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ナトリウム･イオン電池とは何か？定義、構造など

What Is a Sodium-Ion Battery? Definition, Structure, and More

By Luke James

https://www.power-and-beyond.com/        2022.12.19

ナトリウム･イオン電池とは正確には何か、リチウム・イオン電池のような主流の代替品と何が違うのか、そしてそれらはどのような用途を変革するのに役立つか？この潜在的で画期的な電池技術のこの包括的な内訳では、これら全てとそれ以上のことを探求する。

　ナトリウム･イオン電池は豊富なナトリウムの入手可能性とリーズナブルなコストのために、リチウム・イオン電池の実行可能な代替品として現在、進化している。それらはその特性のために有望性が高い。それらはエネルギー密度が高く、不燃性であり、低温でも旨く動作できる。また、他の主流の代替品よりも環境にはるかに優れているが、ナトリウム･イオン電池の性能は耐久性が低いため、これまでのところ制限されている。この記事で検討するように、ナトリウム･イオン電池領域の最初の開発を信じるのであれば、これらはすべてが変わろうとしている可能性がある。

ナトリウム･イオン電池とは何か？

　ナトリウム･イオン電池は何処にでもあるリチウム・イオン電池に匹敵する充電式電池の一種であるが、充電担体としてリチウム・イオンではなくナトリウム･イオンを使用している。ナトリウム･イオン電池の動作原理とセル構造はリチウム・イオン電池と実質的に同じであるが、リチウム化合物の代わりにナトリウム化合物が使用されている。

　ナトリウム･イオン電池は低コスト、高可用性、および環境への影響の低減により、現在のリチウム・イオン電池技術の潜在的な代替品として現在、浮上している。ナトリウム･イオン電池は安価で豊富な材料(リチウムや銅ではなくナトリウムやアルミニウム)を使用しているため、一部の用途では変革をもたらす可能性がある。

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　　　　ナトリウム･イオン電池：定義

　　　　電荷を伝導する電解質の主成分としてナトリウム･イオンを使用する充電式電池の一種。

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ナトリウム･イオン電池の構造と組成

　ナトリウム･イオン電池はアノード、カソード、セパレーター、電解質、および2つの集電体(1つは正、もう1つは負)で構成される。アノードとカソードはナトリウムを貯蔵し、電解質はエネルギーの流れを維持する循環する「血液」として機能する。この電解質は塩を溶媒に溶解することによって形成され、その結果、電荷イオンが電解質によってアノードからカソードに、または双方向の逆にセパレーターを介して運ばれる。

　ナトリウム･イオンの動きはアノード内に自由電子を生成し、これは正の電流コレクターに電荷を生成する。次に、電流は集電体からスマートフォンなどの電池から電力を供給されているデバイスを介して負の集電体に流れる。セパレーターは電池内の電子の流れを遮断する。

　ナトリウム･イオン電池が放電して電流を供給している間、アノードはナトリウム･イオンをカソードに放出し、一方の側からもう一方の側へ電子の流れを生成する。デバイスを接続しようとすると、逆のことが起こる。ナトリウム･イオンはカソードによって放出され、アノードによって受信される。

　ナトリウム･イオン電池は水性電解質と非水性電解質を使用できる。水性電解質を使用する場合、水の電気化学的安定性ウィンドウが限られているため、電圧が低く、エネルギー密度が限られている電池になる。これを回避するために、ジメチルカーボネートやプロピレンカーボネートなどのリチウム・イオン電池に使用されるのと同じ非水性炭酸エステル極性非プロトン性溶媒を使用することができる。現在、最も広く使用されている非水性電解質はヘキサフルオロリン酸ナトリウムを使用している。

ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の違いは何か？

　この記事の冒頭で述べたように、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の間に大きな違いはない。どちらも実質的に同じ方法で構築および実行され、ほとんどの場合、同じ用途で使用できる。ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の最大の違いと利点は、リチウム(20 ppm)と比較して地殻中のナトリウムの自然存在量(23，600 ppm)が高く、リチウムと比較してナトリウムの抽出と精製の全体的なコストが低いことに由来する。さらに、ナトリウム含有金属酸化物およびポリアニオン・カソード材料は、鉄およびチタンなどの天然に豊富な金属から製造することができるため、ナトリウム･イオン電池ははるかに持続可能で手頃な価格になる。

　実際、リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池を綿密に調べると、ナトリウムの使用、したがって正極材料の性質が2つの主な違いであることが確認される。原材料からのカソードの準備コストは、リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の両方の技術でほぼ同じであるため、ナトリウム･イオン電池の主なコスト削減は原材料であるナトリウムとアルミニウムにある。

　ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池技術の主な違いのいくつかの概要は次の通りである。

主なナトリウム･イオン電池用途

　研究によると、ナトリウム･イオン電池をリチウム・イオン電池の代替品に置き換えると、意味ある結果が得られることが示されており、多くの研究がよりクリーンで環境に優しいエネルギーの高まる需要を満たすためにナトリウム･イオン電池の使用を支持している。ナトリウム･イオン電池は、現在リチウム・イオン電池に依存しているほぼすべての用途に電力を供給するために使用できるが、ナトリウム･イオン技術が最大の違いを生む可能性のある用途には、次の物がある。

●  自動車：電気自動車の売上げは今後数年間で急増すると予想されており、ナトリウム･イオン技術は安価で電気自動車にアクセスしやすくなるだけでなく、よりクリーンで軽量で安定性が高いため、明らかに良い選択である。

●  電力網：スマートグリッドは信頼性の高い電力に依存しているため、断続的な電源によって誤作動する可能性がある。ナトリウム･イオン電池は電力網エネルギー貯蔵要件を満たすために太陽光エネルギーと風力エネルギーを最適化するために使用できる。

●  産業用モビリティ：産業用モビリティ：ナトリウム･イオン電池の特性は、一定の準備状態と高いピーク電力で資産使用率を最大化し、運用コストを削減するために使用できることを意味する。

ナトリウム･イオン電池技術の最新研究

　ナトリウム･イオン電池は多くの可能性を秘めているが、これまでのところ商業化を妨げてきたいくつかの制限がある。最大の制限の1つは純粋な耐久性であったが、最近の広く有名な研究は、これがより良い方向に変化する可能性が高いことを意味する。アメリカエネルギー省の太平洋岸北西部国立研究所(PNNL)の研究チームは、寿命を大幅に延したナトリウム･イオン電池を開発した。今年初めにNature Energy誌に掲載されたチームの調査結果は、いつの日か電気自動車に電力を供給し、太陽エネルギーを蓄える可能性のある電池の有望なレシピを提供する。

　彼等の研究では、研究者達は電池の液体コアを構成する成分をシフトし、最終的に以前にナトリウム･イオン技術を悩ませていた性能の問題を防いだ。「ここでは、ナトリウム･イオン電池が長持ちし、環境に優しい電池技術になる可能性のあることを原理的に示した。」と研究チームは6月に述べた。チームが説明するように、エネルギーの流れを維持する電池内部の電気化学的反応は時間の経過と共に遅くなり、電池を再充電できなくなる。現在のナトリウム･イオン技術では、このプロセスはリチウム・イオン技術よりもはるかに速く行われる。

　PNNLチームは、液体溶液とそれを流れる塩の種類を切り替えて、新しい電解質レシピを作成することで、この問題を解決した。これにより、チームは初めて、コインサイズの電池の容量損失を最小限に抑えながら、充電サイクル数を300以上に大幅に延長することができた。

　研究チームは、ナトリウム･イオン電池の現在の電解質レシピは、時間の経過と共に溶解する保護膜をアノード上に作成すると説明している。このフィルムは、電池寿命を維持しながらナトリウム･イオンを通過させることができるため、重要である。これに対し、研究チームの技術はこの保護フィルムを安定化させることで機能し、耐久性の向上に貢献している。

ナトリウム･イオン技術の未来

　ナトリウム･イオン電池技術は、リチウム・イオン電池システムと類似しているため、宇宙の開発が特に急速である最近の膨大な研究活動の恩恵を受けている。近年、硬質炭素が負極材料として適し、大規模な電池エネルギー貯蔵の需要が高まっていることが判明し、ナトリウム･イオン電池技術の実用化に向けた進展が勢いを増している。

　確かに、ナトリウム･イオン電池技術に見られる大きなペースの改善により、この技術は充電式電池分野でリチウム・イオンに対する深刻な挑戦者としてまもなく浮上することが予想される。しかし、これは安価で規模拡大できる大規模な電気エネルギー貯蔵のためにこの技術を商業化するために、ナトリウム･イオン電池技術の開発研究へのさらなる投資によってのみ達成することができる。