溶融塩電池：40年前の「革新」の長所と短所
Molten-Salt Batteries: Pros and Cons of a 40-Year-Old “Innovation”
https://www.flashbattery.tech/ 2022.11.23
エネルギーの未来は再生可能になるが、「奇跡」の解決策はなく、物事を明確にすることが重要である。「再生可能エネルギー、貯蔵と電池の革命」と題するLEIENEのエピソードは溶融塩電池に大きな関心を集めたが、これは新しい技術でも完璧な技術でもない。ここでは、それがどのように機能するか、および長所と短所を分析する。
エネルギー転換のための再生可能エネルギー
省エネと持続可能な開発は、エネルギー資源の集中的な開発と気候変動によって時間の経過と共に引き起こされる被害に対する認識の高まりにより、各国がグリーン・イニシアチブと政策を採用することを確信していることに駆り立てられて、再生可能エネルギー源の使用に向けたエネルギー転換にますます焦点を当てた世界的な議論の中心である。
我々と地球の健康を守るためには、考え方の根本的な変化と共有行動が不可欠であるが、誤った情報によって生み出された罠に陥ることなく、真に効果的な今日利用可能な技術を明らかにすることも重要である。
我々の未来は風力や太陽光発電などの再生可能エネルギーによって動かされることは誰もが認めるところであるが、注意が必要である。断続的な再生可能エネルギー源について話しているのは、常に利用できるとは限らず、制御が難しいことが多い自然の流れに由来する物であるからである。太陽は何時も輝いているわけではなく、風も毎日吹いているわけではないことを覚えておく必要がある。では、どうすればそれらのエネルギーを最大限に活用できるか？
エネルギー貯蔵用電池
リチウム電池の導入により、エネルギーを貯蔵し、天然資源が供給できないときにそれを使用することを可能にする貯蔵装置の作成を通じて、再生可能エネルギーを可能な限り活用することができる。エネルギー貯蔵の分野で利用可能な解決策の数は増えているが、それらのすべてがまだ効率的であるとは限らない。
2022年10月18日に放送された有名なイタリアのテレビ番組LEIENEのエピソード「再生可能エネルギー、蓄電池と電池の革命」の後に発生したメディアの騒ぎは、溶融塩電池のトピックにスポットライトを当てた。この技術は確かに興味深いものであるが、新しいものでも完全なものでもない。実際、Mediasetのレポートでは、塩電池は電化の理想的な解決策として描かれている。高性能で環境に優しく、安全でほぼ永久的な電池である。しかし、落とし穴は何処にあるのだろうか？
これについては、Battery Weekly 2022のエピソード45で取り上げた。これは電池の世界に関する毎週のコラムであり、電化の専門家であるMarco Righi, Alan Pastorelli, Daniele Invernizziが、このよく議論されている技術に光を当て、その起源、用途、利点を詳しく説明している。そして何よりも多くの制限がある。
溶融塩電池：それらは何であり、どのように作られているか？
いわゆる「塩」電池は、ナトリウム･イオン電池と混同しないように。実際には金属塩化ナトリウム電池であり金属ベースのカソードと溶融ナトリウム・アノードで構成され、金属ケースに入れられ、イオンは通過させるが、充電中または放電中に外部電気回路を移動する電子は通過させないセラミック膜である。
塩電池は、アルミナ、鉄、ナトリウム、または塩化第一鉄や硫化鉄、塩化ニッケル、テトラクロロアルミン酸ナトリウムなどの他の誘導体など、塩以外の様々な材料の混合物を内部に含む多くのセルで構成されている。
塩電池はどのように機能するか？
これがどのように機能するかを説明するために、レポートで引用されているFZSONICK塩電池メーカーのデータシートからヒントを得て、プロセスを詳細に説明し、放電段階では、活物質が塩化ナトリウムと金属粉末であり、主にネッケル・ベースであり、充電段階では、これらは塩化ナトリウムと金属に変換される。
固体電解質はベータアルミナであり、ナトリウム･イオンの輸送を可能にし、アノードとカソードの間の絶縁を提供する。電池は機能するために約250℃の温度に加熱する必要があり、特別なケーシングによって断熱されている。
多くの人が尋ねるであろう：250℃は高すぎないか？
高温はまさにこれらの電池の特徴の1つである。使用する塩化ナトリウムは、機能するために溶融する必要があるため、温度を非常に高く保つ必要がある。実際、塩電池は、塩が溶融している場合にのみ機能し、他の多くの塩と同様に、非常に高い温度で溶融する。200～300℃：これらの電池の正確な内部動作温度である。
下の図(省略)は溶融塩電池の構成の非常に明確な概要を示している。電池のコアは、それぞれ約2.6 Vの個々の要素(セル)で構成されており、それらの周りには保護として機能し、電池の残りの部分を構成するいくつかの絶縁層があり、コアが一定の温度に保たれるようにする。約250℃～270℃である。
塩電池は1970年代の革新であった！
溶融塩電池は実際には40年以上前から存在している！実際、それは確立された技術であり、石油価格が急騰し、ますます多くの研究者が代替解決策を見つけるために働いた実際のエネルギー危機につながった今日、我々が経験しているものと非常によく似た歴史の時代である。
ZEBRA電池の場合
エネルギー危機に対する解決策の1つは、南アフリカの研究者Johan CoetzerがCSIR(科学産業研究評議会)で最初に研究し、1978年に特許を取得した、溶融塩に基づくZEBRA電池の開発であった。
何年にもわたってこの電池は多くの産業家の注目を集めてきた。彼等はそれをさらに開発および改良し、ヨーロッパ中を回り、イギリスのAERE HarwellからドイツのAEGおよびスイスのFAMMに至るまで、様々な手を通過した。これは後にMES-DEAとなり、最初に小規模生産を正式化し、一部の電気バスなどの一部の車両にも使用した。
この会社は現在もFZSONICKと言う名前で存在し、最先端のシステムを実装したナトリウム金属塩化物電池の生産を続けている。
確かに可能性のある技術について話しているが、それがここ数年で大規模な生産に発展していない場合、それは確かに最適な用途の制限によるものである。
塩電池の長所と短所
確かに溶融塩電池の背後にある技術は突破したことはないが、他の立派なエネルギー源と同様に、長所と短所があり、用途の分野に応じて多かれ少なかれ効果的である。塩電池の長所と短所を詳しく見てみよう：
塩電池の長所 塩電池の短所
● 安全 ● それらを機能させるために絶えず高温(250℃
以上に保たなければならない
● 廃棄とリサイクルが簡単 ● それらが機能する温度を維持するために一定
のエネルギー消費量を必要とする
● すぐに入手できる材料の使用 ● それらは高い充放電電流に対して効率的では
ない
● リチウム電池よりも高いコスト
● 中長期保管には適していない
この技術の最も興味深い側面の1つは、特に不安定な国際地政学的状況が材料の供給に関連するいくつかの問題を引き起こしている今日の構成である。溶融塩電池は、単純な塩、ニッケル、鉄、セラミックスなど、容易に入手できる自然界にある原材料でできており、廃棄も簡単である。
さらに、それらは長いライフサイクルを保証する。当社が分析したFZSONICKのデータシートでは、80％で4,500回を超える充放電サイクルについて言及している。これがすべての用途に当てはまるとすれば、LFP化学を使用したリチウム電池のライフサイクルに匹敵する優れた数値である。
最終的に塩電池は高い安全基準を保証する。これはその固有の組成が燃えたり爆発したりしないためである。したがって、安全で耐久性があり、持続可能な塩電池について話している。40年間、リチウム電池に取って代わらなければならなかったのは何故か？
溶融塩電池の本当のアキレス腱は常に機能するためには250～300℃の範囲の非常に高い一定温度が必要であると言う事実である。そのような温度でのみ塩が溶けるからである。この側面にはいくつかの問題が伴う。例えば、48 V、200 Ahの電池が9.6 kWhのエネルギーを供給し、特定の充電段階で何が起こるかを分析してみよう。
グラフ(省略)では、充電フェーズは内部温度が270℃に達したときにのみ開始されることが明らかである。時間を示す下の軸に注目すると、電池が機能できる溶融温度に達するまでに10.5時間から11時間かかることが分かる。ウォームアップ時間が長いことを考えると、この技術が車両用に拡張されていない理由は明らかである。
温度に関連するもう1つの非常に重要な側面は、自己放電である。100％のSOCから開始すると、電池は80時間で放電してゼロになり、温度を維持する。
上のグラフ(省略)は電池を充電器から外して放電した場合に何が起こるかを示している。内部BMSは保存されたエネルギーを使用して動作温度を維持するが、その際に自信のエネルギーを自己消費する。したがって、エネルギーがある限りパックは一定の温度を維持できるが、そぐに放電する。実際、80時間でSOCがゼロに達することが分る。これは24時間で電池が動作を維持するためにエネルギーの30％を使用することを意味する(したがって、9.6 kWhの電池パックでは、電池を一定の温度に保つためだけに１日当たり3 kWhが無駄になる)。
電池がゼロまで放電されると、その時点で冷却が開始され、別のウォームアップ・フェーズの後で作業できなくなる。
これは大きな問題である。具体的な例を見てみよう：
溶融塩電池パックが完全に機能する移動中の車を想像してみる。しかし、
ドライバーはある時点で目的地に到着し、車の電源を切り、不特定の時間
駐車したままにする。電池パックが冷えるとどうなるか？電池が放電し、
車が動かなくなった。これはまさに主な制限の1つである：塩電池は多く
のエネルギーを消費するため、動作を維持するには充電ポストに永久的に
取り付けたままにしておく必要がある。
使用先と用途：塩電池を使用する一次味覚感覚求心性繊維があるのは何処か？
自己放電は電池自体に固有のことではなく、使用する断熱材に依存する。しかし、明らかに環境中の熱放散を制限して隔離すればするほど、内部抵抗によってエネルギーも生成される激しい作業段階に耐えることが出来なくなり、その時点で放散できなくなり、過熱状態になる。したがって、溶融塩電池は、急速充電、高放電電力、および自律性を失うことなく長時間のシャットダウンの可能性を必要とする自動車または産業車両分野での使用には適していない。
これらの電池の理想的なサイクルは次の通りである：
● 2～10時間の放電時間で頻繁に
● 中間電力では、過熱のリスクなしに加熱を支援する
● 電池を常に接続したままにできるオングリッド用途
次のグラフ(省略)は、最適な使用が合計バックアップ時間の2～10時間であることを正確に示しており、これは具体的には、太陽光発電が非常に高い夏場に理想的なエネルギー貯蔵の分野の使用につながる。しかし、冬場には生産量が少ない場合でも、それを維持するためにエネルギーが絶えず失われることを理解する必要がある。
リチウム電池は、今後何年にもわたってエネルギー貯蔵を含む電化の分野で誰もが認めるリーダーであり続けるだろう
多くの技術は、汚染された化石燃料に代わる環境に優しい代替品として時間の経過と共に確立されており、塩電池は間違いなくその中にある。したがって、信号は肯定的であり、我々の惑星の利益のためにクリーン･エネルギーへの移行へのコミットメントが高まっている。しかし、「電池」という言葉がまだほぼ独占的にリチウムに関連付けられている場合、その理由はすぐに述べられる。
性能と可用性
リチウム・イオン電池の高効率により、リチウム・イオン電池は高いエネルギー密度と継続的に優れた性能を保証する能力を備えた、電化の分野でも誰もが認めるリーダーとなっている。さらに、リチウム電池は様々な化学物質で入手可能であり、様々な使用状況に合わせて様々な要素と組成を利用している。
それらの広範な使用により、リチウム電池は長年わたって価格と品質の間で適切な妥協点を達成し、簡単に入手できるようになったが、別の大きな利点もある。様々な形式で入手でき、エネルギー密度によってリチウム電池のサイズを調整できる。インストール先の用途または貯蔵装置の特定のニーズに対応する。
信頼性と安全性が可能
リチウム電池も安全でないと見なされるべきではない。電池メーカーは適切な化学物質の選択(例えば、LFP化学は市場で最も安全で安定している)から始まり、電池組み立ての修正、および長期にわたって安定した性能を保証するインテリジェント制御電子機器に至るまで、長期間にわたって安全性と信頼性を確保する上で重要な役割を果たしている。
再利用とセカンドライフ
最後に、リチウム電池が車両の耐用年数の終わりに達したとき、つまり残りの容量が80％を下回った時、それはまだ他の分野での使用のための多くの可能性を持っていることを覚えておくことが重要である。住宅や建物のユーティリティに電力を供給するためのエネルギー貯蔵である。これにより、電力網の運用を改善すると同時に、再生可能プラントからのエネルギーをより多く利用することが可能になる。
明確にするために言うと、ある技術を非難し、別の技術を称賛することはこの記事の意図ではないが、我々が常に強調するのが好きだったように、特に電池などの分野では、新しい非常に異なる技術で日々進化している。
エネルギーの未来は間違いなく再生可能であり、我々は皆、持続可能な選択に向かって進んでいるが、単に奇跡的な技術など存在しないことを心に留めておく必要がある。それぞれの技術にはプラス面とマイナス面があり、それを知るのは我々次第である。メリット、欠点、制限、機会を比較検討し、達成したい目標を明確に評価する。
