マンガンを炭素還元剤でペレット化し、焼結し、誘導炉で還元してマンガン鋼を製造します。実験結果は、このプロセスを鋳鋼製造に直接適用して使用済みバッテリーを処理できることを示しています。
界面活性剤は電池システムにおいて重要な機能を果たします。金属酸化物の結晶形態の変更、水素の発生と樹枝状結晶の成長の抑制、腐食の抑制、凝集を防ぐ「マイクロリアクター」として機能するエマルジョンの形成などです。使用される界面活性剤には、陽子交換膜燃料電池、リチウムイオン電池、アルカリ亜鉛マンガン電池、亜鉛空気電池、およびニッケルカドミウム電池全体にわたって、アニオン性、カチオン性、非イオン性、および特殊界面活性剤が含まれます。オレイン酸とケロシンの溶融混合物界面活性剤系を使用して調製された複合電極は、好ましい方法である。 P123 を含むエタノール溶液から調製されたナノ リチウムイオン電池の負極は、技術的な課題が残っていますが、優れたサイクル性能を示します。
界面活性剤は電極のサイクル性能と充放電効率を向上させますが、完全な実用化までにはギャップが残っています。たとえば、多くの電極の充放電効率は 99.5% を超えることができません。バッテリーのリサイクルにおいて、界面活性剤の使用は依然として限られています。界面活性剤は本質的に捕集剤、抑制剤、起泡剤として機能することができます。つまり、界面活性剤がより大きな役割を果たす可能性がある分野であるバッテリーのリサイクル中の金属分離には、浮遊選鉱技術が完全に実行可能です。
さらに、既存の研究は比較的コストの高い従来の界面活性剤に大きく依存しており、新規界面活性剤の研究は依然として不十分である。電池材料中での強い分散特性を持つ新しいポリカルボキシレート、ナフタレンベース、およびバイオ界面活性剤の電気化学的性能は、ほとんど解明されていないままです。
