ナトリウム･イオン電池と塩水電池
Sodium-Ion Battery & Salt-Water Battery
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ナトリウム･イオン電池(ナトリウム･イオン電池、塩水電池)
ナトリウム･イオン電池はすべての蓄電池と同様に、アルカリ金属ナトリウムのイオンを使用して電気エネルギーを貯蔵するために使用される。
広い意味でのナトリウム･イオン電池
ナトリウム･イオン電池は、ナトリウム･イオンを使用して電解液中で電荷を運ぶタイプの電池である。液体ナトリウムと固体電解質を使用する熱電池は、この広い定義に該当する最も重要な変換品である。Zebra電池とナトリウム硫黄蓄電池は、商業環境で使用されているため、より例である。
狭義のナトリウム･イオン電池
リチウム金属電池を備えたリチウム電池を除く、狭義のリチウム・イオン蓄電池と同様に、ナトリウム･イオン蓄電池は、電極内の電荷蓄積にナトリウム･イオンが使用されるように定義される。これにはナトリウム･イオンを使用しない上記の液体ナトリウム電池は含まれない。
ナトリウム･イオン電池は有機または無機の水性電解質を使用して周囲温度で動作する。有機電解質を使用する利点は、水溶液よりも大きな電圧が可能であることである。水性電解質を使用したナトリウム･イオン電池は、塩水電池とも呼ばれる。それらは有機電解質を使用したバージョンよりも安価である。しかし、水性電解質を使用したナトリウム･イオン電池は、有機電解質を使用したナトリウム･イオン電池よりもエネルギー密度が低くなる。
したがって、それらは移動用途にはあまり適していないが、太陽光エネルギーの家庭用貯蔵ユニットなどの固定蓄電池として提供される。ナトリウム･イオン蓄電池は、二酸化コバルト蓄電池よりも安全である。
ナトリウム･イオン電池のその他のメリット
ナトリウムはリチウムよりも安価で、世界中で大量に見つかる。これにより、電池の製造に使用される原材料が安くなる。塩化ナトリウムは、体積の点で海水の中で2番目に多い成分である。海塩の抽出と地下鉱床の採掘はどちらも何世紀にもわたって確立されてきた。
カリウム塩の抽出など、他の採掘プロセスの副産物としても大量のナトリウム塩が生成される。さらに、ナトリウム･イオン電池の一部の設計では、銅、コバルト、ニッケルを除去できる。
例えば、初期評価では、ナトリウム・イオン技術はリチウム・イオン技術よりも安価であることが示された。ナトリウム･イオン電池は、豊富で安価な材料を使用しているため、風力や太陽エネルギー用の定置型蓄電池発電所など、電池の重量が重要でないエネルギー貯蔵用途に有望な電池設計と考えられている。
ナトリウム電池も持続可能性と取り扱いの点で有利な代替品である。さらに、セルはリチウム電池と同じ設備で製造できる。
金属ナトリウムを使用した熱電池
これらはナトリウム･イオンを輸送するために固体電解質(ナトリウム-β-アルミン酸塩タイプ)を使用する。固体電解質の導電率は十分に高い温度でのみ十分に高くなるため、電池は高温に維持する必要がある。この目的のために、負極端子側は安価な液体ナトリウム、正極端子側はナトリウム硫黄蓄電池では硫黄、ゼブラ電池(＝ナトリウム塩化ニッケル蓄電池)では塩化ニッケルで構成できる。安価な電極とは対照的に、固体電解質は比較的高価である。
塩水電池
水性電解質を使用したナトリウム電池
このタイプの蓄電池は塩水電池などの名称で販売されている。このタイプの蓄電池の特別な特徴は、ほとんどの蓄電池、特にリチウム・イオン蓄電池のグループとは異なり、深放電に耐性があり、損傷することなく最終放電電圧0 Vまで放電できることである。
水性ナトリウム･イオン蓄電池のエネルギー密度は1リットル当り12～24ワット時で、鉛酸またはリチウム・イオン蓄電池のエネルギー密度よりもはるかに低く、定置システムでは問題にならないが、モバイル用途向けには不適切である。また、サイクル安定性も低くなる。
除去可能な容量は、放電電流に大きく依存する。したがって、このようなナトリウム･イオン電池は、低電流から中電流を必要とするが、長時間にわたって使用する用途に適している。
有機電解質を使用したナトリウム･イオン電池
現在、精力的に研究が進められている有機電解質を用いたナトリウム･イオン蓄電池のグループでは、アノード、カソード、電解質の材料として多種多様な者が提案されている。これにより、さまざまな蓄電池パラメーターにつながる多くの組み合わせが考えられるが、その中で最も重要なのはセル電圧である。リチウム・イオン蓄電池と同様に、ナトリウム･イオン蓄電池用に最も一般的に提案されている電解質は、6フッ化リン酸ナトリウムPF6-などのナトリウム塩の溶液である。過塩素酸ナトリウムは学術研究でよく使用されるが、爆発の危険があるため商業目的には適していない。
溶媒は通常、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどのさまざまな有機カーボネートの二成分または三成分混合物から構成される。所望の特性に応じて、短鎖エーテルも使用されることがある。グラフェンの形の炭素は、アノード材料として使用される材料の1つである。原理的には金属ナトリウムをアノード材料として使用できるが、アルカリ金属は電解液中の物質によって化学的に攻撃される。リン酸塩や二リン酸塩などのナトリウム･イオンを含むさまざまな材料が、カソード材料として研究されている。例えば、リン酸鉄ナトリウムなどが挙げられる。
使用される材料に応じて、セル電圧は2～3.5 Vの範囲になる。
ナトリウム･イオン電池の入手可能性
2017年、ナトリウム･イオン蓄電池は経済的には小さな役割しか果たさなかったが、さまざまな形やバリエーションで研究の対象となった。2018年、ナトリウム･イオン蓄電池の地位は、リチウム・イオン蓄電池に比べて製造コストが低く、より大容量でのよりシンプルな設計によるさらなる合理化により、いくらか改善された。
イギリス企業ファラディオンは、イギリス最大の電池メーカーAMTEおよびテスラのサプライヤーであり世界最大の電池メーカーCATLと提携して、電動モビリティ用のナトリウム･イオン電池のプロトタイプを開発した。CATLによると、同社の第一世代ナトリウム･イオン電池は最大160 Wh/kgを達成し、第二世代では最大200 Wh/kgを目標としている。これはリン酸鉄リチウム電池のエネルギー密度とほぼ同等である。同社によると、正極材料にはベルリンブラウ、負極材料には新開発の硬質炭素を採用し、導体箔にはリチウム・イオン電池の銅ではなくアルミニウムを採用している。
後者が可能となるのは、ナトリウムがリチウムとは異なりアルミニウムと反応せず、アルミニウムは銅とは異なりブリッジ(短絡)を形成しないため、蓄電池を損傷することなく深放電できるという利点があるためである。リチウム・イオン蓄電池とは異なり、輸送中の危険物ではない。室温では、蓄電池は15分以内に0～80％まで充電でき、-20℃でも容量の90％を維持できる必要がある。
蓄電池の製造用の材料はすべて安価で大量に入手可能であり(ナトリウム、アルミニウム、ベルリンブルー、カーボンなど)、リチウム・イオン蓄電池の製造と同じ設備を製造に使用できるため、初期価格は77 ドル/kWh、その後の量産では40 ドル/kWh未満になると想定されている。同社によると、第一世代の生産は2023年に開始される予定であるという。
中国の電動スクーター・メーカーNIU Technologiesは、生産コスト削減のため、2023年から最初のモデルにナトリウム･イオン電池を搭載すると発表した。
Hina電池は中国で初めてナトリウム･イオン電池を電気自動車に搭載した電池メーカーとなる。この電動自転車には容量が約25 kWh、エネルギー密度が120 Wh/kgの電池パックが搭載されている。このモデルの航続距離は約250 kmで、3C～4Cの充電速度をサポートしている。電池パックには、エネルギー密度140 Wh/kgの電池セルが使用されている。
