ナトリウムイオン二次電池
活性の高いナトリウムの反応を抑えるため、生産工程には 露点-80°C以下のグローブボックスが必要とされ、設備上の課題がある。
ナトリウムイオンは低コストで作成が可能というメリットから、大型電池に適している。電気自動車、風力、太陽光発電などの再生可能エネルギーの蓄電、余剰電力の蓄電など、スマートグリッド社会における重要なインフラとなる可能性を持っている。
2000年代初頭、乱れた構造を持つハードカーボン系の炭素材が電気化学的にナトリウムを吸蔵、放出可能なことが見出され、Dahmらのグループはグルコース由来のハードカーボンを用い約300mA/gが得られたと報告している。2000年代半ばより、水酸基を伴った芳香環をもつ樹脂由来のハードカーボンが好適なことが報告されている。特にカリックスアレーン由来のハードカーボンにおいて約320mAh/gの大きな充放電容量と良好なサイクル特性が両立できることが見出されている。
低性能の負極については、他にもいくつか注目すべき開発が行われている。2015年には、グラファイトがエーテル系電解質中で溶媒のコインターカレーションによってナトリウムを貯蔵できることが発見された。100mAh/g程度の低容量が得られ、作動電位は比較的高かった。また、Na2Ti3O7やNaTiO2などのチタン酸ナトリウム相は、低い作動電位で約90~180mAh/gの容量が得られるが、サイクル安定性は現在のところ数百サイクルが限界である。これまでにも、合金反応機構や転換反応機構を利用してナトリウムを貯蔵する負極材料は数多く報告されているが、貯蔵サイクルを繰り返すうちに材料に発生する激しい応力-ひずみは、特に大型電池のサイクル安定性を大きく制限しており、費用対効果の高い方法で克服しなければならない大きな技術的課題となっている。2020年12月、東京理科大学の研究者はナノサイズのマグネシウム粒子で478mAh/gを達成した。
リチウムイオン二次電池で多用されるグラファイトは、ナトリウムイオンを大量貯蔵できないため使用できない。代わりに、グラファイトのアモルファス同素体であるハードカーボンが有力視されている。ハードカーボンは放電によって電圧が変動するためリチウムイオン電池ではあまり用いられないが、比容量に劣るナトリウムイオン電池では高容量、低作動電位、良好なサイクル安定性といった特性を発揮するので有力な候補となる。実験では300mAh/gを記録し、300~360mAh/gのリチウムイオン二次電池と同等であった。ハードカーボンを用いた最初のナトリウムイオン二次電池は2003年に実証され、放電時の平均電圧が3.7Vと高い値を示した。しかし、無定形炭素のアモルファスゆえの制御の難しさが課題である。
1980年代末に昭和電工のグループがナトリウムと鉛の合金を用いたが、エネルギー密度が低下し、また鉛の毒性が懸念されるためその後の例は見られない。スズやゲルマニウム、ビスマスといった金属薄膜を負極材に用いた方式を2000年代半ばに三洋電機のグループによって報告されている。近年、駒場らのグループによってスズのナノ粉末を用い、約500mAh/gの大容量かつ良好なサイクル特性が得られることが見出されている。