主要成果
全南大学のChan-Jin Park教授率いる研究チームは、ナトリウム金属電池（SMB）の致命的な課題である安全性と安定性を改善する、ポリマー化重共晶溶媒（PDES）電解質を開発しました。この新電解質を用いたフルセルでは、0.1 Cにおいて110.2 mAh g⁻¹の初期放電容量と、ほぼ99%という高いクーロン効率を達成しています。特に特筆すべきは長期サイクル安定性であり、2 Cのレートで1000サイクル走行後も90.4%の容量を維持することに成功しました。
技術・詳細
開発されたPDES電解質は、過塩素酸ナトリウム（NaClO₄）、N-イソプロピルアクリルアミド（NIPAM）、およびサクシノニトリル（SN）で構成されています。これらの成分を混合すると、水素結合やイオン-双極子相互作用などの非共有結合的な相互作用によって安定化した均質な液体（重共晶溶媒：DES）が形成されます。DES自体は不燃性で化学的・熱的安定性に優れていますが、液体であるため漏液のリスクがありました。そこで研究チームは、この混合物をインサイチュ（in-situ）重合させることで、漏液のない堅牢な固体マトリックス（PDES）へと変換させました。
各成分の役割は以下の通りです。
- NaClO₄：過塩素酸イオン（ClO₄⁻）とナトリウムイオンの配位が弱く、塩の解離に有利なナトリウムイオン源として機能。
- NIPAM：イオン-双極子相互作用を通じてナトリウムイオンの解離を促進し、同時に強固なポリマーマトリックスを形成。
- SN：可塑性を付与し、ナトリウムイオンの解離をさらに補助。
この最適化された組成により、30 ℃で1.39 mS cm⁻¹の高いイオン伝導率と0.58という高いナトリウムイオン輸送数、および広い電気化学的安定窓を実現しました。また、火に直接さらしても高い難燃性を示し、漏液耐性も備えています。さらに、正極側に強固な電極-電解質界面を形成することで、寄生的な副反応や不規則なナトリウムの成長（デンドライト）を抑制しています。
背景・業界の文脈
ナトリウム金属電池は、資源が豊富で低コストなナトリウム（Na）を利用するため、現在の商用リチウムイオン電池に代わるコスト効率の高い次世代エネルギー貯蔵技術として注目されています。しかし、実用化に向けては、ナトリウム金属の高い反応性やデンドライトの成長、不要な副反応による電池寿命の短縮が大きな障壁となっていました。特に大規模なエネルギー貯蔵システムに導入した場合、動作温度の上昇が致命的な故障を招く恐れがあります。また、従来の有機液体電解質は揮発性が高く、可燃性と毒性があるため、安全面と環境面での懸念が根強くありました。
今後の展望
研究チームは、この電解質を用いてパウチセルを製作し、セルを折り曲げたり切断したりしてもLEDへの電力供給を維持できることを実証し、機械的な堅牢性と安全性を証明しました。Park教授は、この電解質設計が、より安全で低コスト、かつ持続可能な充電式電池の開発につながると述べています。将来的には、グリッドレベルの再生可能エネルギー貯蔵、バックアップ電源システム、および低コストな充電式電池システムへの応用が期待されています。
元記事: https://www.miragenews.com/chonnam-researchers-develop-safer-durable-1769603/
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