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目の前のより長持ちするナトリウム･イオン電池

Longer Lasting Sodium-Ion Batteries on the Horizon

By Karyn Hede

https://www.pnnl.gov/      2022.07.13

ワシントン州リッチランド － 安価で豊富なナトリウムは、新しい電池技術の主要で有望な候補である。しかし、ナトリウム･イオン電池の性能が限られているため、大規模な用途が妨げられている。

　現在、エネルギー省の太平洋岸北西部国立研究所の研究チームは、実験室試験で大幅に寿命を延したナトリウム･イオン電池を開発した。電池の液体コアを構成する成分の巧妙なシフトは、ナトリウム・ベース電池を悩ませてきた性能の問題を防ぐ。Nature Energy誌に掲載されたこの知見は、いつの日か電気自動車に電力を供給し、太陽からのエネルギーを蓄える可能性のある電池の有望なレシピを提供する。

　「ここでは、ナトリウム･イオン電池が長持ちし、環境に優しい電池技術になる可能性があることを原理的に示した。」とエネルギー貯蔵技術で23件以上の特許発明を取得した電池技術のパイオニアであるPNNLの筆頭著者であるJiguang(Jason) Zhangは述べている。

正しい塩

　電池では、電解質はエネルギーの流れを維持する循環する「血液」である。電解質は溶媒に塩を溶解することによって形成され、正極と負極の間を流れる荷電イオンをもたらす。時間が経つにつれて、エネルギーの流れを維持する電気化学的反応が遅くなり、電池は再充電できなくなる。現在のナトリウム･イオン電池技術では、このプロセスは同様のリチウム・イオン電池よりもはるかに速く起こる。

　科学者のYan JinとPhung Leが率いるPNNLチームは、液体溶液とそれを流れる塩の種類を切り替えて、まったく新しい電解質レシピを作成することで、この問題に取り組んだ。実験室でのテストでは、新しい設計は耐久性が証明され、4.2 Vで300サイクル後にセル容量の90％を保持した。これは以前に報告されたほとんどのナトリウム･イオン電池よりも高い値である。

　ナトリウム･イオン電池の現在の電解液処方では、マイナス側(アノード)の保護フィルムが時間の経過と共に溶解する。このフィルムは、電池寿命を維持しながらナトリウム･イオンを通過させるため重要である。PNNLが設計した技術は、この保護フィルムを安定させることによって機能する。また、新しい電解質は、正極(カソード)に極薄の保護層を生成し、ユニット全体の安定性を高かめる。

不燃性技術

　PNNLが開発した新しいナトリウム･イオン技術は、温度変化にも影響されず、高電圧で動作できる自然消火解決策を使用している。この機能の1つの鍵は、アノード上に形成される超薄型保護層である。この超薄膜層は、一度形成されると安定しており、研究論文で報告されている長いサイクル寿命を提供する。

　「カソードでのガス蒸気の生成も測定した。」とPNNLの電池化学者であり、研究の筆頭著者の1人であるPhung Leは述べている。「ガス生産はごくわずかであった。これは、高温で動作する可能性のあるナトリウム･イオン電池用の安定した電解質を開発するための新しい洞察を提供する。」

　今のところ、ナトリウム･イオン技術はエネルギー密度においてリチウムに遅れを取っている。しかし、温度変化に対する不浸透性、安定性、長いサイクル寿命などの独自の利点があり、特定の小型電気自動車の用途や将来の配電網エネルギー貯蔵にも価値がある。

　研究チームはデザインを改良し続けている。Leは回収またはリサイクルしないと有毒で高価なコバルトを含める必要性を減らし、最終的には排除するために、チームが他の設計を実験していると述べた。