ナトリウムイオン電池のエネルギー密度を飛躍的に向上させる、ハードカーボン負極の合成に成功東京理科大学とNIMS

東京理科大学は2023年11月13日、物質・材料研究機構（NIMS）と共同で、ナトリウムイオン電池などのエネルギー密度を向上させることができる、ハードカーボン負極の合成に成功したと発表した。

ナトリウムイオン電池はリチウムなどの希少かつ高価な元素を使用しないため、次世代電池として注目されている。しかし、ナトリウムイオン電池はリチウムイオン電池と比較して、ナトリウムの原子量が大きいため、正極の容量が小さかったり、Na⁺/Na電位がLi⁺/Li電位よりも0.2～0.3V高いため、電圧低下を招いたりする課題があった。

ナトリウムイオン電池では負極にグラファイトを使用できないため、従来からハードカーボン（難黒鉛化性炭素）が代替材料として使用されてきた。ハードカーボンは、その内部にグラフェンが積層して、その隙間に生じる微細な空孔を使ってナトリウムイオンが自由に出入りすることで負極の役割を果たす。ハードカーボンの容量を増やすためには、この細孔構造を最適化することが必要になる。

同大学らは以前にMgOを鋳型として、高容量のハードカーボンを合成したことを報告している。今回の研究はそれを発展させたものだ。Mgと類似した性能を持つ、Zn、Caを含む塩を出発原料とした鋳型合成を実施。そのそれぞれで、グルコースやグルコン酸塩、酢酸塩の組成比を系統的に変化させながらハードカーボンを合成し、最適化を図った。

その結果、ZnOを鋳型とするハードカーボンで、原料のグルコン酸亜鉛と酢酸亜鉛の組成比を75：25にして合成した場合に、464mAh/gの可逆容量と91.7％の初期クーロン効率の、最も優れた性能を示すことが分かった。

この負極材料を用いてナトリウムイオン電池を作製して計測したところ、リチウムイオン電池に匹敵する、312Wh/kgという非常に高いエネルギー密度を示すことを実証した。さらにカリウムイオン電池でも381mAh/gの高エネルギー密度を示した。

今回の研究は、高いエネルギー密度を示すナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池の実現につながるものであり、希少元素を使わない次世代電池の実現が期待されるという。

ナトリウムイオン電池のエネルギー密度を飛躍的に向上させる、ハードカーボン負極の合成に成功　東京理科大学とNIMS