塩電池設計は電気自動車をさらに一歩前進させるのに役立つ可能性がある

Salt Battery Design Could Help Electric Cars Go the Extra Mile

By E&T editorial staff

E&T ( Engineering and Technology ) 2021.02.02

主成分として塩を使って、中国とイギリスの研究者達は、道路上でより環境に優しい電気輸送への移行を加速させる可能性がある新しいタイプの充電式電池を設計した。

　多くの電気自動車は充電式リチウム・イオン電池によって走行されるが、電池は時間経過と共にエネルギーと出力を失う。幾つかの条件下で、その様な電池は充放電中に過熱する可能性もあり、そのことで電池寿命も劣化させ、充電当たりの走行距離を減らす可能性がある。

　これらの問題を解決するために、ノッティンガム大学は、固体酸化物燃料電池と金属空気電池の性能メリットを組み合わせて革新的で手頃なエネルギー貯蔵法を開発するために中国中の6科学研究所と共同研究している。新しい電池は完全にリサイクル可能で、環境に優しく、低コストで安全でありながら、電気自動車の範囲を大幅に拡大する可能性がある。

　固体酸化物燃料電池は化学変化の結果によって水素と酸素を電気に変える。それらの電池は燃料からエネルギーを抽出するのに非常に効率的で耐久性があり、低コストでより環境に優しく生産できるが、再充電できない。一方、金属空気電池は、鉄のような安い金属と大気中の空気を使って電気を発生させられる電池化学電池である。充電中に酸素だけを大気中に放出する。あまり耐久性ではないが、これらの高エネルギー密度電池は再充電でき、リチウム・イオン電池と同等の電力を蓄え放出できる可能性があるが、ずっと安全で安い。

　初期の研究段階で、研究チームは電気伝導性のために過熱によって活性化される電解質のタイプとして溶融塩を使う高温、鉄空気電池設計を探求した。安くて不燃性の溶融塩は電池に印象的なエネルギー貯蔵と電力能力、および長いサイクル寿命を与えるのに役立つ。

　しかし、溶融塩には不利な特性もある。研究を率いているノッティンガム大学のジョージ・チェン教授は言った：「極端な熱で、溶融塩は激しく腐食し、揮発性になり、蒸発または漏れる可能性があり、そのことは電池設計の安全性と安定性に対する挑戦である。電池性能を向上させ、将来の電気輸送での使用を可能にするために、これらの電解質特性を微調整することが急務であった。」

研究者達は固体酸化物ナノ粉末を使って、溶融塩を軟質固体塩に変えることによって技術を現在上手く改善した。中国科学院の上海応用物理学研究所のJianqiang Wang教授はこの共同プロジェクトを率いており、この準固体(QSS)電解質は金属空気電池用に適していると予測している。それは800℃で操業でき、高い操業温度で生ずる可能性のある溶融塩の蒸発と流動性を抑えるからである。

　プロジェクト共同研究者で中国科学院の上海応用物理学研究所のCheng Peng博士はこの実験研究のユニークで有用な設計の側面を説明している。固体酸化物粒子の柔軟に接続されたネットワークを構築するためにナノテクノロジーを使って準凝固が達成された。これらは溶融塩電解質を固定する構造的なバリアーとして働き、それにより極度の熱でも安全に電気を伝導できるようにしている。

ノッティンガム大学で溶融塩電解実験室を率いているChen教授は、チームの「有望な結果」が高い安定性と安全性を持った低コストで高性能溶融塩金属空気電池の設計により簡単で効率的な方法を確立することに役立つだろうと、希望を持っている。「修正された溶融塩鉄酸素電池は、電気輸送や我々の家庭および配電網で新しい貯蔵の解決策を要求している再生可能エネルギーを含めて新しい市場に大きな潜在的用途を持っている。電池はまた、原理的に電気と同様に太陽熱を蓄えることができ、そのことは家庭用と産業用の両方のエネルギー需要のために非常に望ましい。溶融塩はスペインと中国で現在大規模に使われており、太陽熱を捕まえて蓄え、その後電気に変えるが、我々の溶融塩金属空気電池は1つの装置で両方の仕事をできる。」と彼は付け加えている。

　結果の概要を説明した完全な論文「再充電高温溶融塩鉄-空気電池」はEnergy Storage Materials誌に掲載された。