大規模エネルギー貯蔵用のアルカリ・ベースの
水性ナトリウム･イオン電池
Alkaline-Based Aqueous Sodium-Ion Batteries for Large-Scale Energy Storage
By Han Wu, Junnan Hao, Yunling Jiang, Yiran Jiao, Jiahao Liu, Xin Xu, Kenneth Davey, Chunsheng Wang & Shi-Zhang Qiao
Nature Communications 2024.01.17
要約
水性ナトリウム･イオン電池は大規模エネルギー貯蔵として実用的に有望であるが、エネルギー密度と寿命は水の分解によって制限される。水の安定性を高める現在の方法には、高価なフッ素含有塩を使用して固体電解質界面を形成することや、可燃性の可能性のある共溶媒を電解質に添加して水分活性を低下させることが含まれる。しかし、これらの方法ではコストと安全性のリスクが大幅に増加する。電解質を中性付近からアルカリ性に変化させると、水素の発生が抑制されると同時に、酸素の発生と陽極の溶解が開始される。ここでは、10 Cで13,000サイクルの寿命と、0.5 Cで88.9 Wh/kgの高エネルギー密度を示す。Mnベースのプルシアン・ブルー類似体陽極を備えたアルカリ型水性ナトリウム･イオン電池を紹介する。ニッケル/炭素層は、陽極表面付近にH3O+が豊富な局所環境を誘導し、それによって酸素の発生を抑制する。同時に、Ni原子がその場で陽極に埋め込まれ、電池の耐久性が向上する。
はじめに
大規模エネルギー貯蔵に対する需要の高まりにより、安全性、環境への影響の少なさ、費用対効果を優先した電池の開発が促進されている。水性ナトリウム･イオン電池は、豊富なナトリウム資源と商用産業システムとの互換性により、手頃な価格で持続可能かつ安全な大規模エネルギー貯蔵として実際に有望である。しかし、水の電気化学的安定性範囲は1.23 Vと狭いため、エネルギー密度とサイクル安定性は制限される。さらに、サイクリング中の水の分解による可燃性水素の蓄積により、電池の安全性が損なわれ、水性ナトリウム･イオン電池の開発が制限される。水系電池の性能を向上させる一般的な方法は、高価なフッ素含有塩を使用して固体電解質界面層を形成し、水素発生反応を抑制し、電解質の電気化学窓を拡大することである。しかし、LiF、NaF、Na2CO3などの固体電解質界面成分は溶解度が高いため、耐久性が制限される。さらに、フッ素含有塩は効果であるため、水系電池の費用対効果が著しく損なわれる。別の方法では、電解質の水安定性を向上させるためにポリマーなどの共溶媒を使用する。但し、欠点は、電解液の粘度が大幅に増加するため、商業用途で高負荷の電極と適合させることが実際上困難になる事である。有機共溶媒には可燃性があるため、水性電池の安全性リスクが高まる可能性がある。したがって、費用対効果と安全性を維持しながら水性電池の水の安全性の向上させる代替方法が実用的な関心を集めている。
従来の水性中性電解液と比較して、アルカリ電解液は水のプールベ線図に基づいて陽極上の水素発生反応を熱力学的に抑制する。一方、電解質を中性付近からアルカリ性に変化させると、陽極での酸素発生反応が強化される。電解質中のOH-濃度が高いと、遷移金属ベースの電極とOH-との相互作用により、特にMnベースのプルシアン・ブルー類似体陽極の場合、電極構造の劣化につながるため、陽極の選択が制限される。広く使用されている陽極材料として、プルシアン・ブルー類似体は、非毒性、低コスト、高エネルギー密度という利点を備えた従来の水性電池で報告されている。しかし、Mn2+/Mn3+の酸化還元対と、Fe(CN)63/4-錯体としてアルカリ電解液に溶解するFeの溶解によって引き起こされる強いヤーンテラー効果のため、アルカリ電解液での応用は制限される。その結果、プルシアン・ブルー類似体ベースのアルカリ性水性ナトリウム･イオン電池はまだ開発されていない。
以下省略。
結果
アルカリ性NMF//NTPコイン電池の電気化学的性能
パウチセルの性能と比較
H3O+が豊富な局所環境の起源
Ni-置換
以上の章と節は省略。
考察
近中性電解液をベースとした従来の水性ナトリウム･イオン電池とは異なる新しい水系電池システムは、陰極でのH2発生を抑制するフッ素を含まないアルカリ電解液はと、陽極でのO2発生と電極溶解を防ぐNi/Cコーティングを備えている。このシステムは、Ni/CコーティングによるH3O+リッチな局所環境とその場電極のNi修飾により、アルカリ電解液中で13,000サイクルの長期サイクル安定性と88.9 Wh/kgの高エネルギー密度を達成する。>30 mg/cm2という高い電極負荷で組み立てられたパウチセルは、約30 mg/cm2の容量保持力を維持できる。200サイクル後も100％、切断や水没にもかかわらず優れた安定性を確認。この水性アルカリ電池の設計は、Co/Cに拡張することで普遍的に見え、他のより低い酸化還元電位陰極との組み合わせによる高エネルギー密度の実用的な見通しを示す。重要なのは、この方法を選択した水性電池に柔軟に拡張して、実用化を促進できることである。
