ナトリウム･イオン電池用の新しい硬質炭素陰極材料が
リチウム難問を解決
New Hard-Carbon Anode Material for Sodium-Ion Batteries
Will Solve the Lithium Conundrum
https://www.tus.ac.jp より 2020.12.14
前例のないエネルギー密度を持つ充電式電池用の新しいナトリウム蓄積電極材料
今日、ほとんどの充電式電池はリチウム・イオン電池で、それは比較的希少な元素から作られている－これは代替材料を使った電池の開発を要請している。新しい研究で、日本の東京理科大学の科学者達は非常に高いナトリウム蓄積容量を持つ硬質炭素電極を制作するエネルギー効率の良い方法を発見している。これは安価で豊富な材料で作られ、リチウム・イオン電池よりも高いエネルギー密度を持つ次世代ナトリウム･イオン電池への道を開ける可能性がある。
費用効果のある充電式電池は実質的に全ての携帯電子器機の中心であり、それらは近代的な毎日の生活では何処にでもある。さらに、充電式電池は、電気自動車や再生可能エネルギーを収穫するシステムのような多くの環境に優しい技術で必須の要素である。それらはまた様々な医療機器の主要な実現要素でもあり、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している。したがって、より良くて安い充電式電池の開発に注がれた多大の努力があることに驚くには当たらない。
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、充電時間に関して全面的な優れた性能のおかげで1番の座を維持している。しかし、リチウムやコバルトと銅のような他の希少で高価な金属は地殻に最も多くある物質ではなく、それらの増大する需要はまもなく世界中で供給問題を引き起こす。日本の東京理科大学で、駒場慎一教授と同僚達は、代替できてより豊富な材料を使う充電式電池を開発することによりこの悪化する難問の解決法を発見することに努力してきた。
Angewandte Chemie International Editionに発表された最近の研究で、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。駒場教授の他に、チームには東京理科大学の神山梓、久保田圭准教授、国立研究開発法人物質・材料研究機構のYong Youn博士と館山佳尚博士、岡山大学の後藤一馬准教授がいる。研究は、硬質炭素内にナノサイズの孔を持つ無機性基盤として酸化マグネシウム(MgO)に使用によって充電式電池の陰極として働く高度に多孔性の材料として硬質炭素の合成に焦点を置いた。
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できるようにMgO基盤の成分を混合するために異なった技術を探索した。多数の実験と理論的解析後に、彼等は最適製造条件とこの種の材料でこれまで最高と報告されている478 mAh/gの性能を持った硬質炭素を製造する成分を解明した。駒場教授は述べている「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性能はほとんど約300 – 350 mAh/gであった。438 mAh/gに近い値が報告されてきたが、それらの材料は1900℃以上の極端な恒温で熱処理を必要としている。対照的に、我々は比較的低い温度のわずか1500℃の熱処理を採用した。」もちろん、低温処理はエネルギー消費量が低く、低コスト、低い環境影響をも意味する。
この新しく開発された硬質炭素電極材料は確かに注目に値し、リチウム・イオン電池の陰極材料として現在使われているグラファイトの性能(372 mAh/g)を大きく優っている。さらに、この硬質炭素陰極を持つナトリウム･イオン電池は理論的に標準のリチウム・イオン電池よりも0.3ボルト低い電圧差で作動するが、前者の高い性能は重量で非常に大きなエネルギー密度(1600 Wh/kg対1430 Wh/kg)を引き出し、その結果＋19％のエネルギー密度増加となる。
結果に興奮し、将来を見据えて駒場教授は一言述べている「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て、高エネルギーナトリウム･イオン電池を実現できることを我々の研究は照明している。我々が開発した極端な高性能の硬質炭素は新しいナトリウム蓄積材料の設計に向けて扉を開いた。」
提案された材料が実際に優れた寿命、入出力特性、そして実際のナトリウム･イオン電池の低温処理を提供することを照明するためにさらなる研究が必要である。運が良ければ、我々は次世代の充電式電池を目撃する寸前かもしれない！
