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溶融塩電池

Molten Salt Battery

By Homeowner.com

https://www.homeowner.com/      2023.08.02

 

　クリーン･エネルギーに関して言えば、風力、太陽光、潮力などの再生可能エネルギーは断続的な性質を持っているため、送電網の管理には困難な問題が生じる。ピーク時のエネルギー生産量はピーク時のエネルギー需要とあまり相関しないことが多いため、消費量が少ないときに過剰なエネルギーを貯蔵する手段が必要になる。

　再生可能エネルギー源が普及し、化石燃料の排出を抑制する必要性が高まるにつれて、新しい送電網エネルギー貯蔵解決策を見つけることがかつてないほど重要になっている。これは、ソーラーパネルや風力タービンなどの再生可能エネルギー源を大規模に導入するために必要な最後の技術である。

　

溶融塩電池とは何か？

　溶融塩電池、特に液体金属電池は、再生可能エネルギー源の送電網エネルギー貯蔵解決策としてエネルギー・コミュニティからの関心が高まっている。

　高エネルギーと電力密度、長寿命、低コストの材料を組み合わせることで、送電網規模のエネルギー貯蔵の特有の需要を満たすため可能性を秘めている。溶融塩電池は、溶融塩電解質を使用する電池の一種である。溶融塩電解質のコンポーネントは室温で固体であるため、不活性状態で長期間保存できる。

　活性化中、カソード、アノードおよび電解質層は、それらの相対密度と不混和性により分離する。中央の溶融塩層は、高いイオン伝導性を備えた電解質として機能し、電池の充電および放電時にイオン種が移動する媒体になる。

 

溶融塩電池のメリット

　溶融塩電池には、従来の固体電池に比べていくつかの固有の利点がある。構成部品の一部(液体金属電池の場合はすべて)が液体であるため、電池はより高い電力密度、より長いサイクル寿命、そして大規模用途における簡素化された製造スキームを備えている。膜や分離システムが関与しないため、サイクル寿命が長くなり、エネルギー効率を長期間維持できる。

　送電網規模のエネルギー貯蔵会社Ambriは、鉛アンチモンとリチウム液体金属の電池が、毎日の充放電サイクルの10年間にわたって初期効率の85％を維持するはずであることを以前に示した。電池は本質的に3つの液相を含む容器であるため、構造は重い金属を底に、電解質を中央に、軽い電極を上に注ぐだけと同じくらい簡単である。

　この設計の主な欠点は、コンポーネントを液体状態に保つために高い動作温度が必要になることである。しかし、送電網スケールの用途では、充電および放電サイクル中に生成される熱を使用して、これらの高温を簡単に維持できる。

 

溶融塩電池の歴史

　最初の溶融塩電池は実際には、非常に長期間の動作を意図したものではなく、代わりに爆弾やロケット用の単回作動一次電池として使用された。第二次世界大戦時代のドイツの科学者Georg Otto Erbによって発明された最初の実用的な電池は熱電池と呼ばれ、戦時中は使用されなかったが、最終的にはアメリカ兵器開発部門がその技術を取得し、ロケット、爆弾、さらには核兵器として使用することになった。

　これらの初期の電池は、固体状態で無期限(50年以上)持続し、同時に大量の電力を供給できた。現在でも熱電池は、AIM-9サイドワインダー、BGM-109トマホーク、MIM-104パトリオットなどのミサイルの主な動力源として使用されている。

　1966年にフォード・モーター社は、電気自動車用途のためのナトリウム硫黄(NaS)液体金属電池を発明した。高い出力密度と高いエネルギー容量は有望に見えたが、動作温度が290～390℃と高いため、フォードは研究開発を中止した。

　1983年、東京電力株式会社と日本ガイシ会社は、送電網蓄電の解決策としてNaS電池システムの可能性に気付き、技術の研究開発を開始した。1993年に、このようなシステムの最初の大規模プロトタイプが東京電力の網島変電所でフィールド・テストされた。これらのシステムは、3つの2 MW、6.6 KV電池バンクで構成されていた。これは、毎年90 MWの蓄電容量を生産する日本ガイシ/東京電力コンソーシアムの現在の系統蓄電用NaS電池ラインの基礎を築いた。

　一方、1985年に南アフリカのプレトリアでは、科学産業研究評議会のJohan Coetzer博士が率いるゼオライト電池研究アフリカ・プロジェクト(ZEBRA)が最初のナトリウム・ニッケル塩化物電池を発明した。これは、90 Wh/kgの比エネルギー、特に安定したベータアルミナ固体電解質、およびNaSよりも優れた耐食性を備えていた。この設計は斬新ではあるが、大規模な商用送電網蓄電への応用例はまだなく、電池の研究開発において依然としたホットな話題値なっている。しかし、それらはFIAMM Sonickによって配備され、Modec Electric Vanで使用されている。

 

様々な種類の溶融塩電池

サーマル(非充電式)電池

　ロケットやミサイルに電力を供給するために使用される熱電池は一次電池であり、数秒から1時間強程度の短時間に大電力を供給することを目的としている。デザインには大きく分けて2種類ある。1つ目は、加熱ペレットの端に沿ってセラミック・ペーパー内のジルコニウム金属粉末とクロム酸バリウムで構成される信管ストリップを使用して、燃焼プロセスに添加する方法である。

　信管ストリップは、電流を流すスクイブによって点火される。2つ目は、電池スタックの中心に穴があり、電気的に点火すると白熱粒子と高温ガスの混合物で満たされる。このプロセスは、ヒューズ・ストリップ設計では数百ミリ秒かかるのに対し、数十ミリ秒程度と高速である。

　今日の熱電池は、二硫化鉄または二硫化コバルトとリチウム・シリコンまたはリチウム・アルミニウム合金で構成されるカソードを利用している。但し、古い化学薬品では、マグネシウムまたはカルシウムの陽極とクロム酸カルシウム、酸化タングステン、またはバナジウムの陰極が使用されていた。これらの設計はすべて、通常は塩化リチウムと塩化カリウムからなる溶融塩電解質層を使用した。共晶電解質には臭化リチウムも使用されており、サイクル寿命を延すために臭化カリウムも使用されている。

ナトリウム硫黄電池

　ナトリウム硫黄(NaS)電池は、安価で豊富な材料から製造されている。典型的な設計には、クロムとモリブデンの内部で保護された鋼製シリンダー内に収められたアノードとカソード間の固体電解質膜が含まれている。セルの中心部にある溶融ナトリウムは、外部回路に電子を与えるアノードとして機能する。

　ナトリウム・コアはベータアルミナ固体電解質シリンダーに包まれており、2つの電極の短絡を防ぎながら、カソードとして機能する外部硫黄電極へのNa+イオンの移動を促進する。

　日本ガイシ社は現在、一連の系統貯蔵用NaS電池を運用し、成功を収めるており、北アメリカ、アジア、ヨーロッパにサービスを提供する世界最大の系統規模の電池サプライヤーと見なされている。各1 MW×6 MWhの標準電池システムには、動作温度範囲300～350℃で50 kW ACを供給できるモジュールが20個含まれている。

ナトリウム塩化ニッケル電池

　塩化ナトリウム・ニッケル(Na-NiCl2)電池も溶融ナトリウム・コアを使用するが、代わりに、放電状態では正極としてニッケルを使用し、充電状態では塩化ニッケルを使用する。

　どちらの形式のニッケル電極も液体状態では不溶性であり、ナトリウム伝導性ベータアルミナセラミックがセパレーターとして使用される。NaS電池に見られる純粋なナトリウム元素の代わりに、テトラクロロアルミン酸塩コアが推奨される。ナトリウム・ニッケル塩化物電池はナトリウム金属ハロゲン化物電池と呼ばれることもあり、動作寿命が長いことに加えて、放電状態で組み立てることができ、NaSよりも安全な化学的性質を備えている。

　ナトリウム・ニッケル塩化物電池の通常の動作温度範囲は270～350℃の範囲であるが、住友という企業は、61℃で融解し90℃で動作する周囲温度を使用して同様の化学反応を開発することができた。同社は当初、商業試験を2015年後半に予定していたので、市場でどのように機能するかは時間が経てば分かるであろう。

液体金属電池

　液体金属電池は、送電網蓄電用途向けに設計された新しいタイプの溶融塩電池である。2009年にマサチューセッツ工科大学の材料教授であるDonald Sadowayによって初めて提案された液体金属電池は、底部に溶融アンチモン正極が満たされた集電容器、中間相に塩電解質、および上部は液体マグネシウム金属陽極で構成されている。

　マグネシウムは、その低コストと溶融塩電解質への溶解度の低さから当初選ばれたが、動作温度が700℃と高いため、2011年に化学反応をリチウム・ベースのアノードに切り替えるようになった。動作温度が高いことは望ましくないものであった。腐食速度が低下し、全体の保管効率が低下し、電池の寿命全体にわたるコストが増加する。

　したがって、現実の設計では、液体リチウム陰極、電解質としてリチウム塩の溶融混合物および新しい電極のより低い融点のおかげで450℃の低い温度で動作できる鉛アンチモン陽極が使用されている。

液体金属化学

　Sadowayの液体金属電池は、材料コストが低く、エネルギー効率が高いため、送電網蓄電用途に特に魅力的である。アンチモンの価格は現在、1モル当たり約1.23米ドルで、アルカリ土類負極と使用すると高い電池電圧が得られる。

　リチウム電極と組み合わせると、液体金属化学により200 mA/cm2の定電流放電下で測定した場合、平均セル電圧0.92 Vを達成できる。Liは180℃というかなり低い温度で融解し、ハロゲン化リチウム塩との溶解度が低いため、自己放電の可能性が低くなる。これにより、代替のナトリウム・ベースの溶融塩電池化学反応に比べてエネルギー効率が向上する。

液体金属電池はどのように動作するか？

　Ambriの現在のリチウムおよびアンチモン鉛用途に関する情報はほとんどないが、Sadowayは、それが彼の最初のマグネシウム-アンチモンの化学反応に似ていることを公的に認めた。2012年のオリジナルの設計では、Mg負極とアンチモン陽極は、MgCl2-KCl-NaClと言う式の溶融塩電解質によって分離されていた。陰極、電解質、陽極の3つの異なる層からの密度の違い。

　放電すると、マグネシウムは酸化反応を起こしてMg2+を生成し、Mg2+が電解液に「溶解し、2個の自由電子が外部回路に放出される。Mg2+陽イオンは同時にMgに還元され、アンチモン陽極に堆積し、そこで結合してMg-Sb液体金属合金を形成する。充電中はその逆が起こり、電流によってMgがMg-Sb合金を駆動し、液体マグネシウムとして上部の負極に戻る。

　この液体電極の膨張と収縮は液体金属電池に特有なもので、充放電サイクルごとに電極が効果的に再生され、電池の寿命が効果的に延びる。

 

送電網蓄電と溶融塩電池の未来

　投資家やエネルギー業界全体が系統規模のエネルギー貯蔵のためのより優れた電池の重要性を認識し始める中、Donald SadowayのAmbri、NGK、住友などの企業は、溶融塩化学の限界を押し広げ続けている。

　Ambri はアラスカのパイロット送電網、ハワイの風力発電所と太陽光発電所、マンハッタンの変電所に10トンのプロトタイプ6機を出荷する予定である。日本ガイシと三菱電機は、太陽光発電への切り替えという日本の国家的取組みを支援する目的で、九州電力向けに5万キロワットの蓄電システムを構築している。

　マサチューセッツ工科大学が最近、発行した2015年の「太陽エネルギーの将来」というタイトルの出版物では、人類は現在、さまざまなエネルギー源から15テラワットの電力を消費していることが明らかになった。この報告書はまた、太陽技術がすでに人間が太陽エネルギーを利用してこのエネルギー需要を満たす必要がある段階に達していることも明らかにした。ドイツ、イタリア、スペインでは、太陽光発電はすでに送電網パリティを達成しており、ドイツはその電力の45％を太陽光発電か発電している。

　世界が再生可能エネルギー源の恩恵を最大限に享受するには、エネルギー貯蔵がパズルの最後のピースであることが明らかになった。送電網規模のエネルギー貯蔵への投資に費やされるお金は、より優れた再生可能エネルギー技術に費やされるお金よりも重要である。