レビュー論文
ナトリウム･イオン電池の機能性セパレーター材料：大きな課題と業界の展望
Functional Separator Materials of Sodium-Ion Batteries: Grand Challenges and Industry Perspectives
By Zhixin Xue, Dongyang Zhu, Minghui Shan, Hongkang Wang, Jia Zhang,
Guoshi Cui, Zexu Hu, Keith C. Gordon, Guiyin Xu, Meifang Zhu
nanotoday 2024;55: 2024.04.
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ハイライト
● ナトリウム･イオン電池の動作原理について説明する。
● ナトリウム･イオン電池セパレーターの理想的な要件を概説する。
● 市販のセパレーターとその改良品を含む既存のイオン電池セパレーターの概要。
● セパレーターの工業化過程と今後の動向について論じた。
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要約
ナトリウム電池は、リチウム・イオン電池に代わる新世代のエネルギー貯蔵技術である。セパレーターは電池の性能に直接影響を与える重要なコンポーネントの1つである。市販のセパレーターの機械的特性と化学的安定性は優れているが、濡れ性と相溶性の性能がナトリウム･イオン電池システムに使用するには不十分である。本論文では、ナトリウム･イオン電池のセパレーターの動作原理と構造から、セパレーターの最適な性能をまとめる。さらに、ポリオレフィン・セパレーター、セルロース・セパレーター、およびガラス繊維セパレーターについてもレビューおよび説明する。最後にナトリウム電池の工業化過程と今後の動向について概説した。
はじめに
エネルギーは人類社会の成功と発展を支える。太陽光、風力、潮力エネルギーなど、炭素削減要件を満たすことができる将来のエネルギー解決策の重要な機能は、電池によるエネルギーの貯蔵である。リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池は、今後の解決策の一部である。リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池は1970年代後半に登場した。リチウム・イオン電池は電気化学的性能により急速に発展し、現在ではスマートフォン、電気自動車、太陽エネルギー貯蔵、航空宇宙関連製造などの多くのシナリオで使用され、市場シェアを独占している。同様に、リチウム・イオン電池の輸出に占める割合は年々増加している。しかし、この広範な使用によりリチウムが不足し、それに伴うコストの増加が生じている。統計によれば、世界のリチウム資源は南米とオーストラリアに集中しており、50％以上を占めている一方、例えば、中国の埋蔵量は世界のわずか6％に過ぎないリチウムの不足は大規模な応用で制限するであろう。
ナトリウムはリチウムと同様の物理的および化学的特性を持っているが、地球上ではリチウムの440倍多く存在する。ナトリウム資源の広範囲な分布と容易な抽出により、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と比較して大規模な商業化のコストを大幅に低く抑えることができる。近年、中国のエネルギー自動車産業の拡大と市場需要の増加に伴いナトリウム･イオン電池の研究開発は着実に進歩している。ナトリウム･イオン電池は深放電を起こさず、その後の使用に影響を与えることなく陽極を0 Vまで放電できるため、保管および輸送中の電池の安全性が高まる。ナトリウム･イオン電池は、-40℃から80℃までの幅広い温度でも良好な容量保持を維持する。さらに、ナトリウム･イオン電池はわずか15分で80％まで充電できる。理論的には、ナトリウム･イオン電池は低温性能、急速充電性能、安全性能においてリチウム・イオン電池よりも優れているが、ナトリウム･イオン電池には依然として一定の欠点がある。現在、ナトリウム･イオン電池は形状、サイクル安定性の低さ、急速な容量低下の問題を抱えており、その潜在的な用途が制限されている。ナトリウム･イオン電池を改善しよとする場合、リチウム・イオン電池を無差別に模倣するよりも、セパレーターやその他のコンポーネントを再検討する方が効果的な研究戦略である可能性があるようである。
セパレーターは重要な内部コンポーネントの1つであり、電池の界面構造と内部抵抗を決定し、電池容量、サイクル性能、安全性能、その他の特性に直接影響する。現在、リチウム・イオン電池用セパレーターの研究は、市販のポリオレフィン(ポリプロピレン、ポリエチレン)セパレーターの改良や、優れた化学的安定性とサイクル安定性、高い充放電能力を備えたその他の新しいセパレーターに主に焦点を当てている。さらに、市販のポリオレフィン・セパレーター、特にポリプロピレン・ポリエチレン・ポリプロピレン・トリプル・セパレーターがナトリウム･イオン電池で広く使用されている。これらは良好な電気化学的安定性と高い機械的強度を備えているが、高温での安定性が非常に低く、電解質の漏れ性が悪く、細孔サイズが不安定である。本論文では、ナトリウム･イオン電池用のセパレーターに関する研究の進捗状況をレビューする。ナトリウム･イオン電池の原理と構造を紹介し、有機セパレーター、無機セパレーター、複合(有機無機)セパレーターに分類してセパレーターの開発を要約し、工業的に生産されるセパレーターの開発と可能性について議論する。我々は本レビューがナトリウム･イオン電池のセパレーターに関する将来の研究への洞察を提供することを期待している。
セクションの抜粋
ナトリウム･イオン電池の構造と動作原理
ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と同様の構造をしており、主に陽極材料、陰極材料、電解質、セパレーターなどの必須コンポーネントで構成されている。ナトリウム･イオン電池は、陽極と陰極の間でナトリウム･イオンがロッキングチェアのように前後に揺れるため、「ロッキングチェア電池」として知られている。充電プロセス中、ナトリウム･イオンは陽極から脱離し、電解質とセパレーターを通過し、最終的には陰極に埋め込まれる。…
ナトリウム･イオン電池のセパレーター性能
ナトリウム･イオン電池の内部構造の重要な部分であるセパレーターは、陽極と陰極を隔離し、ナトリウム･イオンを自由に移動できるように電解質を蓄えている。セパレーターは、電池の電気化学的性能に大きな影響を与え、電池の電気化学的性能に大きな影響を与え、電池の安全性を決定する。電池開発の初期段階では、研究作業のほとんどは電極材料と電解質に焦点を当てており、セパレーターにはあまり焦点が当てられていなかった。しかし、セパレーター材料…
セパレーターの分類
現在、電池の需要が高いため、さまざまなタイプのセパレーターが市場に登場している。セパレーターは、有機タイプ、無機タイプ、有機無機(またはハイブリッド)タイプに分類できる。市販のセパレーターの大部分はポリマーをベースにしている。ポリオレフィン製セパレーターは、低コスト、強力な機械的特性、および優れた化学的安定性を備えている。しかし、その湿潤性、熱安定性、安全性は依然として不十分である。高い気孔率により、優れた熱安定性と高い…
工業化されたセパレーター
ナトリウム･イオン電池業界では、関与する企業の数が増加している。ナトリウム･イオン電池の工業化では、2022年末までに予備的な産業チェーンが確立され、2023年には大規模用途が開始されると予想されている。しかし、陰極材料と陽極材料の技術的ルートは成熟しているが、セパレーターの開発はまだ初期段階にある。
最近、雲南能力源新材料有限公司は、ベースを備えたナトリウム･イオン電池用の三層構造の開発に成功した。…
結論と展望
新エネルギー市場の急速な拡大とリチウム・イオン電池の高額な費用により、ナトリウム･イオン電池の工業化が加速している。高密度エネルギーと安全性の要件により、ナトリウム･イオン電池の開発には大きな余地がある。現在、ナトリウム･イオン電池用の陽・陰極や電解液は工業化されているが、セパレーターの進歩は依然として遅れている。セパレーターもナトリウム･イオン電池の重要なコンポーネントであり、電池の安全性を決定する。新素材の高度な研究は…
