革新的な正極材料により高効率を実現

科学者は、ナトリウムイオン電池用のナトリウム遷移金属酸化物ベースの正極材料の空気/水に対する不安定性および構造的かつ電気化学的な不安定性への対処において大きな進歩を遂げました。 これらの新たな開発により、優れた電気化学的サイクル安定性を示し、空気や水にさらされても安定した状態を保つ、安定した高性能カソード材料が生み出されました。 このブレークスルーは、家庭用電化製品、グリッドエネルギー貯蔵、再生可能エネルギー貯蔵、電気自動車など、さまざまな用途向けのコスト効率が高く持続可能なエネルギー貯蔵システムの開発にとって極めて重要です。

環境への懸念からバッテリー駆動の電気自動車の重要性が高まっているため、リチウムイオンを超えた、費用対効果が高く、安全で持続可能なアルカリ金属イオンバッテリーシステムの開発が不可欠です。 特にインドは豊富なナトリウム源を有しており、今後のナトリウムイオン電池システムはインドの状況において非常に重要なものとなっている。 ナトリウムイオン電池は、充電および放電中に Na イオンの可逆的な挿入および除去を可能にするカソードおよびアノード活物質で構成されています。 これらのセルの性能は、電極の安定性、Na 輸送速度論、およびさまざまな動的抵抗に依存します。

ナトリウムイオン電池には多くの利点がありますが、Naイオン電池システムで広く使用するには、層状Na遷移金属酸化物ベースの正極材料の電気化学的挙動と安定性を改善する必要があります。 安定性が欠如しているため、Na 遷移金属酸化物の取り扱いと保管が困難になり、電気化学的性能に悪影響を及ぼします。 さらに、水に不安定であるため、電極の調製には水ベースのスラリーではなく、N-メチル-2-ピロリドン (NMP) などの有毒で高価な化学物質を使用する必要があります。

IITボンベイのAmartya Mukhopadhyay教授のグループは、環境的に安定した高性能のナトリウムイオン電池用正極の開発において大きな進歩を遂げた。 彼らは、TM-O 結合の共有原子価を調整することで「スラブ間」間隔を導入することにより、これらのカソードの開発を成功させ、広範囲に展開するためのユニバーサル設計基準を提案しました。 共有価数の調整は O イオンの正味電荷に影響を与え、Na 層を横切る O イオン間の反発力だけでなく、Na イオンと O イオン間の静電引力にも影響します。

この研究は、TM-O 共有結合を減らすと Na-O 結合が強化され、空気/水の安定性が向上する一方、TM-O 共有結合が増加すると Na-O 結合が弱まり、Na 輸送速度が強化され、より高い出力密度が可能になることを示しています。 さらに、TM-O 結合の共有原子価を増加させることにより、このグループは Na イオンの柱状 O 配位を安定化し、より高い Na 貯蔵容量と空気/水の安定性の向上を可能にしました。

これらの進歩は実用上非常に重要であり、環境に優しい電極加工法による高性能でコスト効率の高いナトリウムイオン電池システムの広範な開発を促進すると期待されています。