高エネルギーナトリウム電池用の硬質炭素
Hard Carbon for a High Energy Sodium Battery
日本の科学者達がナトリウム･イオン電池の能力を大きく増大できる硬質炭素電極を証明した。長期的な性能に関するさらなる研究で、発見によりナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン対照電池のエネルギー密度とも競争できるようになる。
By Mark Hutchins
pv magazine 2021.01.08
ナトリウム･イオン電池は将来有望なエネルギー貯蔵技術であり、定置型貯蔵に限られるが既に市販されている。そしてナトリウム･イオンは研究者達から注目されている。それはずっと安く、より豊富にある材料依存するリチウム・イオン電池に代わる物として提案されているからである。
エネルギー密度の点で、ナトリウム･イオン技術はリチウムに遅れている。これは電池の大きさや重量が大きな関心事である電気自動車や家電などへの適用のためには実際的ではないと広く思われていることを意味する。しかし、東京理科大学の科学者達～の新しい発見はこの仮定を真っ向から変えるように設定される。
大学のグループはナトリウム･イオン電池能力を増大させるために炭素電極材料に注目し、多孔性硬質炭素陰極を製造する技術を開発した。その技術はAngewandte Chemie, International Editionで発表されている論文「ナトリウム･イオン電池用の新しい硬質炭素陰極材料はリチウム難問を解決する」で述べられている。
酸化マグネシウム・テンプレート
工程の鍵は孔の大きさと構造用の「テンプレート」として酸化マグネシウムの使用である。酸化マグネシウムの粒子は炭素マトリックス内で形成され、1500℃で酸浸出と炭化の工程が完了する前に、600℃で前処理した。酸化マグネシウム・テンプレートを最適化し理想的な製造条件を計算する一連の実験後に、グループは478 mAh/gの能力と最初のサイクルで88％のクーロン効率(電荷移動効率)を持つ硬質炭素を製造できた。
東京理科大学の駒場慎一教授は、この材料で前に報告した最高値は438 mAh/gであり、これはさらに高温の工程で達成された、と述べている。東京理科大学により提案された計算は、この陰極を利用するナトリウム･イオン電池は今日の標準的なリチウム・イオン電池よりも僅かに低い電圧で運転されるが、まだエネルギー密度で19％の増加を達成できるだろうことを示している。
「我々の研究は、高エネルギーナトリウム･イオン電池を実現でき、リチウム・イオン電池がより高いエネルギー密度を持っているとの一般的な信念を覆すことを証明する。」と駒場は言う。「我々が開発した機能的に高い能力を持つ硬質炭素は新しいナトリウム貯蔵材料の設計に向けて扉を開いた。」
研究中の他の電池概念は、現在東京理科大学が達成している物よりもはるかに大きなエネルギー密度を約束し、この新しい概念からどれだけ多くの性能を引き出せるかは明らかではない。しかし、ナトリウム･イオン電池で可能な事について、研究者達に再び考えることを研究は強いている。次の段階はアプローチの実用性と材料が多くのサイクルで安全性を維持できるかどうかを評価することで、少なくとも現在のリチウム・イオン技術と競合できる寿命を達成することである。
