塩と電池 － 電力貯蔵の限界を打ち破る
Salt and a Battery － Smashing the Limits of Power Storage
By Caleb Davies
Horizon 2022.06.24
再生可能エネルギー・ブームのおかげで，最近のエネルギー革命の制限要因は電力供給ではなく、電力貯蔵である。我々の車、電気自動車、デバイスをより長く充電するには、よりクリーンで環境に優しい電池が必要である。
我々は皆そこにいた。画面の右上隅にある長方形のアイコンが赤に変わり、電池がほとんど切れていることを示して点滅する。しかし、電池の問題は、この種の小さな不便をはるかに超えている。電池は我々のグリーン・エネルギーの未来の重要な部分であるが、不完全なものである。
将来的には、我々のエネルギーの大部分は、太陽光や風力等の再生可能エネルギー源から供給されるであろう。しかし、風が吹かず、太陽が輝かないときがある。供給を均等にするには、再生可能エネルギーによって生成された余剰電力を、消費する準備が出来るまで貯蔵する必要がある。そのための重要な手段の1つは、より良い電池を使用することである。また、想定される電気自動車やモビリティ・デバイスに電力を供給するには、膨大な数の電池が必要である。
問題は、最高の電池でさえ問題があることである。大きなこだわりの1つは、リチウム・イオン電池がリチウムを主要成分として使用していることである。これは塩として採掘される。ヨーロッパは現在、大きな埋蔵量を持っていないため、オーストラリアやチリなどの少数の場所からの輸入に依存している。リチウム電池も高価で、貯蔵容量が限られており、繰り返し充電すると性能が低下する。
それらをより良くするためには、先ずそれらがどのように機能するかを理解する必要がある。従来のリチウム・イオン電池には3つの主要成分がある。電極と呼ばれる2つの固体成分(陰極と陽極)と、電解質と呼ばれる液体がある。電池が放電すると、電子が陰極から陽極に流れ、接続されている装置に電力を供給する。正のリチウム・イオンは電解質を通って拡散し、陰極の負電荷に引き寄せられる。電池が充電されているとき、高レベルは逆にんある。
エネルギー密度
全体のプロセスは可逆的な電気化学反応である。この基本的なプロセスは、様々な種類の化学物質やイオンが関与する多くの性質がある。ASTRABATプロジェクトで検討されている特定のオプションは、液体電解質を廃止し、代わりに固体またはゲルにすることである。理論的には、これらの全固体電池はエネルギー密度が高いため、装置に長時間電力を供給することが出来る。また、一般的なリチウム・イオン電池とは異なり、可燃性の液体電解質を使用しないため、より安全で迅速に製造できる必要がある。
フランスのグルノーブルにある原子力代替エネルギー委員会の電気化学者ソフィー・マイリー博士は、ASTRABATプロジェクト・コーディネーターである。彼女はリチウム・ベースの全固体電池はすでに存在すると説明している。しかし、このような電池は電解質としてゲルを使用し、約60℃の温度でのみうまく機能するため、多くの用途には適していない。「気候変動の問題に立ち向かうためには、この分野で革新する必要があることは明らかである。」とマイリー博士は述べている。
彼女と彼女のパートナー・チームはより優れた全固体リチウム電池のレシピを完成させることに取り組んできた。研究には電池のあらゆる種類の候補成分を調べて、どれが最適に連携するかを判断することが含まれる。マイリー博士は、現在、適切な成分を特定し、電池の製造を拡大する方法を検討していると述べている｡
彼女と彼女のチームが次に調査する予定の質問の1つは、一般的なリチウム・イオン電池と比較して、全固体電池からリチウムやその他の要素をリサイクルするのが簡単かどうかである。もしそうなら、それはリチウムのリサイクルを増やし、輸入への依存を減らすことができる。
マイリー博士は、研究が上手く行けば、ASTRABATが取り組んでいるような全固体リチウム電池が2030年頃までに電気自動車の商用利用に入る可能性があると推定されている。「次の重要な電池の革新になるのがこれらの全固体電池であるかどうかは分からない。」とマイリー博士は言った。「(リチウムの代わりに)マンガンやナトリウムを使用するなど、他にも多くの可能な解決策がある。それらは上手く行くかもしれない。しかし、次世代の電池を検証するための研究に投資死続ける必要がある。」と彼女は言った。
正に帯電
電力網への供給をスムーズにする目的でエネルギーを貯蔵する場合、電池は信頼性が高く大容量である必要があり、これは高価であることを意味する。希少なリチウムは最良の選択ではない。代わりにHIGREEWプロジェクトはレッドクロス・フロー電池として知られる別の種類の電池を調査している。
レッドクロス・フロー電池の主要成分は2つの液体で、1つは正に帯電し、もう1つは負に帯電している。電池の使用中、これらは電池スタックと呼ばれるチャンバーにポンプで送られ、そこで透過膜によって分離され、電子を交換して電流を生成する。
プロジェクトのコーディネーターはスペインのビルバオ近郊の研究センターであるCICenergiGUNEの化学者エドゥアルド・サンチェス博士である。彼は、既に世界中で多くの大型レッドクロス・フロー電池が稼働しており、約20年間持続する安定した設計になっていると説明している。しかし、これらの既存の電池は、有毒で腐食性のプロセスである硫酸に溶解したバナジウムを使用している。安全要件は、これらの電池を多額の費用で製造する必要があることを意味する。
「バナジウムには多くの長所がある。安価で安定している。」とサンチェス博士は述べている。「しかし、これらの電池の1つから漏れがある場合、それは良くない。タンクは非常に耐久性があるように設計する必要がある。」
毒性が低い
HIGREEWプロジェクトは、炭素ベースのイオンを貯蔵する水中の塩溶液など、はるかに毒性の低い材料を使用するレッドクロス・フロー電池の作成を計画している。サンチェスと彼の同僚チームは、これらの電池に最適なレシピの開発に取り組んでおり、塩と化学溶液の様々な組み合わせをスクリーニングしている。彼等は現在、うまく機能するいくつかのプロトタイプの候補リストを考えだし、これらをスケールアップすることに取り組んでいる。
1つの巨大なプロトタイプ電池の作業は、CICenergiGUNEセンターで進行中である。「我々は、彼等が大規模に良好な性能を維持することを確実にしなければならない。」とサンチェス博士は言った。彼のチームはまた、市販の電池膜材料を化学的に 変化させて長持ちさせる方法を研究している。
サンチェス博士はレッドクロス・フロー電池の明るい未来を見ている。「ここヨーロッパでは、多くの企業がフロー電池に取り組んでおり、花が咲いていると思う。」彼は、レッドクロス・フロー電池の製造が今後数年間でヨーロッパに豊富な雇用機会をもたらす可能性があると予測している。
