レビュー論文
溶融ナトリウム電池：化学、電解質、インターフェースの進歩
Molten Sodium Batteries: Advances in Chemistries, Electrolytes, and Interfaces
By Ryan C. Hill, Martha S. Gross, Stephen J. Percival, Amanda S. Peretti,
Leo J. Small, Erik D. Spoerke, Yang-Tse Cheng
https://www.frontiersin.org/ 2024.03.08
クリーンな再生可能エネルギーの必要性から、風力や太陽光などの再生可能エネルギー発電機が拡大してきた。しかし、本質的に断続的な再生可能エネルギー源に基づく堅牢で応答性の高い電力網を実現するには、送電網規模のエネルギー貯蔵が不可欠である。この重要なコンポーネントに対する満たされていないニーズが、特に「リチウム・イオンを超える」化学反応の探求を含む、広範な送電網規模の電池研究の動機となっている。とりわけ、1960年代にNa-Sとともに登場した溶融ナトリウム(Na)電池は、主に原材料の豊富さとNa金属の優れた電気化学的特性により、力強い復活を遂げている。最近、多くのグループが電池の化学、電解質、インターフェースの重要な進歩を示し、材料費と運用費を下げ、サイクル性を高め、溶融ナトリウム電池の故障を引き起こす主要なメカニズムを理解している。しかし、溶融ナトリウム電池を広く普及させるには、さらなる最適化、コスト削減、メカニズムの洞察が必要である。この観点から、本研究では、成熟した溶融ナトリウム技術の簡単な歴史、最近の進歩の包括的なレビューを提供し、将来の進歩の可能性を探る。
1．はじめに
エネルギーの使用は人間社会の基本的な側面である。しかし、石油、石炭、天然ガスなどの再生不可能な化石燃料の継続的な使用は持続可能ではない。さらに、それらの燃焼により二酸化炭素ガスが放出され、大気中に蓄積して地球温暖化につながる。化石燃料の有望な影響により、発電のための新しい再生可能な方法が開発された。具体的には、風力と太陽光エネルギーが、世界的なエネルギー危機に対処するための有望な選択肢として浮上してきた。風力タービンは風の力だけで回転するため、化石燃料に依存する蒸気タービンは不要になる。太陽光発電パネルは、太陽からエネルギー光子を吸収して電子を励起し、それが流れて電気を生成する半導体材料で構成されている。どちらの方法もエネルギーを利用するために化石燃料を必要とせず、その拡大により発電によって生じる二酸化炭素排出量が大幅に削減される。重要なのは、これらのクリーンなエネルギー源は発電用の化石燃料に置き換えるだけでなく、車両や産業の電化に対する高まる需要を満たす方法も提供するということである。クリーンで24時間電力に対するこれらの革新的な新しい需要は、既存の送電網インフラストラクチャーに負担をかける可能性がある。
さらに、風力と太陽光はどちらも断続的で変動的な発電に悩まされている。風力と太陽光によって得られる総エネルギーは多くの重要な産業セクターを支えるのに十分であるが、変動や需要と供給の不一致、または必要なときに必要な場所でエネルギーを伝送および分配する能力の制限により、かなりの量のエネルギーが無駄になる可能性がある。化石燃料は、需要がピークになる時期や計画外の停電時に機敏かつ信頼性の高いエネルギー供給を行なうために依然として必要である。変動する供給と需要に対処し、送電混雑の問題を緩和するために、多くの再生可能エネルギー発電業者は、エネルギー貯蔵を利用して、生産ピーク時に失われるエネルギーを回収し、需要ピーク時に安定した応答性の高いエネルギー供給を維持している。短期的なエネルギー管理(2～4時間)に加えて、長時間エネルギー貯蔵(>10～12時間)によって、長期の発電停止時に電力網を強化し、化石燃料への依存をさらに減らすことができると期待している。さらに、電力網に大きな負荷をかける輸送部門と工業製造部門の電化は、エネルギー需要を満たすために大規模で長時間の貯蔵が絶対に必要になる。
充電式電池は、有望なエネルギー貯蔵解決策である。1990年代にリチウム・イオン電池が商品化されて以来、電池駆動のデバイスは社会に欠かせないものとなっている。しかし、リチウム・イオン電池は、材料のサプライチェーン、安全性、そして最も重要なコストの問題に直面する可能性がある。これにより、より安価で持続可能な材料に依存する「リチウム・イオンを超える」多くの電池化学の探求が進んでいる。1960年代にNa-硫黄(S)電池とともに初めて導入された溶融ナトリウム(Na)電池は、Na資源が広範囲に存在し、Na金属の望ましい電気化学的特性(1,166 mAh/g、-2.71 V対SHE)があるため、送電網規模のエネルギー貯蔵に有望である。効果的な送電網規模の貯蔵の可能性から、溶融ナトリウム電池の研究が最近、再活性化しており、多くのグループがコスト、寿命、エネルギー/電力密度に関連する問題に取り組んでいる。この研究の進歩により、Enlighten Innovations、Inlyte Energy、Solstice、Adena Powerなどの企業によるさまざまな溶融ナトリウム化学物質の商業化に取り組みが促進された。このレビューの目的は、溶融ナトリウム電池の分野における最近の進歩と重要な残された課題を明らかにすることである。いくつかの重要な研究と商業化の取組みが図1(省略)に示されている。この図から明らかなのは、過去10年間でこれらの技術への注目が高まったことで、この有望なナトリウム・ベースの一連の技術が再活性化されたということである。
2．初期の溶融ナトリウム電池
2.1 Na-硫黄(S)電池
2.2 Zebra電池
3．次世代溶融ナトリウム電池
3.1 低温溶融ナトリウム電池
3.1.1 Zebraスタイル電池
3.1.2 NiCl2とFeCl2を超える金属塩化物
3.1.3 完全溶融金属ハロゲン化物電池
3.1.4 金属ハロゲン化物を超える溶融ナトリウム電池
3.2 溶融ナトリウム電池用電解質
3.2.1 β”アルミナ固体電解質(BASE)
3.2.2 Na超イオン伝導体(NaSICOM)
3.2.3 ガラスおよびガラス・セラミック伝導体
3.2.4 溶融塩電解質
3.2.5 代替ナトリウム･イオン伝導体
3.3 NaI電解質インターフェース
3.3.1 固体電解質のモードIおよびIIの故障
3.3.2 固体電解質の界面コーティング
以上の章と節は省略。
4．要約と展望
溶融ナトリウム電池は、長い開発の歴史と、最近、新たなイノベーションが加速している。定置型および送電網規模のエネルギー貯蔵技術として有望である。溶融ナトリウム電池に使用される多くの元素は天然に豊富に存在するため、送電網規模の長期エネルギー貯蔵に特に魅力的であり、クリーンで信頼性が高く、回復力のある電力網の実現に役立つ。Na-硫黄(S)電池やZebraスタイルの電池など、さまざまな技術が既に定置型貯蔵解決策に貢献しており、さらに多くの技術がまもなく登場する。低温化学は120℃未満で動作し、送電網規模の貯蔵のコストをさらに削減する可能性がある。Na合金負極は、動作温度をさらに室温に近付けることができる。新しい溶融Naフロー電池は、エネルギーと電力密度を切り離して電力送電網の多様な需要を満たす独自のセルスタックを設計できる。これらの新しい電池を実現するために、固体電解質の化学、製造、およびインターフェース制御で多くの進歩があった。低温焼結と薄い電解質製造によりコストが削減され、異価ドーピングと界面コーティングにより、導電性が高く、デンドライト耐性のある電解質が作られる。研究者が電極、電解質、そして特にそれらの間の界面で画期的な進歩を遂げ続けるにつれて、溶融ナトリウム電池は将来の電力網の主要部品になるであろう。
