钠属于碱金属，在元素周期表中位于锂的正下方。由于其资源丰富且毒性低，是被作为蓄电池材料研究的物质之一。特别是在固定式大型电池用途，低成本的钠离子电池备受期待，可用于应对灾害、实现光伏发电和风力发电的平均化以及储存夜间电力等。不过，与锂离子电池相比，钠离子电池的“能量密度”，也就是储存电力的容量比较低，尚未实现实用化。
近年来，由类似石墨的层状部分和纳米级空位构成的多孔碳材料“硬碳”作为可以储存钠离子、有望实现高容量的负极材料备受关注。日本东京理科大学理学部的驹场慎一教授等人围绕被认为难以实现的钠离子电池，一直在积极推进研发，研究了适合储存直径比锂离子更大的钠离子的硬碳的结构和合成方法。
原料采用葡萄糖酸镁与葡萄糖的混合物。在600摄氏度的温度下对其进行预处理后，会形成氧化镁（MgO）纳米颗粒，将其作为铸模使用。MgO能用稀酸轻松洗脱，从而获得多孔碳。另外，将混合样本溶于水中，然后冷冻干燥，发现与混合粉末的制备方法相比，MgO纳米颗粒分散地更均匀（图1）。
图1：与混合粉末相比，冷冻干燥法能获得MgO纳米颗粒分散地更均匀的碳材料。洗脱铸模MgO后，获得了多孔硬碳。
研究团队以合成的硬碳做为负极，评估了这种钠离子电池的特性，显示出了478mAh/g（毫安小时/克）的高容量。超过了现有硬碳材料的约300～350mAh/g，即使与锂离子电池的负极材料石墨的理论容量372mAh/g相比也属于高容量。电池的能量密度取决于容量和电压（正极与负极的工作电位差）的乘积。通过提高负极工作电位较低的硬碳的容量，获得了与容量非常高的常规磷基负极材料相当的能量密度。该结果推翻了此前一直认为的钠离子电池能量密度低的常识（图2）。
图2：钠离子电池的负极特性。越往右下方，能量密度越高。新开发的硬碳提高了负极容量，显示出高能量密度。
今后进一步推进开发正极材料和电解质，将有望实现高能量低成本的钠离子电池。
原文：JSTnews 2021年3月号
翻译：JST客观日本编辑部
