熱量測定が成熟した安全なナトリウム･イオン電池への道を
どのように開くか
How Calorimetry Can Pave the Way for Mature and Safe Sodium-Ion Batteries
https://www.openaccessgovernment.org/ 2023.04.05
KITの電池－熱量測定と安全性グループのリーダーであるCarlos Ziebert博士は、電気化学的熱量測定法がナトリウム･イオン電池の開発と安全な高級化にどのように役立つかを説明する。German Excellence Initiativeの一環として、KIT、ウルム大学、Baden-Württemberg太陽エネルギー・水素研究センター、およびギーセン大学は2019年に共同でPOLiS-リチウ貯蔵後の電池研究のための卓越したクラスターを立ち上げた。通常の資源であるリチウム、ニッケル、コバルトから脱却するために、7年間で4,700万ユーロの資金が提供されている。
ナトリウム･イオン電池は環境に優しい
ポスト・リチウム電池では、ナトリウム、マグネシウム、カルシウムなど、より豊富で環境に優しい材料が使用されている。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･イオンが有機電解質を介して2つの電極間のセパレーターを通過し、そこでそれぞれ挿入および脱離される。
Tian-Calvet熱量計によるサイクリング中の熱量の直接測定
KIT、IAM-AWPのグループ「電池－熱量測定と安全性」の研究は、市販の正極材料としてNa0.53MnO2(NMO)と負極材料としての市販の椰子殻由来の硬質炭素(HC)で作られたコイン電池から始まった。基礎となる反応機構と熱伝導プロセスを深く理解するには、電気化学的特性に加えて熱的特性評価も必要である。
MS80 Tian-Calvet熱量計を使用すると、直接熱流測定により、サイクリング中の総発熱オペランド(動作中)を高い精度で決定できる。熱流は、試料と参照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3D Tian-Calvetセンサー配置によって決定される。図１a(省略)に示すように、このような電池の容量が約1 mAhしかない場合でも、印加電流とその結果として生じる電圧で示されるように、充放電プロセスの熱流量を明確に測定できる。
0.2 Cの充電/放電速度の場合、時間の経過に伴う熱流の積分により、充電中に1.3 J、放電中に1.5 Jの熱が発生する。
NVPの低い固有導電率を強化する
次のステップは、NMOを応用材料エネルギー貯蔵システム研究所で開発された炭素コーティングを施した多孔質Na3V2(PO4)3(NVP)複合材料に置き換え、NVPの低い固有導電率を強化することであった。電子伝導ネットワークを作成する。この改良された材料を使用すると、図1b(省略)に見られるように、コイン電池の発熱が3分の1に大幅に減少した。0.2 Cの充電/放電率の場合、充電中の発生熱は0.3 J、放電中の発生熱は0.5 Jであった。パウチセル・レベルへのさらなるスケールアップ・プロセスには、安全性テスト(熱乱用、過充電、内部/外部短絡、機械的衝撃)を伴う必要がある。これは安全性への懸念がポスト・リチウム・イオン電池技術の導入にとって依然として重要な障害であるためである。加速熱量計は、これらの乱用検査に最適である。図2a(省略)は、EC:DMC:EMC(1:1:1)に1 M NaClO4と2％FECを加えた電解質組成を備えた2つのNVP/C/HCコイン電池のスタックでのWait-Seekテスタ中の温度対時間の曲線を示している。
温度曲線のプラトーは、最終的に熱暴走につながる反応のさまざまな段階を示している。
熱量計は他のポスト・リチウム電池への道を開くことができる
これらは2つの挿入図でより明確に確認できる。最初の発熱反応は、固体電解質界面
層の熱分解を表す。第二段階は固体電解質界面層によって保護されなくなった電解液とアノードの間の発熱反応に起因すると考えられる。第三段階は熱暴走で、200 ℃で始まり、加圧空気によって電池が冷却される前に最高550 ℃に達する。圧力トランスデューサーに接続されたキャピラリーへの開口部を備えた独立気泡ホルダーを使用することにより、温度速度を示す図2b(省略)に示すように、さまざまな反応中に生成されるガスによる圧力上昇も記録できる。赤丸と圧力(オレンジ色の曲線)は両方とも温度に対してプロットされている。温度速度と圧力の最大値はそれぞれ1.5 ℃/分と3.5バールであった。最近、NVP/Cベースの電池は5 cmｘ5 cmパウチセルにスケールアップされ、最大容量18 mAhに達し、C/5充電/放電レートでの優れたサイクル安定性と300回使用後の残存容量88％に達した。
このように、さまざまなタイプの熱量計が、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・リチウム電池への道を切り開くことが実証されている。
