レビュー論文
低温ナトリウム･イオン電池の進歩：課題と戦略
Advances in Sodium-Ion Batteries at Low-Temperature: Challenges and Strategies
By Haoran Bai, Xiaohui Zhu, Huaisheng Ao, Guangyu He, Hai Xiao, Yinjuan Chen
Journal of Energy Chemistry 2024;90: 518-539 2024.03
要約
エネルギー貯蔵の需要が高まり続けるにつれ、極端な環境条件でも動作できる電池に対する要求が高まっている。ナトリウム･イオン電池は、幅広い温度範囲での有望な性能と、地殻中の豊富なナトリウム資源により、非常に有望なエネルギー貯蔵解決策として浮上している。リチウム・イオン電池と比較すると、ナトリウム･イオンはより大きなイオン半径を持っているが、リチウム・イオンよりも脱溶媒和しやすい。さらに、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオンよりもストークス半径が小さいため、電解質中でのナトリウム･イオンの移動度が向上する。それにもかかわらず、ナトリウム･イオン電池は低温では性能が大幅に低下することが実証されており、過酷な気象条件での動作が制限される。ナトリウム･イオン電池への関心が高まっているにもかかわらず、特に低温条件下でのナトリウム･イオン電池のメカニズムに焦点を当てた研究は著しく不足している。本レビューでは、特に低温条件における広い温度スペクトル(-70～100℃)にわたる内部化学プロセスの観点からナトリウム･イオン電池の耐熱性を考慮した最近の研究を調査する。さらに、低温ナトリウム･イオン電池の電気化学的性能の強化は、効果的な電極材料と電解質成分の利用によって達成される反応速度論とサイクル安定性の向上に基づいている。さらに、ナトリウム･イオン電池に関連する安全性の懸念にも対処し、これらの問題を軽減するための効果的な戦略が提案される。最後に、商用ナトリウム･イオン電池の環境フロンティアを拡張するために行なわれた展望を、主に材料の革新、関連する理論メカニズムの開発と研究、および大規模エネルギー貯蔵ナトリウム･イオン電池のためのインテリジェントな安全管理システムの確立の3つの観点から議論する。
はじめに
エネルギー政策の転換とエネルギー貯蔵需要の急速な増加を背景に、この分野で商用化されているリチウム・イオン電池と同様の動作メカニズムを備えたナトリウム･イオン電池は、材料コストが低く、天然資源が豊富で、使用温度範囲が広い(-70～100℃)ため、広く注目を集めている。KやMgイオン電池など、他の多くのLiを超えた技術の進歩にもかかわらず、ナトリウム･イオン電池は最高の性能、費用対効果、および拡張性を提案し、最近では、商業化の段階に近づいている。しかし、太陽エネルギー、風力エネルギー、水力エネルギーなどのクリーン･エネルギーを貯蔵する場合、ピークカットとバレーフィルに使用される貯蔵装置には、より広い温度範囲とが必要である。残念ながら、温度が氷点下の範囲に下がると、誘電率が低下するにつれて電解液の粘度や固体電解質界面膜のインピーダンスが増加し、電極の適合性が低下し、電池のエネルギー密度とサイクル性能が大幅に低下する。
最近、幅広い温度範囲でのサービス性能を備えたナトリウム･イオン電池の研究が盛んになり、特定の温度範囲での動作についてのより深い洞察が得られている。図1(省略)は、カソード、アノードおよび電解質に使用される材料を示し、要約している。ナトリウム･イオン電池の高容量と良好なサイクル特性には、Na+の格子間導入を伴う可逆性の高い陽極材料が必要である。これには、プルシアン・ブルー類似体、ポリアニオン化合物、有機化合物、遷移金属酸化物が含まれ、NASICON(Na超イオン伝導体)タイプが現在まで開発されてきた。さらに、炭素質材料、遷移金属酸化物(または硫化物)、金属間化合物、および有機化合物の利用を通じて、ナトリウム･イオン電池用陰極の開発において大きな進歩が見られた。電解質は、電池内の内部通信に不可欠な媒体として、カソードおよびアノードの電池材料の研究と並行して開発および最適化されている。Huangらは典型的な電解質と、液体と固体の両方の状態とさまざまな成分を含むナトリウム･イオン電池の界面モデルを、対応する特性とナトリウム･イオン輸送機構とともに説明した。図1(d)(省略)に示すように、室温、高温、低温などの特定の温度範囲に合わせたナトリウム･イオン電池に焦点を当てた研究者は、ナトリウム･イオン電池に関する文献の出版と並行して成長してきた。化学や材料科学などの明白な分野に加えて、費用対効果の高いナトリウム･イオン電池の開発と改善には、結晶学、高分子科学、冶金学、冶金工学、さらにはビジネス経済学、そして熱力学などの比較的頻度の低い分野など、多数の研究分野が関係している。しかし、電池システムの複雑さ、充放電プロセス中の固有の非平衡特性、および電池化学の非平衡理論的メカニズムの不完全さのため、イオン拡散動力学および電極表面の非平衡反応動力学に関連する重要な科学的問題に関する報告は限られている。
リチウム・イオン電池と同様に、ナトリウム･イオン電池も同様のメカニズムに従い、イオンが2つの電極間を可逆的に往復し、「ロッキングチェア・メカニズム」を通じて電解質中のイオンを伝導する。通常、電池の充放電プロセスには、動作の安定性、高い反応性、ナトリウム樹枝状結晶の成長、および大幅な体積変化が課題となり、安定した動作に大きな障害となる。金属ナトリウム陰極と可燃性有機溶媒電解質を含む室温ナトリウム･イオン電池には、重大な安全上の問題がある。しかし、不燃性の高度にフッ素化された構造をブリッジ溶媒として導入することで、フッ素化カーボネイト電解質への優れた混和性が可能になった。電気的短絡や電池の故障を引き起こす樹枝状結晶の成長は、主にナトリウム金属陰極の固体電解質界面のサイクル不安定性によるものである。したがって、電解質の場合、人為的なシングル・イベント・ラットアップ・エンジニアリング、集電体の設計などに関する多くの包括的な戦略がある。ナトリウム金属を安定化し、室温での長期動作を可能にするために実装された。しかし、ナトリウム･イオン電池の低温性能については、さらに研究および要約する必要がある。電気自動車、異常気象条件下での大規模エネルギー貯蔵装置、宇宙ミッションなどのさまざまな用途における低温電池動作の重要性を考慮すると、低温におけるナトリウムの挙動を調査することが急務である。
本論文では、低温でナトリウム･イオン電池が直面する問題と課題を要約する。具体的には、ナトリウム･イオン電池の反応速度論、サイクル安定性、および低温での保存性能が分析される。さらに、この総説では、ナトリウム･イオン電池の現在の安全性問題と、低温状態によって引き起こされる反応速度の低下に関連する予防および対応戦略が強調されている。このユニークな視点は、この分野の研究者に低温における高性能ナトリウム･イオン電池の開発を促し、特に低温における大規模エネルギー貯蔵分野におけるナトリウム･イオン電池の応用経路を延長するための「翡翠の誘致」を目的としている。最後になったが、重要なこととして、開発および確立中の関連する理論的メカニズムと、大規模エネルギー貯蔵ナトリウム･イオン電池のためのインテリジェントな安全管理システム開発の両方の緊急性について、材料革新への追加の観点から議論する。
セクションの抜粋
低温環境におけるナトリウム･イオン電池の研究進歩
ナトリウム･イオン電池研究の人気が高まっているにもかかわらず、極端な条件下での広範な商業的および産業的実装を促進するために、低温で必要な電気化学的性能を備えた電池の入手可能性は依然として不十分である。ナトリウム･イオン電池に関連する主な技術的障害には、電気化学サイクルを受ける際の電極材料の不安定性の結果として生じるイオンの拡散と復元の制限、および発生時に生じる制御不能な副作用が含まれる。
低温ナトリウム･イオン電池開発戦略
低温ナトリウム･イオン電池が直面する課題に基づいて、研究者は新しい低温ナトリウム･イオン電池電極材料、電解質材料の開発、および組み立てプロセスの最適化に専念している。したがって、低温ナトリウム･イオン電池開発の主な戦略には以下が含まれるが、これらに限定されない。(1) 電極材料の最適化：1つの効果的な戦略は、新しい添加剤を組み込んだり、その形態を変更したり、革新的な合成プロセスを開発したりすることによって電極材料を最適化することである。
概要と展望
全体として、ナトリウム･イオン電池は過去10年間で急速に進歩した。リチウム資源が不足している状況において、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資源面で大きな利点があり、その戦略的重要性は、コスト効率の高い電池システムの継続的な研究開発によって強調されている。特に、他の二次電池では到達することが難しい大規模エネルギー貯蔵である低温の分野で。
本論文では、低温ナトリウム･イオン電池が直面している問題と障害について概説する。具体的には…
