ナトリウム・ベースの電池：開発、商品化の道のり、
および新しい出現した化学物質
Sodium-Based Batteries: Development, Commercialization Journey and New Emerging Chemistries
By Poonam Yadav, Vilas Shelke, Apurva Patrike, Manjusha Shelke
Oxford Open Materials Science 2023;3: 2022.12.26
要約
リチウム・イオン電池の開発、商品化、使用は間もなくピークに達する。現時点では、リチウム・イオン電池の流通が限られており、有効なリチウム・リサイクル技術が不足しているため、リチウム原料の供給に将来のリスクが生じている。ナトリウム・ベース電池は、化学的性質や製造技術が類似しているため、リチウム・イオン電池の最良の代替品と考えられている。しかし、ナトリウム・ベース電池技術はエネルギー密度が高くなく、幅広い応用分野のエネルギー要件を満たすほど十分に成熟していない。科学者達はナトリウム・ベース電池の電気化学的性能を高めるために、さまざまなアノード、カソード、電解質の材料と製造技術を最適化している。ナトリウム・ベース電池技術を商品化するためにいくつかの企業が設立された。本レビューは、さまざまなナトリウム・ベース電池科学の開発と企業によるそれらの商業化を要約している。また、ナトリウム・ベース電池の将来の開発と商業化において有望と思われる化学についても説明する。
はじめに
エネルギー需要は急速に増加しており、環境問題、カーボン・ニュートラル社会への要求、資源不足も同様に増加している。揚水力発電は大規模なエネルギー貯蔵にも使用される。リチウム・イオン電池やナトリウム・ベース電池などのエネルギー貯蔵装置は、高いエネルギー密度、サイクル寿命、ここ数年の急速な開発と商業化、住宅、産業、e-モビリティ、電子機器への分野で広く適用されている。世界の。ナトリウム･イオン電池市場規模は2030年までに43億6,800万ドルに達すると予測されている。リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の開発はほぼ同時期に始まったが、リチウム・イオン電池の進歩と商品化は早いペースで行われ、これは1980年代にGoodenoughによる魅力的なカソード化学の発見のお陰であると考えられている。また、ナトリウム電池に適したアノードがなかったため、ナトリウム･イオン電池の開発が遅れた。ナトリウム･イオン電池に対する研究への関心が再び高まり始めたのは、リチウム・イオン電池の原材料流通の制限、サプライチェーンおよび生産ユニットの分断に対する懸念が高まった後である。ナトリウム･イオン電池は持続可能性、費用対効果、ユビキタス性、高レート機能、安全性、Co-Freeカソードの化学的性質、長いサイクル寿命などの優れた特徴を備えている。豊富にあるため、ナトリウム･イオン電池の原材料コストはリチウム・イオン電池の30分の1である。また、電荷貯蔵、電池製造の材料およびプロセス要件が類似しているため、リチウム・イオン電池の付属品または代替品として最適である。さらに、リチウム・イオン電池用に導入された製造プロセスとインフラストラクチャーはナトリウム･イオン電池にも使用できる。硬質炭素アノードの開発に向けたナトリウム・ベース電池に関する有望なレポート、固体電解質界面形成におけるナトリウム補償方法、O3型酸化物カソード、カソードおよび電解質添加剤、フルセルの性能に影響を与えるパラメーターにより、ナトリウム･イオン電池の開発と商品化が加速された。ナトリウム・ベース電池に商品化に向けてフルセル化学とプロトタイプを開発した数社は、Novasis energyies, Faradion, Natron Energy, Rechargion Energy, HiNa, Altris, TIAMAT, AGM, Contemporary Amoerex Technology Co., Ltd.(CALT)などである。ナトリウム・ベース電池は住宅、商業、産業分野で応用されている。エネルギー密度が比較的低いため、電気自動車分野への適用は限定的であると考えられている。しかし、電極材料と電解質の革新により、このギャップはかなり早く埋まりつつある。ナトリウム・ベース電池は、より高い熱安定性と高速充電能力を考慮すると、電気自動車分野でもリチウム・イオン電池の代替品となり得る。Na-S、Na-O2、Na-CO2の代替化学物質は、エネルギー密度が高いため、研究者の注目を集めている。理論上のエネルギー密度1274、1100～1600、および1125 Wh/kgは、それぞれNa-S、Na-O2、Na-CO2の化学反応に関連付けられている。Na-S電池とNa-O2電池については、広範な研究が進められている。CO2の有効利用により、Na-CO2電池への注目がさらに高まる。また、NaとCO2の反応により充電電位が小さくなり、電解液の分解が抑制される。これは往復効率の向上と寿命の延長に役立つ。ナトリウム・ベース電池はいくつかの魅力的な機能にもかかわらず、高い初回サイクル容量損失、不適切な電解質、空気および湿気によるカソードの不安定性など、多くの課題に直面している。合金化アノード、混合金属ベースのカソード、Na補償添加剤、固体電解質などの新たな化学物質は、将来の堅牢なナトリウム・ベース電池技術において有望である。本レビューでは、ナトリウム・ベース電池の材料開発、商品化の過程、および新たな化学反応を要約する。
ナトリウム・ベース電池化学の材料開発の歩み
ナトリウム･イオン電池の主要コンポーネント
ナトリウム・ベース電池の商品化の歩み
商業化されたフルセル技術
硬質炭素ll 酸化物
硬質炭素ll ポリアニオン・カソード
硬質炭素ll プルシアン・ブルー類似物
プルシアン・ブルー類似物ll プルシアン・ブルー類似物
新技術
有機材料ベースのアノード
Na補償添加剤
固体状態ナトリウム・ベース電池
カソード用のカチオンおよびアニオン酸化還元化学
以上の章と節は省略。
結論と将来展望
ナトリウム・ベース電池は、主にその費用対効果と高レート機能により、リチウム・イオン電池の代替として非常に適切な選択となる。硬質炭素アノード、固体電解質界面形成におけるNa補償方法、O3タイプの混合金属酸化物カソード、カソードと電解質の添加物、およびフルセルの性能に影響を与えるパラメーターの進歩と開発により、ナトリウム･イオン電池の開発と商品化が加速される。ナトリウム・ベース電池の商品化に向けたフルセル化学とプロトタイプを開発するために、Novasis energies、Faradion、Natron Energy、Rechargion Energy、HiNa、Altris、TISMAT、AGM、CALTなどのいくつかの企業が設立された。
ナトリウム・ベース電池では、現在、Na-S電池とNa-NiCl2電池が商業的に製造され、深い放電時間と長いサイクル寿命により送電網スケールのエネルギー貯蔵用に供給されている。Na-S、Na-O2、Na-CO2などの高エネルギー密度ナトリウム・ベース電池化学は、研究レベルでより優れた性能を示す。しかし、金属ナトリウムの存在により、商業レベルでの実用化は禁止されている。ナトリウム金属電陽極に焦点を当てた研究は数多くある。それでも、金属ナトリウムから生じる安全性の問題に関して実用レベルに達するには長い道のりを必要とする。それにもかかわらず、ナトリウム･イオン電池のコスト削減、エネルギー密度の向上、および材料の持続可能性に向けた急速な研究開発は、近い将来、送電網スケールの貯蔵および電気モビリティのためのナトリウム･イオン電池の商業化につながるであろう。ナトリウム･イオン電池は本来のより安全な化学的性質により、電荷ゼロの状態で輸送できるため重要な安全性緩和措置と輸送コストが削減される。
