研究者達は高性能固体ナトリウム・イオン電池を報告

Researchers Report High Performance Solid-State Sodium-Ion Battery

By University of Houston

https://phys.org/より April 19, 2019

　固体ナトリウム・イオン電池は火災や爆発の危険性がある通常のリチウム・イオン電池よりもはるかに安全であるが、安定性の利点を補うほどには性能が悪い。研究者達は安定性とエネルギー密度の両方を劇的に改善した有機性陽極を開発したことを報告した。雑誌ジュールに報告した改善された性能は2つの鍵となる結果に関係している：反復充放電中に一般的に形成される電解質と陽極との間の抵抗性界面が逆転されて寿命が延ばせる。そして反復充放電で膨張・収縮する陽極でも、有機性陽極の柔軟性は固体電解質との界面で密接な接触を維持できるようした。

　ヒューストン大学の電子コンピューター技術の准教授で論文の通信対応著者であるYan Yaoはピレン-4,5,9,10-テトラオン(PTO)として知られている有機性陽極はこれまでの無機性陽極に優る独特な利点を持っている、と言った。しかし、基礎となる原理は同じように重要であるとも言った。“陽極と電解質との間で形成される抵抗性界面は逆転されることを我々は初めて発見した。このことは安定性とより長い反復充放電寿命に寄与できる、”とYaoは言った。 Yaoはまたヒューストン大学の超伝導テキサスセンターの主任研究者でもある。彼の研究グループはエネルギー生成と貯蔵用の環境に優しい安定した材料に焦点を置いている。

　ヒューストン大学電子コンピューター技術部の研究准教授であるYanlian “Leonard” Liangは、界面の逆転が鍵であり、それで反復充放電循環寿命を犠牲にしないで高いエネルギー密度を達成する固体蓄電池にできる、と言った。通常、エネルギーを蓄積する固体蓄電池の能力は、陽極と電解質との間で抵抗性界面が形成されたとき、停止する；反復充放電循環中にエネルギー密度を高性能に維持させる抵抗性を逆転させる、と彼は言った。

　彼等の液体電解質のリチウム・イオン電池は比較的高いエネルギー量を蓄えられ、携帯電話から補聴器まで近代生活の器機に電力を供給するために使われている。しかし、火災や爆発の危険性があることで他の種類の電池に高い関心を持ってきて、固体ナトリウム･イオン電池が低コストで高い安定性の見込みを提供している。

　鍵となる挑戦はリチウム・イオン電池で使われている液体電解質と同程度の伝導性のある固体電解質を発見することであったとYaoグループのポスドク研究者のXiaowei Chiは言った。今や十分に伝導性のある固体電解質が利用でき、残されている挑戦は固体界面である。

　固体電解質によって出てきた1つの問題：電解質はこれまでの硬い陽極と密接な接触を維持するために苦労している。この陽極は電池の充放電循環中に膨張・収縮するからである。Yaoグループで研究している学生のFang Haoは、有機性陽極はより柔軟で、したがって界面との緊密な接触を維持でき、寿命を改善すると言った。接触は少なくとも200回の充放電循環中を通して安定し続けた、と研究者達は言った。

　“電極と電解質との間で信頼性を持って接触させられれば、高性能固体電池を作り出せる大きなチャンスを持てる、”とHaoは言った。