新しいナトリウム、アルミニウム電池は再生可能エネルギーを
統合して送電網の回復力を高めることを目指す
低コストで地球に豊富にある原材料が新しい送電網エネルギー貯蔵解決策を実現する
New Sodium, Aluminum Battery Aimes to integrate Renewables for Grid Resiliency
https://www.sciencedaily.com/Source: Okayama University 2023.02.07
Energy Storage Materials誌に発表されたばかりの研究結果によると、新しい電池設計は、地球上に豊富に存在する金属を使用し、再生可能エネルギーを国内の電力網に低コストで容易に統合できる可能性があると言う。エネルギー省の太平洋岸西部国立研究所が率いる研究チームは、低コストの金属であるナトリウムとアルミニウムで構築された送電網エネルギー貯蔵電池の新しい設計が、より安全で拡張性の高い定置型エネルギー貯蔵システムへの道を提供することを実証した。
「この新しい溶融塩電池の設計には、他の従来の高温ナトリウム電池よりもはるかに速く充放電し、より低い温度で動作し、優れたエネルギー貯蔵容量を維持できる可能性があることが示された。」と太平洋岸西部国立研究所の博士であり、研究の主任研究者材料科学者であるGuosheng Li氏は述べた。「地球上に豊富に存在する材料を使用しながら、市販の高温ナトリウム電池技術よりも100℃以上低い温度でも、この新しいナトリウム・ベースの化学反応で同様の性能が得られている。」
より多くのエネルギー貯蔵を実現
この研究を支援したDOEの電力・エネルギー貯蔵プログラム局長のImre Gyuk氏は、「国内で入手可能な低コストの材料で作られたこれらの電池技術は、我が国のクリーン･エネルギー目標の達成にまたは一歩近づくことになる。」と述べた。
新しいナトリウム・ベースの溶融塩電池は、2つの異なる反応を使用する。研究チームは以前、中性溶融塩反応を報告した。今回の新たな発見は、これらの中性溶融塩がさらに反応して酸性溶融塩になる可能性があることを示した。重要なのは、この2番目の酸性反応メカニズムが電池の容量を増加させることである。具体的には、高電流で345回の充放電サイクルを行った後でも、この酸性反応メカニズムはピーク充電容量の82.8％を保持した。
電池が放電プロセスで供給できるエネルギーはエネルギー密度と呼ばれ、「kg当たりのワット時( Wh/kg)」で表される。この電池は初期段階または「コイン電池」テストの段階にあるが、研究者達は最大100 Wh/kgの実用的なエネルギー密度が得られる可能性があると推測している。比較すると、商用電子機器や電気自動車で使用されるリチウム・イオン電池のエネルギー密度は170～250 Wh/kgである。しかし、新しいナトリウム・アルミニウム電池の設計には、安価でより豊富な材料を使用してアメリカで簡単に製造できるという利点がある。
「最適化により、比エネルギー密度とライフサイクルはさらに高く、より長くなると予想される。」とLi氏は付け加えた。
ナトリウム電池が本領発揮
実際、太平洋岸西部国立研究所の科学者達は、アメリカに本拠を置く再生可能エネルギーのパイオニアであるNexcerisの同僚と協力して、電池の組み立てとテストを行った。Nexcerisは新事業Adena Powerを通じて、電池の性能をテストするために特許取得済みの固体のナトリウム・ベースの電解質を太平洋岸西部国立研究所に供給した。この重要な電池部品により、充電中にナトリウム･イオンが電池のマイナス(アノード)側からプラス(カソード)側に移動する。
「この技術の我々の主な目標は、太陽エネルギーを毎日10時間から24時間にわたって電力網に低コストで移行できるようにすることである。」とエネルギー貯蔵システムと関連技術について30件以上の特許を所得した電池設計を持つ太平洋岸西部国立研究所電池技術の専門家Vince Sprenkle氏は述べた。「これは風力や太陽光発電などの再生可能資源から送電網に真の回復力を提供するために、より高レベルの再生可能エネルギーを電力網に統合することを検討し始めることができる最適な場所である。」
Sprenkle氏はこの電池の新しい柔軟なデザインを開発したチームの一員であり、電池を将来の管状の形状から、技術がコインサイズの電池からより大型の送電網スケールのデモンストレーション・サイズに発展するにつれて、より簡単に積み重ねたり拡張したりできる平らで拡張可能な形状に移行した。さらに重要なことは、この平形セル設計により、厚い陰極を使用するだけでセル容量を増やすことができ、研究者達はこの研究でこれを利用して実験室条件下で28.2時間の持続放電を実現するトリプル容量セルを実証した。
リチウム・イオン電池を含む現在のほとんどの電池技術は、短期のエネルギー貯蔵に適している。10時間以上のエネルギー貯蔵の需要を満たすには、現在の最先端の電池技術を超えた低コストで安全かつ長時間持続する新しい電池のコンセプトを開発する必要がある。この研究は、その目的に向けた有望な実験室規模の実証を提供する。
送電網レジジリエンス課題のバリエーション
再生可能エネルギーによって生成されたエネルギーを貯蔵し、オンデマンドで電力網に放出する機能により、電池技術の急速な進歩が促進され、多くの新しい設計が注目と顧客を獲得するために競い合った。新しいバリエーションはそれぞれ、それぞれのニッチな用途の要求を満たさなければならない。太平洋岸西部国立研究所の凍結融解電池設計を採用した電池など、一部の電池は季節毎に生成されるエネルギーを一度に数ヶ月間貯蔵することができる。
季節限定電池と比較して、この新しい設計は12～24時間にわたる短期から中期の送電網エネルギー貯蔵に特に優れている。これはいわゆるナトリウム－金属ハロゲン化物電池のバリエーションである。システムの一部としてニッケル陰極を使用した同様の設計が商業規模で有効であることが示されており、既に市販されている。
「我々は電池の特性を犠牲にすることなく、比較的希少で高価な元素であるニッケルの必要性を排除した。」とLi氏は述べた。「ニッケルよりもアルミニウムを使用するもう1つの利点は、アルミニウム陰極の充電がより速くなることである。これは、この研究で実証されたより長い保管時間を可能にするために重要である。」
このマイルストーンに達したことを受けて、チームは放電期間を延長するためのさらなる改善に焦点を当てており、これにより再生可能電源をより多く導入するために送電網の柔軟性が大幅に向上する可能性がある。
また、低温で作動するため、従来の高温ナトリウム電池のように複雑で高価な部品やプロセスを必要とするのではなく、安価な電池材料で製造できると太平洋岸西部国立研究所の電池専門家で研究共著者のDavid Reed氏は述べた。
より低コストでより多くの送電網エネルギー貯蔵を実現
Sprenkle氏によると、2023年時点でのリチウム・イオン電池を使用した最先端の電力網エネルギー貯蔵能力は約4時間のエネルギー貯蔵容量となるという。「材料と製造の予測コスト目的を達成できれば、この新しいシステムにより貯蔵エネルギー容量が大幅に増加する可能性がある。」と同氏は付け加えた。
研究の一環として研究者達は、安価な原材料をベースにしたナトリウム・アルミニウム電池の設計では、活物質のコストがkWh当りわずか7.02ドルになる可能性があると推定した。彼等は最適化と実際のエネルギー密度の増加により、このコストをさらに削減できると予測している。この有望な低コストの送電網スケールの蓄電技術により、風力や太陽光発電などの断続的な再生可能エネルギーが電力網によりダイナミックに貢献できるようになる可能性がある。
研究の共著者であり、ナトリウム固体電池メーカーであるAdena Power社の社長であるNeil Kidner氏は、太平洋岸西部国立研究所と協力してナトリウム・ベースの電池技術を進歩させている。「この研究は当社のナトリウム電解質が当社の特許技術だけでなく、ナトリウム・アルミニウム電池設計でも機能することを実証した。」と同氏は述べた。「ナトリウム電池技術の進歩に向けて、太平洋岸西部国立研究所研究チームとのパートナーシップを継続することを楽しみにしている。」
この研究はエネルギー省電力局と韓国エネルギー技術評価企画院の国際共同エネルギー技術研究開発プログラムの支援を受けた。電解質の開発は、DOE Small Business Innovation Researchプログラムによって支援された。核磁気共鳴測定は、生物環境研究プログラムの後援を受けるエネルギー省科学省ユーザー施設である環境分子科学研究所のEMSLで行われた。
太平洋岸西部国立研究所の送電網最適化研究によると、2024年にオープンするGrid Storage Launchpadについて詳しく見て下さい。
