科学者達は固体ナトリウム電池から陽極を取り除く
Scientist Remove Anode from a Solid Sodium Battery
from Venus Kohli
https://www.power-and-beyond.com/ 2024.07.16
研究者達は、電気自動車、電力網、そして現代の再生可能エネルギー・ベースの技術を強化するために、陽極のない新しい電池を発明した。この実験の主なハイライトの1つは、リチウム・イオン電池ではなく、ナトリウム電池である。しかも、固体である!
記事を読んで、最新のニュースと、この新しい発明が業界にどのような影響を与えるかを見て下さい。
LESC(エネルギー貯蔵変換研究所)の研究者達は最近、ナトリウム電池からアノードと液体電解質をなくした。発明者は、このデバイスを「ナトリウム」、「固体」、「アノード・フリー」という既存の3つの異なる電池技術と統合として扱っている。
Y. Shirley Meng教授が率いるLESCは、シカゴ大学Pritzker分子工学部とカリフォルニア大学サンディエゴ校Aiiso Yufeng Li Familyナノ工学部の2つの研究機関の共同研究である。
すべての電池は、2つの電極と、電荷が流れる電解液で構成されている。負極「アノード」、正極「カソード」、および両方の電極を外部回路に接続する集電装置がある。この新しい発明では、集電装置がアノードの機能を果たす。
アノードの代わりにアルミニウム・ペレットで作られた集電装置に金属ナトリウムが直接堆積される。この構成により、望ましくない相間層の形成がなくなり、電池の効率と寿命が向上する。簡単に言えば、このような電池は安価で、急速充電と高い蓄電能力を備えている。
この実験では、水素化ホウ素ナトリウムから作られた固体電解質と、低コストの酸化クロム・ナトリウムから作られたカソードを使用する。これらの2つの材料間の強力な固体－固体界面は、安定した可逆サイクルを示している。研究者は市販の解決策への道を開くために、適切な圧力と温度条件を提案している。
アノード・フリーの固体ナトリウム電池：詳細
アノード・フリーのナトリウム･イオン電池は、アノードをなくし、固体電解質を使用することで、従来の電池の限界に対処する。このアプローチは、デンドライト形成などの問題を回避し、高効率で安定したサイクルを可能にする。
従来のナトリウム･イオン電池の限界
可能性にもかかわらず、従来のナトリウム･イオン電池は、安定性と寿命を妨げる材料の限界に悩まされている。
SEIプロセス
不安定なアノード形態は、SEI(固体電解質界面)と呼ばれる不活性化層を形成する。これは、すべての電池で発生する自然なプロセスである。SEI絶縁層は「必要悪」と呼ばれることもあり、有益であると同時に不利なこともある。
SEI層は、充電および放電サイクル中のイオン移動をサポートする。しかし、SEI層は時間の経過と共に不安定になり、セル抵抗が増加する可能性がある。デンドライトと呼ばれる構造を形成し、電池の動作を低下させ、短絡を引き起こす可能性がある。
液体電解質
従来のナトリウム･イオン電池では、充電サイクル中にナトリウム金属が
アノード上に堆積し、放電サイクル中にその表面から剥がれる。
ナトリウムはリチウムよりも反応性の高い物質である。サイクル中に液体電解質と反応する。その結果、デンドライトの形成と界面での化学反応により、液体電解質ではナトリウム金属の堆積が困難になる。
アノード排除
電池からアノードを除去すると、これらの化学プロセスの影響が軽減され、電池のサイズが小さくなる。安定した固体電解質と電流コレクターを組み合わせることで、アノードの動作を置き換えることができる。電解質と電流コレクターの間の強力な固体接触により、ナトリウム金属の効果的な堆積と剥離が可能になる。
アノード・フリー電池では、充電サイクル中に金属ナトリウムを集電体に堆積させ、放電サイクル中に剥ぎ取る必要がある。この集電体に金属ナトリウムを堆積することで、ナトリウムの還元電位が低く保たれ、高いセル電圧と電力密度が維持される。
固体電解質の選択
従来の固体電解質は接触不良と不安定性により性能が制限されるため、水素化ホウ素ナトリウムアルミニウム・ペレットなどのより優れた選択肢の模索が求められている。
従来のナトリウム･イオン電池
当初、ナトリウム･イオン電池は三リン酸ナトリウムで作られた固体電解質とアルミホイルで作られた集電体を使用していた。アルミホイル集電体は、電解質と強力な接触を作ることはできなかった。その結果、この組み合わせは低電圧で電気破壊を起こし、樹枝状結晶を形成する。
アルミニウム・ペレット
この実験では、水素化ホウ素ナトリウムが固体電解質である。アルミニウム・ペレットで作られた集電体を選択すると、固体電解質との強力で均一な接触が生まれる。アルミニウム・ペレットと水素化ホウ素ナトリウムの固体－固体の堅牢なインターフェイスになり、充電プロセス中に電池が高密度の金属ナトリウムを堆積できる。
実験中、アルミニウム・ペレットの集電体は、細孔をなくして強力な接触を作り出すために、冷間プレスされた。放電プロセス中にナトリウム金属が剥がれると、細孔が金属を閉じ込める可能性がある。これは、電池の非効率性と劣化につながる。
スタック圧力
スタック圧力は集電体上に高密度のナトリウム金属を堆積させて電池の電荷貯蔵能力を向上させるもう1つの要因である。固体電池は高いスタック圧力を使用して性能を確保する。しかし、この実験は、温度調整と適切な管理による低圧力が商業的に最適な解決策であることを示している。
可逆サイクル
この実験では、カソードは低コストの酸化クロム・ナトリウムで作られている。充電サイクル中、カソードには入力電圧が与えられる。カソードは化学反応を起こし、集電体上にナトリウム金属が堆積する。ナトリウム金属の堆積により電荷が蓄えられる。
放電サイクル中、カソードは化学反応を起こし、集電体からナトリウム金属を剥がす。ナトリウム･イオンは固体電解質に統合され、回路が完成する。この実験は、より大きなセルサイズと高密度で同様のパフォーマンスが得られる可能性がある。
結果
リチウム・イオン電池の動作に匹敵するには、ナトリウム電池は高密度のセル電圧を備えている必要がある。電池は、平均クーロン効率99.96％で400サイクルにわたって安定して充電および放電することができた、結論として、この実験は、アノードのない安定した固体ナトリウム電池を示している。
