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、加工して電池に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。 これに対し、ナトリウムやカリウムはリチウムに比べて埋蔵量が多く、入手も容易なため、次世代電池の主流となることが期待されています。

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）を合成して電極を作製し、ナトリウム電池（NIB）とカリウム電池（KIB）を製造する新しい戦略を採用した。 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。先端エネルギー材料》（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。 明確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ます。 リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属を貯蔵します。

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実施する予定だ。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た。

彼らは、酸化マグネシウム（MgO）をテンプレートとして使用した「ハードカーボン」を使用して、内部の最終的なナノ構造を修正しました。 この変化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、電極のナトリウムイオン貯蔵能力が大幅に向上し、この電池の可逆容量（電池の可逆容量）が向上します。

これに基づいて、実験チームは、二酸化ケイ素 (SiO2)、酸化亜鉛 (ZnO)、および炭酸カルシウム (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を調査し、最終的なナノ構造を変更してハードカーボン電極を製造できるかどうかを調査しました。 内部に新しいナノ細孔が形成されます。

実験者らはこれらの化合物を600℃に予熱し、材料を熱分解させて炭素と無機粒子の複合体に変換させ、これが主要なナノ細孔モデルとして機能した。 次に、それらを塩酸に浸して、カーボン表面の余分な無機粒子を除去しました。 。 、さらに穴が残ります。

最後に、それを不活性ガス中に入れて1,400℃に加熱すると、炭素は「ハードカーボン」に変化し、閉じたナノ細孔が形成されました。 高温により他の酸化金属が蒸発し、良好なナノ細孔を持つ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って金属ナトリウムが閉じたナノポアに組み込まれます。

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。 金属カルシウムの沸点は1400℃を超えるため、熱処理中に完全に蒸発せず、酸化カルシウム（CaO）または炭酸カルシウム（CaCO3）の形で存在するため、最も悪い影響を与えるのは炭酸カルシウムです。 ）。

また、酸化亜鉛のハードカーボンモデルを作る出発原料として「グルコン酸亜鉛」と「酢酸亜鉛」を３：１の割合で混合すると、金属亜鉛だけでなく、ナトリウム電池の可逆容量が増加し、464 mAh/g に増加しました。

この容量は炭化ナトリウム (NaC) の可逆容量に相当し、91.7% という高い初期放電効率と 0.18 V という低い平均電位を備えています。200 回の充放電サイクル後でも、初期容量の 93% を保持しています。 。

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バッテリー自体に統合されており、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、実験者がカリウム電池の酸化亜鉛ベースのハードカーボンモデルを実験に使用したところ、381 mAh/g の可逆容量も示されました。これは、酸化亜鉛ベースの材料であるハードカーボンが酸化亜鉛ベースのハードカーボンモデルでも使用できることを証明しています。カリウム電池。

研究チームは、バッテリーの完全な寿命とニッケルフリーの大容量正極という点ではまだ課題があるものの、酸化亜鉛ベースのハードカーボン材料の使用によりバッテリーの容量を増加させ、初期の効率を向上させることができたと述べた。放電によりナトリウム電池を作るだけでなく、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や3C電子製品に使用でき、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。 。 。

駒場教授学校の通信社に語った「新しいナトリウム電池で得られる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、この結果は当社の結果よりも高いことに注意してください。」製造されたナトリウム電池の最初のバッチは 1.6 倍以上でした。

駒場教授は次のように結論づけています。「私たちの研究結果は、炭化水素が黒鉛陽極に代わる有望な候補であることを証明しています。 » ◇

編集長: リアン・シュファ#