アルゴンヌの研究者達は、電気自動車や送電網蓄電用の
ナトリウム･イオン電池の重要な問題を解決
ナトリウム･イオン電池は、リチウム・イオン電池のサプライチェーンの懸念を軽減できる可能性がある。
Argonne Researchers Crack a Key Problem with Sodium-Ion Batteries for Electric Vehicles and Grid Energy Storage
By Joseph E. Harmon
https://www.anl.gov/ 2024.09.26
アルゴンヌの科学者達は合成プロセス中にカソード粒子の亀裂を防ぐことでナトリウム･イオン電池を進化させ、リチウム・イオン電池に代わるコスト効率が高く持続可能な代替品とした。
リチウム・イオン電池は電気自動車の主力電源として長い間市場を独占してきた。また、電力網で使用する再生可能エネルギーの貯蔵用としても検討されるようになっている。しかし、この市場の急速な拡大により、今後5～10年以内にリチウムの供給不足が予測されている。
「ナトリウム･イオン電池は、ナトリウムの豊富さと低コストにより、リチウム・イオン電池の魅力的な代替品として浮上している。」と、アメリカエネルギー省アルゴン国立研究所の化学者Gui-Liang Xuは述べた。
これまで、こうした電池の商業化には大きな障害があった。特に、ナトリウムを含むカソードの性能は、放電と充電を繰り返すと急速に低下する。
アルゴリズムのチームは、ナトリウム･イオン酸化物カソードの新しい設計で、この問題の解決に大きな前進を遂げた。これは、実証済みの高いエネルギー貯蔵容量と長寿命を備えた、アルゴリズムの以前のリチウム・イオン酸化物カソードの設計に基づいている。
両方の設計の重要な特徴は、微細なカソード粒子にニッケル、コバルト、鉄、マンガンなどの遷移金属の混合物が含まれていることである。重要なのは、これらの金属が個々のカソード粒子に均一に分布していないことである。例えば、ニッケルはコアに現われ、このコアの周囲にはシェルを形成するコバルトとマンガンがある。これらの元素はそれぞれ異なる目的を果たす。マンガンを多く含む表面は、充放電サイクル中に粒子に構造的安定性を与える。ニッケルを多く含むコアは、エネルギー貯蔵のための高い容量を提供する。
しかし、この設計をテストしたところ、カソードのエネルギー貯蔵容量はサイクル中に着実に低下した。問題は、サイクル中に粒子に亀裂が形成されることが原因であった。これらの亀裂は、粒子のシェルとコアの間に生じる歪みが原因で形成された。チームは、カソードの準備方法を微調整することで、サイクル前にその歪みを排除しようとした。
合成プロセスを開始するために使用された前駆物質は水酸化物である。酸素と水素に加えて、ニッケル、コバルト、マンガンの3つの金属が含まれている。チームはこの水酸化物の2つのバージョンを作成した。1つはコアからシェルに金属が勾配で分布しているもので、もう1つは比較のために、3つの金属が各粒子全体に均等に分布しているものである。
最終製品を形成するために、チームは前駆物質と水酸化ナトリウムの混合物を摂氏600度まで加熱し、一定時間その温度を維持した後、室温まで冷却した。また、さまざまな加熱速度も試した。
この処理全体を通じて、研究チームは粒子特性の構造変化を監視した。この分析には、エネルギー省科学局の2次のように述べている。ユーザー施設、アルゴンヌ国立研究所のAdvanced Photon Sourceとエネルギー省ブルックヘブン国立研究所のNational Synchrotron Light Source llが使用された。
「これらの施設のX線ビームにより、現実的な合成条件下で粒子の組成と構造のリアルタイムの変化を判定することができた。」とアルゴンヌのビームライン科学者Wenqian Xuは語った。
研究チームはまた、アルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料センターを利用して粒子の特性をさらに分析し、アルゴンヌ国立研究所リーダーシップ・コンピューティング施設のポラリス・スーパーコンピューターを使用してX線データを詳細な3D画像に再構成した。ナノスケール材料センターとアルゴンヌ国立研究所リーダーシップ・コンピューティング施設もエネルギー省科学局のユーザー施設である。
最初の結果では、均一粒子には亀裂は見られなかったが、250度という低温で勾配粒子に亀裂が生じたことが明らかになった。これらの亀裂はコアとコアシェル境界に現われ、その後表面に移動した。明らかに金属の勾配によって大きな歪みが生じ、亀裂が発生した。
「勾配粒子は高エネルギー貯蔵容量のカソードを生成できることがわかっているので、粒子勾配の亀裂をなくす熱処理条件を見付けたいと考えた。」とアルゴンヌのポスドク研究員であるWenhua Zuoは語る。
加熱速度が重要な要因であることが判明した。亀裂は毎分5度の加熱速度で形成されたが、毎分1度という遅い速度では形成されなかった。より遅い速度で調製されたカソード粒子を使用した小型セルでのテストでは、400サイクル以上にわたって高い性能が維持された。
「カソード合成中に亀裂を防ぐことは、その後カソードを充電および放電する時に大きな利益をもたらす。」とGui-Liang Xuは言う。「ナトリウム･イオン電池はまだ長距離走行の車両に電力を供給するのに十分なエネルギー密度を持っていないが、市街地走行には理想的である。」
チームは現在、カソードからニッケルを排除する作業を進めており、これによりコストがさらに削減され、持続可能性が高まる。
「将来のナトリウム･イオン電池の見通しは非常に良好である。低コストで長寿命なだけでなく、現在、多くのリチウム・イオン電池に使用されているリン酸鉄リチウム電池正極に匹敵するエネルギー密度も備えている。」とアルゴンヌ特別研究員のKhalil Amineは述べた。「これにより、より持続可能な電気自動車が実現し、走行距離も長くなる。」
資金提供は、アメリカエネルギー省の車両技術局、エネルギー効率および再生可能エネルギー局、および高度科学計算研究プログラムから提供された。
