配電網エネルギー貯蔵用のより良い蓄電池
Better Batteries for Grid-scale Energy Storage
By Mollie Rappe
Sandia LabNews 2021.08.02
パンデミックにもかかわらず、サンディアは低コスト材料を使用して比較的低温で動作する新しいナトリウム電池を開発している
サンディアの研究者達は配電網エネルギー貯蔵用の新しいクラスの溶融ナトリウム電池を設計した。新しい電池設計は科学誌Cell Reports Physical Scienceに7月21日に発表された論文で共有された。
溶融ナトリウム電池はソーラーパネルや風力タービンなどの再生エネルギー源からエネルギーを蓄えるために長年使われてきた。しかし、ナトリウム－硫黄電池と呼ばれる商業的に利用できる溶融ナトリウム電池は一般的に270 – 350 ℃で操業する。サンディアの新しい溶融ナトリウム電池はもっと低い110 ℃で操業する。
「我々は溶融ナトリウム電池の動作温度を物理的に可能な限り低くするように取り組んできた。」とプロジェクトの主任研究員レオ・スモールは言った。「電池の温度を下げることで、全体的なコスト削減が実現する。より安い材料を使える。電池は絶縁をより少なくでき、すべての電池を接続する配線を大幅に細くできる。」
しかし、280 ℃で機能する電池の化学的性質は110 ℃では機能しない、と彼は付け加えた。この低い作動温度を可能にした主要な革新の中には、彼の陰極液の開発があった。陰極液は2つの塩類、この場合はヨウ化ナトリウムと塩化ガリウムの混合液である。
より良い電池を作る基本
車の点火電池として一般的に使われている基本的な鉛蓄電池は真ん中に硫酸電解質を入れた鉛板と二酸化鉛板で出来ている。電池からエネルギーが取り出されるとき、鉛板は硫酸と反応して硫酸鉛と電子を発生する。これらの電子は車を発進させ、電池の他の側に帰って、そこで二酸化鉛板は電子と硫酸を使って硫酸鉛と水を形成する。新しい溶融ナトリウム電池については、鉛板は液体ナトリウム金属に置き換えられ、二酸化鉛板はヨウ化ナトリウムと少量の塩化ガリウムの液体混合物で置き換えられる、と10年以上も溶融ナトリウム電池に関する研究を続けてきた材料科学者エリック・スポエルケは言った。
エネルギーが新しい電池から取り出されるとき、ナトリウム金属はナトリウム･イオンと電子を生成する。他の側では、電子はヨウ化物をヨード・イオンに変える。ナトリウム･イオンは特別なセラミック・セパレーターを抜けて他の側へ移動し、そこでヨード・イオンと反応し、溶融ヨウ化ナトリウム塩を生成する。硫酸電解質の代わりに電池の中央は特別なセラミック・セパレーターで、そこでナトリウム･イオンだけを左右に移動させ、他には何も移動できない。
「リチウム・イオン電池と違って我々の系では全てが両側で液体である。」とエリックは言った。「つまり、材料が複雑な相変化を起こしたり、バラバラになるなどの問題に対処する必要がない。それは全て液体である。基本的にこれらの液体ベースの電池は多くの他の電池ほど寿命が限られない。」
事実、商業的な溶融ナトリウム電池は10－15年の寿命で、標準的な鉛蓄電池やリチウム・イオン電池よりもかなり長い。
より安全で長持ちする電池
サンディアの小型で実験室規模のナトリウム－ヨード電池はオーブン内で8ヶ月間テストされた。過去2年間実験室テストで研究してきたポスドク研究者のマルサ・グロスは8ヶ月間に400回以上、電池の充放電実験を行った。
COVID-19パンデミックのために、彼等は1ヶ月間実験を止め、溶融ナトリウムと陰極液を室温まで下げ、凍結させなければならなかった、と彼女は言った。マルサは電池を温めた後でも機能することを喜んだ。「COVID-19がなかったら多分、実験をしなかったであろう。なぜなら、誤って電池を壊す危険をおかしたくなかったからだ。」とマルサは言った。「凍結後に電池を再起動できることを学ぶことはパンデミックの小さな銀色の裏地であると言える。この結果を期待していたが、正しかったことを嬉しく思う。」これは2月にテキサスで発生したような大規模なエネルギー破壊が発生した場合、ヨウ化ナトリウム電池を使用して凍結するまで冷却できることを意味する。中断が終わると、それらはウォームアップされ、再充電され通常の動作に戻ることができた。時間のかかる、またはコストのかかる起動工程がなく、電池の内部化学が劣化することもなかった、とエリックは付け加えた。
ナトリウム－ヨード電池もより安全である、とエリックは言った。「リチウム・イオン電池は電池内部に故障が発生すると発火し、電池の過熱が暴走する。我々は電池の化学的性質ではそれが起こりえないことを証明した。我々の電池はセラミック・セパレーターを取り出してナトリウム金属を塩と混合させても何も起こらない。確かに電池は作動を止めるが、激しい化学反応または発火はない。」
外の火がヨウ化ナトリウム電池を包み込んだとき、電池が割れて故障する可能性があるが、火に燃料を追加したり、ナトリウム火災を引き起こすべきではない、とレオは付け加えた。
さらに3.6ボルトの新しいヨウ化ナトリウム電池は市販の溶融ナトリウム電池よりも動作電圧が40％高くなっている。この比較的高い電圧は比較的高いエネルギー密度をもたらし、そしてそれはこの化学で作られた潜在的な将来の電池がより少ないセル、セル間のより少ない接続、そして同じ量の電気を蓄えるための総合的に低いユニット・コストを必要とすることを意味する、とレオは言った。
「この論文で報告している新しい陰極液のおかげで、システムにどれだけのエネルギーを詰め込めるかについて我々は本当に興奮していた。」とマーサは付け加えた。「溶融ナトリウム電池は何十年も前から存在しており、世界中にあるが誰もそれらについて話さない。したがって、温度を下げていくつかの数値に返し、「これは本当に、本当に実行可能なシステムである。」と言えるのはかなり素晴しいことである。」
ナトリウム－ヨード電池の将来
ヨウ化ナトリウム電池プロジェクトの次のステップは塩化カリウム成分を置き換えるために陰極液の化学的性質を調整および改良し続けることである、とレオは言った。塩化ガリウムは非常に高価で、食卓塩の100倍以上である。
チームはまた電池をより速くより完全に充放電させるために、様々な技術の調整に取り組んでいる、とエリックは付け加えた。電池充電で高速化するために以前に特定された偏向の1つは、セラミック・セパレーターの溶融ナトリウム側をスズの薄層でコーティングすることであった。スポエルケは溶融ナトリウム電池が市場に出るまでに5年から10年かかる可能性があり、残りの課題のほとんどは技術的な課題ではなく、商業化の問題である、と付け加えた。「これは低温溶融ナトリウム電池の長期的で安定したサイクルの最初のデモンストレーションである。」とエリックは言った。「我々がまとめた魔法は、摂氏110℃で効果的に動作することを可能にする塩化学と電気化学を特定したことである。この低温ヨウ化ナトリウム構成は溶融ナトリウム電池を使用することの意味を再発明したものである。
新しいナトリウム電池の開発はエネルギー省の電力エネルギー貯蔵計画によって支援された。
