熱量測定法を用いたナトリウム･イオン電池への深い洞察
Deep Insights into Sodium-Ion Batteries Using Calorimetric Methods
https://www.innovationnewsnetwork.com/ 2022.09.27
カールスルーエ工科大学は、最先端の熱量測定法を通じて、リチウム・イオン電池後
およびナトリウム･イオン電池の安定性を高かめる方法を概説している。
連邦とドイツ連邦州の競争の激しいエクセレンス戦略競争の枠組みの中で、POLiS(ポスト・リチウム貯蔵)Cluster of Excellenceが2019年1月にカールスルーエ工科大学とウルム大学で開始された。年間約700万ユーロの予算があり、当初は7年間の予定であった。このクラスターでは、応用材料研究所の熱量計センターが、リチウム後の材料、電極、電池の熱特性評価と安全性を担当している。ポスト・リチウム電池は、リチウム、ニッケル、コバルトの代わりに、より豊富で環境に優しい材料を使用している。これらはナトリウム、マグネシウムまたはカルシウムであり得る。最初の3年半の資金調達期間では、リチウム・イオン電池と同じ動作原理に基づくナトリウム･イオン電池の開発に重点が置かれた。リチウム・イオンの代わりにナトリウム･イオンは2つの電極間のセパレーターを介して有機電解質を介して移動され、そこでそれぞれ挿入および取り出される。
高度な熱量測定法の利用
昨年のINN6の記事では、コイン電池レベルでの最初の熱量測定結果が説明されている。洗練された熱量測定法を使用してコイン電池から小銭入れレベルのスケール拡大の進歩が最近、達成された。カソードは有望なカソード材料Na3V2(PO4)3で構成されている。アノードはEC:DMC:EMC(1:1:1)プラス2％FECの中で市販の椰子殻由来の硬質炭素と1 MのNaClO4の電解質から出来ている。Na3V2(PO4)3はナトリウム超イオン伝導体タイプの材料で、エネルギー密度が高く、サイクル安定性、レート能力が高いが、電子伝導率は低い。したがって、導電性を高めるために炭素コーティングを施した多孔質Na3V2(PO4)3/炭素複合材料が、電子伝導ネットワークを作成するために応用材料研究所－エネルギー貯蔵システムで開発された。
上記の材料は5 cm x 5 cm小銭入れ規模の電池に組み立てられている。次に、電池を炭素/10でフォーマットし、18 mAhの容量に達し、次に恒温槽内で炭素/5の充電/放電速度で周期的に熟成した。
ナトリウム･イオン電池に関する前例のない洞察
最初の5サイクルでは、容量損失は比較的大きくなるが、クーロン効率は99％以上に増加する。この慣し運転期間の後、彼等は300サイクル後に88％の残存容量で良好なサイクル安定性を示した。容量の減少は、循環可能なナトリウム損失に起因する可能性がある。電気化学的特性に加えて、熱特性の特性評価は、現時点ではほとんどのポスト・リチウム電池ではあまり知られていない根本的な反応メカニズムと熱伝導プロセスの深い理解を達成するために必要である。充放電時の発熱は、25℃の等温条件下で高感度MS80 3DTian-Calvet熱量計を使用して測定された。熱流は、試料と基準容器の両方が数百の熱電対を備えたリングで囲まれている3DTian-Calvetセンサー配置によって測定される。
小銭入れ大きさの(ポーチ)電池が大きすぎて熱量計容器に収まらないため、容量1 mAhの新鮮なコイン電池で同じ材料を使用して組み立てた。さらに、さらなるコイン電池は、新鮮なコイン電池に適用されたのと同じ量の新鮮な電解質を有する環状熟成ポーチ電池の抽出電極から作製されている。中省略。熱量測定中に電池はC/5の充放電速度で動作した。熱平衡に達するとこを確実にするため、電池は各充電および放電サイクルの間に10時間緩和された。放電プロセス中よりも充電中に発生する熱が少ないことがはっきり分かる。全ての電池において、電池の発熱は100％および0％の充電状態に近づくと大きくなる。これらの顕著なピークは、これらの段階での電池の内部抵抗が高いことに起因し得る。アノード材料を過剰に含む不均衡な電池と比較して、バランスの取れた電池は充電で約50％、放電プロセスで約20％の発熱を大幅に低減し、材料開発者や電池設計者にとって貴重なフィードバックとなる。放電中のサイクル熟成電池の発熱は、不均衡電池の発熱よりもさらに大きくなる。電気化学インピーダンス分光法と事後SEM分析による窒素化合物の調査により、周期的熟成プロセスは主に硬質炭素電極上のナトリウム・メッキによって駆動され、発熱が」増加することが明らかになった。
したがって、測定された熱プロファイルは、電極の基礎なる電気化学的プロセスの指紋を表しており、ナトリウム･イオン電池の健康状態および経年劣化の予測に不可欠であることが実証されている。これは、成熟した安全なナトリウム･イオン電池やその他のポスト・リチウム電池への未知を開くのに役立つ。
