安定した効率的な陰極フリーなナトリウム電池
Stable, Efficient, Anode-Free Sodium Battery
ScienceDaily
Source: Washington University in St. Louis 2021.05.03
ユニ－クなツールは以前の試みを妨害した陰極パズルを解決するのに薬剤だった
今のところ蓄電池に関してはエネルギー密度と利便性の点でリチウム・イオン電池が最高である。
ペン・バイのセントルイス研究所にあるワシントン大学マッケルビー工学部のエネルギー環境科学工学科助教授は、高効率で製造コストは安く、かつて必要であった機能が不要なため従来のリチウム・イオン電池よりも大幅に小型で安定したナトリウム･イオン電池を開発した。「最小であることが最高であることが分った。陰極がないことが最高の陰極である。」とバイは言った。研究はAdvanced Science誌に2021年3月3日に発表された。
伝統的なリチウム・イオン電池は、両方とのリチウム・イオンを蓄える陽極と陰極；電極を両側で分離しておくためのセパレーター；そして電解質－イオンがそこを通って移動する液体から成っている。リチウム・イオンが陰極から陽極に流れるとき、リチウム・イオンがセパレーターを通過して陽極に到達する間、自由電子は集電体を通って電力が供給されている装置に移動する。充電するには、工程を逆にしてリチウム・イオンが陽極からセパレーターを通って陰極に移動する。
リチウムをナトリウムで置き換え、陰極を廃止すると言う概念は新しいものではない。「我々は古い化学を使った。しかし、問題は、この良く知られた化学的性質によりこの陰極フリーの蓄電池が妥当な寿命を持つことが出来ることを誰も示したことはなかった。それらは常に非常に速く故障するか、容量が非常に小さいか、または集電装置の特別な処理を必要とする。」とバイは言った。
陰極フリーの蓄電池は不安定で、樹枝状結晶が成長し、電池がショートしたり、非常に急速に劣化する可能性がある。これは従来通り関与するアルカリ金属、この場合はナトリウムの反応性に起因していた。この新しく設計された電池で、集電体として陰極側に銅箔の薄い層のみが使用されていた。つまり電池に反応性のある材料がない。陰極に流れて陽極に戻る時間まで留まる代わりに、陰極のない電池ではイオンは金属に変換される。
「我々の発見では、樹枝状結晶のような構造はない。」と論文の筆頭者でバイ実験室の博士課程の学生であるBingyuan Maは言った。析出物は滑らかで、金属光沢がある。「この種の結晶成長はこのアルカリ金属種では観察されたことはなかった。」「観察すること」が鍵である。
バイは電池を観察する新しい方法を提供し、独自の透明なキャピラリー・セルを開発した。従来、電池に障害が発生した場合、何が問題であったかを判断するために研究者は電池を開いて調べることが出来る。しかし、この種の観察はその後の有用性が限られている。「電池の不安定性はすべて作業工程中に蓄積される。本当に重要なのは動的プロセス中の不安定性であり、それを特徴付ける方法はない。」とバイは言った。Maの陰極のないキャピラリー・セルを見て、「電解質の品質管理が適切でない場合、様々な不安定性が見られることが明確に分った。」と樹枝状結晶の形成を含めバイは言った。本質的にそれは電解質にどれだけの水が入っているのかに帰着する。
アルカリ金属は水と反応する、したがって、研究チームは水含有量を下げてきた。「我々は良い性能を達成したいと思っていた。」とバイは言った。作動中の電池を観察すると、研究者達は直ぐに光沢のある滑らかなナトリウムの析出を見た。樹枝状結晶の成長につながる可能性のある形態学的な不規則性を排除するのは材料の滑らかさである。
「我々はキャピラリー・セルをチェックすることに引き返し、電解質の乾燥工程が長かったことに気付いた。」とバイは言った。誰でも電池内の水分含有量について語るが、前の研究で水分量は、注意が必要な単なる統計に追いやられることがしばしばあった。バイとMaは事実、それこそが鍵であったと気付いた。「水分含有量は10 ppm以下でなければならなかった。」バイは言った。その認識で、Maは、キャピラリー・セルだけでなく標準のリチウム・イオン電池と同等の性能を備えた動作電池を構築することが出来たが、陰極がないため占有するスペースがはるかに少なくなった。
「携帯電話や電気自動車を確認して下さい。その物の費用の1/4は電池である。」とバイは言った。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりもずっと一般的な金属を使い；リチウム・イオン電池と同じエネルギー密度を持ち；そしてリチウム・イオン電池よりも小さくて安く、陰極がなくなったことに感謝する。「我々は最も簡単なセットアップを使用して最高の電池を有効に出来ることを証明した。」とバイは言った。
