リチウム電池の開発は、地球上に貯蔵されているリチウム金属の量の継続的な減少につながるでしょう。 さらに、リチウム金属を収集、精製、電池に加工するプロセスは環境汚染を引き起こし、日常生活で大量の飲料水とエネルギーを消費します。 対照的に、ナトリウムとカリウムはリチウムよりも埋蔵量が多く、入手が容易なため、ナトリウム電池とカリウム電池が次世代電池の主流となっています。

東京理科大学（TUS）の駒場真一教授率いる研究チームは、ナノ構造の「ハードカーボン」（HC）の新しい合成戦略を用いて電極を作製し、ナトリウム電池（NIB）とカリウム電池（KIB）を製造している。バッテリー性能が大幅に向上しました。 新しい発明は11月9日に「」に掲載されました。先進的なエネルギー材料》雑誌（先端エネルギー材料）。

「ハードカーボン」はナトリウムイオン（Na+）を電気化学的に蓄えることができるため、ナトリウムイオン電池の負極材料として有望です。 ハードカーボンは、グラフェンやダイヤモンドなどの他の形態のカーボンとは異なります。 透明な結晶構造を持たず、アモルファスカーボン構造を持っています。 しかし、それは強くて耐久性があり、高温ではより大きな細孔がたくさんあります。 電気化学的にも使用でき、モジュールにはリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属が貯蔵されます。

この特性に基づいて、駒場教授らは2021年初めにこの材料の研究を開始する予定です。彼らは合成条件を改善し、ナトリウム電池の容量を増加させるためにナトリウム貯蔵構造を最適化しました。

彼らは、内部の最終的なナノ構造を変更するためのテンプレートとして酸化マグネシウム (MgO) を含む「ハードカーボン」を使用しました。 この改質プロセスにより酸化マグネシウムが除去され、炭素電極にナノ細孔が形成されます。 これにより、ナトリウムイオンを貯蔵する電極の能力が大幅に向上し、この電池の可逆容量（可逆電池容量）が向上します。

これに触発されて、実験チームは、二酸化ケイ素（SiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、炭酸カルシウム（CaCO3）もハードカーボン電極のナノテンプレートとして使用できるかどうかも調査し、最終的なナノ構造を変更してハードカーボン電極を作成した。 それらは内部で形成されます。

実験者らはこれらの化合物を600℃に予熱して材料を熱分解させ、マスターナノポアテンプレートとして機能するカーボンと無機粒子の複合体に変換させた後、それらを塩酸に浸してカーボン表面上の余分な無機粒子を除去した。 。 、さらに穴が残ります。

最後に、それを不活性ガスに浸して1,400℃まで加熱し、炭素を「ハードカーボン」に変換し、閉じたナノ細孔を形成しました。 高温により他の酸化金属が蒸発し、良好なナノ細孔を備えたハードカーボンが残りました。 。 最後に、炭素熱還元反応により、金属ナトリウムが閉じたナノ細孔に組み込まれます。

結果は、酸化亜鉛によって生成されたナノ細孔は、酸化マグネシウムによって生成されたナノ細孔よりも大きく、優れていることを示しています。 最悪の影響は炭酸カルシウムです。金属カルシウムの沸点は 1400°C を超えるため、熱処理中に完全には蒸発せず、酸化カルシウム (CaO) または炭酸カルシウム (CaCO3) の形で現れます。 ）。

さらに、出発原料として「グルコン酸亜鉛」と「酢酸亜鉛」を３：１の割合で混合し、酸化亜鉛のハードカーボン型を作成すると、金属亜鉛が含まれるだけでなく、酸化亜鉛の含有量も増加します。ナトリウム電池の可逆容量は 464 mAh/g に増加しました。

この静電容量は炭化ナトリウム（NaC）の可逆静電容量と同等であり、初回放電効率が91.7%と高く、平均電位が0.18Vと低く、200回の充放電サイクル後も初期容量の93%を維持します。

研究チームは、ナトリウム電池の負極として最適化された「ハードカーボン」を使用した。 この強力な電極材料は実際のバッテリーに組み込まれており、バッテリー全体のエネルギー密度は 312 Wh/kg に達します。 実験結果は非常に重要です。

さらに、実験者が酸化亜鉛のハードカーボンモデルをカリウム電池に使用して実験したところ、381mAh/gの可逆容量も示され、酸化亜鉛からなるハードカーボン材料がカリウム電池にも使用できることがわかりました。

同チームは、フルサイクルの電池寿命や大容量ニッケルフリー正極の点ではまだ課題はあるものの、酸化亜鉛製のハードカーボン材料の使用により電池容量の増加と初期放電効率の向上に成功したと述べた。 、ナトリウム電池の生産だけでなく、リチウム電池に匹敵するエネルギー密度を持ち、黒鉛の代替として期待されています。

また、無機ナノ粒子を使用してハードカーボン電極の細孔構造を制御することは、ナトリウム電池を電気自動車、3C電子製品、さらには将来的には風力や太陽光による電力の貯蔵にも使用できるようにする良い方法であるとも述べた。 。

駒場教授彼は学校の通信社に語った。「新しいナトリウム電池から得られたエネルギー密度の値は、現在市販されている一部のリン酸鉄リチウム（LiFePO4）電池やリチウムグラファイト電池のエネルギー密度の値と同等です。また、この結果が従来のナトリウム電池で得られた結果よりも高いことも注目に値します。」 2011年に研究所で生産されたナトリウム電池の最初のバッチは1.6倍以上高かった。」

駒場教授は「我々の研究結果は、炭化水素が黒鉛陽極の代替として有望な候補であることを示している」と結論づけた。 ◇

責任編集者：Lian Shuhua#