レビュー論文
充電式海水電池の研究と応用
Research and Applications of Rechargeable Seawater Battery
By Junlin Chen, Li Sun, Ke Wang, Yihe Zhang
Journal of Energy Storage 2024;76: 2024.01.15
ハイライト
● 本論文では、近年の海水電池の関連研究についてレビューする。
● これは、海水から無限のナトリウム源を得るための大きな応用可能性を秘めた、新しいタイプの電気化学エネルギー変換および貯蔵システムである。
● 本論文では、先ず海水電池の動作原理と構造を概説し、次に海水電池の機能と材料の開発を、アノード室、カソード室、固体電解質の3つの側面から概説する。
● 海水電池の既存の問題と将来の開発方向を予測する。
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要約
海水電池は優れた放熱性能、長い耐用年数、低い総コストなどの優れた利点により、海洋関連用途の有望な新しいタイプの電気化学エネルギー変換および貯蔵システムと考えられてきた。一般的な海水電池は、陽極室、陰極室、および固体電解質で構成され、オープン環境を形成する。本レビューでは、最初の海水電池の動作原理と構成を紹介する。次に陽極室、陰極室、および固体電解質の観点から、海水電池の機能と材料の開発を紹介する。また、海水電池の現在の問題と将来の開発方向についても展望する。
はじめに
人類社会の継続的な発展と進歩に伴い、エネルギー需要は高まっている。社会発展の初期段階では、石油と天然ガスは、アクセスが容易で、採掘を制御でき、埋蔵量が豊富であるため、社会発展に重要かつ無視できない貢献を果たしてきた。しかし、これらの従来の化石燃料は、埋蔵量が枯渇しているだけでなく、温室効果ガスの排出などの関連する環境問題のため、エネルギー需要を満たす長期的な解決策として機能することはできない。太陽エネルギー、バイオマス・エネルギー、風力エネルギー、地熱エネルギー、波力エネルギー、海流エネルギー、潮力エネルギーなど、クリーンで効率的、長寿命で再利用可能な新エネルギーを開発して発電することが急務である。エネルギー貯蔵システムは豊富であるが断続的な再生可能エネルギー源の利用においてますます重要になっている。エネルギー貯蔵システムは、エネルギー消費のピーク時に生成された電気エネルギーを貯蔵して再利用し、エネルギー生産システムの負担を軽減し、生産作業をより自律的にすることができる。
充電式電池は、エネルギー再分配の重要なリンクとなっている。リチウム・イオン電池技術は、高容量、高エネルギー効率、長寿命のため、電子モバイル装置、大規模エネルギー貯蔵システム、交通モビリティで最も広く使用され、深く研究されている電気化学エネルギー技術の1つである。残念ながら、リチウム・イオン電池の将来の開発はいくつかの困難に直面している。第一に、材料費はリチウム電池の総コストの70％を占める。特に電池システムに使用されるリチウム、コバルト、その他の資源の供給量は限られており、比較的希少で、不均一に分布しており、再生不可能であるため、基礎材料の供給関係の不均衡、調達コストの上昇、業界全体のリサイクル不足が生じている。第二に、従来のリチウム・イオン電池は主にリチウム含有遷移金属酸化物を正極材料として使用しているが、リチウム含有遷移金属酸化物のイオン挿入とサイクル可逆性により、電池のエネルギー密度、総容量、寿命が制限され、さらなる改善は困難である。第三に、リチウム・イオン電池に有機電解質を使用すると、安全上のリスクが発生する可能性がある。したがって、コストが低く、安全性と信頼性が高く、耐用年数が長く、環境に優しい新しい代替充電式電池システムを開発する必要がある。
将来の大規模送電網エネルギー貯蔵の要件を満たすには、制御可能なコストと優れた性能が、エネルギー貯蔵システムの長期的発展にとって重要な要素である。この点で、海水電池の新しい電気化学エネルギー変換および貯蔵システムは、自然に豊富な海水をカソード電解質とナトリウム源として使用する有望な代替手段として浮上している。地球上の海洋は3億6000万平方キロメートルの面積を覆い、総面積の71％を占め、海水は地球の総水資源の95％以上を占めている。海水は表1(省略)に示すように、多数の複雑な成分で構成された水溶液である。海水中のNa+の割合は30％であるため、海水電池の豊富で持続可能な適切なナトリウム源として使用することもできる。
海水電池は、一般的に海の海水を電解質として使用する電池システムを指す。電池全体は一般的に陽極室と陰極室に分かれている。2つの室は固体電解質によって分離されている。海水電池に最も一般的に使用される固体電解質は、ナトリウム超イオン伝導体(NASICON)セラミックである。この電解質は2つの電池室間でナトリウム･イオンを選択的に輸送することのみを可能にする。陽極は海水と直接接触せず、陽極室と陰極室では異なる電解質が使用される。電池は一般的に活性金属を陽極として使用して電子を生成し、陰極で酸素または水と反応して外部回路に電流を形成する。陰極室は開放構造であるため、分極現象をある程度軽減でき、豊富で安価な天然海水を陰極電解質として使用してナトリウム･イオンを得ることができ、反応物を無制限に供給できる。つまり、使用中にナトリウム金属を電極として使用したり、ナトリウム･イオンのみを追加したりする必要がないということである。海水電池は、豊富な海水を低コストのナトリウム･イオン活性カソード材料の供給源として使用し、電極材料を交換するための他の面倒な手順を必要とせず、コストを大幅に削減し、操作プロセスを簡素化し、自己放電率が低い。充電プロセス中、ナトリウム･イオンは中間セラミック電解質を介して選択的にアノード・コンパートメントに移動する。電池のカソードはオープン・タイプで、無限の海水にある。海水温度の長期安定化により、電池温度も適切な範囲に保たれる。電池の長期サイクル安定性は良好で、放熱と冷却は便利である。このようにして、メンテナンス・コストが削減され、耐用年数が長くなり、グリーン環境保護が優れている。放熱問題を考慮する必要がないため、エネルギー貯蔵システムは追加の放熱装置を持ち込む必要がなく、電池システムの容積が削減される。広大な海洋資源のため、高い拡張性を備えている。現在の充電式海水電池はまだ商業化の初期段階にあり、最適化および改善できる側面が多くある。幅広い用途開発の可能性を秘めており、将来のグリーン・エネルギー貯蔵用途にとって有望な電池システムである。
現在、海水電池は当初はオフショア作業に使用されているが、広範囲の水中周囲温度条件下で長期再利用を実現するために海水電池の出力電力密度をどのように向上させるかは依然として課題である。海水中の酸素濃度は限られていて一定であり、これも海水電池の全体的な性能を制限する要因の1つとなっている。
オフショア作業用の海洋機器は数多くある。海水電池の実用化により、海洋資源の監視、保護、利用の効率を向上させることができる。しかし、電池システムで駆動する海洋機器は、通常、界面または陸地から遠く離れた深海にある。電池自体のサイクル可能性、メンテナンス・プロセスの簡便性、電池交換材料の入手しやすさは全て重要である。
当初、電池の電解質には海水が使用され、陽極にはマグネシウムが使用され、陰極材料には塩化銀、塩化第一銅、塩化鉛、酸化鉛、塩化水銀などがあった。このとき、海水電池には充電機能はなかった。その後、金属とその合金が陽極に使用され、海水が陰極電極として使用された。現在まで、海水を陰極液として使用し、海水中の無限のナトリウム･イオンを利用して充電可能な海水電池を開発している。
海水電池は海洋環境で長期間使用でき、メンテナンス・コストが比較的低く、オープン・カソード構造により、電池の放熱性と安全性能が向上し、耐用年数が長くなる。活性物質としてのナトリウム･イオンが無限に得られ、原材料コストも削減される。これらは海水電池の大きな利点である。
各セクションの抜粋
海水電池の仕組み
海水電池は、充放電時に陽極でのNa+の酸化還元反応と陰極での溶存酸素と塩素ガスの発生と還元反応によって作動する。大量の海水が活性物質として使用され、陽極室で海水中のナトリウム･イオンを還元し、陰極室で酸化する。図1(省略)に示すように、海水電池で発生する特定の酸化還元反応は次の通りである：
陰極：4 Na+ + 4e- ←→ 4 Na
陽極：4 OH- ←→ O2 + 2H2O + 4e-
全反応：4 Na + O2…
海水電池の陰極室
陰極室には通常、陰極と非水性電解質が含まれる。海水対極は腐食性が高く、不純物イオンが多くある。そのため、陰極材料を正しく選択する方法が課題となる。通常の金属陰極は、海水電池の放電プロセスで腐食し、表面が不均一になるため、複雑な海水中で長時間使用することは困難である。陰極室の安定性によって、容量と制御可能性が決まる…
海水電池の用途
図6(省略)に示すように、海水電池は広く使用されており、発電だけでなく、飲料水や天然海水の淡水化の問題を解決するためにも使用できる。海水電池は、従来の熱処理淡水化技術や逆浸透淡水化技術と比較して多くの利点がある。前者は効率が低すぎるため、現代社会の発展と生産における大規模な適用には適していない。後者は、最も広く使用されているが…
課題と展望
海水電池は、豊富で安価な天然海水を陽極電解質として使用し、十分なナトリウム源を確保する。電池本体も陰極室とオープン陽極室に分かれている。中央は固体電解質で区切られており、電気が化石エネルギーに変換される。現在、海水電池は海洋および沿岸地域に適用されている。通常の電池と比較して、より便利で、より環境に優しく、生産量が少なく…
