市販されているリチウムイオン電池は、主にカソード、アノード、セパレーター、および電解質で構成されています。リチウムイオン電池は、スマートフォン、電動工具、およびEVに搭載されています。これらは液体電解質溶液を使用しています。
その幅広い利用と改善にもかかわらず、リチウムイオン電池技術は、過熱や、原材料のサプライチェーンの問題など、おなじみの欠点も抱えています。電池の構造において新しい材料をテストすることにより、これらの問題に関する研究が進行中です。そのような材料の1つが硫黄であり、これは自然界に非常に豊富に存在し、石油産業の副産物です。この材料はまた、費用対効果が高く、従来のリチウムイオンベースの電池よりも多くのエネルギーを保持する能力を持っています。
世界の硫黄系電池市場規模は、2021年の5億1740万米ドルから、CAGR 17.69%で成長し、2031年までに26億9900万米ドルに達すると予想されています。
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電池の構成要素–
電極– 放電中に電子を放出する電極はアノードであり、電子を吸収する電極はカソードです。これらはリチウムを蓄えます。電解質は、正に帯電したリチウムイオン（つまり、イオンは、中性の原子から電子を取り除くか、または追加することによって正または負のイオンを与えるために生成される電気的に帯電した粒子です）をアノードからカソードへ、その逆をセパレーターを通して運びます。リチウムイオンの移動は、アノードに自由電子を生成し、電力供給されるデバイスに電流を流す電荷を生成します。電極は、電池の基本的な性能に責任があります。
セパレーターと電解質– これら2つは電池の安全性を決定します。セパレーターは、カソードとアノード間の物理的な障壁として機能し、両者の間の電子の直接的な流れを防ぎ、イオンのみがそれらを通過するようにして、電池内部での電子の流れをブロックします。
電解質は、電池の2つの電極間をイオン（電荷を運ぶ粒子）が行き来させ、電池の充放電を引き起こします。
リチウム硫黄電池の実用化における課題
Li-S電池を充電すると、材料（ポリサルファイド）が蓄積され、それが流れ出して電解質に溶解し、腐食を引き起こします。研究者からはポリサルファイドシャトリング効果と呼ばれ、電池寿命を縮めます。
ポリサルファイドシャトリングを防止するために、科学者は当初、電極間にレドックス不活性な中間層を配置しようとしました。しかし、これは電池内に余分なスペースを取り、電池の貯蔵容量を減らし、シャトリングを十分に削減できませんでした。その後、研究者はレドックス不活性（つまり、電極と同様の反応を受けない）とは対照的に、多孔質の硫黄含有活性中間層を開発しました。その結果、容量が3倍に増加し、活性中間層を備えた電池は700回以上の充放電サイクルで高い容量を維持しました。
硫黄系電池市場の最近の動向
2022年9月：NGKインシュレーターズ株式会社は、11.4 MW/69.6 MWhのナトリウム硫黄システムに関する契約を獲得しました。このシステムは、日本の三重県にある津LNGステーションに配備されます。
2022年1月：Lyten Inc.と米国国防総省が合意に署名しました。この合意は、商用および国家安全保障のためにリチウム硫黄電池を強化することを目的としています。
リチウム硫黄の利点-
結論
リチウムイオン電池は技術的進歩に達しつつあります。Li-S電池は、従来のリチウムイオン電池の限界に対する解決策として登場しました。研究者は、ポリサルファイドシャトリングによって引き起こされる短寿命という現在の課題を、硫化物固体電解質（SSE）を採用することにより解決しようとしています。Li-S電池は、高密度エネルギー、安全性向上、費用対効果があり、電池に使用される硫黄は産業副産物です。
著者：アビシェーク・サイニ
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