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研究者達はナトリウム電池用の電解質に出くわしたようである

Researchers Seem to Stumble across an Electrolyte for a Sodium Battery

By John Timmer

https://www.arstechnica.com/       2022.07.07

 

ナトリウムは豊富であるが、電池での使用にはいくつかの課題がある。

 

　リチウム・ベースの電池は優れており、電極の化学的性質が異なるため、様々な用途に使用できる。それらの問題はそれらの性能とは何の関係もない。我々が直面している課題は、沢山の電池を作りたいと言うことである。それらすべてがリチウムを使用する場合、我々は間違いなく供給不足に直面するであろう。それに対する1つの潜在的な解決策は、単にリチウムを別のイオンに置き換えることである。代替電池は、現在、使用している全ての異なる場所でリチウム異型ほど良くない場合がある。彼等はどこにでもリチウムを貼り付ける必要性の一部を取り除くために、1つのタスクで十分に優れている必要がある。それがナトリウム・ベースの電池への関心の背後にある理由である。ナトリウムは非常に豊富で、それに応じて安価であり、電池で使用するとリチウムのように振る舞うことが出来る。しかし、ナトリウム電池は常にナトリウムが爆発的に反応する傾向に関連する危険を伴う。しかし、最近開発された固体電解質は、ナトリウムに関連する課題の少なくともいくつかを克服できることを示唆している。

 

偶発的な電解質

　ナトリウム硫黄電池のように、リチウム電池とほとんど共通点のないナトリウムをベースにした電池技術がいくつかある。しかし、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池とほぼ同じ原理に基づいて動作し、炭素ベースの電極など、同じ材料のいくつかを使用することも出来る。ナトリウムは重いので、ナトリウム･イオン電池はリチウムと同じ重量当りのエネルギー量には実際には到達できない。しかし、繰り返しになるが、ナトリウムは豊富で安価であるため、家庭用および配電網レベルの貯蔵など、重量が重要でない場合にはナトリウム電池が理にかなっている可能性がある。

　ここでの大きな障害はナトリウムそのものである。多くのリチウム・ベースの電池は、2つの電極の間にイオンを得るために水電解質を使用している。そしてナトリウムは水と上手くやっていくことで注目されていない。実際、それはエネルギー的に反応して水素を放出し、それが爆発する。リチウム電池の非水電解質には火災の危険の問題がある。ナトリウムと環境との反応性を加えると、危険は深刻である。したがって、電解質は研究の合理的な目標であるように思われる。研究チームが偶然に電解質に出くわした様に見えるので、これはやや驚くべきことである。研究者達は電解質の合成のための彼等の研究を参照し、その参照を追いかけると、MRI造影剤について話していることが分る。誰かが電池でそれを試すというアイデアをどのように思いついたかは正確には明らかでないが、我々はここにいる。

　電解質自体は、いわゆるブロック・コポリマーである。これらは2つの異なるクラスのサブユニットから構築された分子である。重合プロセスは、一方のサブユニットの繰り返しからなるポリマーの伸長が他方のサブユニットからなる伸長と交互になるように制御される。この場合、2つのブロックのうちの1つは炭素/硫黄化合物に基づいていた。このポリマーのみが対照材料として役立った。ブロック共重合体の場合。2番目のブロックは炭化水素であり、ほとんどの水素がフッ素原子に交換された。フッ素の背後にある考え方は、ナトリウムがポリマー内の酸素と相互作用し、移動するのではなくポリマーに詰まるという関連する電解質で発生する状況を回避することであった。

　ブロック・コポリマーは固体であるが、電池の動作中に発生する可能性のある温度でガラスからプラスチックに移行する。どちらの状態でも、2つの異なるブロックに基づいて異なるドメインを形成する傾向があり、フッ素化材料はナトリウムを収容できる内部チャネルを作成し、他のブロックは構造的完全性を提供する。

 

それはどのように機能するか？

　研究者達は，ナトリウムをポリマーに出入りさせ，何が起こるかを見るだけで、多くの論文を費やしている。これは、材料の表面にナトリウムの層を作成す影響を受ける可能性がある傾向があり、電気メッキに少し似ている。ナトリウムがポリマー上に滑らかな表面を形成したことに注目することが重要である。対照ポリマー上には、対照的に鋭い縁部を有するナトリウムの樹枝状突起が形成された。樹枝状突起の形成はナトリウム･イオン電池の主要な故障点であるため、これは重要である。

　重要なことは、このプロセスが可逆的生まであったことである。ポリマー上のナトリウムのメッキを逆にしてから再度メッキすることができる。性能はナトリウムの出し入れの200サイクル以上にわたって良好なままであった。それで、彼等は進んで2つの異なる電池を作った。両方の電池で一方の電極は単に金属ナトリウムであった(重量あたり電荷が大幅に増加するため、リチウム用に開発されているアプローチ)。他方の電極はナトリウム・リン酸バナジウム材料またはリン酸鉄ナトリウムのいずれかにナトリウムを貯蔵した。両方の電池が機能した。充電/放電電流が増加するにつれて性能はわずかに低下したが、これはポリマーに永久的な損傷をもたらさなかった。電流を落とすと、以前の性能が復元された。しかし、主なものは安定性であった。900サイクル以上経っても電池の初期容量の97％以上であった。

　どれも、ナトリウム電池が次の大きな物になることが保証されていると言っているわけではない。ナトリウム金属電極を含む電池は、安定性を維持するためにかなり大きな技術コストを伴う－ナトリウムを使用することによるコスト削減と金属電極を持つことによる軽量化の一部を相殺する可能性のある技術である。しかし、重要なことは、現在、成熟した技術を持っていることではなく、既存の電池生産がリチウムを制限する要因になるまでに様々な電池化学が開発中であることである。