ナトリウムイオン電池がリチウムイオン電池並みのエネルギー密度に、新材料で：研究開発の最前線

東京理科大学と物質・材料研究機構は、ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池用の新たな負極材料である「ZnO鋳型ハードカーボン」を合成することに成功した。

[遠藤和宏，MONOist]

　東京理科大学と物質・材料研究機構（NIMS）は2023年11月13日、ナトリウム（Na）イオン電池やカリウム（K）イオン電池用の新たな負極材料である「酸化亜鉛（ZnO）鋳型ハードカーボン（HC-Zn）」を合成することに成功したと発表した。このHC-Znを負極に使用したナトリウムイオン電池は、現行の商用リチウムイオン電池に匹敵するほど高いエネルギー密度を示している。

LiFePO4系リチウムイオン電池のエネルギー密度に相当

　リチウムイオン電池ではグラファイトを負極材料として使用するが、ナトリウムイオン電池ではグラファイトを負極材料として用いると熱力学的に不安定になるため利用できず、ハードカーボン（難黒鉛化性炭素）が活用されている。

　ハードカーボンはグラフェンがランダムに積層されており、その隙間にはnmサイズの空孔があるため、ナトリウムイオンを可逆的に脱挿入できる。そこで、東京理科大学とNIMSのグループは優れた性能を備える新たな負極材料の創製を目的にハードカーボンの研究を進めてきた。

　今回の研究では、これまで行ってきた酸化マグネシウム（MgO）鋳型ハードカーボンの研究を発展させて、Mgと類似した性質を示すZnやCaを使用することを発案した。さらに、ZnやCaを含む原料の組成比を系統的に変化させたさまざまなハードカーボンを合成し、負極材料としての性能評価を行った。

ZnOを鋳型とするハードカーボンのイメージ［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学、NIMS

　その結果、ZnOを鋳型とするハードカーボンでは、原料のグルコン酸亜鉛と酢酸亜鉛の組成比を75対25にして合成すると、可逆容量が464mAh／gで初期クーロン効率が91.7％になり最も優れた性能を示すことが判明した。

今回開発したナトリウムイオン電池（赤）、研究グループが過去に開発したナトリウムイオン電池（黒）、LiFePO4系リチウムイオン電池（青）の放電容量［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学、NIMS

　この負極材料を使用したナトリウムイオン電池を試作したところ、その電池では312Wh／kgという高いエネルギー密度を示すことが分かった。この値は性能に優れるLiFePO₄系リチウムイオン電池のエネルギー密度に相当する。加えて、ハーフセルのカリウムイオン電池の負極材料として利用しても、381mAh／gという非常に高い値を示すことが明らかになった。

　ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池は資源制約が少なく、将来は環境負荷低減と低コスト化を実現し得る次世代の蓄電池になると期待されている。今回の研究は、高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重要な成果だ。

　なお、今回の研究は、東京理科大学 理学部第一部応用化学科 教授の駒場慎一氏、講師の多々良涼一氏、同大学大学院理学研究科化学専攻の五十嵐大輔氏、田中陽子氏、NIMS エネルギー・環境材料研究拠点 主任研究員の久保田圭氏らのグループが行った。

今回の研究の背景

　ナトリウムイオン電池は、リチウム、コバルトなどの希少で高価な元素を使用しない次世代電池として注目されており、将来はリチウムイオン電池を代替する新たなエネルギー貯蔵材料としての役割が期待されている。

　一方、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リチウムの約3倍と大きくその分正極の容量が小さくなる他、Na+／Na電位がLi+／Li電位よりも0.2〜0.3V高く、電圧低下が生じるなどの課題がある。実用的なナトリウムイオン電池を実現するためには、リチウムイオン電池の性能に匹敵する大容量の電極材料の開発が求められている。

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