レビュー論文
ナトリウム･イオン電池の最近の進歩：正極材料
Recent Advances in Sodium-Ion Batteries: Cathode Materials
By Thang Phan Nguyen and Il Tae Kim
Materials 2023;16:1-24 2023.10.26
要約
新興エネルギー貯蔵システムは、再生可能エネルギーの開発とともに大きな注目を集めており、それによって人類のためのクリーン･エネルギー・プラットフォームフを構築している。リチウム・イオン電池はスマートフォン、タブレット、イヤホン、電気自動車などで一般的に使用されている。しかし、リチウムには安全性、費用対効果、環境問題などの制限がある。ナトリウムは、その無限の豊富さ、安全性、低コスト、環境への優しさ、おびリチウムと同様のエネルギー貯蔵挙動により、リチウムの理想的な代替品であると考えられている。リチウム・イオン電池開発の成果を受けて、ナトリウム･イオン電池は商品化に向けて急速に進歩した。カソード、アノード、および電解質のうち、カソードは、安定した高速、高容量のデバイスを実現する上で依然として重要な課題である。本レビューでは、ナトリウム･イオン電池に向けに無機材料、有機金属材料、有機材料を含むカソード材料の開発と最適化における最近の進歩について説明する。さらに、ナトリウム･イオン電池の安定性とパフォーマンスを向上させるための課題と戦略も強調されている。
１．はじめに
電池の発明は、小型電気機器の開発において重要な役割を果たしてきた。特に、リチウム・イオン電池を使用すると、携帯機器は中断がまったくなく、またはほとんど起こらずに継続的に動作することができる。リチウム・イオン電池は現在、スマートフォン、タブレット、ノートブック、自動車などに使用されている。リチウム・イオン電池の重要な成果は、高い比容量(約3860 mAh/g)を備えた蓄電材料におけるリチウム・イオンの挿入および離脱の強力な活動によるものである。しかし、容量の増加にともない、安全性、毒性、費用対効果など、リチウム・イオン電池に関連するさまざまな問題を克服する必要がある。一方、ナトリウムは地球上に豊富に存在し、蓄電装置においてリチウムと同様の特性を持っているため、注目を集めている。ナトリウム･イオン電池を使用すると、リチウムの強力な活性化により危険性が軽減される。さらに、コストと環境の問題も解決できる。リチウム・イオン電池の発展を考慮すると、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池の有望な代替品となっている。リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の動作メカニズムは図１に示すように、電解質によって分離された異なる電位を持つ2つの材料内でのリ
図１層状の陽極とグラファイト陰極を使用したナトリウム･イオン電池の簡単な動作の概略図
チウム・イオンとナトリウム･イオンの貯蔵に基づいている。電解質を介した陰極と陽極でのナトリウム･イオンの挿入と脱離により充電プロセスと放電プロセスにそれぞれ対応して、2つの電極間の電位が低下する。陰極材料は、ナトリウム･イオンと反応する変換反応を受けることもあり、膨張黒鉛(284 mAh/g)、TiO2ベースの陰極(200～300 mAh/g)、硫化アンチモン(Sb2S3)(730 mAh/g)、Sn4P3(>1100 mAh/g)そして理論容量が約2597 mAh/gのリンなど、高容量を可能にする合金状態を形成する。しかし、ナトリウム正極の開発には、不安定で容量が100～200 mAh/gと低いなどの制限が依然として存在する。ナトリウム･イオン電池陽極材料には、さまざまな無機化合物(金属酸化物、リン酸塩、ピロリン酸塩など)および有機材料または有機金属材料が含まれる。ナトリウム･イオン電池に関する成果が報告され、商業化されているが、現在の陽極材料は大幅に改良され、より優れた電気化学的特性を持つように開発されている。
本レビューでは、無機材料、有機材料、有機金属材料を含むナトリウム･イオン電池陽極材料の開発の現状の概要を提供する。これらの材料の開発と最適化における最近の進歩については、広く議論されている。さらに、ナトリウム･イオン電池の安定性と性能の向上に関連する課題と戦略も強調されている。
２．ナトリウム･イオン電池陽極材料のレビュー
2.1.無機化合物
2.1.1. 層状酸化物材料(NaxMO2)
2.1.2. トンネル酸化物
2.1.3. ポリアニオン化合物
2.1.4. ピロリン酸塩
2.1.5. ケイ酸塩
2.2. 有機化合物
2.3. 金属有機化合物：プルシアン・ブルー類似体
以上の章と節は省略。
３．考察
一部省略。
要約すると、本レビューは層状金属酸化物、トンネル金属酸化物。リン酸塩ベースの化合物、有機化合物、プルシアン・ブルー類似体、有機金属化合物などのナトリウム･イオン電池陽極材料の現在の開発を明らかにする。陰イオン/陽イオンのドーピング、組成、欠陥エンジニアリング、ナトリウム･イオン電池陽極の構造設計を含む多くの方法は、リチウム・イオン電池に匹敵する重要な開発を実証している。ただし、プロセスを最適化したり、高容量、高電圧電位、長寿命を備えた陽極材料の構造と設計するために、ナトリウム･イオン電池の開発をさらに調査することができる。
