レビュー論文
実用化に向けたナトリウム･イオン電池の安全性
The Safety Aspect of Sodium Ion Batteries for Practical Applications
By Yingshuai Wang, Runqing Ou, Jingjing yang, Yuhang Xin, Preetam Singh, Feng Wu, Yumin Qian, Hongcai Gao
Journal of Energy Chemistry 2024;95: 407-427 2024.08
要約
資源が豊富でコストが低いと言う利点を持つナトリウム･イオン電池は、次世代のエネルギー貯蔵システムの有望な候補として浮上している。しかし、電解質、アノード、カソードに存在する安全性の問題により、電池の火災や爆発に関する事故が頻繁に発生し、高性能なナトリウム･イオン電池の開発を妨げている。そのため安全性の分析と高安全性電池設計は、高度なエネルギー貯蔵システム、の開発の前提条件となっている。特定の問題にのみ焦点を当てた報告されたレビューでは、高安全ナトリウム･イオン電池を構築するための全体的なガイダンスを提供することは困難である。この制限を克服するために、本レビューではナトリウム･イオン電池の主要コンポーネントの観点から初めて最近の研究の進歩をまとめ、さまざまな改良戦略の特徴を評価する。ナトリウム･イオン電池のさまざまなコンポーネント(電解質、カソード、アノードを含む)に関連する安全性の問題の根本原因を整然と分析することにより、各コンポーネントに対応する改良戦略を体系的に議論した。さらに、セキュリティ問題の連鎖反応や、さまざまなニーズに合わせた改良戦略の選択など、いくつかの注目すべき点と視点も提案されている。簡単に言えば、本レビューは、ナトリウム･イオン電池の安定性の問題に対する理解を深め、安全性の高いナトリウム･イオン電池を設計するためのガイダンスをと支援を提供することを目的としている。
はじめに
化石燃料の使用中に生じる汚染を減らし、将来の社会の膨大なエネルギー需要を満たすために、持続可能な再生可能エネルギーと効率的なエネルギー貯蔵システムの開発は、世界中で研究のホットスポットとなっている。エネルギー貯蔵システムの中でも、リチウム・イオン電池は優れた電気化学的性能を示し、携帯型電子器機や電気自動車に広く採用されている。しかし、リチウム資源の消費地域と供給地域がまったく異なるため、リチウム・イオン電池のコストが制御不能に増加し、サプライチェーンに深刻なリスクが生じている。さらに火災や爆発などの安全事故が頻繁に発生していることも、リチウム・イオン電池の安全性に対する懸念を引き起こしている。
長年にわたり、低コストで安全性の高い新しいエネルギー貯蔵システムの開発に対する実用的な需要がナトリウム･イオン電池の開発を推進してきた。リチウム・イオン電池と比較して、ナトリウム･イオン電池は、豊富な原材料、低コスト、優れた低温性能など、多くの利点がある。特に、多くの研究により、ナトリウム･イオン電池は安全性の高いエネルギー貯蔵システムを構築する上で非常に高い可能性を秘めていることが証明されている。ことが証明されている。Passeriniらは、ナトリウム･イオン電池の重要な原材料である純粋なナトリウム塩は、同様のリチウム塩と比較して熱安定性が優れており、ナトリウム･イオン電池に高い安全性を与えることを発見した。Maのグループは、加速熱量測定によりナトリウム･イオン電池の熱暴走挙動を調査し、NaxNi1/3Fe1/3Mn1/3O2カソードを使用したナトリウム･イオン電池は、熱暴走中に最高温度312.24℃に達する可能性があることを発見した。これはリチウム・イオン電池よりも低い温度である。さらに、ナトリウム･イオン電池のセパレーターはリチウム・デンドライトに比べて機械的強度が低いナトリウム・デンドライトの浸透を受けにくいため、短絡のリスクが低くなる。しかし、これはナトリウム･イオン電池は安全性に関する懸念を無視できることを意味するものではない。リチウム・イオン電池と同様に、ナトリウム･イオン電池で最も広く使用されている電解質は有機電解質である。有機液体電解質の可燃性、高い電気化学反応性、腐食性はナトリウム･イオン電池に重大な安全上の危険をもたらす。さらに、ナトリウム･イオンの半径はリチウム・イオンの半径よりも大きいため、Naの挿入/抽出中にカソードでより大きな体積変化と構造崩壊が発生する。
これまで、高安全ナトリウム･イオン電池を構築するために、電解質、アノード、カソードの観点から多くの戦略が開発されてきた。高安全電解質を設計するための戦略には、有機液体電解質の改質、固体電解質、水性電解質が含まれる。有機電解質の改質は、電解質の固有の安定性を改善し、ナトリウム・デンドライト、固体電解質界面の分解、副反応などの安全上の問題を軽減できる。有機電解質を固体電解質と極めて可燃性の低い水性電解質に置き換えることで、ナトリウム･イオン電池の燃焼と爆発のリスクが大幅に軽減される。さらに、人工固体電解質界面、アノード・バルク改質、カソード・バルク設計など、アノードとカソードから始まる戦略もナトリウム･イオン電池は安全性を高めることができる。純粋なアノード表面に人工保護層を構築することにより、人工固体電解質界面はナトリウム･イオン電池のアノード安定性と全体的な安全性を効果的に向上させることができる。低コストのアノード・バルク改質は、アノード表面の構造と化学反応を効果的に抑制できる。カソード・バルク設計は、カソードの固有安定性を高めることにより、カソードの熱分解と機械的構造の損傷を抑制し、優れた電気化学性能を備えた高安全ナトリウム･イオン電池を構築できる。しかし、現在のレビュー論文のほとんどは、デンドライトによって引き起こされる熱暴走や短絡などの特定の問題と対応する改善戦略に焦点を当てているため、ナトリウム･イオン電池全体の安全性を高かめるためのガイダンスを提供することが困難である。
全面的な安全性向上のギャップを埋めるため、本レビューでは、図1(省略)に示すように、電解質、アノード、カソードの3つの観点から高度な改良戦略を包括的にレビューする。ナトリウム･イオン電池の故障は連鎖反応によって引き起こされるため、最初に各コンポーネントに関連する電池の安全性の問題の原因と対応する影響の詳細なプロファイリングを示す。次に、促進メカニズムの明確化や機能とパフォーマンスの評価など、さまざまなコンポーネントに応じた特定のセキュリティ問題をターゲットとしたさまざまな改善戦略を分析および比較する。特に、最後に高安全ナトリウム･イオン電池の設計に関する概要とガイダンスを提案し、ナトリウム･イオン電池の安全性の問題に対する研究者の理解を深め、高安全ナトリウム･イオン電池の開発を促進することを目的としている。
セクションの抜粋
ナトリウム･イオン電池の安全性の問題
ナトリウム･イオン電池は主に、電解質、アノード、カソードの3つの部分で構成されている。一般にこれらの主要コンポーネントの異なる固有の特性と特定の使用環境は、ナトリウム･イオン電池のさらなる応用を妨げる可能性のあるさまざまな安全性の問題をもたらす。例えば、可燃性、高い電気化学反応性、腐食性などの電解質の固有の不安定性は、電解質に重大な安全性の懸念をもたらす。アノードの安全性は、電解質によって深刻に脅かされている…
電解質
ナトリウム･イオン電池の重要な構成要素である電解質は、ナトリウム･イオン電池の安全性を決定する上で重要な役割を果たしている。電解質の改質に基づく安全戦略は、電解質の固有の安全性の問題を同時に解決し、アノードとカソードの安全性を向上させることができる。現在、有機液体電解質の改質、固体電解質、水性電解質に基づく高安全電解質の設計戦略がいくつかある…
結論と展望
本レビューでは、まずナトリウム･イオン電池の安全性の問題をまとめ、これらのセキュリティ問題の根本原因を明らかにする。次に、安全性の問題の根本原因から始めて、ナトリウム･イオン電池の主要コンポーネントに基づいた多数の修正方法を提案し、その根本的な改善メカニズムを説明する。さらに、さまざまな改善戦略を体系的に比較および分析し、利点と欠点、および将来の開発方向も示す。
