リチウム・イオン電池を安くするには塩を加えるだけ
研究者達はリチウムの一部をナトリウムに交換しても性能が低下しないことを発見。
For Cheaper Lithium-Ion Batteries, Just Add Salt
By Dina Genkina
https://spectrum.ieee.org/ 2023.07.20
リチウムの価格は2020年以来ほぼ10倍に上昇しており、イーロン・マスク氏は最近この金属を「新しい石油」と呼んだ。電池のコストを削減すれば、大幅な節約につながるだけでなく、化石燃料から再生可能エネルギー源へのよりスムーズな移行も可能になる。多くの代替電池技術が研究されているが、これまでのところ、主成分としてリチウムに代わる技術はない。
現在、アリゾナ州立大学の科学者達は、リチウムに置き換える代わりに、ナトリウムで希釈するという別のアプローチをとることを提案している。ナトリウムは海水中に塩化ナトリウム(塩)として容易に入手でき、豊富に存在するため、リチウムの経済的および環境的負担を軽減する可能性がある。
研究チームは以前に開発した技術を使用して、10％のナトリウムを混合したリチウムのエネルギー的安定性をテストし、混合物が電池の性能を低下させることなく安定していることを発見した。彼等は、効率を犠牲にすることなくナトリウム濃度を最大20％まで高めることができると期待している。彼等は7月9日から14日までフランスのリヨンで開催されたゴールドシュミット地球化学会議で研究結果を発表した。
リチウム・イオン電池の核心は、リチウム・イオンと電池のアノードおよびカソードの間で起こる化学反応である。アノードは通常グラファイトで作られ、カソードはリチウム金属酸化物、通常はコバルト酸リチウムで構成される。電池の使用中、リチウム・イオンは電解質を通ってアノードからカソードに流れ、その過程でエネルギーを放出する。電池の充電時には逆のことが起こる。
研究チームはリチウム・イオン電池の正極にナトリウムを組み込む実現可能性を評価した。熱力学的に安定した分子はさまざまな条件下で分解する可能性が低いため、彼等はこの材料を熱力学の観点から研究した。
「電池の製造、電池の使用、電池の可能な限り長時間の動作維持、そして最終的に材料のリサイクルまたは廃棄を理解するには、材料の安定性を理解する必要がある。」とこの取り組みの主任研究員であるAlexandra Navrotsky氏は述べている。
完全なテストを行うには、アノードと電解質の安定性も調査する必要がある。しかし、Navrotsky氏は、これらの材料は化学的にははるかに単純であり、大きな問題を引き起こす可能性は低いと述べている。
ナトリウムをドープしたカソード材料の熱力学的安定性を調査するために、科学者達は高温滴下熱量測定として知られる技術を採用した。この方法は、彼等の研究室で先駆的に開発され、数十年かけて開発されたもので、高温での化学反応から生じるエネルギー変化の正確な測定を可能にする。
ナトリウム・ドープ正極などの材料の熱力学的安定性を判断するには、反応成分(この場合はリチウム金属酸化物とナトリウム金属酸化物)からの反応エネルギーとも呼ばれる。その形成に関与するエネルギーを測定する必要がある。理想的には研究者は、反応物を目的の生成物に変換する際に必要なエネルギーを直接測定できる。
しかし、多くの材料では、高温でも形成反応がゆっくりと起こるため、エネルギーを直接測定することは非現実的または不可能である。代わりに研究者達は各成分と第三の材料の組み合わせ、および同じ第三の材料を使用した最終製品の結合に伴うエネルギーをテストし、それらの測定値の差をとって、対象の反応エネルギーを決定する。「我々の場合、この三番目の物質は熱量計滴下溶液中の溶融塩溶媒への魔法の溶解である。」とNavrotsky氏は言う。
アリゾナ州立大学のチームは調査を通じて、最大20％のナトリウムをドーピングしてもカソードが安定していることを発見した。しかし、ナトリウム濃度をさらに増加させると、興味深いことが観察された。組成を変えながら同じ構造を維持する代わりに、材料は構造変化を起こした。残念ながら、この新しい構造は、実行可能な電池に必要な電気的特性を備えていなかった。
この研究は、電池に使用されるリチウムの最大20％が、塩由来のナトリウムに置き換えられる可能性があることを示唆している。この研究は基本的な最初のステップであり、リチウムをナトリウムで希釈することが化学的に実現可能であることを示している。これがコスト削減を伴う実用的な電池につながるかどうかはまだ分からない。
「我々の関心は、組成やその他のパラメーターによる材料の安定性の違いについての基本的な知識である。」とNavrotsky氏は言う。「これらのことが判明したら、新しい材料を作成したら、通常、それらを共同研究者に引き渡し、電池内で材料の実際の特性評価を行う。」
