研究者たちは、化学組成を変えるのではなく、ナトリウムイオン電池の陰極結晶の形状を変えることで、その耐久性を向上させることができることを発見しました。重要な結晶サイズの厚さを減少させることで、研究チームはナトリウムイオンが材料内を繰り返し出入りする際に生じる内部応力や亀裂を制限しました。研究者たちは、ナトリウム資源が豊富で、従来の電池で使用されるリチウムよりも潜在的にコストが低い層状P2型陰極材料、Na0.75Ni0.25Mn0.75O2を使用しました。問題は機械的性質にあります。ナトリウムイオンが充放電プロセス中に陰極に出入りするにつれて、結晶格子は繰り返し膨張と収縮を行います。
これらの変化は均一ではなく、単一の結晶粒子内に応力を生じさせます。時間が経つにつれて、この応力は亀裂を引き起こし、新しい表面を電解質にさらし、電池性能を低下させる化学反応を加速させる可能性があります。
研究は結晶形状がナトリウムイオン電池の性能に与える影響を示す
武漢科技大学が主導するチームは、結晶のc軸サイズを制御することで、このような損傷を防ぐ手助けができることを発見しました。研究者たちは単に粒子を小さくするのではなく、より薄い柱状の結晶粒子を作成し、これにより格子のひずみをより均等に放出できるようにしました。研究グループは、形状をカスタマイズしたNaNMO、またはMT-NaNMOを製造し、同じ化学組成で作られた従来のサンプルと比較しました。重要な違いは結晶粒子の幾何学的形状にあります。カスタマイズされた材料の主要な結晶粒子はc軸に沿って約200ナノメートルであり、従来の材料は約800ナノメートルです。
X線回折は、両方の材料が充放電プロセス中に類似の結晶構造変化を経験したことを示しており、これは改善が結晶粒子が伴うひずみをどのように処理するかに起因していることを示しています。顕微鏡観察はより詳細な対比を提供し、薄い結晶粒子がより安定した格子構造とより均一なひずみ場を保持している一方で、厚い結晶粒子は局所的な変形と応力を発展させていることを示しました。
有限要素分析はこの発見を支持し、c軸サイズを減少させることで機械的応力が結晶粒子内により均等に分布することを示しました。カスタマイズされた材料は電気化学テストでもより速いナトリウムイオン輸送とより低い抵抗を示しました。最終的な結果は、循環安定性が著しく改善されたことです。300回の循環後、最適化された陰極は最大5Cの速度で96.7%の容量を維持しました。研究者たちはナトリウムイオンの貯蔵を層状酸化物材料内の繰り返し「呼吸」運動として説明しています。厚い結晶粒子では、繰り返される膨張と収縮がひずみを蓄積させ、亀裂が形成されるまで続きます。
脆弱な方向を短縮することで、ひずみが構造損傷を引き起こす前により多くの空間で散逸することが可能になります。
新しい方法がナトリウムイオン電池設計の突破口となる可能性
この方法は、単に全体の粒子サイズを小さくすることに代わる選択肢を提供する可能性があります。小さな粒子は機械的応力をより効果的に放出できますが、増加した表面積は電解質の悪影響を促進し、パッケージ密度を低下させる可能性もあります。c軸に特化することで、研究者たちは引張応力と内部亀裂に最も密接に関連する方向に焦点を当てました。これにより、陰極設計者は小さな粒子や化学組成の変更に依存することなく、機械的安定性を向上させることができるかもしれません。研究者たちはまた、負極としてハードカーボンを使用した全電池でもこの材料をテストしており、そのエネルギー密度は約218.3 Wh kg-1に達し、300回の循環後に92.6%の容量を維持しました。
ナトリウムイオン電池は、再生可能エネルギーや電力網規模の貯蔵を含む用途での利用が探求されており、ナトリウムの豊富さはより制限された電池材料への依存を減少させるのに役立ちます。この研究は、結晶の幾何学的形状を制御することがナトリウムイオン電池の長期耐久性を改善するための別の手段になる可能性があることを示しています。
項目 規格 陰極材料 Na0.75Ni0.25Mn0.75O2 主要晶粒サイズ (c軸) 200ナノメートル 従来材料主要晶粒サイズ (c軸) 800ナノメートル 充放電後容量保持率 96.7% 全電池エネルギー密度 218.3 Wh kg-1 300回循環後容量保持率 92.6%