ナトリウムイオン電池の実用化を目指す――粉末ナトリウムを添加して充放電性能を改良

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米パデュー大学の研究チームは、ナトリウムイオン電池の特性を維持する技術を開発したと発表した。ナトリウム粉末を作成し電極にあらかじめ添加することで、より安定で高容量の電池の製造が期待できる。研究成果は2018年8月31日付けの『Journal of Power Sources』に掲載されている。

今日の2次電池の多くは、リチウムイオン電池で、その需要は増大し続けている。リチウム資源の枯渇の懸念が指摘される中、近年、ナトリウムイオン電池の開発が注目されている。ナトリウムは地球上に豊富にあり、とても安価だ。金属ナトリウムは反応性が高く、空気中の水分にも反応して燃焼するので取り扱いには注意が必要だが、金属リチウム同様、この性質は制御不能ではない。

しかし、充放電に伴う電池容量の低下という課題がある。ナトリウムイオンは充電時にアノード上でSEI(solid electrolyte interface:固体電解質界面)を形成する。電極保護膜として作用するSEIの形成はある程度許容できるが、SEIの蓄積が進むと充放電に必要なナトリウムイオンを消費してしまうのだ。

そこで研究チームはSEI形成によるナトリウムイオン損失を補うため、アノードまたはカソードにあらかじめナトリウム粉末を添加する手法を開発した。電池製造工程の変更もわずかで済むという。

ナトリウムの反応を抑えるため、アルゴンガスを満たした容器の中で、ナトリウム粉末を作成した。まず、超音波を使いナトリウムの塊を溶かして薄紫の液体にする。冷却して粉末にした後、ヘキサン溶液中で懸濁させた液体を電極に添加した。

グルコース由来のカーボンGC1100を用いた単極実験では、ナトリウム添加により初回充電サイクルの不可逆クーロン効率が19.3%から8%へ減少した。GC1100とNaCrO2の両極実験では、容量のサイクル特性が約10%改善し、エネルギー密度が約5%向上することを確認した。

研究チームは「今回の研究は、ナトリウムイオン電池の技術を産業へ発展させる可能性がある」と語る。太陽光発電や風力発電施設において、エネルギー貯蔵の低コスト化が期待される。

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