ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と
どの程度比較できるか？
How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?
By K. M. Abraham
ACS Energy Letters 2020;5,11:3544 – 3547 2020.10.23
ワシントン州立大学(WSU)から最近のニュース・レリースは、「WSUとPNNL(太平洋北西国立研究所)の研究者達は、多くのエネルギーを保持し、いくつかの市販リチウム・イオン電池の化学的性質と同程度に働くナトリウム･イオン電池を作り出したことを発表した。このことは豊富で安価な材料から潜在的に実行可能な電池技術を作れる。」当然、このニュースは、新しいナトリウム･イオン電池が高価なリチウム・イオン電池に取って代わるだろうと示唆している限り、電池業界と一般社会に多くの興奮をもたらした。興奮により、この著者はACS Energy Lettersの元のWSU/PNNLレポートを深く掘り下げ、ナトリウム･イオン電池技術の最先端を調べ、成熟した偏在するリチウム・イオン電池と比較するようになった。この調査から生まれたこの視点は、「ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の比較可能性」という質問に答えることを目的としている。最近、幾つかのそのような報告が他の場所に現われたので、それはナトリウム･イオン電池の包括的なレビューではない。
ナトリウム･イオン電池の電極材料の化学的性質と電池化学はリチウム・イオン電池の電極材料とは十分に異なるため、実用的な電池に適した候補が最近、入手可能になった。図1にナトリウム･イオン電池セルの概略図を示す。リチウム・イオン電池と同様の構造になっている。実験室試験セルおよび代表的なプロトタイプ・セルは、層状遷移金属酸化物、遷移金属フルオロフォスフェート、およびプルシアン・ブルーとその類似体から選択された硬質炭素陽極および陰極材料を使用して構築および評価されている。
層状遷移金属二酸化物、NaMoO2 (M=Fe、Ni、Mn、Coなど)は、O3およびP2の結晶学的バージョンに存在する。O3-NaMO2相では、Naは八面体側に存在し、P2相ではNaは角柱状側に存在する。
硬質炭素陰極と層状遷移金属酸化物NaMO2陽極を利用したナトリウム･イオン電池の電極反応を式1に示す。放電した電極は式1の右側にある。
NaxC6 + Na1-xMO2 ⇄ NaMO2 + C6 (1)
図1 ナトリウム･イオン電池セルの概略図
LiCoO2と同様にNaCoO2陽極は最初に放電状態でNaイオン・セルに入れられ、セルは最初に充電することによって活性化され、完全に放電されたセルにNa挿入陰極とNa脱挿入陽極を形成する。図2で比較したLi/Li1-xCoO2およびNa/Na1-xCoO2ハーフセルの充
図2 Li/Li1-xCoO2およびNa/Na1-xCoO2ハーフセルの充放電曲線の比較。
Li(Na)CoO2結晶の概略図も示されている。出典：2014 Am Chem Soc
電および放電電圧対容量曲線はNaセルの段階的な電圧プロファイルを示している。これらは、Naが充電中にNa1-xCoO2を形成するためにNaCoO2結晶から脱離され、放電中にその逆になるため、NaCoO2結晶の複数の相変化を反映する。LiCoO2とNaCoO2はどちらも同じO3結晶構造を持ち、CoO2スラブがA1-xCoO2結晶(A=LiまたはNa)のc軸に沿ってスラブ間でLi+またはNa+イオンを交互に収容する。Naセル内のNaCoO2の結晶構造の変化は、最初の充電中にNaが除去されることから始まる。O3型相のナトリウム･イオンは元々MO6八面体内のエッジ共有八面体側で安定化されている。Na+イオンがO3相から部分的に抽出された場合、角柱部位で存在するN+はM – O結合を破ることなくMO2スラブの滑りによって結晶をP3相に変換する。MO6スラブを滑らせることによるプリズムと八面体相間のこの変換は、それらがナトリウム･イオン電池中の陽極として使用されるとき、ほぼ全ての層状遷移金属酸化物中に起こる。結果は位相変化を反映したセルの電圧対容量曲線の複数の電圧プラトーである(図2)。混合金属酸化物陰極はナトリウム･イオン電池内に追加の電圧プラトーを示し、セル放電および電荷の間に低減されて酸化されている様々な金属の酸化状態を反映する。NaCoO2電極は平均電圧3 Vで約150 mAh/gの充電式容量を有する。
以下一部省略。
フランスの電池市場予測会社であるAvicenneのSandersは、世界のリチウム・イオン電池市場が2025年までに1,500億ドル以上に成長すると報告している。ESS市場だけでも500億ドルを超えると予想される。この上昇する市場に対応する電池材料の生産量の増加により、パック・レベルでのリチウム・イオン電池のコストが現在の150ドル/kWhから約100ドル/kWhに削減されると予想される。
Sandersによると、陽極は総合コストの約25％で、リチウム・イオン電池の最も高価な要素である。リチウム・イオンおよびナトリウム･イオン電池の構成要素を調べると、陽極材料の性質が2つの電池の主な違いであることが分る。原料からの陽極の準備コストはリチウム・イオンとナトリウム･イオンの両方の技術でほぼ同じであるため、ナトリウム･イオン電池の主なコスト削減は原料からもたらされる。現在、入手可能な情報に基づいて、ナトリウム･イオン電池のコストはリチウム・イオン電池のコストよりも約10～20％低くなると予想できる。
ナトリウム･イオン電池の主な利点は持続可能性である。これは炭素ベースのエネルギー源を無くそうと努力している世界にとって重要である。硬質炭素陰極と無コバルト陽極を備えたナトリウム･イオン電池は、短距離電気自転車や大規模エネルギー貯蔵などの用途向けのリチウム・イオン電池の持続可能な低コストの代替品として予測できる。風力、太陽光、水力発電への転換が進んでいる。これらは24時間、中断のない性能を電池のエネルギー貯蔵に依存している。
今後の研究では、比エネルギーが200 Wh/kgに近い実用的なナトリウム･イオン電池を製造するために、より高い比容量と電圧を備えたナトリウム･イオン電池用の高度な陰極および陽極材料の発見に焦点を当てる必要がある。大規模なエネルギー貯蔵用途に必要な長いサイクル寿命と貯蔵寿命を示しながら、広い温度範囲にわたって高い充放電率でナトリウム･イオン電池の性能を可能にする高度な電解質の開発にも努力する必要がある。研究はまた、ナトリウム･イオン電池用の大容量で可逆的な電極を体系的に設計および開発する能力 を獲得するために、ナトリウム挿入電極の結晶構造とイオン輸送特性の関係をより深く理解することに焦点を当てる必要がある。研究開発の努力は、温度および速度に依存する性能と安全上の危険性の評価に特に重点を置いて、ナトリウム･イオン電池のプロトタイプについても継続する必要がある。
