さまざまな炭素負極設計を使用してナトリウム･イオン電池の
性能を向上させる方法
How to Improve the Performance of Sodium-Ion Batteries Using Various Carbon Anodes Designs
By Louis Castel
https://www.azom.com/ 2023.01.06
電池はあらゆる所にあるため、電池なしでは現代の生活を想像できない、世界中で充電式電池の市場価値は過去数年間で急速に増加している。これは環境安全に対する世界的な意識、拡大する電気自動車市場、および世界中の政府の支援によって促進されてきた。
リチウム・イオン電池が最も大きな成長を遂げている。また、コスト・メリットと優れた技術的性能(最高の電力密度とエネルギー、大量の充電式電池と比較して小型で軽量、電池の寿命の中で数回の充電と放電サイクル)により、最も利用されている充電式電池である。しかし、リチウム生産量は、世界的な電気自動車の採用が増えるにつれて、今後10年間で2倍になると予想される電池メーカーからの需要に追いつくことができない可能性がある。以前、この差異は過去20年間の原材料、特に電池グレードの炭酸リチウムのコストの急増として現われた。
1つのタイプの技術への世界的な依存と重要な材料の削減を中和するために、代替電池化学の知識と開発を進めることが不可欠である。ナトリウム･イオン電池はリチウム・ベースの技術と比較して、原材料の自然な豊富さと広範な分布、安価さ、および優れた材料の持続可能性により、最も有望な大規模エネルギー貯蔵の代替手段である。
ナトリウム･イオン電池の動作原理とセル設計はリチウム・イオン電池の動作モードに似ているが、電荷キャリアがナトリウム･イオンであるという根本的な違いがある。図1に示すように、ロッキングチェアのメカニズムは、化学エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することによってエネルギーを蓄える。充電時には電気エネルギーを利用してカソードからアノードへの電子の移動を促進する。同時に、荷電中世はカソードからのナトリウム･イオンの放電および電解質を介したアノードへのそれらの移動によって保持される。逆のプロセスは放電中に起こる。
設計の観点からは、NaはLi(0.76 Å)に比べて発汗量簡単に大きなイオン半径(1.02 Å)を示し、迅速な挿入と脱挿入を可能にする。Na+をホストするための正しい陽極材料を決定することは困難である。
リチウム・イオン電池で最も利用されているアノード材料であるグラファイトはナトリウム･インターカレーションをサポートしていないため、他の理想的な電極の開発にかなり
図1 ナトリウム･イオン電池の構造 Image Credit: Xenocs SAS
の量の研究が集中している。低コストで豊富であることから、炭素ベースのアノード材料は、ナトリウム･イオン電池にとって最も有望なシステムの1つと考えられている。高い可逆容量を達成するために、ほとんどの設計はかなりの濃度の微細孔を有するアノード材料をNaイオンのみが利用できるようにすることに焦点を合わせている。
篩い分け炭素(細孔入口が引き締まった高度に調整可能なナノポアで構成される)、バイオマス由来の硬質炭素、またはカスタマイズされた細孔ネットワークを持つ硬質炭素は、提案された高エネルギー炭素アノードの本の1例である。したがって、ナトリウム･イオン貯蔵を理解し加速するために細孔ネットワークについて学ぶ必要がある。そのために、小角X線散乱法は、開孔と閉孔の細孔径と細孔径分布を特定できる優れたプロービング法である。
篩い分けカーボン
多孔質炭素はナノ細孔内に存在する不要な固体電解質間相の形成を誘発する電解質にも大きな表面積の細孔が利用できるため、ナトリウム･イオン電池には不適切な負極材料である。この問題を解決するために、篩い分けカーボンは、引き締まった細孔入口(0.4 nm以下)とともに、優れた電気化学的性能を示す。
小角X線散乱法測定により、市販の多孔質炭素にメタンを蓄積させることで、細孔を固体電解質間相で満たすことを回避できることが明らかにされている。これは、同様のボディ直径と細孔表面積を維持しながら、細孔の入口を引き締めるのに役立つ。
図2(省略)に示すように、篩い分けカーボンのナノポア小角X線散乱法信号はサイクリング中に変化しないが、多孔質炭素信号は、固体電解質間相で細孔を満たしていることを示す中間のq 範囲の広いピークの消失を示す。
篩い分けカーボンは、電気化学的性能の点で多孔質材料を大幅に上回る。50 mA/gの電流密度で多孔質炭素は39 mAh/gの可逆容量を示すが、篩い分けカーボンは328 mAh/gというはるかに大きな可逆容量を示す。
テーラード・バイモーダル細孔ネットワークを備えた硬質炭素
炭素の質感を調整することは、ナトリウム･イオン電池のアノードとしての性能を向上させるために提案されている戦略である。内部にメソ細孔を介して相互接続されたバイモーダル細孔ネットワークを有する硬質炭素が溶媒熱的に作られている。第二のメソ細孔ネットワークは、微細孔間の接続性を改善し、ナトリウム拡散を容易にし、最終的に電池の容量を増加させることを目的としている。
小角X線散乱法測定は、熱分解温度を変えることによってミクロ孔とメソ孔のサイズを調整できることを示した。図3(a)(省略)に示すように、温度が高くなると直径の大きい細孔が生成される。このサイズの増加は、図3(b)(省略)から推測できるように、優れた容量保持率と相関している。
バイオマス由来硬質炭素
バイオマス由来の硬質炭素は、電池材料の持続可能性を高めることができるため、大きな注目を集めている。手頃な価格で豊富で入手しやすいことに加えて、そのような材料は理想的なマクロおよびマイクロ・アーキテクチャとスケーラブルな製塩技術を示す傾向がある。
家具産業の副産物であるローズウッドは、ナトリウム･イオン電池の負極材料として大きな可能性を秘めた天然多孔質材料である。簡単な化学処理の助けを借りて、リグニンとヘミセルロースの一部を除去することができた。比較的低温(1100 ℃)で焼成した後、多数の閉じた気孔と減少した壁厚(ナトリウム拡散に有利)を備えた硬質炭素が得られる。
小角X線散乱法測定は、化学的に処理された試料が、未処理の親化合物と比較して、より多くの閉じた細孔で構成されていることを示した。図4(a)(省略)に見られるように、親化合物の小角X線散乱法パターンは、より大きな細孔含有量を示唆する中間q 領域に非常に顕著なプラトーを示す。
電気化学的性能に関連しては、図4(b)(省略)から明らかなように、化学処理された材料は可逆容量が大幅に向上する傾向がある。
結論
効果的な負極材料の開発は、ナトリウム･イオン電池の性能を向上させるための重要なステップである。ここに提示された研究は、様々な炭素ベースのアノード材料が高い可逆容量と優れたナトリウム貯蔵を提供する能力を強調している。
閉じた細孔はナトリウム･イオンを収容する主要な微細構造であることが知られているため、適切な細孔構造を理解し、最終的に開発することは、高エネルギー炭素アノードを製造するために重要である。
これに関連して、小角X線散乱法は細孔構造の特徴付け、細孔のサイズと数、およびそれらの状態(充電または空)の開示に非常に有益であることが証明されている。
