季節貯蔵への一歩：「凍結融解電池」は後で使用するためにそのエネルギーを凍結することができる
A Step Towards Seasonal Storage: “Freeze-Thaw Battery” Can Freeze Its Energy for Later Use
By Tom Rickey, Pacific Northwest National Laboratory
https://scitechdaily.com/ 2022.04.27
溶融塩電池は、送電網スケールのエネルギーの季節貯蔵に向けた一歩を示している。
科学者達は多くの貯蔵容量を失うことなく数ヶ月間エネルギーを蓄えることができる送電網用に設計された電池を開発した。後で使用するためにエネルギーを凍結する「凍結融解電池」の作成は、季節的な貯蔵に使用できる電池への一歩である：春などの季節にエネルギーを節約し、秋などの別の季節に使用する。
プロトタイプは小さく、おおよそホッケーパックのサイズである。しかし、このデバイスの背後にある科学は非常に有益であり、太陽光や風などの断続的なエネルギー源からのエネルギーを長期間保存できる日を予見している。エネルギー省の太平洋北西部国立研究所(PNNL)の科学者達による研究は、2022年3月23日にCell Reports Physical Science誌にオンラインで公開された。
「長期間のエネルギー貯蔵技術は、大量の再生可能エネルギーを組み込む際の送電網の回復力を高めるために重要である。」と研究に資金を提供したDOEの電力局のエネルギー貯蔵ディレクターであるimre Gyukは述べている。「この研究は、今日の電池技術の自己放電の制限を克服する季節的な電池貯蔵解決策に向けた重要なステップを示している。」
自然のエネルギーの利用と包装
再生可能資源は、自然のサイクルとともに衰退し、流れる。そのため、信頼性の高い安定した電力の流れにそれらを含めるこれまでのところは困難である。例えば、春の太平洋岸北西部では、コロンビア峡谷を風が激しく吹くのと同じように、流出電力の水力発電ダムで川が最大限に流れ込む。そのすべての電力は直ぐに利用するか、せいぜい数日間保管する必要がある。
送電網オペレーターは、その春のエネルギーを利用して大型電池に蓄え、地域の風が遅く、川が少なく、電力需要がピークに達する年の後半に放出したいと考えている。電池はまたは、激しい嵐の際に停電を乗り切るユーティリティの能力を強化し、ハリケーン、山火事、またはその他の災害の後に大量のエネルギーを送電網に供給できるようにする。
「春に庭で食物を育て、余分なものを冷凍庫の容器に入れ、冬の夕食のために解凍するようなものである。」と筆頭著者のMinyuan “Miller”Liは言った。電池は最初に摂氏180度まで加熱して充電され、イオンが液体電解質を通って流れて化学エネルギーを生成できるようにする。次に、電池は室温に冷却され、本質的に電池のエネルギーを閉じ込める。電解質は固体になり、エネルギーをシャトルするイオンはほぼ静止したままである。エネルギーが必要なときは、電池が再加熱され、エネルギーが流れる。
凍結融解現象が可能なのは、電池の電解質が通常の食卓塩の分子のいとこである溶融塩であるためである。材料はより高い温度で液体であるが、室温では固体である。凍結解凍の概念は、車を長期間使用せずに放置した人なら誰でも知っている問題、つまりアイドル状態で放置すると自己放電する電池の問題を回避する。ほとんどの車やラップトップの電池と同様に、放電速度が速いと、エネルギーを数ヶ月間蓄えるように設計された送電網電池の使用が妨げられる。注目すべき天日塩は、PNNL凍結融解電池が12週間にわたって容量の92％を維持していることである。言い換えれば、エネルギーはあまり劣化しない。冷凍庫の食物のように保存されている。
普通の材料プラス
チームは希少で高価で反応性の高い材料を避けた。代わりに、アルミニウム－ニッケル溶融塩電池は、地球が豊富で一般的な材料でいっぱいである。アノードとカソードはそれぞれアルミニウムとニッケルの固体プレートである。それらは室温では固体であるが、加熱すると液体として流れる溶融塩電解質の海に浸される。チームは電池のエネルギー容量を強化するために、電解質に硫黄(別の一般的な低コスト元素)を追加した。
電池の最大の利点の1つは、アノードとカソードの間に配置されたセパレーターと呼ばれるコンポーネントの構成である。ほとんどの高温溶融塩電池はセラミック・セパレーターを必要とするが、これは製造コストが高く、凍結融解サイクル中に破損する可能性がある。PNNL電池は、電池の安定した化学的性質のために可能な単純なガラスファイバーを使用している。これにより、コストが削減され、凍結融解サイクルを受けるときに電池が頑丈になる。
「電池コストの削減は非常に重要である。そのため、一般的で安価な材料を選択し、セラミック・セパレーターの除去に焦点を当てた。」と研究を主導した責任著者のGuosheng Liは述べている。
電池のエネルギーは、ニッケルのコストが最近、急上昇する前に測定された。キロワット時当り約23ドルの材料費で蓄えられている。チームは材料費を今日のリチウム・イオン電池の材料費よりも約15倍少ないキロワット時当り約6ドルに下げることを期待して、より安価な鉄の使用を検討している。
丁稚の理論エネルギー密度は260 kWh/Kgで、今日の鉛蓄電池やフロー電池よりも高くなっている。
研究者達は、季節的な保管用に設計された電池は、年に1～2回だけ充電および放電する可能性が高いと指摘している。電気自動車、ラップトップ、その他の民生用デバイスに電力を供給するように設計された電池とは異なり、数百または数千サイクル持続する必要はない。
「風力発電所に駐車された40フィートのトラック・トレーラーの大型電池のようなものを想像し始めることができる。」とPNNLのシニア戦略アドバイザーである共著者のVince Sprenkleは述べている。「電池は春に充電され、トラックは変電所まで道路を運転され、夏の暑さの間に必要に応じて電池が利用できる。」
