レビュー論文
ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用の
バイオマス由来炭素材料の最近の進歩
Recent Advances in Biomass-Derived Carbon Materials
for Sodium-Ion Energy Storage Devices
By Mengdan Yan, Yuchen Qin, Lixia Wang, Meirong Song, Dandan Han, Qiu Jin,
Shiju Zhao, Miaomiao Zhao, Zhou Li, Xinyang Wang, Lei Meng and Xiaopeng Wang
Nanomaterials 2022;12:930 2022.03.11
要約
現在普及しているLi-ion技術と比較して、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置は豊富な量と低コストのナトリウム源の利点により、配電網スケールで非常に重要な役割を果たす。ナトリウム･イオン電池とナトリウム･イオン・コンデンサーの重要な構成要素の1つとして、バイオマス由来の炭素をベースにした電極材料は、その優れた性能、固有の構造上の利点、費用対効果、再生可能性により、過去数年間で大きな注目を集めている。ここでは、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵に使用される様々なバイオマス由来の炭素(例えば、ナトリウム･イオン貯蔵原理、生体微細構造の分類)に関する最近の進歩の体系的な要約が提示される。ナトリウム･イオン貯蔵を改善するためのバイオマス由来の炭素の構造と組成に関する現在の研究が強調される。これに関連する見通しと課題についても説明する。本レビューはナトリウム･イオン貯蔵材料としてのバイオマス由来の炭素の最近の進歩と設計原理の包括的な説明を提示し、バイオマス由来炭素の将来の合理的な調整におけるガイダンスを提供することを試みる。
１．はじめに
近年、従来の化石エネルギーに代わる、風力、太陽光、波などの再生可能でクリーンなエネルギー資源に対する需要の高まりにより、費用効果が高く、高性能で、大規模なエネルギー貯蔵システムの開発が必要になっている。高エネルギー密度の利点を備えたリチウム・イオン電池は、エネルギー貯蔵システムの分野で広く使用されている。
しかし、世界のリチウム資源は限られており、不均一に分布しているため、リチウム・イオン電池のコストはまもなく劇的に増加する。そのため、自然に豊富な原料を使用した低コストのエネルギー貯蔵システムが大きな注目を集めている。ナトリウム･イオン電池やナトリウム･イオン・コンデンサーなどのナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置は、前駆体が全体的に豊富で、サイクルの安定性と電力密度が高いため、リチウム・イオン電池の代替として認識されている。
ナトリウム資源は、埋蔵量が豊富で(地球の地殻の2.74％)、金属元素の中で4番目にランクされ、地理的に均一に分布しており、リチウムよりも明らかに低コストである。同じ主要グループに属する、同様の物理的および化学的特性を持っている。したがって、ナトリウムは、電気化学エネルギー貯蔵システム、特に配電網貯蔵におけるリチウムの潜在的な代替品としてますます注目を集めている。リチウム・イオン電池およびリチウム・イオン・コンデンサーに関する多くの基本的な理解は、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の研究に多くの経験を提供する。ナトリウムとリチウムは化学的に類似しているが、それでもいくつかの違いがある。例えば、Na+イオンはLi+イオンよりも大きくて重いため、(イオン半径1.02Å対0.76Å、重量23 g/mol対7 g/mol)、ほとんどのホスト材料で拡散速度が悪くなり、重量／体積容量が低下する。Na+/Naのレドックス電位はLi+/Liのレドックス電位より0.3 V高く、動作電圧とエネルギー密度が低下した。したがって、適切な動作電圧とナトリウム貯蔵性能を備えた有望な電極材料は、損失を補うための潜在的な解決策の1つになり得る。以前の研究では、陽極材料の探索において大きな進歩が見られた。陰極でのボトルネックの問題はあるが、多種多様な陽極材料(例えば、酸化物やポリアニオン化合物)はナトリウム･イオンを効果的に貯蔵できる。ナトリウム･イオン貯蔵に使用される現在の陰極材料には、主に合金、金属酸化物／硫化物、有機化合物、チタン・ベースの材料、および炭素質材料が含まれる。多くの陰極材料の中で、炭素ベースの材料は、より高い容量、より低い平均ナトリウム貯蔵ポテンシャル、良好な導電性、無毒、および低価格などの複数の利点を提供し、したがって、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の競争力のある候補として認識されている。
リチウム・イオン貯蔵とは異なり、グラファイトはグラフェン層でナトリウム･イオンをホストするのに不利である。ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の潜在的な陰極材料として使用できる軟質炭素や硬質炭素を含む様々なタイプのアモルファス炭素が検討されてきた。0.36～0.4 nmの大きな層間間隔を持つアモルファス炭素は、適切なNaホスティングになる。しかし、軟質炭素は一般に初期クーロン効率が低く、特定の容量を示す。硬質炭素には、ランダムに積み重ねられたグラファイト層と曲がりくねった構造が含まれているため、高い可逆容量と優れた運動性能を発揮する。バイオマスの再生可能性、低コスト、多様な固有構造により、アモルファス炭素を製造するための前駆体としての使用により、コストを削減し、電気化学的性能を向上させることが、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置分野での実用化の要件を満たすための重要な研究の方向性となっている。
バイオマスとは､植物、微生物、動物など、高温で熱分解されてバイオマス由来の炭素材料となる､広く分布して生きている有機材料を指す。バイオマスを合理的に活用することで、「廃棄物を宝に変える」ことが実現する。最も重要なことは、バイオマスには独自の微細構造と組成があり、得られたバイオマス由来の炭素は通常、熱分解後も構造と組成の多様性を保持している(図１[省略])。バイオマス由来の異なる構造(例えば、硬質炭素、軟質炭素、およびハイブリッド炭素)、異なる組成(例えば、Nドープ炭素および他の原子ドープ炭素)、および異なる形態(例えば、1D、2Dおよび3D階層構造)炭素はナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置での電気化学的性能に大きく影響する。表１(省略)はナトリウム･イオン貯蔵の分野における様々なタイプの炭素材料の応用可能性を示している。炭素質材料の様々な形態、構造、および電気化学的性能が比較されている。ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の電気化学的性能に対する様々なタイプのバイオマス・ベースの炭素材料の影響をさらに体系的に要約する必要がある。バイオマス由来の炭素とその貯蔵メカニズムの理解をレビューして、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の効果的な電極材料の合理的な設計を導くことが出来る。
２．ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用炭素質材料のナトリウム･イオン貯蔵メカニズム
2.1. ナトリウム･イオン電池の構成とメカニズム
2.2. ナトリウム･イオン・コンデンサーの構成とメカニズム
３．ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用のバイオマス由来炭素の多様な形態
3.1. 管状および繊維形状のバイオマス由来炭素
3.2. シート状のバイオマス由来炭素
3.3. バイオマス由来炭素の3D階層構造
４．ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用のバイオマス由来炭素の様々な構造と成分
4.1. 黒鉛化度
4.2. ヘテロ原子ドーピング
4.3. バイオマス由来の炭素および金属化合物のハイブリダイゼーション
以上の章と節は省略。
５．結論、課題、および見通し
固有の構造と化学的利点を備えた様々なバイオマス炭素材料は、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用の電極の設計と準備のための新しい重要な分野を切り開いてきた。その幅広い供給源、非毒性、および化学的安定性により、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵システムにおけるバイオマス炭素材料の応用可能性は、将来の環境ニーズを満たすのに役立つと考えられている。この記事では、様々な構造、形態、化学組成のバイオマス由来炭素材料を使用したナトリウム･イオン電池とナトリウム･イオン・コンデンサーの用途の最新の開発と、電気化学的性能に影響を与える要因について説明する。これはナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用の高度な炭素材料の将来の調整のためのレファレンスを提供する。
バイオマス由来炭素の電極はナトリウム･イオン電池およびナトリウム･イオン・コンデンサーで大きな可能性を秘めているが、商品化して広く使用するには、解決する必要のある問題がいくつかある。１．バイオマス炭素源材料は、地理的条件や環境が多様であるため、高品質で均一な大量生産を実現するために使用することは困難である。２．前駆体の炭素収量が比較的低いため、その工業化が制限されている。この場合、バイオマス由来の工業製品を利用して、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置用の均一な電極材料を合成することができる。これは、実用的な生産のための実行可能な方法の1つになる。３．バイオマス炭素中の不純物は、通常、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の電気化学的性能に悪影響を及ぼす。したがって、リンスと組み合わせた浸出は、バイオマス炭素の不純物を減らすための効果的な戦略である。４．不純物洗浄や真空ろ過などの合成装置や技術の限界により、大規模なバイオマス電極の連続的な準備は依然として注目に値する課題である。したがって、準備のためのスタートアップ技術の開発も重要な課題である。５．さらに困難な側面は、ナトリウム･イオン電池の初期クーロン効率の低さ、ルーチン・サイクルの性能、不適切な電圧プラトー、エネルギー密度の低さなど、電気化学的欠点である。構造／組成エンジニアリング、ドーピング、活物質とのハイブリダイゼーションなどのナノ構造戦略は、ナトリウム･イオン電池およびナトリウム･イオン・コンデンサーの性能を向上させるための最良の選択肢であることが実証されている。Naイオン貯蔵メカニズムをさらに解明し、制御可能な微細構造を備えたバイオマス・ベースの材料をより良く調査することが重要である。最後に、新しいバイオマス材料システムと合成戦略に関する既存の研究は、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵装置の開発のための新しいプラットフォームを提供しており、今後も多くの作業が必要である。
