携帯電話から自動車に至るまで、世界のモバイル電子機器は主にリチウムを含む電池で動いていますが、これは比較的高価です。ナトリウムイオン電池は製造コストが安価ですが、リチウムイオン電池に比べて消耗が早いです。
現在、アメリカと中国の科学者らは、リチウムイオンに近いレベルの性能を発揮する可能性のあるナトリウムイオンベースの電池を開発しており、リチウムに代わる安価で商業的に実現可能な代替品への道を開いている。
この電池の開発における最大の課題は、ナトリウムイオン電池がリチウムイオン電池よりも早く劣化する傾向があることです。O3層金属酸化物でできたカソードにナトリウム結晶が付着し、ナトリウムイオンの流れを阻害することで、電池の動作を低下させます。
この問題の解決策を見つけようとしたのは、ワシントン州立大学を拠点とするチームで、Jianming Zheng (パシフィック・ノースウエスト国立研究所)、Yuehe Lin (WSU)、Pengfei Yan (北京理工大学)、Xiaolin Li (パシフィック・ノースウエスト国立研究所) が率いていた。
彼らは最終的に、ナトリウムイオンの濃度が高い液体電解質を考案しました。これにより、不活性結晶の蓄積が防止され、1,000サイクル後でもセルの充電容量の80パーセントを維持できるようになりました。
新しいセルは、従来のナトリウムイオンセル設計よりも容量が高く、寿命が長いことが確認されただけでなく、リチウムイオンに近いレベルに達することもできました。
「我々の研究は、ナトリウムイオンが一部のリチウムイオンの化学的性質と同等に優れ、より競争力と用途が広くなる可能性があることを示した」とローレンス・バークレー研究所を拠点とする論文の共著者であるジュンフア・ソン氏はレジスター紙に語った。
「十分な資金があれば、5年以内に実用可能な高エネルギーで長サイクル寿命のナトリウムイオン電池を実現できると期待しています。」
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ソン氏は、材料の入手しやすさや抽出コスト以外にも、リチウムよりもナトリウムを使用する利点はあるかもしれないが、例えばナトリウム発電セルの方が安全だとか、環境に優しいなどと言うのは時期尚早だと説明した。
「バッテリーは本質的に電極材料だけではなく、多くの要素が関わる複雑なシステムであるため、環境への配慮は多くの要因に依存します」と彼は説明した。
ナトリウムは、資源の豊富さと入手しやすさから、地質学的に制約のあるリチウムと比較して、採掘時の環境への悪影響が少ないという点で、環境への優しさという点で確かに優れています。環境への優しさと同様に、安全性は多くの要素（材料、電解質、セル構造など）に依存しており、ナトリウムイオン電池の安全性の側面に取り組むための、より体系的な研究が進行中です。
そのため、ソン氏は、ナトリウムイオン電池の開発における次のステップでは、正極と負極の材料、および電解質内での実際の反応プロセスを調査することになると指摘した。
チームの論文「高性能ナトリウムイオン電池用O3層金属酸化物カソードの表面相転移と化学反応性の制御」がACS Energy Letters誌に掲載されました。
4 名の主執筆者に加え、チームには Junhua Song (パシフィック・ノースウェスト国立研究所、現在はローレンス・バークレー国立研究所)、Kuan Wang (北京理工大学)、Mark Engelhard (パシフィック・ノースウェスト国立研究所)、Biwei Xiao (パシフィック・ノースウェスト国立研究所)、Enyuan Hu (ブルックヘブン国立研究所)、Zihua Zhu (パシフィック・ノースウェスト国立研究所)、Chongmin Wang (パシフィック・ノースウェスト国立研究所)、Manling Sui (北京理工大学)、David Reed (パシフィック・ノースウェスト国立研究所)、および Vincent L. Sprenkle (パシフィック・ノースウェスト国立研究所) も参加しました。®
