新しい電池技術に向けて：化学者が高性能
ナトリウム･イオン正極を実証
Towards new battery Tech: Chemists Demonstrate
High-Performance Sodium-Ion Cathode
https://www.sciencedaily.com/
Source: Princeton University 2025.02.19
数十年にわたり、科学者達はリチウム・イオン電池への依存に抵抗する方法を模索してきた。これらの従来の充電式電池は、ノートパソコンから携帯電話、電気自動車まで今日の最も普及している消費者向け電子機器に電力を供給している。しかし、原材料のリチウムは高価であり、脆弱な地政学的ネットワークを通じて調達されることがよくある。
今月、Dincăグループは、有機の高エネルギー・カソード材料を使用してナトリウム･イオン電池を製造する画期的な代替案を発表し、この技術が安全で安価で持続可能なコンポーネントを使用して商業化される可能性を高めている。
科学者達はナトリウム･イオン電池で一定の進歩を遂げてきたが、そのエネルギー密度の低さが主な障害となっている。サイズに比べて電池の駆動時間が短い。出力に関連する高電力密度も、その性能に影響する。高エネルギー密度と高電力密度を同時に実現することは、代替電池にとって継続的な課題であった。
しかし、Dincăグループが提案した正極材料は、ビステエトラ・アミノベンゾキノンと呼ばれる層状有機固体で、エネルギー密度と電力密度の両方で従来のリチウム・イオン正極を上回り、真にスケラブルな技術である。
彼等の研究は、電気自動車に加えて、データ・センター、電力網、商業規模の再生可能エネルギー・システムなどの大規模なエネルギー貯蔵用途にも応用できる可能性がある。
「電池のような重要なものに限られた資源しかないことの難しさは誰もが理解しているが、リチウムは確かにさまざまな意味で「限られている」と言える」とAlexander Stewart 1886化学教授のMircea Dincăは言う。「こうした材料については、常に多様なポートフォリオを持つのが望ましい。ナトリウムは文字通りどこにでもある。我々にとって、有機物や海水のような本当に豊富な資源で作られた電池を追求することは、最大の研究夢の1つである。
「エネルギー密度は、電池に蓄えられる電力量と同等であるため、多くの人が気にしている。エネルギー密度が高いほど、充電しなくても車が走行できる距離が長くなる。我々が開発した新素材は、1 kg当たりのエネルギー密度が最も高く、体積ベースでも他の最高の素材に匹敵すると、我々は断言している。
「真に持続可能でコスト効率の高いナトリウム･イオン・カソードまたは電池の開発の最前線に立つことは、本当にエキサイティングである。」
Automobili Lamborghini S.p.A.からの資金提供を受けて、同研究所の研究「層状有機カソードからの高エネルギー、高出力ナトリウム･イオン電池」が今月、Journal of the American Chemical Societyに掲載される。
理論上の最大容量に近づく
研究室は1年前、ACS Central Scienceで初めてテエトラ・アミノベンゾキノンのリチウム・イオン電池製造への有用性について報告し、その利点を強調した。研究者達はテエトラ・アミノベンゾキノンが完全に不溶性で導電性が高いという、有機カソード材料の2つの重要な技術的利点を発見して以来、その可能性をひたすら調査し続けた。カソードは、すべての分極デバイスに不可欠なコンポーネントである。
そこで研究者達は、同じ材料であるテエトラ・アミノベンゾキノンを使って有機ナトリウム･イオン電池を作ろうとした。研究者達はリチウム・イオン技術から移植できないいくつかの設計原理を適応させなければならなかったため、このプロセスには約1年かかった。
最終的に、結果は期待を上回るものとなった。カソードの性能は、理論上の最大容量として知られるベンチマークにほぼ近いものとなった。
「我々が選んだバインダーであるカーボン・ナノチューブは、テエトラ・アミノベンゾキノン微結晶をしっかりと包み込み、それらを相互接続する。これらの両方の要素が電極バルク内での電子輸送を促進し、ほぼ100％の活性物質利用を可能にし、ほぼ理論上の最大容量につながる。
「カーボン・ナノチューブの使用により、電池のレート性能が大幅に向上する。つまり、電池ははるかに短い充電時間で同じ量のエネルギーを蓄えることができるか、同じ充電時間ではるかに多くのエネルギーを蓄えることができるということである。」
Chenは、テエトラ・アミノベンゾキノンのカソード材料としての利点には、空気や湿気に対する安定性、長寿命、高温への耐性、環境の持続可能性も含まれると述べた。
