リチウムイオン電池の4倍の容量を持ち、大幅に安価な新型ナトリウム・硫黄電池が開発された

シドニー大学の研究グループが、リチウムイオン電池よりもはるかに高い容量を持つナトリウム-硫黄（Na-S）電池を開発した。この電池は、製造コストもかなり低く抑えられるとのことだ。

同大学化学・生体分子工学部のShenlong Zhao博士率いるチームは、海水から加工した構成材料の溶融塩混合物を使用することで、コストを大幅に削減した。

リチウムイオン電池の平均価格は、10年以上にわたって下方修正を繰り返してきたが、原材料費の高騰とインフレにより、2022年には7％上昇して151ドル/kWhに達すると予想されている。

「当社のナトリウム電池は、4倍の蓄電容量を持ちながら、コストを劇的に削減できる可能性を持っています。これは、長期的にはコストを削減できるものの、参入に際していくつかの経済的障壁があった再生可能エネルギー開発にとって、大きなブレークスルーとなります」と、Zhao博士はリリースで述べている。

ナトリウム-硫黄（Na-S）電池のコンセプトは50年以上前から存在していたが、主にエネルギー容量が小さく、ライフサイクルが短いため、実用的でないままになっていた。今回、研究者らは、「簡単な熱分解プロセスと炭素ベースの電極を用いて、硫黄の反応性と硫黄とナトリウムの反応の可逆性を向上させた。」と述べている。これにより、室温での容量と寿命が飛躍的に向上したという。

また、Na-S電池は、電子機器やエネルギー貯蔵用として広く使われているリチウムイオン電池と比較すると、毒性が低く、エネルギー強度が高いため、リサイクルが容易で、経済的に製造することができることも利点だ。

研究チームは、この電池の開発において、さまざまな使用シナリオを念頭に置き、「電力網などの大規模な再生可能エネルギー貯蔵システムの代替品となり、運用コストを大幅に削減する」ことを優先させたという。

このような技術は、「より広範なエネルギー安全保障を保証し、より多くの国が脱炭素化へのシフトに参加できるようになる可能性がある」という。

研究チームは、大学の化学工学施設で、実験室規模の電池を作製し、その技術をテストした。次のステップでは、Ahレベルのパウチ電池に使用されている技術を大規模にスケールアップし、商業化する予定だ。

研究の要旨

室温型ナトリウム硫黄電池は、低コストで高エネルギー密度であるため、グリッドスケールの定置用エネルギー貯蔵として高い可能性を持っている。しかし、硫黄の添加量が少ないことや、ポリサルファイドのシャトル効果によるサイクル安定性の低さが、電池の動作容量やサイクル性能を大きく制限している。そこで、2H-MoS2とMo1を原子レベルで分散させた硫黄ドープグラフェンフレームワーク（[email protected]/SGF）を合成し、硫黄を80.9wt.%という高い質量で担持させ、二重活性点正極として使用することに成功した。[email protected]/SGFは、0.1A g-1で1017mAhg-1の高い初期容量と1000サイクル以上の低い容量低下率を示し、前例のないサイクル安定性を示すことが明らかになった。X線吸収分光法、その場放射光X線回折、密度汎関数理論計算などの実験・計算結果から、この統合デュアルアクティブサイトの原子レベルのMoが非局在電子系を形成し、硫黄の反応性、SとNaの反応可逆性を向上させてシャトル効果を大幅に緩和できることが明らかとなった。今回の発見は、高性能デュアルサイトカソードの作製に有効な戦略を提供するだけでなく、その強化メカニズムについて原子レベルでの理解を深めるものだ。