炭素負極内のNaクラスター形成の新機構提唱

東京科学大学（Science Tokyo） 総合研究院 化学生命科学研究所の館山 佳尚 教授、林 哲安 研究員らの研究チームは、ナトリウム（Na）イオン電池の高エネルギー密度化につながるハードカーボン（HC）負極内でのNaクラスター形成とNaイオン拡散に関する新たな機構を、スーパーコンピューター「富岳」などを用いた分子動力学（MD）計算で実証しました。

Naイオン電池は現在広く普及しているリチウム（Li）イオン電池を補完する電池として、すでに商用化が始まっていますが、エネルギー密度が十分ではないという課題が今なおあります。近年、この課題解決に向けてHCの容量を1.5倍以上にする技術が開発されました。しかし、HC内のナノスケール（ナノ）孔でどのようにNa凝集が起こり、HC内のナノ孔までNaイオンがどうやって到達するのかという問題は未解明でした。

本研究では、高精度で予言性の高い密度汎関数理論（DFT）に基づくMD計算を用いて、ナノ孔において、Naイオンが2次元的な吸着状態から3次元的な準金属的クラスター成長へと、早い段階で遷移しうることを実証しました。またNa貯蔵に最適なナノ孔径が1.5ナノメートル程度であることを理論的に示しました。さらに、ナノ孔に到達するまでのNaイオン拡散についても解析し、カーボン層がきれいにつながっている領域は予想外にNaイオン拡散が速く、逆にカーボン層の分岐・結合領域がNaイオン拡散のボトルネックとなっていることを示しました。

今回得られた知見を統合することで、Naを効率的に貯蔵できるHCの設計指針がより明確になり、Naイオン電池の高エネルギー密度化が進むと考えられます。さらに、Naイオン電池の普及がさらに促進され、社会全体における電池供給が増加することで、最終的にはカーボンニュートラル社会の実現につながると期待されます。

本成果は、Wiley社が出版する学術雑誌「Advanced Energy Materials」のオンライン版に2025年11月18日（現地時間）に掲載されました。