レビュー論文
リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池用バイオマス由来炭素材料の最近の進展－レビュー
Recent Progress in Biomass-Derived Carbon Materials for Li-Ion and Na-Ion Batteries – A Review
By Palanivel Molaiyan, Glaydson Simões Dos Reia, Diwakar Karuppiah M. Subramaniyam, Flaviano García-Alvarado and Ulla Lassi
Batteries 2023;9:116 2023.02.07
要約
電池は固定オググリット、携帯型電子器機、およびプラグイン電気自動車用途の持続可能なエネルギー移行のバックボーンである。リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池はどちらも、最も一般的には炭素ベースのアノード材料に依存しており、通常、化石鉱床などの再生不可能な供給源に由来する。バイオマス由来の炭素材料は、リチウム・イオンおよびナトリウム･イオン電池の効率的で持続可能なアノード候補として広く研究されている。この視点の主な目的は、バイオマス由来の炭素物理化学的構造およびそれらの整列した電気化学的特性に付属するリチウム・イオンおよびナトリウム･イオン電池用の炭素アノードを調整するためのバイオマス残留物の使用について簡単に説明することである。さらに、この有望な研究分野で直面する展望といくつかの課題が提示されている。このレビューは、リチウム・イオンおよびナトリウム･イオン電池のアノード候補としてのバイオマス由来炭素材料の調製、物理化学的特性、および応用において直面する課題と問題に関する貴重な洞察と合理的な理解を読者に提供する。
1．はじめに
地球の人口が80億人に増加するにつれて、エネルギー需要は驚くべき速度で増加している。世界的な天然資源の枯渇と環境危機は、これらの天然資源が断続的であるため、電池などの低コストの再生可能で持続可能な高エネルギーおよび電力密度のエネルギー貯蔵システムの開発を選択する。リチウム・イオン電池はその高いエネルギー密度と出力、優れた安全性、および長いサイクル寿命により、携帯電子器機の世界に革命をもたらす最も使用されている技術であり、現在、プラグイン電気自動車の開発が追求されている。例えば、世界の送電網電気エネルギー貯蔵市場は、2030年までに23％以上の年間成長率が予想されている。しかし、リチウムは地殻の非常に限られた資源であり、0.0017 wt.％しか含まれておらず、その採掘鉱床はわずかに0.0017％である。政治的に不安定な国に位置しているため、「ホワイトゴールド」として鋳造するには非常に費用がかかる。
したがって、風力エネルギー貯蔵などの固定用途のために、リチウム・イオン電池に代わる最も適した電池技術であると考えられているナトリウム･イオン電池などの地球上に豊富で持続可能な要素を備えたエネルギー貯蔵装置の開発に焦点が当てられている。ナトリウムはリチウムよりも安価で豊富であり、地球地殻中の総ナトリウム濃度の推定2.8w.％である。さらに、NaとLiは類似の物理的および化学的性質を持っているが、標準電極電位のためにエネルギー密度が異なる：-2.71 V対SHE(Na+/Na)および-3.04 V対SHE(Li+/Li)および異なる原子半径。しかし、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と比較して発電速度が遅く、エネルギー／電力密度が低いため、携帯型装置や電気自動車での大量の使用が遅くなる。しかし、ナトリウム･イオン電池はエネルギー密度と電池サイズが重要な要素ではない大規模な固定貯蔵用途(送電網電気エネルギー貯蔵など)に使用できる。
効率的な電池技術(ナトリウム･イオン電池またはリチウム・イオン電池)の重要なパラメーターの1つは、持続可能で大容量のアノード材料の適切な開発である。今日、グラファイトは」リチウム・イオン電池の最も一般的なアノード材料である。カーボン・ナノチューブとグラフェンも重要なアノード材料として登場する。しかし、これらのタイプの炭素材料は、高い製造コスト、非常に複雑な大規模製造、および／または持続不可能なルート/プロセスなどの深刻な欠点に直面している。そして持続可能でスケーラブルな合成・製造プロセスを備えた、環境に優しい安価な炭素系機能性材料の開発が強く求められている。この声明を考慮すると、バイオマス資源からの炭素アノード材料は、その容易な処理と取り扱い、非毒性、およびバイオマス資源の世界的な利用可能性と豊富さのために大きな関心を集めている。また、バイオマス炭素材料は、その優れたサイクル安定性とレート性能により、電池技術に採用される段層的に多孔質構造に容易に変換できる。図1(省略)は2012年から2022年にかけて、文献で報告されているリチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池の用途に関連するバイオマス・アノードが指数関数的に増加していることを示している。
科学協会は、過去19年間で科学出版物を21倍に増やすことで、持続可能なバイオ・ベースの蓄電装置の要求に応えてきた。今日まで、電池用途のバイオマス由来の炭素アノードを扱った研究が数多く行われている。電池にバイオマスの炭素アノードを使用することのいくつかの主な利点は、(i) イオン・インターカレーション/デインターカレーション・プロセス中に優れた物理的機械的安定性を提供する大きな層間スペースなどのいくつかの主な特性に単純化できる。(ii) 電荷移動を促進する異なる大量の表面機能性；(iii) 高い比表面積、異なるナノサイズのよく発達した細孔構造、および優れた熱安定性、高速物質輸送、(iV) バイオベースの炭素の表面および構造は、その化学構造および表面機能の観点から、例えば、ヘテロ原子ドーピング(窒素、酸素、硫黄など)によって容易に変更/調整することができ、電気化学的性能(例えば、寿命、容量および安全性)を高めることができる。(v) 幅広い可用性/アクセス可能性により、単純な合成方法による様々な種類のバイオマス炭素および複合材料を使用した複数の炭素アノードの開発が容易になる。
リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池に適した高性能アノード材料を得るには、気孔率と細孔構造、層間間隔、構造欠陥、数とタイプの機能など、関連するバイオマス－炭素アノード材料特性を調整する必要がある。バイオマス由来の炭素アノード材料を採用することで、プロセスを大幅に簡素化し、再生可能で環境に優しい原料に切り替えることができる。このレビューでは、リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池の炭素アノードを製造するための持続可能で効率的な前駆体としてのバイオマス残留物の使用に関する様々な戦略を示している。主にバイオマス前駆体の組成と合成法と、バイオマス由来の炭素ナノ構造体の物理化学的性質との関係を、リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池の電気化学的性能にわたって研究している。さらに、このレポートは、様々な種類のバイオマスから新規で製造が容易で低コストのアノード材料を探している科学者にとってさらに興味深いものであり、次世代の持続可能で高エネルギー密度の電池の製造/開発に新しい道を開く。
2．リチウム・イオン電池
3．ナトリウム･イオン電池
4．バイオマス由来炭素材料－リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池の合成と物性
5．リチウム・イオン電池用バイオマス炭素アノード
6．ナトリウム･イオン電池用バイオマス由来炭素陽極
以上の章は省略。
7．結論と展望
より持続可能で環境に優しい電池システムを開発する必要性を考えると、これは電池に必要な材料の入手可能性と持続可能な処理にも依存する。リチウム・イオン電池に置き換えたり、リチウム・イオン電池と競合したりするために、ナトリウム･イオン電池は大規模なエネルギー貯蔵システムにとって最も有望な技術である。高性能リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池用のアノード材料を製造するために多大な努力が払われてきた。したがって、このレビューでは、バイオマス資源を使用して、その構造、熱分解挙動、およびリチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池エネルギー貯蔵用途と制御可能な変換を相関させる炭素アノードを生成した。
バイオマスの天然存在量、持続可能性、再生可能性、形態学的および構造的多様性により、高性能リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池用の高度なアノード材料を製造するための非常に適した候補となっている。リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池にバイオマス炭素アノード材料を採用することで、より環境に優しいエネルギー貯蔵技術の開発を加速できるだけでなく、高エネルギー密度、高安全性、低コストの装置に関する重要な問題に効果的に取り組むことができる。したがって、高性能で完全にバイオマス由来のエネルギー貯蔵装置の設計がかなり必要である。
しかし、すべての利点があるが、次のような課題が残っている：
バイオマスの特性/組成およびバイオマス由来ﾝの炭素材料の特性と、リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池の用途に適した望ましい微細構造との相関に関する知識が不十分である。
高性能アノード材料にとって非常に重篤なパラメーターである。炭素材料の細孔形状と層間炭素間隔の制御と調整に関する知識が不十分である。そのため、化学活性化剤とヘテロ原子ドーパントの使用は適切な戦略であるが、それらの作用カニズムはまだ不明である。
無機多次元炭素をはじめとするバイオマス由来材料は、持続可能な電池システムや部品に貢献することができる。このレビューでは、リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池におけるバイオマス由来材料の製造と応用の包括的な概要も提供する。より効率的かつ経済的な方法で、電池材料はバイオマス由来の材料から入手可能であり得る。アノード材料はこの種の化学物質の顕著な例であり、リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池用途のために多くの研究グループによって調査されている。バイオマス・ベースの材料利用を効率的かつ低コストで最大化するための処理技術のアップグレードにさらに注意を払い、アップスケーリングと産業用途を加速する必要がある。全体として、バイオマス由来の陽極材料は、特に世界中で大きな問題となっているGr抽出から生じる環境への影響を考慮すると、リチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池にとって最も有望である。さらに、最近の電気自動車生産の増加とその結果としてのリチウム・イオン電池およびナトリウム･イオン電池の需要の増加により、業界は持続可能なバイオマス・アノード材料に注意を向けることができる。