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シカゴ大学プリツカー・スクール・オブ・モレキュラー・エンジニアリングとカリフォルニア大学サンディエゴ校のメンバーによって行われたこの研究結果は、「Nature Energy」 に掲載された。
研究チームは、圧力をかけ、安定した固体電解質を用いることで高密度のナトリウム金属を生成するという手法を採用した。アルミニウム集電体を利用することで、効果的に、そして安定的にナトリウムをめっきしたり、揮散させたりという過程を一気に、時短に行うことができるのだ。
ナトリウムはこの世に多く存在する物質である。この新しい電池は、マイナス極をなくし、リチウムの代わりにナトリウムを使用することで、環境にやさしくコストも抑えることができる電池なのだ。
「これまでにも実は、ナトリウム電池、全固体電池、そしてマイナス極のない電池のそれぞれは存在しました。しかし、この3つの特性をうまく組み合わせたものはありませんでした」とグレイソン・デイシャー氏（カリフォルニア大学サンディエゴ校の博士候補生で、この研究の第一人者）は述べている。
今回の成功が応用されれば、グリッド・ストレージや電気自動車（EV）用の大容量かつ低コスト、そして急速充電可能なバッテリーが誕生する可能性もあるという。
現在電池に最も用いられているリチウムが、地殻中に100万分の20しか存在しないのに対し、今回の新しい電池に用いられているナトリウムは100万分の20000と、資源の豊富さという観点で、その差は圧倒的である。ナトリウムの豊富さと、リチウム不足によるリチウムイオン電池の高騰から、ナトリウムは、電池製造におけるリチウムイオン電池の理想的な代替品となっている。
従来の電池は、充電中にマイナス極にイオンを蓄え、動作中にプラス極に移動させ、デバイスに電力を供給していた。しかし、今回発明されたマイナス極のない無負極電池は、アルカリ金属を集電体に直接析出させることで電気化学的にイオンを貯蔵することができる。この方法は複雑ではあるものの、セル電圧が高い、セルコストが低い、また、エネルギー密度が高いなどのメリットがある。
デイシャー氏はこうも話す。
「無負極電池では、電解液（イオン性物質（電解質）を水などに溶解させた電気伝導性を持つ溶液）と集電体（箔を重ねて作られた、発電した電気を集める導電体）との接触が良好でなければなりません。液体電解質を使用する場合、液体は流動的であり、あらゆる場所に流れ、あらゆる表面を濡らすことができるため、一般的に両者の接触をよくするのは非常に簡単なんです。しかし、固体電解質では同じことはできません」
上記のようなメリットのある液体電解質であるが、一方で、液体電解質は、SEI被膜（＝Solid Electrolyte Interphase：リチウムイオン電池（LIB）中の負極と電解液の界面に主に充電時に形成される被膜）と呼ばれる負の蓄積を引き起こし、バッテリーの効果を徐々に低下させていく──つまりは「バッテリーの劣化が早い」のである。研究チームはこれに対処するため、電解質を取り囲むように集電体を設計した。集電体の形成には、液体のように流動的なアルミニウム粉末を使用した。この粉末をバッテリー組み立て時に高圧で圧縮することで、電解液との間で液体のような接触を保つことのできる固体の集電体を生みだすことに成功したのである。
「ナトリウム固体電池は通常、ずっと先の未来で実現可能な技術だと思われていました。今回の論文で、ナトリウム電池が実際にうまく機能すること、場合によってはリチウム電池よりもうまく機能することを立証し、ナトリウム電池分野へのさらなる参入を促すことができればと思います」とデイシャー氏は語った。
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