充電式溶融塩電池は、長期間貯蔵のために所定の位置にエネルギーを凍結する
Rechargeable Molten Salt Battery Freezes Energy in Place for Long-Term Storage
By Anna Blaustein
Scientific American, May 6, 2022
この技術は、より多くの再生可能エネルギーを電力網にもたらすことができる。
太平洋岸北西部の春には、雪解けによる融解水が川に押し寄せ、風が強く吹くことがよくある。これらの力は、この地域の多くのパワータービンを回転させ、穏やかな温度と比較的低いエネルギー需要の時に恩恵の電力を生成する。しかし、この季節的な余剰電力の多くは、夏に来るエアコンに電力を供給する可能性があるが、電池が十分に長く貯蔵できないため失われてしまう。
ワシントン州リッチランドにあるエネルギー省の国立研究所である太平洋北西部国立研究所(PNNL)の研究者は、この問題を解決する可能性のある電池を開発している。Cell Reports Physical Scienceに掲載された最近の論文では、溶融塩溶液を凍結および解凍すると、一度に数週間または数ヶ月間、安価かつ効率的にエネルギーを貯蔵できる充電式電池がどのように作成されるかが実証された。このような能力はアメリカの配電網で温室効果ガスを放出する化石燃料から再生可能エネルギーにシフトさせるために、不可欠である。ジョー・バイデン大統領は、2030年までにアメリカの炭素排出量を半減させるという目標を掲げており、風力、太陽光、その他のクリーン･エネルギー源の大幅な増強と、それらが生産するエネルギーを貯蔵する方法が必要である。
ほとんどの従来の電池は、起こるのを待っている化学反応としてエネルギーを貯蔵する。電池が外部回路に接続されると、電子はその回路を通って電池の片側から他の側へ移動し、電気を発生させる。この変化を補うために、イオンと呼ばれる荷電粒子は、電池の両側を隔てる流体、ペースト、または固体材料を通って移動する。しかし、電池が使用されていないときでさえ、イオンは電解質と呼ばれるこの材料全体に徐々に拡散する。それが数週間または数ヶ月間にわたって起こると、電池はエネルギーを失う。一部の充電式電池は1ヶ月間で保存された充電量のほぼ3分の1を失う可能性がある。
「我々の電池では、この自己放電の状態を本当に止めようとした。」とプロジェクトを率いたPNNLの研究者Guosheng Liは言う。電解質は周囲温度では固体であるが、180℃に加熱すると液体になる塩溶液でできている。電解質が固体の場合、イオンは所定の位置にロックされ、自己放電を防ぐ。電解質が液化した場合にのみ、イオンが電池を通って流れ、電池を充放電することができる。
加熱と冷却の繰り返しサイクルに耐えられる電池を作成することは、小さな偉業ではない。温度変動は電池の膨張と収縮を引き起こし、研究者はこれらの変化に耐えられる弾力性のある材料を特定しなければならなかった。「これまで見てきたのは、その熱サイクルを経る必要がないことを確認するための多くの積極的な研究である。」とPNNLのエネルギー貯蔵の戦略的アドバイザーであり、新しい論文の共著者であるVince Sprenkleは述べている｡「我々は『我々はそれを通り抜けたい、そして生き残り、それを重要な機能として使用できるようにしたい』と言っているのである。」
その結果、比較的安価な材料で作られた充電式電池が生まれ、長期間エネルギーを貯蔵することができる。「これは有望な長期エネルギー貯蔵技術の素晴しい例である。」とこの研究に関与していない電力業界団体GridWise Allianceの政策ディレクターAurora Edingtonは述べている｡「我々はこれらの取り組みを支援し、商業化にどこまで連れて行けるかを見る必要があると思う。」
この技術はアラスカ州のように、ほぼ一定の夏の日光が比較的低いエネルギー使用率と一致する場所で特に有用でありえる。何ヶ月もエネルギーを蓄えることができる電池は、冬の電力需要を満たすために豊富な夏の太陽光発電を可能にできる「凍結融解電池の魅力は、季節的なシフト機能である。」と州内の気候技術の展開を加速するために活動する非営利団体Launch Alaskaの最高イノベーション責任者であるRob Roysは述べている｡RoysはPNNL電池を彼の州の遠隔地で操縦することを望んでいる。
電池の加熱は、特に寒い場所では難しい場合がある。温和な条件下でも、加熱プロセスには電池容量の約10～15％に相当するエネルギーが必要である、とLiは言う。プロジェクトの後半の段階では、温度要件を下げ、電池自体に加熱システムを組み込む方法を模索する。このような機能は、ユーザーのために電池を簡素化し、潜在的に家庭や小規模の使用に適している可能性がある。
現在、実験技術は公益事業規模および産業用途を対象としている。Sprenkleは風力発電や太陽電池アレイの隣に駐車された巨大な電池を内蔵したトラクター・トレーラー・トラックコンテナのようなものを構想している。電池は現場で充電され、冷却され、変電所と呼ばれる施設に運転され、必要に応じてエネルギーが電線を介して分配される。
PNNLチームはこの技術の開発を継続する予定であるが、最終的には商品製品に開発するのは業界次第である。「DOEでの我々の仕事は、新しい技術の危険性を軽減することである。」とSprenkleは言う。「業界は、危険性が十分に軽減されたと考えるかどうかの決定を下し、それを引き受けてそれと一緒に走る。
DOEは、初期の研究実証とエネルギー技術の商業化の間に通常発生する遅れを縮小するために取り組んでいる。例えば、科学者達は1970年代にリチウム・イオン電池の開発を始めたが、電池は1991年頃まで消費者製品にならず、2000年代後半まで送電網に組み込まれなかった。Sprenkleによると、人工知能と機械学習は、新技術の検証とテストのプロセスを迅速化するのに役立ち、研究者達はデータを収集するのに10年を必要とせずに10年間の電池性能をモデル化して予測できる。
脱炭素化目標を達成するのに十分な速さで採用が行われるかどうかは不明である。「2030年、2035年の脱炭素化目標をまさに達成しようとするなら、これらすべての技術を約5倍加速する必要がある。」とSprenkleは述べている｡「本当に影響を与えるために、オンラインになり、検証され、今後4～5年で引き渡す準備ができている必要がある開発を検討している。
