PNNL のナトリウム電池研究は、手頃な価格のエネルギー
貯蔵解決策の強化を目指している
PNNL’s Sodium Battery Research Seeks to Enhance Affordable Energy Storage Solution
By Karisa Saywers
https://www.pnnl.gov/ 2025.05.05
このプロジェクトは、より強靭で信頼性の高いエネルギー送電網を実現するために、より安全で低コストの固体ナトリウム電池の開発を目指している。
今後10年間、人口増加、産業の拡大、そして高性能輸送手段への移行を背景に、世界のエネルギー需要は引き続き増加すると予想されている。この予測は、世界が増大すると予想されている。この予測は、世界が増大するエネルギー需要に対応していく中で、より大きな容量に対応し、信頼性を確保しながら、経済性を維持できるエネルギー貯蔵技術の進歩が喫緊の課題であることを浮き彫りにしている。太平洋北西部国立研究所(PNNL)の研究者達は、こうしたあらゆるニーズを満たす貯蔵技術を開発するため、費用対効果と拡張性を兼ね備えた解決策を模索している。
Mark Wellerは、若手材料科学者として活躍する人物である。Wellerは、従来のリチウム・ベースのエネルギー貯蔵技術に代わる固体ナトリウム電池の実現に向けた革新的な研究で、米国エネルギー省電力局から7万5千ドルの資金提供を受けた。
Wellerは、ナトリウムがエネルギー貯蔵市場における重要なギャップを埋める可能性に楽観的である。ナトリウムは地球上に豊富に存在し、費用対効果の高い素材であり、広く入手可能であることから、特に送電網蓄電池のような定置型用途において、拡張可能で手頃な価格の電池システムの開発を支えている。しかし、ナトリウムの独特な化学的性質は、特にナトリウム陽極と固体電解質の結合部において課題をもたらす。針状のフィラメントであるデンドライトが、この結合部で形成され、短絡、急速な劣化、さらには安全上の問題を引き起こす可能性がある。
「固体電池、特にリチウムやナトリウムなどのアルカリ金属を使用する電池における最大の課題の一つは、デンドライトの形成である。とWellerは説明する。「従来の液体電解質電池では、デンドライト形成による短絡が火災や発熱につながる可能性がある。固体電池は反応性がはるかに低いとはいえ、デンドライトによる短絡は依然として電池を破壊する。
Wellerのプロジェクトは、これらの課題を克服することを目指し、3つの重要な要素に焦点を当てている。対称型固体セルの実証、材料充填量と性能を最適化する複合硫黄カソードの設計、そして90％以上の容量利用率を実現する固体フルセルの開発である。この概念実証は、固体ナトリウム電池がサイクルごとに理論上のエネルギー容量のほぼすべてを一貫して利用できることを示すことを目的としている。
「我々は、これらのアイデアが機能することを示すために、小規模セルから始めている。」とWellerは述べている。「ここで信頼性と性能を実証できれば、次のステップ、つまりフル電池システムへのスケールアップに進むことが出来る。」
この固体構成を追求する前、Wellerは溶融ナトリウム電池の研究に重点を置いていた。溶融ナトリウム電池は約350 ℃という高温で動作し、この温度では幅広い用途が制限される。チームは動作温度を、ナトリウムの融点97.8 ℃に近い120 ℃から180 ℃というより実用的な範囲まで下げることに成功した。しかし、この進歩は新たな課題をもたらした。それは、ナトリウムがセラミック電解質と効果的に相互作用することを確保することである。
「ナトリウムはセラミック表面を濡らしにくいのである。」Wellerは説明する。「ワックスを掛けた車の上の水のように、しっかりと接触する代わりにビーズ状に固まってしまう。濡れが悪いと電池の効率が低下する。良好な接触は電力を供給し、電池の容量を最大限に活用するために不可欠であるからである。溶融塩電池における濡れの問題を解決することは、全固体電池におけるデンドライト問題の解決にも役立つことが分った。」
Wellerは、リチウム固体電池に関する大学院時代の研究成果を基に、セラミック表面におけるナトリウムの挙動を改善する戦略を考案した。これらの知見と溶融ナトリウムに関する研究が相まって、現在の研究の基盤が築かれた。Wellerと研究チームは、対称型セルにおけるナトリウム・アノードの性能を分離・改良することで、界面安定性やデンドライト形成といった重要な課題への取り組みを初期段階から進めている。この堅牢なナトリウム・アノードの基盤は、複合カソードの統合と、完全に機能する固体電池の開発への道を開くであろう。
この研究はまだ初期段階ではあるが、エネルギー貯蔵の未来を形作る、より大規模な取り組みへの道を開く可能性がある。断続的なエネルギー統合を支援し、電力網向けの安全で信頼性の高い長寿命電池への需要の高まりに対応する。
「このプロジェクトの目標は、低コストのエネルギー貯蔵解決策を開発することである。研究所では多くの刺激的な研究が行なわれており、このプロジェクトで良い成果を上げ、固体電池の限界を真に押し広げることができることを期待している。」とWellerは述べている。
