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画期的な新素材が手頃な価格で持続可能な未来を手近なものに

UH(ヒューストン大学)はナトリウム電池の改良に取り組む国際チームの一員である。

A New Era for Batteries: Argonne Leads $50M Sodium-Ion Innovation Push

By Rashda Khan

https://uh.edu/    2024.12.20

 

　リチウム・イオン電池はスマートフォンやパソコンから電気自動車まであらゆるものに採用されている技術であるが、リチウムは比較的希少で高価で入手が難しく、地政学的配慮から近いうちに危険にさらされる可能性があるため、将来に対する懸念が高まっている。世界中の科学者達が実行可能な代替品の開発に取り組んでいる。

　ヒューストン大学のカネパ研究所を含む学際的な研究者の国際チームは、ナトリウム電池の効率を高め、エネルギー性能を向上させる新しいタイプの材料を開発した。これは、より持続可能で手頃なエネルギーへの未来への道を開くものである。

　この新素材は、化学式NaxV2(PO4)3のリン酸バナジウム・ナトリウムで、エネルギー密度(1 kg当たりに蓄えられるエネルギー量)を15％以上高めることでナトリウム･イオン電池の性能を向上させる。エネルギー密度が458 Wh/kgと、従来のナトリウム･イオン電池の396 Wh/kgより高くなったこの素材により、ナトリウム技術はリチウム・イオン電池に匹敵するレベルに近づいた。

　「ナトリウムはリチウムより50倍近く安く、海水から採取することもできるため、大規模なエネルギー貯蔵にとってはるかに持続可能な選択肢となる。」とハワイ大学のRobert Welch電気・コンピュータ工学助教授でカネパ研究所の主任研究員であるPieremanuele Canepaは言う。「ナトリウム･イオン電池はより安価で製造が容易なため、リチウムへの依存を減らし、世界中で電池技術をより利用しやすくなる可能性がある。」

 

理論から現実へ

　クリーン･エネルギー技術の進歩に役立つ新しい材料や分子を発見するために理論的専門知識と計算手法を使用するカネパ研究所は、フランスのアミアンにあるピカルディ・ジュールヴェルヌ大学のCNRS研究所の一部であるLaboratoire de Reáctiveté et de Chimie des Solidesのフランス人研究者Christian MasquelierとLaurence Croguennecが率いる研究グループ、およびフランスのボルドーにあるボルドー大学凝縮材料化学研究所と共同で、このプロジェクトの実験作業を行なった。これにより、理論モデルを実験的に検証することができた。

　研究者達は新しい材料NaxV2(PO4)3を使用した電池のプロトタイプを作成し、エネルギー貯蔵の大幅な改善を実証した。「Na超イオン伝導体」またはNaSICONと呼ばれるグループの一部であるNaxV2(PO4)3は、充電および放電中にナトリウム･イオンが電池内外にスムースに移動できるように設計されている。

　既存の材料とは異なり、ナトリウムを処理する独自の方法があり、単相システムとしても機能する。つまり、ナトリウム･イオンを放出または吸収しても安定した状態を維持する。これにより、NaSICONは充電および放電中に安定した状態を維持しながら、金属ナトリウムに対して3.5 Vの連続電圧を供給できる。これは既存の材料の3.37 Vよりも高い電圧である。

　この差は小さいように見えるかもしれないが、電池のエネルギー密度、つまり重量に対して蓄えられるエネルギー量が大幅に増加する。効率の鍵となるのはバナジウムである。バナジウムは複数の安定状態で存在できるため、より多くのエネルギーを保持および放出できる。

　「電圧を連続的に変化させることが重要な特徴である。」とCanepaは言った。「これは電極の安定性を損なうことなく、電池の性能を向上できることを意味する。これはナトリウム技術にとって画期的なことである。」

 

持続可能な未来への可能性

　この研究の影響はナトリウム･イオン電池だけにとどまらない。NaxV2(PO4)3の作成に使用された合成方法は、同様の化学的性質を持つ他の材料にも適用でき、高度なエネルギー貯蔵技術の新たな可能性を切り開くことができる。その結果、より手頃な価格で持続可能な電池から装置に電力を供給する電池まで、あらゆるものに影響を与え、よりクリーンなエネルギー経済への移行を後押しする可能性がある。

　「我々の目標は、クリーンで持続可能なエネルギー貯蔵解決策を見付けることである。」とCanepaは語った。「この材料は、ナトリウム･イオン電池がコスト効率が良く環境に優しい一方で、現代の技術の高エネルギー需要を満たすことができることを示している。」

　この研究に基づく論文は、Nature Materials誌に掲載された。Canepaの元学生で現在はノースウエスタン大学の博士研究員であるZiliang Wangとフランス人研究者の元教え子で現在は韓国のサムスンSDIのスタッフ・エンジニアであるSunkyu Parkが、このプロジェクトの研究の多くを遂行した。