高性能ナトリウム･イオン電池を強化するための電極材料の構造工学

レビュー論文

高性能ナトリウム･イオン電池を強化するための

電極材料の構造工学

Structural Engineering of Electrode Materials to Boost High-Performance Sodium-Ion Batteries

By Qiannan Liu, Zhe Hu, Chao Zou, Huile Jin, Shun Wang, Lin Li

Cell Reports Physical Science 2021;2:　　　2021.09.22

要約

　ナトリウム･イオン電池は持続可能なクリーンな社会のための新しいエネルギー貯蔵および変換装置である。ナトリウム･イオン電池の性能は電極材料の構造工学によって合理的に向上させる事ができる。ここでは典型的な電極材料の様々な構造工学戦略が明確に分類され、紹介されている。様々な種類の電極材料について構造設計および／または変更に重点が置かれ、どちらも詳細に示されている。効果的な戦略の役割と体系的に要約され、最後に見通しが立てられている。他の金属イオン電池に拡張できるナトリウム･イオン電池の様々な電極材料の構造設計と変更について、全体像と洞察を提供することが期待されている。

はじめに

　増え続けるエネルギーの枯渇と需要により、持続可能なクリーンなエネルギー源のためのエネルギー貯蔵装置の開発が必要になっている。リチウム・イオン電池陽極に授与される2019年のノーベル賞は充電式電池の人命への貢献が認められたものである。ナトリウム･イオン電池は低コスト、豊富な資源、高い安全性と言う利点を備えているため、リチウム・イオン電池のリチウム資源の枯渇を軽減するための補足または代替装置として注目を集めている。しかし、リチウムよりもナトリウムの重量は重く、半径は大きいため、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エネルギー密度が低くなる。リチウム・イオン電池はインテリジェント電子装置の市場を支配しているが、ナトリウム･イオン電池はスマートグリッドや大規模エネルギー貯蔵システムにより適しており、実用的な低速電気自動車や発電所に適用される。しかし、ナトリウム･イオン電池の一般的なエネルギー密度とサイクル寿命は不十分であり、最終的な商業化のために改善が必要である。

　電極は主に材料がナトリウム･イオン電池の性能を支配する。表面積の大きいナノスケール材料は電極材料として適用した場合、バルクの対応物と比較して改善された性能を示す。しかし、ナノスケールのサイズは非常に活性な表面と電解質消費の増加により、セル・レベルでの電気化学的性能を低下させ、望ましくない電極－電解質界面を形成する。この点で、電極材料の特性と性能を効果的に調整できる構造工学は材料に望ましい特性を与えることにより、この課題を克服するのに役立つ。中空構造や多孔質構造など、様々なナノ次元構造と独自の構造を持つ電極材料はナトリウム･イオン電池に満足のいく性能を提供するように意図的に設計されている。続いて誘電層コーティングや表面エッチングなどの変更戦略を実施して、様々な電極材料の明確な欠点に対処し、電気化学的性能を向上させる。電極材料の分類および／または変更戦略について話している幾つかのレビューが報告されており、陽極および／または陰極材料の構造設計または変更戦略に焦点が当てられている。しかし、包括的な要約は依然として非常に重要である。

　本レビューでは典型的な電極材料の様々な構造工学戦略が明確に分類され、概要が示されている。様々な種類の電極材料について詳細に紹介されている構造設計や変更など、様々な技術戦略に重点が置かれている。効果的な戦略の役割と効果は体系的に要約され、最後に見通しが立てられている。本レビューは他の金属イオン電池に拡張できるナトリウム･イオン電池の様々な電極材料の構造設計と変更に関する全体像と洞察を提供することが期待されている。

構造技術：概要

構造設計

構造修正

炭素ベースの材料

金属

リン

金属リン化物

金属酸化物

金属硫化物

金属セレン化物

有機化合物

陰極材料の構造技術

ナトリウム遷移金属酸化物

プルシアン・ブルー類似物

ポリアニオン性化合物

有機化合物

硫黄

電解質

以上の章・節は省略。

要約と展望

　ナトリウム･イオン電池はクリーンなエネルギー貯蔵および変換装置として一部の用途でリチウム・イオン電池を補完し、さらにはリチウム・イオン電池の代わりになることを約束しているが、速度が遅く寿命が不十分であると言う問題がある。電池の容量とサイクル安定性は固有の特性によって制御されるだけでなく、電極材料の構造に大きく影響される。リチウム・イオン電池の電極材料の構造工学に関する膨大な先駆的な研究はナトリウム･イオン電池用に参照および実行することができる。初期の材料設計とその後の変更を含む構造工学は役割と効果が図12A(省略)に要約されているように、ナトリウム･イオン電池の陰極と陽極の両方に強化された物理化学的および電気化学的特性と性能を提供でき、他の金属イオン電池まで拡張できる。これらの戦略の中で特に炭素材料を使用した材料の配合、および誘電層または保護層によるコーティングが最も頻繁に適用されるアプローチである。しかし、これらの成分を活性材料に組み込むと電池のエネルギー密度がある程度低下する。薄くて均一な層を検討する必要がある。陽極材料の場合、通常、特定の容量は問題にならない。特別な構造(多孔質、中空、コアシェル、階層など)の設計に注意を払い、サイクリングの安定性と十分な速度性能機能を確保する。そのことは次のステップの変更によって強化できる。構造の変更(コーティング、ドーピング、エッチング、不動態化など)は陰極強化のためにより多くの注意が払われている。例えば、図12B(省略)に示すように様々な陰極材料に対して様々なコーティング材料が選択されている。前の例で示したように相乗効果を高めるために混合戦略を実行することもできる。これらの構造工学戦術を実行することにより、大きな表面積、機械的安定性の向上、構造的安定性と空気安定性の向上、伝達速度の向上、電子伝導性とイオン伝導性の向上など多くの利点を実現できる。さらに、電解質の分解、体積変化、不安定なSEI/CEI(固体電解質界面／CEI)の形成、相転移および電池サイクル中の副反応を軽減できる。大容量で寿命サイクルの長いナトリウム･イオン電池用の適格な電極材料が期待できる。

　さらに、機能性電解質(塩、溶媒、添加剤、および濃縮)、バインダー(組成)、集電体(組成、厚さ、および構造、セパレーター(厚さおよび多孔性)とそれらの互換性、合理的な電池構造および組み立て手順はナトリウム･イオン電池システム全体で同時に検討する必要がある。一方、これらの技術戦略の幾つかの根底にある機構と電極材料のナトリウム貯蔵挙動は不明のままであり、より詳細で体系的な調整が必要である。これを飽きたかにするには高度なin situ/オペラント特性評価と理論的シミュレーションおよび予測が非常に重要であり、強力なツールになる可能性がある。最終的な実用化のためには大量生産の実現可能性、価格／性能比、リサイクル戦略、さらには電極材料の保管と輸送のコストさえも考慮する必要がある。改造処理は間違いなくある程度のコストを増加させる。電池のエネルギー密度、サイクル寿命、安全性、環境への配慮、スケールアップの可能性、およびコスト効率のバランスを取ることが重要である。高性能で費用効果が高く、市販されている資料に焦点を当てる特別な努力が奨励されている。これには学術界と産業界との間の緊密な協力が必要である。近い将来、世界中の共同の取り組みによりナトリウム･イオン電池の商業化がようやく実現することが期待できる。