【次世代電池】ナトリウムイオン電池(ソディウムイオン電池)とは?反応や特徴、メリット、デメリットは?

【次世代電池】ナトリウムイオン電池(ソディウムイオン電池)とは?反応や特徴、メリット、デメリットは?

 

スマホ向けのバッテリーや電気自動車向けバッテリーを始めとして採用されているリチウムイオン電池において、更なる高容量化、高電圧化、高エネルギー密度化に向けて、各企業で様々な研究開発が進められています。

 

リチウムイオン電池の改良が進むとともに、次世代電池であるナトリウムイオン電池(ソディウムイオン電池)の研究開発も徐々に盛んになりつつあります。

 

それでは、ナトリウムイオン電池の反応・動作原理(仕組み)・特徴、メリット、デメリットはどのようなものなのでしょうか。

 

ここではナトリウムイオン電池に関する以下の内容について解説していきます。

 

・ナトリウムイオン電池とは?リチウムイオン電池との違いは?

 

・ナトリウムイオン電池のメリット(特長)は?

 

・ナトリウムイオン電池のデメリット(課題)は?

 

・ナトリウムイオン電池の材料・反応・仕組み(動作メカニズム)・構造は?

 

・ナトリウムイオン電池の作り方(製造方法)は?

 

というテーマで解説しています。

 

 

ナトリウムイオン電池とは?リチウムイオン電池との違いは?

全固体電池について解説する前に、全固体電池と最も関係が深いと言えるリチウムイオン電池の構成を簡単について解説します。

 

リチウムイオン電池は、正極、負極、セパレータ、電解液、ケース等から構成され、以下のように構成されます(各部材の役割等はこちらで解説しています)。

 

一般的なリチウムイオン電池では、正極活物質にコバルト酸リチウムマンガン酸リチウムリン酸鉄リチウムを使用し、負極活物質には黒鉛やチタン酸リチウムを使用することが一般的であり、下記ではコバルト酸リチウム、黒鉛を採用した場合のリチウムイオン電池の構成概要を解説しています。

 

 

 

これに対して、ナトリウムイオン電池では言葉の通り、リチウムイオンではなくナトリウムイオンが反応に関与しています

 

つまり、電解液を移動するイオンが異なることがナトリウムイオン電池とリチウムイオン電池との大きな違いです

 

以下のようなイメージです。

 

※※

 

移動するイオンが異なるということは、使用している正極材や負極材の組み合わせも変化します。

 

つまり、ナトリウムイオン電池の正極材にはナトリウムイオンを供給する材料が使用され、負極剤にはナトリウムイオンをスムーズに受け取ることができる材料が採用されるのです(具体的な材料については後程解説しています)。

 

他の構成部材はリチウムイオン電池と似たような材料を使用する傾向にあり(高い作動電圧、高容量、反応の仕組みが似ていること)、各イオンが移動することで電荷が移動できることは同じです。

 

それでは、ナトリウムイオン電池を使用することでどのようなメリット、デメリットがあるのでしょうか?

 

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ナトリウムイオン電池のメリットは?

ナトリウムイオン電池のメリットには以下の項目が挙げられます。

 

ナトリウム資源量は非常に豊富であること

 

リチウムイオン電池の反応に関与するリチウムイオンですが、そもそものリチウム金属(Li)はレアメタル(希少金属)であるため存在する資源量が少ないです。

 

そのため、今後リチウムイオン電池や全固体電池がより普及し始め、あらゆる場所に使用されるとなると状況によってはリチウムの枯渇の可能性もあります。

 

一方で、ナトリウムは海水にナトリウムイオンが含まれることなどからもわかるように、資源量が非常に豊富です

 

そのため、いくらナトリウムイオン電池が普及したとしても資源が足りなくなることがまず無くなります。

 

以下の通りです。

 

※※リチウムとナトリウムの埋蔵量の比較グラフ。

 

そのためナトリウムイオン電池の普及によりレアメタルフリー(希少金属フリー)の社会の実現に一歩近づくといえます。

 

リチウムイオン電池と同等とまではいかないが高電圧作動すること

 

また、後程ナトリウムイオン電池の充放電曲線でも解説しますが、ナトリウムイオン電池ではリチウムイオン電池と同等とまではいかないですが3V級という高電圧で作動します(リチウムイオン電池でも正極材にリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン電池であったら3V級で同等といえます)

 

以下はナトリウムイオン電池の充放電曲線の一例のイメージです。

 

※※

 

コストを低減できること

 

先にも述べたようにナトリウムは一般的な金属であり埋蔵量も非常に多いため、ナトリウムを含む正極材のコストがリチウムイオン電池の正極材よりも安くなる傾向にあります。

 

また、リチウムイオン電池では負極に銅箔(Cu)を使用することが基本であり、より安い材料であるアルミ箔(Al)は使用できません。

 

これは約0.6V vs Li+/Li 付近かたLiAl合金を形成し、基材箔が溶けてしまうためです。

 

一方でナトリウムイオン電池では、充電時に負極でナトリウムとアルミニウムとの反応が起こらないためAl箔が使用できるのです

 

そのため、リチウムイオン電池よりもコストを低減できることもナトリウムイオン電池のメリット(特長)といえます。

 

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ナトリウムイオン電池のデメリット(課題)は?

 

このようにメリットも多くあるナトリウムイオン電池ですが、普及させるためにはまだまだ解決すべき課題が多くあります。

 

ナトリウムイオン電池の欠点について以下で確認していきます。

 

①安全性が低いこと

 

いまではリチウムイオン電池の発火事故などが注目される中で、ますます電池の安全性の要求が高まりつつあります(※リチウムイオン電池発火のメカニズムについてはこちらで解説しています)。

 

ただ、ナトリウムイオン電池では、リチウムイオン電池以上に安全性が低いという欠点があります。いまのところ、リチウムイオン電池ほど「材料や電極構造の技術革新が進んでいない」ということも危険性が高い理由の一つです。

 

ただ、「ナトリウム金属が析出時に非常に活性であるため発火事故につながりやすいこと」「電解液に有機溶媒系の材料を使用すること」などから、リチウムイオン電池と同様に基本的に安全性が低い傾向となるのです。

 

(※この点、全固体電池であったら安全性が高いというポテンシャルも兼ね揃えています)。

 

 

②材料生産の量産技術や電池の製造技術が未発達であること

 

別の「リチウムイオンの次の電池」といえる全固体電池でもいえることですが、新たな製品を生み出す際には、各種構造材料の最適化だけでなく生産性の向上が必須となります。

 

性能が高い材料の合成が実現できたとしてもそれを量産化するにも、研究開発が必要であり、時間と労力を有します。

 

さらに、選定した材料を用いて電池を製造する(量産化する)際にも各種試行錯誤が必要になります(ナトリウムイオン電池の構造、構成については後程解説します)。

 

つまり、リチウムイオン電池などの量産されている電池と比べますと、ナトリウムイオン電池はまだ研究開発が始まったばかりと言えるため、量産までには詰める部分が多々あることが現在の課題です。

 

ただし、先にも述べたようにナトリウムイオン電池はリチウムイオン電池と同等かそれ以上のポテンシャルがある電池であるため、これからますます各企業での研究開発が進んでいくことでしょう。

 

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ナトリウムイオン電池の材料・反応・仕組み(動作メカニズム)・構造は?

 

それでは、いまの段階ではどのような構成や反応によってナトリウムイオン電池が動作しているのでしょうか・

 

ナトリウムイオン電池では、基本的に以下のような材料によって構成されます。基本的にリチウムイオン電池の構成材料をナトリウムに置換してようなものといえます。

 

以下の表の通りです。

 

※※

 

一つずつ内容を確認していきます。

 

正極には、遷移金属の酸化物であるNaFe0.5Mn0.5O2などが使用され、負極には主にハードカーボンが採用されることが多いです。

 

リチウムイオン電池では主に負極活物質に黒鉛(グラファイト)が使用されますが、ナトリウムイオン電池では黒鉛が使用できず、ハードカーボンが選ばれています。

 

電解液の溶媒にはリチウムイオン電池と同様にエチレンカーボネート(EC)にジエチルカーボネート(DEC)やエチルメチルカーボネート(EMC)を混ぜたものが使われます。

 

そして、電解液の塩にはLiPF6のLiをNaに置換したNaPF6などが採用されています。

 

バインダーに関しても多々つめる部分がありますが、PVDFやSBRなどの樹脂材料が使用されます。

 

セパレータもリチウムイオン電池と同様に、主にポリオレフィン系の材料をベースに各種最適化されたものが使用されています。

 

これらの構成部材を用いて以下のような構成でナトリウムイオン電池は動作しています。

 

※※

 

このような構造をとるナトリウムイオン電池ですが、いまのところ代表的な活物質である正極:NaFe0.5Mn0.5O2、負極にハードカーボンを使用した場合の反応式は以下の通りです。

 

※※

 

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トルエン(C7H8)の分子式・構造式・電子式・示性式・分子量は?トルエンの代表的な用途は?
キシレン(C8H10)の分子式・構造式・電子式・示性式・分子量は?キシレンの代表的な用途は?
【材料力学】引張応力と引張荷重(強度)の関係は?引張応力の計算問題を解いてみよう【求め方】
【材料力学】圧縮応力と圧縮荷重(強度)の関係は?圧縮応力の計算問題を解いてみよう【求め方】
化学におけるNMPとは?NMPの分子式・構造式・電子式・示性式・分子量は?NMPと危険物 NMPの沸点は?
化学におけるアミンとは?なぜアミンは塩基性なのか?1級・2級・3級アミンの見分け方
エチレングリコールの分子式・示性式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?反応式は?工業的製法は?
フマル酸・マレイン酸・フタル酸の違いと見分け方(覚え方)
ギ酸(蟻酸)の分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?
シュウ酸(C2H2O4)の分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?
空気比(空気過剰係数:記号m)と理論空気量や酸素濃度との関係 最適な空気比mの計算し、省エネしよう【演習問題】
圧力計・連成計・真空計の違い 測定範囲や使用用途は?
MPa(メガパスカル)とKPa(キロパスカル)の変換(換算)方法 計算問題を解いてみよう
オクタン価とセタン価とは? 計算問題を解いてみよう【演習問題】
カルボン酸では分子内脱水が起こるのか?マレイン酸・フタル酸などのカルボン酸の脱水反応式
乳酸(C3H6O3)の分子式・構造式・示性式・電子式・分子量は?
アミノ酸とは?アルミの酸と鏡像異性体(光学異性体) D体L体とは?アミノ酸とタンパク質の関係(ペプチド結合とは?)
不斉炭素原子とは? 鏡像異性体・旋光性・キラリティーとの関係 RS表記法とDL表記法とは?
ラセミ体とメソ体の違いと見分け方
キラルとアキラルの違いは?
ヒドロキシ酸とは?
親水性と疎水性の違い
ゾルとゲルの違いは?
エナンチオマーとジアステレオマーの違いは?
フィッシャー投影図とニューマン投影図
立体配置と立体配座
アルコールとカルボン酸の脱水によりエステルを生成する反応式 エステル化と加水分解
5員環とは何か?5員環を持つ物質の例【リチウムイオン電池構成部材であるNMPやγブチロラクトン】
ラクトンの定義と合成方法
多価アルコール(ポリオール)とは?
グリセリン(グリセロール)の分子式・示性式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?反応式は?工業的製法は?
イミド・ポリイミド・イミド結合とは?リチウムイオン電池におけるポリイミド
アミド・ポリアミド・アミド結合とは?リチウムイオン電池におけるポリアミド
次亜塩素酸・亜塩素酸・塩素酸・過塩素酸(Clを含むオキソ酸)の分子式(化学式)・構造式は?酸の強弱は?
硫酸・希硫酸・濃硫酸・熱濃硫酸の性質 共通点と違いは?
硫酸・亜硫酸の違いは?
硫酸・亜硝酸の違いは?
グリコールとグリセリンの違いは?
炭酸の分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?炭酸の代表的な反応式は?
分子間脱水と縮合の違いは?
ε(イプシロン)カプロラクタムの分子式・示性式・電子式・構造式は?
チオ硫酸ナトリウムの分子式・構造式・電子式・分子量は?チオ硫酸ナトリウムの代表的な反応式は?
66ナイロンの構造式や反応式は?ヘキサメチレンジアミンと化学式(分子式・示性式・構造式)・分子量は?
アジピン酸の化学式(分子式・示性式・構造式)・分子量は?66ナイロンの構造式や反応式は?
テレフタル酸の構造式・分子式・示性式・分子量は?分子内脱水して無水フタル酸になるのか?
フタル酸の分子内脱水反応と酸無水物の無水フタル酸の構造式
PET(ポリエチレンテレフタラート)の構造式と反応式(テレフタル酸とエチレングリコールの反応)
電離とは?電解質と非電解質の違いは?電気を通すか通さないか
電離度とは?強酸と弱酸の違いと見分け方
電離度とは?強塩基と弱塩基の違いと見分け方
水酸化ナトリウム(NaOH)の性質と用途は?
酸塩基におけるイオンの価数と求め方 価数の一覧付き
1級アルコールをからアルデヒドを経てカルボン酸まで酸化する反応 2級アルコールをケトンまで酸化する反応式
アルコールの脱水反応(分子間脱水と分子内脱水)
ザイツェフ則とアルコールの脱水
二酸化窒素(NO2)の分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?二酸化窒素と水との反応式は?
二酸化ケイ素(SiO2)の分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?イオン反応式は?(コピー)
一酸化炭素(CO)の化学式・分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?炭素の不完全燃焼の反応式は?
二酸化硫黄(SO2)の分子式・構造式・電子式・分子量は?二酸化硫黄の代表的な反応式は?
一酸化窒素(NO)の分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?一酸化窒素と水との反応式は?
塩化アンモンニウム(NH4Cl)の分子式(化学式)・構造式・電子式・電離式・分子量は?塩素とアンモニアの混合で白煙を生じる反応式
水素(H2)の化学式・分子式・構造式・電子式・分子量は?水素の燃焼反応(水の生成)の反応式は?
過酸化水素(H2O2)の化学式・分子式・構造式・電子式・分子量は?過酸化水素の分解の反応式は?
フッ素(F2)の化学式・分子式・構造式・電子式・分子量は?フッ素の水との反応式は?
臭素(Br2)の化学式・分子式・構造式・電子式・分子量は?臭素の水との反応式は?
酸化カルシウム(CaO)の化学式・組成式・構造式・電子式・分子量は?酸化カルシウムの水との反応式は?
オゾン(O3)の化学式・分子式・構造式・電子式・分子量は?オゾン(O3)の代表的な反応式は?
水酸化カルシウム(Ca(OH)2)の化学式・組成式・構造式・電子式・分子量は?水酸化カルシウム(石灰水)と二酸化炭素との反応式は?
炭酸カルシウム(CaCO3)の化学式・組成式・構造式・電子式・分子量は?
アニリンの化学式・組成式・構造式・電子式・分子量は?ベンゼンからニトロベンゼンを経由しアニリンを合成する反応式は?
酢酸の脱水の反応式(分子間脱水)
MPa(メガパスカル)とKg/cm2の変換(換算)方法 計算問題を解いてみよう

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