塩電池は電気自動車のリチウム・イオン電池にとって代わる
ことができるか？
Can salt Batteries Replace Li-Ion in Electric Vehicles?
By Liam Critchley
https://eepower.com/ 2024.11.12
溶融塩電池は耐火性があり長持ちするが、電気自動車に適した選択肢か？
溶融塩電池(一般に塩電池と呼ばれる)は40年以上前から存在しているが、適用範囲は限られていた。
最初の塩電池はZEBRAとして知られ、1978年に特許を取得した。この構造は長年にわたってさまざまな業界の関心を集めてきた。塩電池はZEBRA電池から開発の繰り返しを経てきた。
塩電池の構造は充電に時間がかかりすぎるため、電気自動車用途には適していない。しかし、オングリッド貯蔵用途では、リチウム・イオン電池よりも優れた性能を発揮するなど、多くの利点がある。
塩電池とは？
塩電池はナトリウム金属塩化物電池の構造で、ナトリウム・アルミニウム酸化物をベースにしたセラミック・イオン伝導体材料で作られた不燃性の固体電解質を使用している。
βセラミックとして知られ、セパレーターとして機能し、ナトリウム･イオンを通過させる。
カソードは通常ニッケル、ニッケル塩、および食塩(塩化ナトリウム)をベースにした金属ベースのカソードである。電池が充電されたときにのみ形成される(動作していないときは塩と金属の粉末として存在する)。セルはスチールケースに収められており、動作中に溶融物質が逃げるのを防ぎ、熱を閉じ込める。他の電池と同様に、電子は放電および充電中にセルに接続された外部回路を介して移動する。
塩電池は充電中に陽極の塩を溶かして溶融状態にすることで機能する。塩電池は250 ℃付近で作動し、陽極のみが溶融する反応が起こる。ニッケル金属と塩は、塩化ニッケルとナトリウム金属に変化する。反応のバランスの取れた化学式は次の通りである：
2NaCl + Ni → NiCl2 + 2Na
高温は塩電池の特徴である。電池のナトリウムは溶融状態に維持する必要があり、一定の温度が必要である。ただし、塩電池の充電時間は長くなることがある。塩電池は、電池が機能し始めるために溶融温度に達するまで最大11時間かかる。
塩電池の長所と短所
他の電池構造と同様に、塩電池には独特の長所と短所がある。一部は用途に依存する。主な長所は安全性である。塩電池は非常に高温に加熱されるが、内部コンポーネントは燃えたり爆発したりせず、使用されている材料は無毒で非腐食性である。つまり、安全性を確保するために温度制御や専門的な保護コンポーネントは必要ない。電池の安全性は非常に堅牢であるため、放電バッファーを必要とせず、電池を損傷することなく完全に放電できる。これにより、塩電池をシャットダウンまたは完全に放電(休止状態)し、数ヶ月後に問題なく再度電源を入れることができる。
塩電池は80%の容量保持で4,500回以上の充放電サイクルという長い寿命も備えている。入手しやすい天然素材で作られているため、廃棄やリサイクルも簡単である。また、塩電池はエネルギー密度が高く、乾燥した場所であればどこにでも設置でき、15年を超える長い耐用年数があり、-20～＋60 ℃の範囲の温度環境で動作できる。
当然ながら、塩電池にも欠点はある。欠点の1つは、コア動作メカニズムである。動作させるには、温度を常に150 ℃以上に維持する必要がある。動作温度を維持するために、大量のエネルギーを常に消費する必要がある。さらに、塩電池は高充電電流および高放電電流に対してはそれほど効率的ではない。短期間の保管にしか適しておらず、リチウム・イオン電池よりも高価である。
安全性が向上しているにもかかわらず、塩電池は使用できる場所が限られている。塩電池は加熱して機能するまでに時間がかかるため、車両には適していない。塩電池を継続的に使用すると、動作を維持するために最大30％のエネルギーを消費する。塩電池を継続的にオンにしておくと、必要な動作温度を維持しようとするだけで、80時間で完全に放電する(100％充電状態から)。放電すると、塩電池は冷えて動作しなくなる。これらの要因により、塩電池はより速い再充電とより高い放電電力を必要とする自動車および産業用車両用途には適していない。
理想的には、塩電池はセルの温度を高く保つために加熱補助装置を使用しながら、2～10時間の放電期間にわたって使用できる(これにより、電池は内部温度を自己維持するために自身のエネルギーをそれほど使用する必要がなくなる) 。そのため、オングリッド用途はこれらの要件を満たすことができるため、最も実現可能である。オングリッド用途では、塩電池は重要なインフラストラクチャ、遠隔地、および採掘やトンネル建設用途など、リチウム・イオン電池が許可されていない困難な環境の緊急電力貯蔵システムで使用できる。
EUプロジェクトはニッケルの先を見据える
ニッケルはアノードの金属として注目されてきたが、HORIENとEmpaが参加する欧州連合のプロジェクトでは、ニッケルが重要な材料として分類されているため、溶融アノードのニッケル含有量を減らすことを検討している。これらの企業と連携したHiPerSoNickプロジェクトは進展しており、アノードのニッケルを亜鉛に完全に置き換える可能性を検討している。
