レビュー論文
より環境に優しいエネルギー貯蔵に向けて：ナトリウム･イオン電池用の3 Dプリントされた陰極材料に関する簡単な洞察
Towards Greener Energy Storage: Brief Insight into 3D Printed Anode Materials for Sodium-Ion Batteries
By K. Karuppasamy, Jining Lin, Dhanasekaran Vikraman, Vishwanath Hiremath,
P. Santhoskumar, Hyun-Seok Kim, Akram Alfantazi, T. Maiyalagan,
Jan G. Korvink, Bharat Shharma
Current Opinion in Electrochemistry 2024;55: 2024.03.14 Available online
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ハイライト
● ナトリウム･イオン電池は、従来のリチウム電池の有望な代替品である。
● ナトリウム貯蔵を改善するための3 Dプリントされた陽極が検討されている。
● ナトリウム･イオン電池電極としてのGO、遷移金属硫化物、炭化物について詳しく説明する。
● 3 Dプリント電極により、ナトリウム･イオン電池の電気化学効率と拡張性が向上する。
● 3 Dプリンティング技術をナトリウム･イオン電池に統合する際の障害と将来の洞察がレビューされる。
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要約
安全性の問題とリチウム金属の入手困難により、高性能電気化学エネルギー貯蔵システムの必要性により、新しい電池技術の研究に対する需要が高まり続けている。この点において、ナトリウム･イオン電池は市販のリチウム・イオン電池の代替品として有力である。しかし、ナトリウム･イオン電池の成長は主に、ナトリウム･イオンの拡散速度の遅さに起因する不十分な電気化学的特性によって妨げられる。このような近道を克服するために、ナトリウム･イオン電池全体の性能を向上させるための3 Dプリント電極の進歩など、革新的な製造戦略や電池技術の開発の採用など、多くの解決策が提案されている。この簡単なレビューでは、ナトリウム貯蔵を改善するために3 Dプリントされた陽極を使用することを明確に目的とした。ナトリウム・イオン電池技術の最近の進歩を調査する。この新しい追加プロセスにより、ナトリウム･イオン電池の効率、電気化学的性能、拡張性が大幅に向上する。
はじめに
最近では、炭素ベースの化石燃料が突然衰弱し、経済や環境災害に悪影響を及ぼすため、世界中で代替の再生可能エネルギー源を開発することが求められている。しかし、リチウムの不足と安全性変形能力懸念は、リチウム・イオン電池の普及にとって大きな課題となっている。一方、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池のような電気化学的特性を備えており、地殻上にナトリウムが大量に存在するため、ナトリウム･イオン電池は潜在的に実現可能な代替手段となる。インターカレーションおよびデインターカレーションのプロセス中、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と同様の基本原理を使用して、陰極と陽極の間でNa+を輸送する。しかし、Na+のサイズが大きいと電気化学効率が低下する。今後は、迅速かつ可逆的なNa+インターカレーション・プロセスのためのチタン酸ナトリウム、硬質炭素、およびそれらの化合物/合金などの電極材料の開発に不可欠である。一方、陽極材料は、ポリアニオン化合物、層状遷移金属酸化物、プルシアン・ブルー類似体などのNa+イオンを収容できる。その結果、潜在的なナトリウム･イオン電池陽極としてNaxMO2タイプの材料を研究することに多大な注意が払われてきた。
積層造形プロセスである3Dプリンティングは、近年最も魅力的で重要なプロセスとして認識されている。改善された3Dプリンティング・プロセスを実現するには、顕著なずり減粘特性を持つコロイド・インク懸濁液を利用する必要がある。現在の研究では、印刷材料の特徴サイズが100μmにほぼ等しい、かみ合った微細構造のリチウム・イオン電池電極構造が示されている。最も研究されている陰極用の3Dプリント電極インクには、酸化グラフェン・ベースの化合物、遷移金属炭化物、金属硫化物などの炭素ベースの材料が含まれている。電池およびさまざまなナノアーキテクチャと組み合わせた3Dプリンティング技術の典型的な図を図1(a)(省略)に示す。その間、対電極はナトリウム金属にぶら下がったままになるため、絶え間なく動作する能力が制限される。リチウム・イオン電池電極とは対照的に、3 D印刷インクを適用して高効率ナトリウム･イオン電池フルセルを構築する研究作業は初期段階にある。
ここでは、ナトリウム貯蔵を強化するために調整された3Dプリント陽極の簡潔な概要を示す。まず、デバイス内の効率的なNa+電荷輸送を促進するために最適化されたいくつかの3Dプリンティング方法を調査する。続いて、ナトリウム･イオン電池の最近の進歩を詳しく調べ、グラフェン、遷移金属炭化物、金属硫化物などのさまざまな二次元材料を使用して3Dプリントされた陰極の設計、合成、および電気化学的性能の包括的な分析を実施する。最後に、主な課題を特定し、3Dプリンティング技術をナトリウム･イオン電池の領域に統合する可能性についての将来を見据えた洞察を提供する。
セクションの抜粋
3Dプリント用材料
さまざまな3 D印刷プロセスにより、ナトリウム･イオン電池電極を形成する特定の特性が得られる。最も研究されている製造プロセスは、直接インク描画、ステレオ・リソグラフィー、選択的レーザー焼結、溶融堆積モデリング、バインダー・ジェッティング、およびインク・ジェット印刷であり、優れた規則正しいパターン、優れた電気化学的性能、および制御可能なナノまたはマイクロアーキテクチャを提供する。各方法には、次のような特定の有益な特徴がある…
結論
本レビューでは、効率的なナトリウム貯蔵のための二次元電極の製造における3Dプリンティング技術の統合について主に説明する。これは、従来の電極製造方法に関連する重要な課題に対処し、電極の形態と性能の制御を強化する。3Dプリンティング技術を使用してナノ構造を正確に設計できることにより、電気化学エネルギー貯蔵装置の最適化に新たな可能性が開かれ、携帯型からさまざまな用途に影響を及ぼす。
