塩と電池－蓄電の限界を打ち破る
Salt and a Battery – Smashing the Limits of Power Storage
By Caleb Davies
Horizon The UE Research & Innovation Magazine June 24, 2022
再生可能エネルギーブームのおかげで、エネルギー革命の制限要因は、最近の電力貯蔵ほど電力供給ではない。よりクリーンで環境に優しい電池は、我々の自動車、自転車、デバイスをより長く充電するために必要である。
我々は皆そこにいた。画面の右上隅にある長方形のアイコンが赤に変わり、点滅して電池切れになったことを示す。しかし、電池の問題は、この小さな不便さをはるかに超えている。電池は、我々のグリーン・エネルギーの未来の重要な部分であるが、不完全なものでもある。
将来的には、我々のエネルギーの大部分は、太陽光や風力等の再生可能エネルギー源から来るであろう。しかし、風が吹かず、太陽が輝かないときがある。供給を均等にするためには、再生可能エネルギーによって生成された余剰電力を、消費する準備ができるまで貯蔵する必要がある。そのための重要な手段の1つは、より良い電池を使用することである。また、想定される電気自動車や携帯機器に電力を供給するには、膨大な数の蓄電池が必要である。
問題は最高の電池でさえ問題があることである。大きなこだわりの1つは、リチウム・イオン・セルがリチウムを主要成分として使用していることである。これは塩として採掘される。ヨーロッパは現在、大きな埋蔵量を持っていないので、オーストラリアやチリのような少数の場所からの輸入に頼っている。リチウム電池も高価であり、貯蔵容量が限られており、繰り返し充電すると性能を失う。
それらを良くするためには、まずそれらがどのように機能するかを理解する必要がある。従来のリチウム・イオン電池には、3つの主要成分がある。電極と呼ばれる2つの固体成分－陰極と陽極－と電解質と呼ばれる液体がある。電池が放電すると、電子は陰極から陽極に流れ込み、接続されているデバイスに電力を供給する。正のリチウム・イオンは電解質を通って拡散し、陰極の負電荷に引き寄せられる。電池が放電されているとき、これは逆になる。
エネルギー密度
プロセス全体は可逆的な電気化学反応である。この基本的なプロセスには多くのフレーバーがあり、様々な種類の化学物質やイオンが関与している。ASTRBATプロジェクトによって検討されている特定の選択肢は、液体電解質を廃止し、代わりに固体またはゲルにすることである。理論的には、これらの固体電池はより高いエネルギー密度を有し、より長くデバイスに電力を供給することができることを意味する。また、一般的なリチウム・イオン電池とは異なり、可燃性液体電解質を使用しないため、より安全で迅速に製造する必要がある。
フランスのグルノーブルにある原子力・代替エネルギー委員会の電気化学者ソフィー・マイリー博士は、ASTRBATプロジェクト・コーディネーターである。彼女はリチウム・ベースの固体電池は既に存在すると説明している。しかし、そのような電池は電解質としてゲルを使用し、約60℃の温度でのみ良好に機能するため、多くの用途には適していない。「気候変動の問題に立ち向かうためには、この分野で革新する必要があることは明らかである。」とマイリー博士は述べている｡
彼女と彼女のパートナー・チームは、より良い固体リチウム電池のレシピを完成させることに取り組んできた。この仕事には、電池のあらゆる種類の候補成分を調べ、同様の成分が最適に連携するかを判断することが含まれる。マイリー博士は現在、適切な成分を特定し、電池の製造を拡大する方法を模索していると言う。
彼女と彼女のチームが次に調査する予定の質問の1つは典型的なリチウム・イオン電池と比較して、固体電池からリチウムやその他の元素をリサイクルする方が簡単かどうかである。もしそうなら、それはリチウムのリサイクルを増やし、輸入への依存を減らすことができる。
マイリー博士は、研究が上手く行けば、ASTRBATが取り組んでいるような固体リチウム電池は、2030年頃までに電気自動車で商用化される可能性があると推定している。「これらの固体電池が次の重要な電池の革新になるかどうかは分からない。」とマイリー博士は述べている。「(リチウムの代わりに)マンガンやナトリウムを使用するなど、他にも多くの解決策がある。」と彼女は言った。
正に帯電
電力網への供給を円滑にする目的でエネルギーを貯蔵する場合、電池は信頼性が高く、大容量である必要があり、これは高価であること意味する。希少なリチウムは最良の選択ではない。代わりにHIGREEWプロジェクトは、レドックスフロー・セルとして知られる別の種類の電池を調査している。
レドックスフロー電池の主な構成要素は2つの液体であり、1つは正に帯電し、もう1つは負に帯電している。電池が使用されている場合、これらはセル・スタックと呼ばれるチャンバーにポンピングされ、そこで透析膜によって分離され、電子を交換して電流を作り出す。
このプロジェクトのコーディネーターは、スペインのビルバオ近郊にある研究センターであるCIC energiGUNEの化学者エドアルド・サンチェス博士である。彼は既に世界中で多くの大規模なレドックスフロー電池が鼓動しており、約20年間持続する安定した設計になっていると説明している。しかし、これらの既存の電池は、有毒で腐食性のプロセスである硫酸に溶解したバナジウムを使用している。安全要件はこれらの電池を多額の費用をかけて製造する必要があることを意味する。
「バナジウムには多くの強みがある－それは安くて安定している。」とサンチェス博士は言った。「しかし、これらの電池の1つから漏れがある場合、それは良くない。戦車は非常に耐久性のあるものに設計しなければならない。
毒性が低い
HIGREEWプロジェクトは、炭素ベースのイオンを貯蔵する水中の塩溶液などの毒性がはるかに低い材料を使用するレドックスフロー電池の作成を計画している。サンチェスと彼の同僚達のチームは、これらの電池に最適なレシピの開発に取り組んでおり、塩と化学溶液の様々な組み合わせをスクリーニングしている。彼等は今、上手く機能するいくつかのプロトタイプのショート・リストを思いつき、これらをスケールアップすることに取り組んでいる。
1つの巨大なプロトタイプ電池の作業は、CICエナージング・センターで進行中である。「我々は、彼等が大規模に良好な性能を維持するようにしなければならない。」とサンチェス博士は述べた。彼のチームはまた、市販の電池膜材料を浸して化学的に変化させ、長持ちさせる方法も調査している。
サンチェス博士はレドックスフロー電池の明るい未来を見ている。「ここヨーロッパでは、多くの企業がレドックスフロー電池に取り組んでいるので、花が咲いていると思う。彼は、レドックスフロー電池の製造は、今後数年間でヨーロッパに豊富な雇用機会をもたらす可能性があると予測している。
この記事の研究は、EUから資金提供を受けた。この記事が気に入ったら、ソーシャル・メディアで共有することを検討して下さい。
