レビュー論文
ナトリウム･イオン電池の負極材料としての硬質炭素の進展
The Progress of Hard Carbon as an Anode Material in Sodium-Ion Batteries
By Suchong Tan, Han Yang, Zhen Zhang, Xiangyu Xu, Yuanyuan Xu,
Jian Zhou, Xinchi Zhou, Zhengdao Pan, Xingyou Rao, Yudong Gu,
Zhoulu Wang, Yutong Wu, Xiang Liu and Yi Zhang
Molecules 2023;28:3134 2023.03.31
要約
高価なリチウム金属と比較すると、地球上の金属ナトリウム資源は豊富で均等に分布している。したがって、低コストのナトリウム･イオン電池がリチウム・イオン電池に取って代わり、大規模な用途で最も可能性の高いエネルギー貯蔵システムになることが期待されている。ナトリウム･イオン電池用の多くのアノード材料の中で、硬質炭素には明らか利点と大きな商業的可能性がある。本総説では、硬質炭素表面の活性点におけるナトリウム･イオンの吸着挙動、黒鉛ラメラへの侵入過程、排出過程におけるナトリウム･イオンの配列を解析する。ナトリウム･イオンの貯蔵メカニズムについて議論し、ナトリウム･イオンの4つの貯蔵メカニズムを要約する。ナトリウム･イオン(硬質炭素中)の貯蔵機構を詳細に分析するだけでなく、ナトリウム･イオンの形態と構造制御、ヘテロ原子ドーピングと電解質最適化の関係、およびナトリウム･イオン電池の硬質炭素アノードの電気化学的性能についてもさらに議論する。硬質炭素アノードを備えたナトリウム･イオン電池は、優れた電気化学的性能を有し、大規模エネルギー貯蔵装置には低コスト化が求められることが期待される。
１．はじめに
リチウム・イオン電池は、電気自動車、携帯電話、ラップトップなどの携帯型電子器機の主要なエネルギー貯蔵システムである。リチウム・イオン電池は現在、最も成熟したエネルギー貯蔵装置であるが、その高コストと安全性の低さは商用用途を停滞させる。研究者達は国内の大規模電力網のエネルギー貯蔵要件を満たすために、リチウム・イオン電池に匹敵する容量と耐用年数を持ち、低コストで安全性能に優れた製品を見つけることに取り組んでいる。長期的な努力の結果、科学者達はついにナトリウム･イオン電池がリチウム・イオン電池の最も有望な代替品であることを発見した。調査の結果、ナトリウム金属の地殻存在量(2.74％)は、資源が豊富で世界中に均等に分布しているリチウム金属(0.0065％)の420倍以上であることが分った。さらに、2つの元素は同じ主要グループであり、同様の物理的および化学的特性と同様の電気化学的挙動を持ち、リチウム・イオン電池に適用される多くの技術はナトリウム･イオン電池にも適用できる。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池の代替品として広く注目を集めている。アノード材料は優れた電気化学的性能を備えたナトリウム･イオン電池を実現する上で重要な役割を果たす。優れた性能と低コストを備えた新しい負極材料の設計により、ナトリウム･イオン電池の商品化を加速できる。硬質炭素材料は数あるナトリウム･イオン電池の負極材料の中でも、高容量、低価格、低動作電圧という優れた特性を持ち、その独特な構造によりナトリウム･イオンの吸着と可逆的な埋没・除去が可能であり、優れたナトリウム･イオン吸収性を示す。貯蔵性能に優れており、商業化される可能性が最も高い負極材料となっている。硬質炭素材料を商品化する場合、低い初回サイクルクーロン効率、ひどいレート性能、サイクル安定性の低さなどの問題にも直面する。硬質炭素アノードのナトリウム貯蔵挙動を深く理解するために、本レビューでは異なる構造の硬質炭素材料におけるナトリウム･イオン貯蔵のメカニズムを詳細に分析し、硬質炭素材料の貯蔵容量を向上させるための形態および構造構築、ヘテロ原子ドーピング、および電解質の最適化を含む3種類の方法を提案している。優れた特性を備えた硬質炭素材料の合成を導き、硬質炭素を負極として使用するナトリウム･イオン電池の国内の大規模送電網への適用をできるだけ早く実現することが期待されている。
２．硬質炭素によるナトリウム貯蔵メカニズム
2.1. 「埋め込み・吸着」モデル
2.2. 「吸着・埋め込み」モデル
2.3. 「吸着・挿入・穴埋め」モデル
2.4. 「吸着・穴充填」モデル
３．硬質炭素の課題と解決策
3.1. 硬質炭素の問題点
3.2. 改善戦略
3.2.1. 形態と構造の制御
3.2.2. ヘテロ原子ドーピング
3.2.3. 電解質の最適化
以上の章と節は省略。
４．要約と展望
硬質炭素はナトリウム･イオン電池の負極材料として、高容量、低コスト、幅広い流通という特徴を有しており、商品価値が高い。ナトリウム･イオン電池の負極材料として硬質炭素を使用することは、大規模エネルギー貯蔵システムへの優れた応用の可能性を秘めている。硬質炭素が製品化されており、低コストと言う利点があるが、容量が低いと言う問題がある。硬質炭素の実用価値を高めるために、次の目標は硬質炭素の能力を高めることである。本稿では先ず、硬質炭素を用いたナトリウム貯蔵の４通常の異なるメカニズム、すなわち、「埋め込み・吸着」、「吸着・埋め込み」、「吸着・挿入・穴埋め」および「吸着・穴充填」レジモデルを紹介した。ナトリウム貯蔵メカニズムの解析に基づいて、硬質炭素材料に関するサイクル性能と最初のサイクルクーロン効率の問題が提起され、これらの問題を解決するために、構造形態制御、ヘテロ原子ドーピング、電解質制御を含む3つの最適化戦略が導入された。硬質炭素アノード材料を分析し、以下にまとめた。
様々な前駆体を使用して硬質炭素材料を合成する場合、ナトリウムを貯蔵する様々な方法があり、低電圧領域でナトリウムを貯蔵するメカニズムについては議論の余地がある。高度な特性評価技術の開発は、プラットフォーム領域におけるナトリウム･イオンの貯蔵メカニズムを解明するために重要であり、ナトリウムの詳細な貯蔵挙動は硬質炭素アノードの設計の指針となる。
表面欠陥の数は、ヘテロ原子ドーピング、電極材料の導電率の変更、グラファイトの層間間隔の拡大によって増やすことができる。これにより、ナトリウム･イオンの吸着能力が向上するが、拡散速度も向上し、最終的にはその容量と速度性能の向上が達成される。硬質炭素の閉じた微細孔の割合を増やしたり、比表面積を小さくしたりするなど、形態を調整すると、ナトリウム･イオンの消費を減らし、SEIフィルムの製造中の容量とICEを向上させることができる。
優れた電解質は、アノード表面に緻密で薄いSEI膜を形成し、ナトリウム･イオンの拡散インピーダンスを低減する。同時に、副反応と電解質の分解を減らす添加剤の導入により、電解質の安定性が向上し、ナトリウム･イオン電池のサイクル安定性とレート性能が向上する。ナトリウム･イオン電池の実用化には、低コストで資源が豊富なバイオマスを原料とした前駆体の開発や、欠陥度が低く比表面積の小さい硬質炭素の合成が期待される。
