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大阪府立大学ら研究グループ、全固体ナトリウム蓄電池の室温作動に世界で初めて成功

 大阪府立大学の林 晃敏 助教、辰巳砂昌弘 教授らの研究グループは、全固体ナトリウム蓄電池の室温作動に世界で初めて成功したと発表しました。この成果は、「Nature Communications」のオンライン速報版で公開されました。

 リチウムイオン蓄電池は、金属材料の資源性に問題があり、またナトリウム・硫黄電池(例:日本ガイシNAS電池)は、温度管理がむずかしい、といった欠点を克服した次世代の蓄電池として、次世代の蓄電池としての可能性に期待が集まります。今後実用化にむけた研究により、コストの点でもメリットがある蓄電池であるということです。

 ナトリウムはリチウムに比べて資源量が多く、産地偏在の懸念がないというのは、資源をもたない我が国には、大きなメリットです。エネルギー密度もリチウムイオン蓄電池なみで、サイクル寿命も数千から数万回の良好な可能性が期待されています。開発された無機固体電解質は、室温での粉末成形によって、高いナトリウムイオン伝導性と広い電位窓が実現できるため、全固体電池への適用が容易。全固体電池の研究事態が世界でも珍しく大きな成果が期待されます。

 全固体ナトリウム蓄電池という名称を頭に刻みました。期待しております。

プレスリリース / 大阪府立大学、2012年5月23日
全固体ナトリウム蓄電池の室温作動に世界で初めて成功

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-----image(”図1: 薄膜型全固体電池とバルク型全固体電池の模式図。一般的には、バルク型全固体電池は、微粒子を圧粉成形することによって作製される。”) : 同リリースより

" 本学の林 晃敏 助教・辰巳砂昌弘 教授らの研究グループは、ナトリウムイオン伝導性を示す無機固体電解質(解説1)を新たに開発し、それを用いた全固体ナトリウム蓄電池の室温作動に世界で初めて成功しました。ナトリウム蓄電池は、次世代蓄電池として非常に期待されており、今回の成果は、世界中で活発化している次世代蓄電池の研究開発で大きな一歩となるものです。

現在、低炭素社会の実現に向けて、電気自動車をはじめとするエコカーの駆動電源や、太陽光や風力発電によって生み出された再生可能エネルギーを貯蔵するための定置用電源として、高性能な蓄電池の開発が急務となっています。特に、ナトリウムイオンを用いて電力を繰り返し貯蔵・放出可能なナトリウム蓄電池は、豊富なナトリウム資源を背景に低コスト化が期待でき、ポスト・リチウムイオン電池として近年研究が進められています。さらに、従来リチウムイオン電池に用いられてきた有機電解液を、無機固体電解質に置き換えた全固体電池(解説2)は、電解質が不燃性の固体となるため、電池の安全性が向上するだけでなく、高エネルギー密度と長寿命を兼ね備えた次世代の革新型蓄電池として期待されています。全固体ナトリウム蓄電池を実現するための鍵となる材料として、室温でナトリウムイオンが高速移動できる固体電解質が挙げられ、開発が望まれていました。
 本研究グループは、ガラスを結晶化させる手法によって、これまでに報告例のない立方晶 Na3PS4 相が析出した固体電解質を見出し、これが10(-4)Scm(-1) 以上の高い室温導電率と約5 Vの広い電位窓 (解説3) を持つことを明らかにし、様々な電極材料との組み合わせが期待できます。さらに、この電解質微粒子を室温で圧粉成形し作製した 全固体ナトリウム電池は、室温で繰り返し充電・放電できることを初めて実証しました。
 本研究は、独立行政法人 科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業「先端的低炭素化技術開発(ALCA)」の一環として行われ、2012年5月22日(英国時間)発行の英国科学雑誌「Nature Communications(ネイチャー・コミュニケーションズ)」のオンライン速報版で公開されます


1.研究の背景と経緯
 小型ポータブルデバイスの電源として広く普及しているリチウムイオン電池は、軽量かつ高エネルギー密度という特長を持っています。近年この電池は、プラグインハイブリッド自動車や電気自動車の駆動電源や家庭用蓄電池としての用途が拡大しつつあり、電池の大型化が進められています。それに伴い、電池にはより一層の安全性と低コスト化が求められており、リチウムイオン電池にかわる、全固体ナトリウム蓄電池の開発が期待されています。
 ナトリウムはリチウムに比べて資源量が多く、産地偏在の懸念がありません。大型蓄電池としての普及に対してはナトリウム蓄電池が有利であると考えられます。
 また、ナトリウムイオンを伝導種とする蓄電池としては、唯一、ナトリウム-硫黄電池 (解説4) が大型電力貯蔵用の蓄電池として既に実用化されています。この電池は、β-アルミナ固体電解質 (解説5) のイオン伝導性を高めるとともに、正極(硫黄)および負極(ナトリウム)を溶融状態で使用するため、250℃以上に加熱して運転する必要があります。一方、無機固体材料を電解質に用いた全固体電池は、有機電解液を用いる従来の電池とは異なり、液漏れや発火などの危険性のない究極の電池形態として知られています。全固体電池には、電極および電解質の薄膜を積層して得られる薄膜型全固体電池と、微粒子を積層して得られるバルク型全固体電池の2つに大別されますが (図1) 、後者のバルク型電池においては、固体内のイオンの移動が電解液に比べて困難なことや電極-電解質間における固体界面接合の困難さから実用化された例はまだありません。
 このように、室温で作動する全固体ナトリウム蓄電池 が開発できれば、ヒーターなどの電池加熱用の補機が不要となり、電池トータルとしてのエネルギー効率が向上するとともに、電池の安全機構が簡略化することから電池の小型化、軽量化が可能となり、高安全性と高エネルギー密度を両立した革新型蓄電池として期待できます。
...........
3.今後の展開

 試作した全固体ナトリウム電池が室温で充放電可能であったことから、本研究で見出した立方晶 Na3PS4 が有望な固体電解質となりうることが明らかになりました。全固体電池の高性能化には、固体電解質のより一層の導電率増大と電極-電解質間の良好な固体界面構築が重要となります。これらの課題を解決し、全固体ナトリウム-硫黄電池の室温作動が可能となれば、安全性と高エネルギー密度を兼ね備えた次世代電池としての普及が期待されます。
........... "


関連
全固体型ナトリウム蓄電池の室温作動に世界で初めて成功 ~安全性の高い次世代蓄電池の研究開発における大きな一歩~-----科学技術振興機構、平成24年5月23日

・全固体ナトリウム電池を指向した無機固体電解質の開発(公立大学法人大阪府立大学工学研究科 物質・化学系専攻応用化学分野 助教 林 晃敏 教授 辰巳砂昌弘)

Batteries: Recharging sodium battery development-----Nature Communications,May 23, 2012
- Superionic glass-ceramic electrolytes for room-temperature rechargeable sodium batteries-----Nature Communications,22 May 2012


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