鈉屬於鹼金屬，在元素週期表中位於鋰的正下方。由於其資源豐富且毒性低，是被作爲蓄電池材料研究的物質之一。特別是在固定式大型電池用途，低成本的鈉離子電池備受期待，可用於因應災害、實施光伏發電和風力發電的平均化以及儲存夜間電力等。不過，與鋰離子電池相比，鈉離子電池的「能量密度」，也就是儲存電力的容量比較低，尚未實施實用化。
近年來，由類似石墨的層狀部分和奈米級空艙構成的多孔碳材料「硬碳」作爲可以儲存鈉離子、有望實施高容量的負極材料備受關注。日本東京理科大學理學部的駒場慎一教授等人圍繞被認爲難以實施的鈉離子電池，一直在積極推進研發，研究了適合儲存直徑比鋰離子更大的鈉離子的硬碳的結構和合成方法。
原料採用葡萄醛醣酸鎂與葡萄糖的混合物。在600攝氏度的溫度下對其進行初步處理後，會形成氧化鎂（MgO）奈米顆粒，將其作爲鑄模使用。MgO能用稀酸輕鬆洗脫，從而獲得多孔碳。另外，將混合樣本溶於水中，然後冷凍乾燥，發現與混合粉末的製備方法相比，MgO奈米顆粒分散地更均勻（圖1）。
圖1：與混合粉末相比，冷凍乾燥製程能獲得MgO奈米顆粒分散地更均勻的碳材料。洗脫鑄模MgO後，獲得了多孔硬碳。
研究團隊以合成的硬碳做爲負極，評估了這種鈉離子電池的特性，顯示出了478mAh/g（毫安小時/克）的高容量。超過了現有硬碳材料的約300～350mAh/g，即使與鋰離子電池的負極材料石墨的理論容量372mAh/g相比也屬於高容量。電池的能量密度取決於容量和電壓（正極與負極的工作電位差）的乘積。透過提高負極工作電位較低的硬碳的容量，獲得了與容量非常高的常規磷基負極材料相當的能量密度。該結果推翻了此前一直認爲的鈉離子電池能量密度低的常識（圖2）。
圖2：鈉離子電池的負極特性。越往右下方，能量密度越高。新開發的硬碳提高了負極容量，顯示出高能量密度。
今後進一步推進開發正極材料和電解質，將有望實施高能量低成本的鈉離子電池。
原文：JSTnews 2021年3月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
