論説論文
ナトリウム･イオン電池：材料の発見と理解から電池開発まで
Editorial: Sodium-Ion Batteries: From Materials Discovery and
Understanding to Cell Development
By Ivana Hasa, Nuria Tapia-Ruiz and Montserrat Galceran
Frontiers in Energy Research 2022.11.22
研究課題に関する論説
ナトリウム･イオン電池：材料の発見と理解から電池開発まで
世界的な電池需要の急速な成長により、携帯型電子器機、電動モビリティセクター、固定用途など、様々な市場を満足できる効率的で低コストで持続可能な電池の探求が加速している。いくつかの新しい電池技術は、現在、リチウム・イオン電池が保持している支配的な地位を共有していると考えられている。その中で、ナトリウム･イオン電池は考えられる低コストとより高い持続可能性により、将来の定置型貯蔵用市場を支配し、電化輸送セクターに貢献する可能性がある。
ナトリウム･イオン電池への関心の高まりは、この技術に投資したいくつかの企業の成功によって加速されている。とりわけ、いくつかの先駆的な企業に言及する価値がある：ファラディオン(イギリス)、最近、Indian Relianceに買収され、そして現在、拡大されたナトリウム･イオン電池の開発でAMTEと提携している。Hina battery(中国)は中国科学院と密接に協力し、小型電気自動車および定置型電力貯蔵装置向けのシステムを開発している。フランスのRS2Eネットワーク(フランス)からのスピンアウト企業であるTIAMATは、ポリアニオン・カソード化学を使用して高出力ナトリウム･イオン電池の生産を加速している。そしてNatron Energy(アメリカ)は、カリフォルニア州のスタンフォード大学からのスピンアウト企業であり、プルシアン・ブルー類似物(PBA)を使用した高出力電池を既に商品化している。さらに、2021年9月、中国の世界的なリチウム・イオン電池メーカーであるContemporary Amperex Technology Co. Limited(CALT)は第一世代のナトリウム･イオン電池のリリースを発表した。
過去10年間の大きな成果にもかかわらず、高性能ナトリウム･イオン電池材料の合理的な設計にはいくつかの課題が残っている。取り組むべき科学的課題は化学、材料科学、電池化学、表面科学、および工学のインターフェイスにある。新しい材料設計、劣化メカニズムとその緩和戦略、および電極処理と電池設計に関する研究は、この電池技術の進歩に貢献する科学界の現在の焦点である。
この研究話題は活性および非活性電極成分を含む合成、特性評価(バルクおよび表面)、および電気化学的研究に関するナトリウム･イオン電池材料の最近の進歩を強調するこれまでのところを目的としている。この研究話題の3つの論文は、材料のスケールアップ工程と、水分感受性、遷移金属層状酸化物におけるバインダーの重要性、プルシアン・ブルー類似物カソード構造における空孔の重要な役割などの関連する重要な課題をカバーするカソード成分の成果に焦点を当てている。
Pfiiggerらは球状で緻密でCoを含まない正極活物質NaxMn3/4Ni1/4O2の状態図を包括的に調査した。報告された合成ルートは、NCM材料の高度にスケールアップ可能な製造プロセスと同様に、技術的に関連する粒子仕様を持つ材料を製造した。モデル実験を使用して、結晶構造、粒子表面、および電池化学に対する多湿条件下での保管の影響を調査した。周囲条件で保存された材料は、水和相を示さなかった。Na2CO3が表面に検出されたが、不純物は半電池の電気化学的性能に影響しなかった。Zilinskaiteは、正極材料P3-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2と組み合わせて水溶性バインダーとしてキサンタンガムを使用することを報告した。PVDF含有電極を使用して得られたデータに匹敵する優れた電気化学的結果は、電気化学的性能を損なうことなく、より持続可能で環境に優しい電極製造プロセスを表す水性処理への道を提供した。Ericssonは正極材料の有望な代替クラスを代表するプルシアン・ホワイトカソード材料に関するメスバウアー分光法研究を報告した。実際、プルシアン・ホワイトは、理論容量が比較的高く、合成コストが低いため、非常に魅力的な材料と見なされている。しかし、複雑な組成と構造内の空孔の影響により、電気化学的結果に大きなバラツキが見られた。この研究は、プルシアン・ホワイト・システムの組成を特徴付けるための厳格な方法論を提供し、構造と特性の相関関係をより深く理解することで、材料の最適化を可能にする。
ナトリウム･イオン電池における電解質系と中間相の重要性は、Chenらによって調査された。彼等はナトリウム･イオン電池の寿命に対する水捕捉電解質添加剤の有益な効果を報告した。N,N-ジエチルトリメチルシリルアミンを電解質に添加することにより、より堅牢で抵抗の少ないSEI相が得られ、電池のサイクル寿命が最大化され、500サイクル後に80％の容量保持率が示された。
負極に関しては、硬質炭素材料が最先端のナトリウム･イオン電池技術に最適な負極材料のようである。しかし、現在、大容量の新しいアノード材料を探すために多くの研究が進行中である。この研究課題では、Skurtveitはナトリウム･イオン電池用途向けの転換合金化メカニズムと可逆性の複雑さ、適切なオペランド分析の開発の重要性を強調している。Willowは陽極のないナトリウム･イオン電池構成、高いメッキ効率と剥離効率の重要性、およびナトリウムのデンドライト形成に対する圧力の影響についての洞察を提供したことを報告した。
この研究課題では、バイポーラ・ナトリウム･イオン電池の開発における重要な前進がRudolaらによって報告されている。実際、ナトリウム･イオン電池はバイポーラ電池構成に適しており、結合されたカソード/アノードの電圧に関係なく、高電圧システムを可能にする。著者らはnSmPNaイオン/混合化学バイポーラ電池(n個の電池を直列に、m個の電池を並列に)を単一の密閉電池で製造するスケールアップ可能な方法を報告した。市販のアルカリ・イオン電池と同様の製造方法を用いることで、費用対効果が高く、高電圧のナトリウム･イオン双極電池を実現した。
結論として、リチウム・イオン電池と比較した場合、ナトリウム･イオン電池では非常に有望な結果が非常に短期間で達成された。電池成分の製造/組立ての最適化により、さらなる技術改善が達成されることが想定されているが、材料発見の分野ではまだ努力が必要である。ナトリウム･イオン電池システムを管理するプロセスを理解することで、次世代の環境に優しく、安全で、持続可能で、低コストの将来のエネルギー貯蔵としての地位を固めることができる。
