正極の革新によりナトリウム･イオン電池が電気自動車にとって
魅力的な選択肢となる
新しい陽極設計は環境と予算に優しい電気自動車への道を開く可能性がある
Cathode Innovation Makes Sodium-Ion Battery an Attractive Option for
Electric Vehicles
By Joseph E. Harmon
https://www.anl.gov/ 2024.01.08
ナトリウム･イオン電池用の新しい正極材料は、Chevy VoltとBoltのリチウム・イオン電池につながったアルゴンヌでの以前の研究からインスピレーションを受けている。電気自動車用電池用の低コストで豊富な元素の供給に役立つ可能性がある。
新しい車を探しているほとんどの買い物客が知っているように、電気自動車は通常、比較的高額な値札が付いている。この費用の主な原因は、車両に電力を供給するリチウム・イオン電池である。そのコストを大幅に削減できれば、環境にも財布にも優しい輸送解決策に近づくことができる。
アメリカエネルギー省のアルゴンヌ国立研究所の研究者達は、リチウム・イオンをナトリウムに置き換え、大幅に安価となる新しい正極材料を発明し、特許を取得した。正極は電池の主要部品の1つである。車両を推進する電気の流れを生み出す化学反応の場所である。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
「我々の推定では、ナトリウム･イオン電池のコストはリチウム・イオン電池の3分の1であると考えられる。」－Christopher Johnson上級化学者、アルゴンヌの著名なフェロー。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
アルゴンヌの電池プログラムでは、10年以上にわたってナトリウム･イオン電池の研究を行ってきた。」と上級化学者でアルゴンヌの著名研究員であるChristopher Johnsonは述べた。そして当社の正極構造の設計により、ナトリウム･イオン電池は予算に優しく、より持続可能な電気自動車の魅力的な代替品となる。」
アメリカエネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局の車両技術局から一部資金提供を受けたJohnsonの研究チームによる画期的な進歩は、リチウム・イオン電池用の新しい正極材料に関して他の2人のアルゴンヌ特別研究員Michael Thackeray(退職)とKhalil Amineとの以前の研究に端を発している。その正極は現在、Chevy VoltやBolt、その他の電気自動車に電力を供給する電池の一部になっている。
以前の正極材料は、原子が層状に配置された構造を持つリチウム・ニッケル・マンガン・コバルト酸化物である。この構造により、層間でリチウム・イオンの挿入および放出が容易になる。したがって、これらのイオンは正極から負極へ自由に移動し、また再び戻ってきて電池を充電および放電することができる。
Johnsonのチームは初期の研究から洞察を引き出し、ナトリウム･イオン電池用に調整された層状酸化物正極を発明した。ニッケル、マンガン、コバルト正極のこのバリエーションは、ナトリウムの効率的な挿入と抽出のための層状構造を備えたナトリウム・ニッケル・マンガン・鉄酸化物である。正極の配合にコバルトが含まれていないため、その元素に関連するコスト、希少性、毒性の懸念が軽減される。
チームがナトリウム･イオン電池に興味を持っているのは、その多くの利点から来ている。2つは持続可能性とコストである。ナトリウムはリチウムよりもはるかに豊富に天然に存在し、容易に採掘される。したがって、kg当たりのコストは数分の1であり、価格変動やサプライチェーンの混乱の影響をはるかに受けにくくなる。「我々の推定では、ナトリウム･イオン電池のコストはリチウム・イオン電池用の3分の1以下になるであろう。」とJohnsonは語った。
さらに、ナトリウムに加えて正極材料には主に鉄とマンガンが含まれている。どちらの元素も世界的に豊富に存在し、絶滅危惧リストには載っていない。
もう1つの利点は、ナトリウム･イオン電池は氷点下でも充電能力を維持できることである。これにより、既存のリチウム・イオン電池の顕著な欠点の1つが解決される。また、電池の管理と製造の技術がすでに存在していることもナトリウム･イオン電池に有利に働いている。これは、その設計がリチウム・イオン電池用に良く似ているためである。
「この驚異的な電池には1つの落とし穴がある。」とJohnsonは指摘した。「金属ナトリウムはリチウムよりも約3倍重いため、電池の重量が大幅に増加する。」そして重量が増えると航続距離が短くなる。
これまでのところ、この欠点により、ナトリウム･イオン電池の電気自動車市場への参入が妨げられてきた。しかし、他のナトリウム・イオン技術と比較すると、チームの正極はエネルギー密度がはるかに高く、電気自動車に1回の充電で約180～200マイルの航続距離を供給するのに十分なエネルギー密度を持っている。
Johnsonは、ナトリウム･イオン電池は長い航続距離を求める人には魅力的でないかもしれないが、予算重視の消費者、特に毎日の走行距離がこれらの距離を超えることはめったにない都市居住者を魅了する可能性があると強調した。
初期のナトリウム･イオン電池のもう1つの欠点は、サイクル寿命が短いことである。しかし、チームの正極材料を使用すると、電池セルは対応するリチウム・イオン電池と同じサイクル数で充電および放電できる。
「我々は現在、実験段階から移行しており、実際の電気自動車の電池と同様の電池セル内で正極をテストする準備ができている。」とJohnsonは語った。このテストは、アルゴンヌの電池分析、モデリング、プロトタイピング施設で行われる。
「そこから、ニッケル、マンガン、鉄正極が同社のニッケル、マンガン、コバルト正極の軌跡をたどり、製造に選ばれることを願っている。」とJohnsonは語った。彼のチームは、エネルギー密度をさらに高めるために、電池の他の2つの主要コンポーネント(電解質と陰極)用に異なる材料の開発にも取り組んでいる。
ナトリウム･イオン電池には、輸送以外にも利用できる可能がある。特に、電力網で使用するための再生可能エネルギーの貯蔵に適しており、電池の重量はそれほど問題ではなく、低温での動作が有利である。送電網蓄電池は急成長している電池市場である。
アルゴンヌの持続可能なエネルギー解決策への取り組みは、この技術の飛躍によって強調される。ナトリウム･イオン電池は、従来の自動車用電池に低コストの元素を供給できるかどうかの懸念を軽減する可能性がある。
