ナトリウム･イオン電池用の新しい硬質炭素陰極材料はリチウムの難問を解決する
New Hard-Carbon Anode Material for Sodium-Ion Batteries Will Solve the Lithium Conundrum
By Tokyo University of Science
https://phys.org/より 2020.12.14
コスト効果のある充電式蓄電池は、今日の日常生活では何処にでもある事実上全ての携帯電子器機の肝である。その上、充電式蓄電池は多くの環境に優しい技術、例えば、電気自動車や再生可能エネルギーを収穫するシステムで必須の構成部分である。それらはまた、様々な医療機器の主要な実現要因であり、電子センサーやカメラのエネルギー源として様々な分野の研究を促進させる。したがって、より良くより安い充電式蓄電池の開発に多くの努力を費やすことは驚くべきことではない。
これまでのところ、充電式リチウム・イオン電池は容量、安定性、価格、および充電時間の点で全国的に優れた性能を持っているためナンバーワンの地位を維持している。しかし、リチウムとコバルトや銅のような他の希少で高価格の金属は地殻で最も豊富な材料ではなく、それらの増え続ける需要はすぐに世界中の供給問題を引き起こすだろう。日本の東京理科大学で駒場慎一教授と仲間達は代替により豊富な材料を使用して充電式蓄電池を開発することにより、この悪化する難問の解決策を見つけるために動力してきた。
Angewandte Chemie International Editionに発表された細君の研究で、チームはナトリウム･イオン電池用の新しい炭素ベースの材料を生産するエネルギー効率の良い方法を発見した。駒場教授は別として、チームには東京理科大学の神山梓、久保田圭准教授、物質・材料研究機構のYong Youn博士、館山佳尚博士、および岡山大学の後藤和馬准教授がいる。研究は硬質炭素で多孔性の材料に焦点を置いており、それは充電式蓄電池の陰極として働き、硬質炭素内のナノサイズ孔の無機性型枠として酸化マグネシウム(MgO)を使用した。
研究者達は得られた硬質炭素電極のナノ構造を正確に調整するために、MgO型枠の成分を混合するための別の技術を探求した。複数の実験的、理論的分析後に、彼等は478 mAh/gの容量を持つ硬質炭素を製造するための最適製造条件と成分を解明した。これはこの種の材料ｄこれまで報告された中で最高であった。駒場教授は述べた。「今まで、ナトリウム･イオン電池用の炭素ベースの陰極材料の容量はほぼ300 – 350 mAh/gであった。438 mAh/gに近い値が報告されたが、それらの材料は1900℃以上の極端に高い温度で熱処理されなければならない。対照的に、我々は比較的低い温度の1500℃での熱処理を採用した。」もちろん、温度が低くなると、エネルギー消費量も少なくなる。つまりコストが安くなり、環境への影響も少なくなる。
この新しく開発された硬質炭素電極材料の容量は確かに驚くべきもので、リチウム・イオン電池で陰極材料として現在使われているグラファイト(372 mAh/g)の値を超えている。その上、この硬質炭素陰極電極を持つナトリウム･イオン電池が標準のリチウム・イオン電池よりも0.3ボルト低い電圧差で理論的に操業するとしても、前者の比較的高い容量は重量でずっと大きなエネルギー密度(1600 Wh/kg対1430 Wh/kg)をもたらし、その結果、エネルギー密度が＋19％増加した。
結果に興奮し将来を見据えて、駒場教授は言う。「我々の研究は高エネルギーナトリウム･イオン電池を実現することは可能であることを証明し、リチウム・イオン電池はより高いエネルギー密度を持っていると言う一般的な信念を覆した。我々が開発した極端に高容量の硬質炭素は新しいナトリウム貯蔵材料の設計に向けて扉を開いた。」
提案された材料が実際のナトリウム･イオン電池で優れた寿命、入出力特性、および低温動作を実際に提供することを証明するためにさらなる研究が要求される。運が良ければ、次世代の充電式蓄電池を目撃する寸前かもしれない！
