ナトリウムイオン電池に水を保持することでエネルギー蓄積がほぼ2倍に増加

電池化学における直感に反した突破口

長年にわたり、電池メーカーは水を敵として扱ってきました。充電式電池の製造プロセスでは、通常、電極材料を高温で慎重に乾燥させて、湿気の痕跡をすべて除去します。しかし現在、University of Surrey の研究者たちは、グリッドスケールのエネルギー貯蔵の経済学を変える可能性のある発見で、その仮説を根本的に覆しました。

チームは、ナトリウムイオン電池の正極材料内に水分子を保持することで、同じ材料の脱水版と比較して、エネルギー蓄積容量がほぼ2倍になることを発見しました。Journal of Materials Chemistry A に発表された調査結果は、業界の標準的な電池製造アプローチが大幅なパフォーマンス向上をもたらす可能性を見過ごしていた可能性があることを示唆しています。

「この材料は予想以上に強力なパフォーマンスと安定性を示しました」と、University of Surrey の主任研究者 Daniel Commandeur は述べています。この発見は、ナトリウムイオン電池への有望な道を開きます。これらは、コストと持続可能性における魅力的な利点を提供しているにもかかわらず、リチウムイオン同等品のエネルギー密度に匹敵するのに長年苦労してきました。

水がナトリウムイオンのパフォーマンスを飛躍的に向上させる仕組み

改善の背後にあるメカニズムはエレガントにシンプルです。研究で使用された正極は、nanostructured vanadate hydrate（NVOH）で構成されていました。水分子が材料の結晶構造に埋め込まれたままである場合、正極内の層がわずかに拡張されます。この拡大されたスペーシングは、充放電サイクル中にナトリウムイオンが出入りするための追加のスペースを作成します。

倉庫の通路を広げるようなものと考えてください。移動するためのより多くのスペースがあれば、ナトリウムイオンはより自由に、より多くの数で流れることができ、正極がサイクルごとにより多くの電荷を受け入れて放出することができます。水分子は本質的に構造的な柱として機能し、正極の層状アーキテクチャを開いたままにして保持し、繰り返されるサイクル中に崩壊するのを防ぎます。

水和正極材料で構築されたテスト用電池は、400回以上の充放電サイクルで安定性を維持し、水が時間経過に伴って電極を劣化させたり不安定にしたりしないことを実証しています。NVOH材料は現在、ナトリウムイオン電池の最高性能の正極材料の中で考慮されており、これは研究者と業界が固定式貯蔵用途のためのリチウムイオンの補完として益々注目している技術の一種です。

ナトリウムイオン電池が重要である理由

リチウムイオン電池は充分な理由で充電式電池市場を支配しています。これらは莫大なエネルギーを小型で軽量なパッケージに詰め込み、スマートフォン、ラップトップ、および電気自動車に理想的です。しかしリチウムには欠点があります。この元素は少数の国に集中しており、採掘には膨大な水が必要であり、リチウム供給チェーンの地政学的な複雑さは政府とメーカーの両方にとって深刻な懸念事項になっています。

対照的に、ナトリウムは地球上で最も豊富な元素の1つです。これは海水からリチウム採掘のコストの一部で抽出でき、ナトリウムイオン電池は一般に操作がより安全で、熱暴走と火災のリスクが低くなります。これらの利点は、重量とサイズがコスト、安全性、サプライチェーンの弾力性よりも重要でない大規模グリッド貯蔵に特に魅力的なナトリウムイオン技術を実現しています。

常に問題だったのはエネルギー密度です。ナトリウムイオン電池は、リチウムイオンセルよりも単位重量または体積あたりはるかに少ないエネルギーを蓄積し、実用的な応用を制限しています。Surrey チームの発見は、正極容量をほぼ2倍にすることで、そのギャップを埋める方向に意味のあるステップを取ります。

ボーナス発見：淡水化の可能性

予想外の展開で、研究者は水和正極材料が淡水化電極として効果的に機能することも発見しました。電気化学淡水化設定で使用する場合、NVOH材料は水から塩を除去しながら同時にエネルギーを蓄積できます。この二重目的の機能は、沿岸コミュニティの淡水化プラントと統合でき、海水から蓄積されたエネルギーと淡水の両方を生成する可能性のある電池システムの魅力的な可能性を高めます。

そのようなアプリケーションはまだ推測の域ですが、この発見は従来の電池使用を超えた材料のより広い可能性を示唆しています。きれいな水と信頼できるエネルギー貯蔵の両方が重要な課題である地域では、両方の課題に同時に対処する技術は変革的であることが証明される可能性があります。

商業化への道

この発見の直接的な影響は、成長しているナトリウムイオン電池産業にとって最も重要です。CATL や HiNa Battery を含む中国の企業は、電気自動車とグリッド貯蔵用のナトリウムイオンセルの商用生産をすでに開始しています。水和正極アプローチをスケールアップして既存の製造プロセスに統合できれば、リチウムイオン代替品に対してナトリウムイオン技術の競争力を大幅に向上させる可能性があります。

このアプローチの簡潔さは特に励みになります。奇想天外な新しい材料や複雑な製造技術を必要とするのではなく、改善はより少なく行うことから、特に正極生産で標準的な慣例である省エネ的な乾燥ステップをスキップすることから生まれます。これはより良いパフォーマンスと低い製造コストの両方をもたらす可能性があり、電池研究では珍しい組み合わせです。

世界が再生可能エネルギーグリッドをサポートするために必要なエネルギー貯蔵インフラストラクチャを構築することに競争しているため、手頃な価格でスケーラブルな電池技術が重要になるでしょう。Surrey チームの仕事は、より良い電池への答えが、メーカーが非常に慎重に除去してきた水の中に、ずっと平然と隠れていた可能性があることを示唆しています。

この記事は New Atlas の報道に基づいています。元の記事を読む。