低域を伸ばす

Nature Communications volume 13、記事番号: 4934 (2022) この記事を引用

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8 オルトメトリック

メトリクスの詳細

非水ナトリウムベースの電池は、次世代の電気化学エネルギー貯蔵装置の理想的な候補です。 ただし、周囲温度での有望な性能にもかかわらず、低温 (たとえば、< 0 °C) での動作は、電解質抵抗の増加と固体電解質界面 (SEI) の不安定性によって悪影響を受けます。 ここでは、これらの問題を回避するために、-150 °C まで熱的に安定であり、低温で安定した SEI の形成を可能にする線状および環状エーテルベースの溶媒とトリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム塩からなる特定の電解質配合物を提案します。 Na||Na コインセル構成でテストすると、低温電解質により -80 °C までの長期サイクルが可能になります。 現場外の物理化学（X 線光電子分光法、極低温透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡など）電極測定と密度汎関数理論計算により、効率的な低温電気化学的性能の原因となるメカニズムを研究します。 また、完全 Na||Na3V2(PO4)3 コイン電池の -20 °C と -60 °C の間での組み立てとテストについても報告します。 -40 °C でテストしたセルは、68 mAh g-1 の初期放電容量を示し、22 mA g-1 で 100 サイクル後の容量保持率は約 94% でした。

リチウムイオン電池（LIB）は、エネルギー密度が高くサイクル寿命が長いため、ポータブル電子機器や電気自動車に広く採用されています1、2、3。 それにもかかわらず、寒冷環境、特に温度が -20 °C を下回る場合、必然的に重大なエネルギー/電力損失に悩まされます4,5。 このような低い低温性能により、-40 °C 未満のバッテリー動作温度が必要とされる航空/宇宙ミッション、極地遠征、および寒冷地における多くの軍事および民間施設での用途が制限されます4,6。

リチウムベースの技術を超えた魅力的な電気化学エネルギー貯蔵機能を備えたシステムを探索することは、低温動作に関連する課題に対処する上で有望である。 アルカリ金属としては、ナトリウム (Na) が際立っています。なぜなら、ナトリウム (Na) は、多くの化学的および物理的特性を Li と共有しており、天然には実質的に豊富に存在するためです7、8、9。 Na は Li よりも第一イオン化エネルギーが低く (495.8 対 520.2 kJ mol−1)10、これが化学/電気化学反応性の向上に寄与し、低温環境での電気化学反応を促進する可能性があります。 Na 金属は、その低い電極電位 (-2.714 V 対標準水素電極) と高い理論比容量 (1166 mAh g-1) により、Na 電池の負極材料として重要な役割を果たしています7,8,9,11,12。 、13、14。 それにもかかわらず、低温での Na 電池の研究は限られており、特に電極としての Na 金属の挙動についての理解はほとんど不足しています 15、16、17、18。

低温でのバッテリー動作の可能性は、電解質の性質に大きく依存します19、20、21、22。 非水カーボネート溶媒の凝固点/融点が比較的高く、導電性塩の溶解度が低下するため、温度が低下すると電解質の抵抗が急速に増加します5,19。 さらに、周囲温度で形成された固体電解質界面（SEI）は、低温条件下では効率的なサイクルを可能にするのと同じ保護能力を維持できない可能性があります。 一方、Na金属電極上に形成されるSEIの低温での構造および組成の進化は依然としてとらえどころのないままである。

これらの問題を回避するための実行可能な解決策の 1 つは、安定した SEI を形成できる低融点の溶媒と塩を使用して、低温動作を目的とした電解質を配合することです。 ここでは、このような電解質戦略を適用して、非環式エーテル溶媒と相溶性のNa塩を含む電解質溶液がNa金属の動作温度を-40℃まで拡張できることを実証します。 トリフルオロメタンスルホン酸 (OTf) 塩は、低温で安定した SEI の形成を可能にする上で重要な役割を果たすことがわかりました。 さらに、環状エーテル溶媒を追加して二元溶媒電解質溶液を調製すると、熱安定性温度閾値を -150 °C まで拡張できます。 −80℃までの低温での対称セルにおける安定したNa金属めっき/剥離を実証し、750時間以上にわたって約150mVの低い過電圧を示します。 この性能により、非水電解質溶液中でのアルカリ金属電極の低温動作能力が拡張されます（最先端技術との比較については補足図1および補足表1を参照）。 実験的特性評価 (X 線光電子分光法、極低温透過電子顕微鏡法、原子間力顕微鏡法など) と密度汎関数理論の計算を組み合わせることで、効率的な低温電気化学的性能を可能にする機構的特徴を理解することができます。 フル Na||Na3V2(PO4)3 コイン電池も組み立てられ、-20 °C ～ -60 °C でテストされます。 -40 °C と -60 °C でテストしたセルは、それぞれ約 68 mAh g-1 と 39 mAh g-1 の初期放電容量を示し、22 mA g-1 で 100 サイクル後の容量保持率は約 94% と 91% でした。