ナトリウム･イオン電池用電解質：液体から固体および
ハイブリッド・システムへの現在の移行
Electrolytes for Sodium Ion Batteries: The Current Transition from Liquid to Solid and Hybrid Systems
By Hamideh Darjazi, Marisa Falco, Francesco Colò、Leonardo Balducci,
Giulia Piana, Federico Bella, Giuseppina Meligrana, Francesco Nobili,
Giuseppe A. Elia, Claudio Gerbaldi
Advanced Materials 2024;36: 8 2024.05.29
要約
ナトリウム･イオン電池は、特にコストと持続可能性が特に重要なのにとに用途において、従来のリチウム・イオン電池と併用されることに最近、大きな関心を集めている。ナトリウム･イオン電池の急速な進歩は、間違いなく商業化プロセスを加速させるであろう。この点で、電解質配合の調整と設計は最優先事項である。電解質配合は、全体的な電気化学的性能、熱的、機械的、寸法的安定性に大きく影響するからである。さらに、電解質はシステムの安全性レベルと全体的な寿命を決定する上で重要な役割を果たす。本レビューでは、ナトリウム･イオン電池用の液体(有機およびイオン液体)から固体および準固体電解質(乾燥、ハイブリッド、および単一イオン伝導電解質)までの最近の電解質の進歩を詳しく調べ、さまざまな材料、システム、およびその機能的用途にわたる電解質設計の包括的な戦略を網羅している。目的は、安全な電解質の体系的な生産のための戦略的方向性を示し、急速に進化するこの分野における現在の障害と今後の展望を徹底的に評価しながら、現実世界のシナリオにおけるこれらの設計の潜在的な応用を調査することである。
1 はじめに
化石燃料に基づく現在のエネルギー経済は、我々の生活に対する劇的な環境への悪影響について説明責任があり、世界的なエネルギー需要の増加を保証するための実行可能な解決策とは見なされない。人類と経済主導の議論に反する必要がある。太陽、波、風などの再生可能エネルギーのエネルギー生産への実施は、毎年増加している。しかし、より実質的な浸透は、宇宙と時間の変数で拡散している再生可能エネルギーからのエネルギー生産によって制限される。後者の問題は、再生可能エネルギーの収穫者/コンバーターの断続性を滑らかにするための技術プラットフォームとして大規模な電気エネルギー貯蔵システムを効率的に実装することで軽減できる。主要な電気エネルギー貯蔵システムは、ポンプアップされた水力発電貯蔵(現在、エネルギーの90％をカバーしている)、フライホイール、圧縮エネルギー貯蔵、電池、およびコンデンサーである。近年、低価格コストと高エネルギー密度、長いサイクル寿命のコンパクトさ、限られた自己充電のある単純なメンテナンスと単純なメンテナンスを組み合わせる能力により、電気化学エネルギー貯蔵に大きな注意を払われている。電気化学エネルギー貯蔵は、特にリチウム、コバルト、ニッケル、天然グラファイトなどの重要な原材料を考慮して、材料の供給を制約できる。さらに、サプライチェーンにおけるエネルギー安全保障の懸念と地政学的な考慮事項は、国が代替の電池化学を探求するよう促している。
ナトリウム･イオン電池は、最も研究されている電池化学貯蔵システムの1つであり、一般に、二次電池ニーズに対するより安価で持続可能な代替品と考えられている。リチウム・イオン電池と同様に、ナトリウム･イオン電池は操作を可能にする3つの主要なコンポーネント、カソード、アノード、およびNa+導入電解質で構成されている。広く分布した豊富に天然資源(それぞれ6番目に豊富な元素、それぞれ2.36対-0.0017 wt％、NaとLiの0．0017重量％)に加えて、NaはLiと同様の電気化学的特性を示し、後者は、Naよりも0.33 V低い潜在的な0.33 Vを示す。持続可能性によって動機付けられたナトリウム･イオン電池に関する研究は、業界からの注目を集めている。これは、原料Na2CO3がLi2CO3のようなリチウム原材料と比較して、かなり安く、価格の変動を起こしやすいためである。さらに、ナトリウム･イオン電池では、リチウム・イオン電池で使用される銅電流集電体は、全体的なセル・コストとエネルギー密度に役立つより安価で軽いアルミニウム・ホイルに置き換えることができる。さらに、完全に放電された状態でのナトリウム･イオン電池の使用または0 Vでの放電は、リチウム・イオン電池と比較した場合より安全であると見なされる。この安全性の利点は、リチウム・イオン電池(Cu)とは対照的に、ナトリウム･イオン電池(Al)で使用される現在の集電体材料の酸化または溶解がないために発生する。
以下省略。
2 基礎：電解質成分と液体システム
2.1 ナトリウム塩
2.2 有機溶媒
2.3 添加物
3 電解質の溶媒和構造と特性
3.1 従来の「1 M」液体電解質の溶媒和
3.2 ポリマー電解質の溶媒和
3.3 イオン液体の溶媒和
3.4 超濃縮電解質の溶媒和
3.5 局所的な高濃度電解質の溶媒和
4 伝導メカニズム
4.1 メトリックス
4.1.1 さまざまなタイプのイオン輸送
5 セパレーター
6 イオン液体の汎用性：ゲルと複合電解質に向けて
7 ポリマー電解質：現在の課題
7.1 真に(乾燥した)固体ポリマー電解質
7.2 ハイブリッド・ポリマーベースの電解質
8 単一イオン導体
8.1 無機単一イオン導体
8.2 ポリマー単一イオン導体
9 一般的な概要と将来の視点
以上の章と節は省略。
10 要約
10年の献身的な努力の後、ナトリウム･イオン電池は商業的実行可能性の観点からリチウム・イオン電池に続いて最も有望な電池技術として浮上している。しかし、アルカリ金属イオンを利用する他の電池に似ているため、ナトリウム･イオン電池の電解質互換性の原理は、まだ完全に理解されていないパズルのままである。この複雑さは、電解質内の多様なコンポーネント間の複雑な相互作用から生じる。固体ナトリウム･イオン電池への電解質の遷移のこの概要では、塩、溶媒、ポリアニオン・マトリックス、および電解質添加物の選択が、ナトリウム･イオン電池の電気化学的挙動を強く支配する方法を強調した。「溶媒和理論」の復活は貴重な洞察を提供するため、ナトリウム･イオン電池のさまざまな電解系に溶媒和構造と固有の特性を調べることに注意を向ける。これらには従来の液体電解質、イオン液体、ポリマー電解質、超濃縮電解質、および局所的な高濃度電解質が含まれる。文学から引き出して、我々は異なるナトリウム・ベースの電解系システム内の溶媒和を掘り下げ、イオン輸送やSEIの形成などの重要な特性への影響を照らす。さらに、輸送特性を描写し、多様なナトリウム・ベースの電池電解質タイプにわたる伝導メカニズムを解明するために重要な基本的な方程式と定義も徹底的に議論されている。特定の焦点は、固体電解質の使用に専念している。可燃性および爆発性の液体電解質の交換をしっかりとしたものに押し込む主な駆動力は、電池の安全性と安定性の予想される改善である。しかし、固体電解質を使用することの主な課題の1つは、電極/電解質界面に効率的な固体と溶解した相互作用を取得することである。イオン液体またはハイブリッド・ポリマー電解質に基づいたシステムの実装により、システムの安全性レベルの増加が保証され、固体/固体界面抵抗性の高さ、その結果、電池性能の低下に関連する問題が減少する。新しい固体ポリマーシステムの設計により、エネルギー密度、サイクル寿命、安全性の観点からナトリウム･イオン電池の性能の改善を保証できる。特にPEOおよび代替ポリマー・マトリックスは、室温で10-4秒/cmを超える導電率値を保証し、適切な製剤工学により、エネルギーと電力密度と点で長いサイクル寿命と比較的優れたメトリックを特徴とするシステムにつながる。良好な電極/電解質界面の取得は、良好な性能を保証するための基本である。電極表面への直接キャストとその場の架橋を含むプロセスにより、電気化学界面の品質を向上させることができる。レビューで分析されたレポートのほとんどは、コインセルなどを使用して、実験室スケール・レベルでセル評価を報告している。科学コミュニティがこれらの電池を数年(および数十年ではなく)で大規模に利用できるようにすることを目指している場合、学界から産業への技術移転の努力と大規模な装置(ポーチセルなど)のシステムの検証は、安定集電体安価な固体および効率的なEESシステムを達成するために極めて重要である。
