従来のリチウム・イオン電池の枠組みを超える次世代の持続可能な電池化学デバイスとしてのナトリウム･イオン電池の概要
An Overview of Sodium-Ion Batteries as Next-Generation Sustainable Electrochemical Devices beyond the Traditional Lithium-Ion Framework
By Gamzenur Özsin
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/ 2024.09.17
要約
電気自動車や携帯機器の普及に伴い、充電式電池の需要が急増している。中でも優れたエネルギー密度と出力密度を持つリチウム・イオン電池が人気を集めている。しかし、供給逼迫と持続可能性の問題が、代替電池の模索を促している。ポスト・リチウム技術、特にナトリウム･イオン電池は、その有望な可能性とリチウム・イオン技術との類似性から注目を集めている。リチウム・イオン電池の代替として、ナトリウム･イオン電池のエネルギー密度、出力密度、サイクル寿命の向上には依然として努力が必要である
が、これらのエネルギー貯蔵装置は、持続可能性、理論容量、そして本質的安全性の点で大きな利点を有している。本稿では、ナトリウム･イオン電池の現状を、アノード、電解質、カソード、バインダー、セパレーター、集電体といった主要構成要素に焦点を当てて批判的に評価した。また、最近の進歩、課題、将来の方向性、そして電気化学的性能を向上させるための新たな材料工学戦略についても考察している。全体として、本レビューは、高性能で費用対効果が高く、持続可能なエネルギー貯蔵システムの開発に関する包括的な分析を提供している。
１．はじめに
持続可能なエネルギー生産方法の開発は、循環型経済にとって不可欠であり、特に化石燃料の影響に対する懸念の高まりを考慮すると、その重要性は増すばかりである。今後数年間に深刻化する気候変動、資源枯渇、都市化の進展といった深刻な問題に対処するためには、持続可能で低排泄のエネルギー・モデルを開発するための共同の取組みが必要である。このエネルギー変革は、持続可能で環境に優しい資源の広範な利用に大きく依存するが、残念ながらこれらの資源は散発的で、気象パターンや季節変動の影響を受ける。化石資源に依存しないクリーンで完全に再生可能なエネルギー・システムが近い将来に実現する可能性は低いと思われるが、政策立案者は、よりクリーンな地球を未来の世代に引き継ぐために、持続可能な解決策の実現に向けて早急に前進する必要がある。
充電式電池技術は、電力密度、エネルギー密度、効率、重量、システムのモビリティといった点で汎用性が高いため、さまざまな場所で最も人気のあるエネルギー貯蔵技術として際立っている。再生可能エネルギー源は電池パックに貯蔵することができ、例えば風力や太陽光エネルギー貯蔵への貢献は、化石燃料への依存を減らすための極めて重要なステップと見なすことができる。電気自動車やハイブリッド自動車、再生可能エネルギー・システム、自律システムやロボット・システムなど、さまざまな産業で使用されていることから、電池貯蔵技術、送電網、クリーン･エネルギー戦略の開発はますます注目を集めている。特に、電気自動車産業は、近い将来、はるかに効率的な電気化学的エネルギー貯蔵を必要とするであろう。2040年までに全自動車販売の57％が電動化されると予想されている。国際エネルギー機関のネットゼロ2050ロードマップに基づくと、電気自動車は2030年までに自動車市場の20％を占め、2050年までに86％に増加すると予想されている。経済移行シナリオによると、これにより莫大な機会が生まれ、現在から2050年の間に充電インフラの市場潜在力は1.9兆ドルに達する。現在、優れたエネルギー対重量比から、リチウム・イオン電池は電気自転車用電池の主流技術となっている。一方、リチウム・イオン電池の主要成分であるリチウム、コバルト、銅、マンガンなどの鉱物の需要増加は、その需要と市場価格の両方を抑えられないほど押し上げている。特定の予測に基づくと、予測されるリチウム需要の急増に対応するには、2025年まで毎年少なくとも1つの新規リチウム鉱山の操業が必要になると予想されている。リチウムは戦略的に重要性が高まっている資源であり、生産量が消費量を上回っていることから、意図的に備蓄されてきた。その結果、2020年のリチウム資源量は8,000万トンに達したが、埋蔵量はわずか1,700万トンにとどまり、同時期に鉱物価格は6倍に上昇した。生産量と価格の顕著な上昇にもかかわらず、大幅な技術進歩は実現しておらず、過去5年間で倍増したリチウム資源の利用が再現されている。残念ながら、この制限は価格高騰にも寄与している。さらに、リチウム・サプライチェーンには、将来のエ2022年のネルギー貯蔵の持続可能性に影響を与える可能性のある政治的リスクと供給リスクが伴う。2022年の鉱物商品サマリーによると、リチウム供給の安全性確保は、テクノロジー企業にとって最重要課題とされている。これを解決するために、テクノロジー企業と探査機関間の戦略的なコラボレーションとパートナーシップが、引き続き緊密に構築されている。これらの提携は、電池サプライヤーと自動車メーカーの双方にとって、安定的かつ多様なリチウム供給を確保することを目的としている。
リチウム・イオン電池に使用されるリチウムに加え、コバルト、ニッケル、グラファイトは、エネルギー安全保障と産業の回復力にさらなる脅威を与える可能性のある重要な鉱物であり、これらの鉱物の世界需要は2040年までに6倍から13倍に増加すると予測されている。図1(省略)は、リチウム・イオン電池に必要な主要材料と、脆弱な電気自転車用電池サプライチェーンの現状を示している。
そのため、リチウム空気電池、リチウム硫黄電池、マグネシウム電池、ナトリウム･イオン電池など、従来のリチウム・イオン電池技術を凌駕する新たなエネルギー貯蔵メカニズムに関する科学的研究が深まり、これらの技術のための革新的な材料の探索に向けて研究者の関心が高まっている。持続可能なエネルギー技術に関する世界的な懸念と電池利用の増加は、技術進化における重要な側面となっている。現時点では、ナトリウム・イオン技術が注目を集めている。これは、持続可能性の観点から、リチウム・イオン電池と比較してさまざまな潜在的な利点を有するためである。しかし、技術進歩はまだ初期段階であるため、さらなる開発が必要であり、商業化に至るまでには長期間を要する可能性がある｡
1.1.ナトリウム･イオン電池の概要
２．ナトリウム･イオン電池の基本動作原理
３．ナトリウム･イオン電池の主要構成要素
3.1. アノード
3.2. カソード
3.3. 電解質
3.4. バインダー、セパレーター、集電体
４．電極上の界面形成
５．ナトリウム･イオン電池の課題、機会、そして現在の研究状況
以上の章と節は省略。
６．結論
本レビューでは、ナトリウム･イオン電池、その主要構成部品、そして最近の開発動向を概説した。次世代ナトリウム･イオン電池の発展において、新規電池材料の必要性と重要性を強調した。革新的な機能性材料に焦点を当てた研究戦略は、コスト、サイクル安定性、エネルギー密度および電力密度、そして安全性の限界を押し広げ、電力系統システムや輸送におけるエネルギー貯蔵需要の急速な拡大に対応する上で、間違いなく重要な役割を果たすであろう。
最も重要かつ困難な課題の1つは、既に大きな成果が得られているにもかかわらず、効果的なセルを設計するために商業的に実現可能な電極、電解質、その他の必須部品の選定、開発、製造である。重要なのは、ナトリウム・イオン技術はリチウム・イオン技術で達成された進歩を活用でき、プロセス統合を加速させる可能性があることである。
しかしながら、ナトリウム･イオン・システムの電気化学セル化学に関する基礎知識が不足しているため、これらの次世代システムには、より重点的な研究が不可欠である。電池性能に関する科学的理解を深めるだけでなく、リチウム・イオン生産経験から得られた洞察を活用して市場の需要に効果的に適応し、実現可能な製造プロセスを開発することが急務となっている。
