環境に優しいナトリウム電池中のホウ素
Boron for New Greener Sodium Batteries
https://borates.today/ 2022.02.19
新しい環境に優しいナトリウム電池のためのホウ素
リチウムに代わるより安全で信頼性の高い代替品は、間違いなくホウ素と組み合わせたナトリウム電池である。非効率性を克服できれば、現在のリチウム・イオン電池の実行可能な代替品になる可能性がある。ジュネーブの研究者達は、炭素、ホウ素、水素(カルボヒドリドホウ酸塩)を使用して、結晶構造を変化させて性能を向上させる。
リチウム・イオン電池の歴史
リチウム電池市場は、携帯型電子器機、そして最近では電気自動車やハイブリッド・パワートレインによって支配されてきた。1990年代以降、強力な充電式リチウム電池は、携帯電話、電卓、ラップトップ、デジタル・カメラ、その他の装置などの消費者向け用途で容量普及している。
リチウム電池は、ニッケル金属水酸化物電池に急速に取って代わりつつある。大型の高度なリチウム電池は、輸送および定置型電力市場の新しい電源になりつつある。これには、電気自動車の推進力、待機電力、海洋観測用の移動ロボット、および基幹業務用用途が含まれる。リチウム・イオン電池は、再生可能エネルギーや送電網バランスの貯蔵にはまだ使用されていないが、研究は解決策を見つけ続けている。
軽量、高エネルギー密度、長寿命のため、水素電池とリチウム・イオン電池が人気を博している。しかし、2つの重大な欠点がある。液体電解質は陽イオンが電極間を流れるこれまでのところを可能にするので、それらは非常に可燃性である。漏れると酸素との危険な反応を引き起こす可能性がある。リチウムの供給は2番目の問題である。供給は世界中に不均一に分布しており、石油と同様に多くの地政学的問題の核心にある。
ナトリウム電池は潜在的により良い代替品である。リチウムよりも手頃な価格で、世界中に豊富にある。リサイクルも簡単である。その使用はまだ十分に開発されていない。このタイプの電池は、リチウム・ベースとは異なる技術を使用して作られる。UNIGE理学部の結晶学研究所の研究者であるFabrizio Moriaは、業界はこの新しい技術を試すことに消極的であると言う。しかし、これまでにナトリウム電池について多くの研究が行われてきた。
電池の未来－ナトリウム電池
電池技術の未来はナトリウムにあるようである。ほとんどの車両や装置に電力を供給するリチウムよりも持続可能である。さらに、ナトリウムは地球の表面にも豊富にある。しかし、そのイオンは従来のリチウム・イオン電池の液体電解質では移動できないため、リチウムよりも効率が低くなる。
解決策は固体電解質の作成にある。ジュネーブ大学のチームは、炭素、ホウ素、水素(カルボヒドリドホウ酸塩)で作られた材料の結晶構造を変えることによってこの問題を解決した。この研究グループはまた、電池が効率的に動作することを保証するために電池に加える最適な圧力を決定した。
ホウ素を用いたナトリウム電池の研究
ナトリウム電池の効率を改善することについて、他のいくつかの研究も行われている：
カルボヒドリドホウ酸ナトリウム
ナトリウムはリチウムより重いため、液体電解質中のイオンの移動が遅くなる。不燃性の固体電解質を作成できる。炭素、ホウ素、水素で作られたこのタイプの電解質は、リチウム電池と同じ性能をまだ達成していないRadovan Cey教授が率いるUNIGE結晶学研究所での最近の2つの研究は、この問題を解決した。
ACS Applied Materials & Interfacesに掲載された最初の論文は、効率的な材料であるカルボヒドリドホウ酸ナトリウムの作成につながった。Radovan Cernyは、核医学で使用されているこの材料はもともと導電性ではなかったと説明している。「結晶の構造、より具体的には原子の空間配置を換えることで、導電性にした。
これにより、ナトリウム･イオンを輸送する最も効率的な方法の1つになる。」研究チームは、ボールミル内で大きな衝撃を使って化合物を導いた。このエネルギー効率の高い技術は、セメント業界で広く使用されている。
ナトリウム電池が機能するための理想的な圧力を見つける
二番目の研究プロジェクトがAdvanced Materials Interfacesに掲載された。それは材料を特定の状況に置くことを含んだ。電解液が機能するには、電池の正極または負極に密着している必要がある。
電池にはしっかりと収納する必要がある。これを達成するには、ネジまたはスプリングを使用して圧力をかける必要がある。それは約400気圧であるべきであることが分った。これは、水中4000 mの圧力に相当する。これは、ネジを数回回転させるだけで簡単に実現できる。
これらの発見は、特に自動車部門でのナトリウム電池の生産を容易にすることの費用対効果はまだ決定されていないが、業界は発見された材料が魅力的であることを認識する必要がある。
ホウ素ドープ・ナトリウム層状酸化物ナトリウム電池カソード
高エネルギー・ナトリウム･イオン電池を開発するためには、ナトリウム･イオン正極材料を高電圧で安定したサイクル挙動で動作させる必要がある。ナトリウム層状カソード材料の高電圧での不可逆的な酸化還元は、構造的不安定性と容量保持不良を引き起こす。最近の研究では、高電圧で不可逆的な酸素酸化物を減らすために、正極活物質格子に軽量ホウ素を組み込んだドーピング戦略が報告されている。
共有B-O結合と酸素原子の負電荷は、カソード材料に堅牢な配位子フレームワークを提案する。また、電荷補償のための過剰な酸素酸化を軽減し、電池動作における不可逆的な構造変化を防ぐ。
ナトリウム電池のアノード材料としてのホウ素ドープ炭素被覆チタン酸リチウム
別の研究は、単純な湿式化学プロセスによって、ホウ素をドープした炭素層を多孔質のミクロンサイズのLi4Ti5O12(LTO)にどのように適用したかを示している。X線光電子放出とラマン分光法によって決定されるように、3つの種(BC3、BC2O、そしてBCO2)がLTOの炭素層にドープされていた。
これらのヘテロ原子は、炭素層に多くの外因性欠陥を引き起こし、その結果、より高いナトリウム･イオン拡散率が得られる。BC-LTOは元のLTOおよび炭素被覆LTOよりもそれぞれ60％および85％高いナトリウム･イオン拡散を示した。
BC3の電子不足ホウ素は、炭素構造を通して電子を運ぶ正に帯電した正孔を介して電子伝導率も高める。これらの結果は、LTOがナトリウム･イオン電池の優れた負極材料として有望であることを示している。
ナトリウム電池の負極としてのホウ素ドープ炭素
適切な電極材料の開発は、ナトリウム･イオン電池の実現可能性にとって非常に重要である。ある研究では、ナトリウム･イオン電池の陽極としてホウ素ドープ炭素を提案した。第一原理計算は、ナトリウム化ホウ素ドープ炭素の構造的完全性が良好に保存されていることを示している。
2D-BC3アノードの容量は、リチウム・イオン電池の炭素アノードの約2.04倍、ナトリウム･イオン電池の硬質炭素の約2.52倍に達する。その高い電子移動度とナトリウム移動度は、良好なレート性能を達成できることを示していた。これらは、充電式ナトリウム･イオン電池の陽極としてのホウ素ドープ炭素の可能性を示している。
