ナトリウムイオン二次電池

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ナトリウムイオン二次電池(ナトリウムイオンにじでんち、sodium-ion rechargeable battery)とは、非水電解質二次電池の一種で、電解質中のナトリウムイオン電気伝導を担う二次電池である。正極にナトリウム金属酸化物を用い、負極にグラファイトなどの炭素材を用いるものが想定されている。単にナトリウムイオン電池ナトリウムイオンバッテリーNa-ion電池ともいう。

背景[編集]

1990年にSonyリチウムイオン電池を実用化して以降、この方式のバッテリーの需要は飛躍的に増大し、リチウム資源の長期的な確保に懸念が生じるようになった。今後リチウムの需要が急増すれば、その価格上昇は避けられない。そこで地球上に豊富に存在するナトリウムイオンをベースとしたバッテリーの将来性が近年注目されるようになっている[1]

動作原理・構造[編集]

ナトリウム層状化合物を正極とし、電解液と正極の間でナトリウムイオンが移動することによって充放電が行われる。原理的にはリチウムイオン二次電池のリチウムイオンをナトリウムイオンに置き換えたものに相当する。

正極材料[編集]

ナトリウム層状化合物は実際のところ遷移金属酸化物であり、多くの種類が候補としてあげられるが、コバルトを含むものとした場合、コバルト自体が高価な元素であるためナトリウムイオン電池の利点が損なわれる。そこでコバルトをニッケルに代替したものや、コバルトをマンガンに置きかえた化合物(NaNi0.5Mn0.5O2)などが候補に上がっている。

硫化チタン(TiS2)はリチウムイオン電池にも採用されたことのある正極材であるが、ナトリウムイオン電池においても良好な特性を示す。

近年Na2/3Fe0.5Mn0.5O2 という混合構成で容量増が見込めるとの報告がある[2]

負極材料[編集]

ハードカーボン黒鉛チタン酸化物などが候補に上がる。ハードカーボンは放電によって電圧が変動するためリチウムイオン電池ではあまり用いられないが、比容量に劣るナトリウムイオン電池では有力な候補となる。

1980年代末に昭和電工のグループがナトリウムとの合金を用いたが、エネルギー密度が低下し、また鉛の毒性が懸念されるためその後の例は見られない。スズゲルマニウムビスマスといった金属薄膜を負極材に用いた方式を2000年代半ばに三洋電機のグループによって報告されている。近年、駒場らのグループによってスズのナノ粉末を用い、約500mAh/gの大容量かつ良好なサイクル特性が得られることが見出されている。

2000年代初頭、乱れた構造を持つハードカーボン系の炭素材が電気化学的にナトリウムを吸蔵、放出可能なことが見出され、Dahmらのグループはグルコース由来のハードカーボンを用い約300mA/gが得られたと報告している。2000年代半ばより、水酸基を伴った芳香環をもつ樹脂由来のハードカーボンが好適なことが報告されている。特にカリックスアレーン由来のハードカーボンにおいて約320mAh/gの大きな充放電容量と良好なサイクル特性が両立できることが見出されている。[3]

電解液[編集]

非水系電解質を用いる。炭酸ジメチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどが候補となる。炭酸プロピレン溶媒、もしくは炭酸エチレンとジエチルカーボネートの混合溶媒は優れた特性を示し、100回以上充放電を繰り返しても容量劣化がほとんどない。

電解質[編集]

ナトリウムをベースとした無機塩が選択肢となる。NaPF6やNaTFSAなどが有力視されている。

他、バインダーやセパレータにはポリフッ化ビニリデン(PVdF)などの高分子材料。集電体や外装にはアルミなどの非鉄金属が想定されている。

容量維持率[編集]

50サイクルの充放電で70%以上の容量維持が報告されている[1]

他の二次電池との比較[編集]

ナトリウムイオン電池は主要構成要素が地球上で豊富な金属資源のみで構成できることが最大の利点である。[1]

方式 動作電圧 理論エネルギー密度(Wh/kg) 動作温度 安全性、毒性 コスト
鉛蓄電池 2.0 V 167 室温 有毒
Ni-MH電池 1.2 V 200 室温
ナトリウム・硫黄電池 2.0 V 750 300℃ 安全性疑問
ナトリウムイオン電池 3.0 V 340(現行型)
600(次世代)
室温 安全性疑問

想定される用途[編集]

ナトリウムイオンは低コストで作成が可能というメリットから、大型電池に適している。電気自動車、風力、太陽光発電などの再生可能エネルギー蓄電、余剰電力の蓄電など、スマートグリッド社会における重要なインフラとなる可能性を持っている[1]

さらなる改良[編集]

電解質を木材を原料としスズをコーティングした繊維に染み込ませることにより、400回以上の充放電に耐えることがメリーランド大学のグループから報告されている[4][5]

製造工程[編集]

活性の高いナトリウムの反応を抑えるため、生産工程には -80℃以下のグローブボックスが必要とされ、設備上の課題がある[6]

脚注[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]