アルミニウム、硫黄、岩塩が低コストの電池を構築
Aluminum, Sulfur and Rock salt Create Low-Cost Battery
https://www.materialstoday.com/ 2022.09.02
世界が風力および太陽光発電システムの大規模な設置を構築するにつれて、太陽が沈み、空気が落ち着いたときに電力を供給するための経済的で大規模なバックアップ・システムの必要性が高まっている。今日のリチウム・イオン電池は、そのような用途のほとんどにはまだ高価すぎる。そして、揚水力発電のような他のオプションは常に利用可能ではない特定の地形を必要とする。
現在、マサチューセッツ工科大学(MIT)等の研究者達は、豊富で安価な材料から完全に作られた新しい種類の電池を開発し、そのギャップを埋める濃縮尿役立つ。アルミニウムと硫黄を2つの電極材料として使用し、その間に溶融塩電解質を使用する新しい電池技術は、MITのドナルド・サドウェイ教授と、MITおよび中国、カナダ、ケンタッキー州、テネシー州の機関の15人の他の研究機関によるNatureの論文で報告されている。
「小規模の固定貯蔵用、そして最終的には自動車用(用途)のリチウム・イオン電池よりも優れた物を発明したかった。」とサドウェイは説明する。リチウム・イオン電池は高価であることに加えて、可燃性電解質を含んでいるため、輸送に理想的ではない。そこでサドウェイは周期表の研究を始め、リチウムの代わりになるかもしれない安価で地球に豊富な金属を探し始めた。
鉄は商業的に支配的な金属であるが、効率的な電池に適した電気化学的特性を持っていない。市場で2番目に豊富な金属、そして実際には地球上で最も豊富な金属はアルミニウムである。「だから、私は言った。まあ、それをブックエンドにしよう。」とサドウェイは言う。「アルミニウムになるのだ。」
そして、他の電極にアルミニウムと何と対にするか、充放電時にイオンを前後に運ぶためにどのような電解質を入れるかを決めた。すべての非金属中で最も安いのは硫黄なので、それが第二の電極材料になった。電解液については、「揮発性で可燃性の有機液体を使用するつもりはなかった。」ため、自動車やその他のリチウム・イオン電池の用途で危険な火災が発生することがあった。
研究者達はいくつかのポリマーを試したが、多くの塩のほぼ1000°Fと比較して、水の沸点に近い比較的低い融点を持つとされる様々な溶融塩を調べた。「体温近くまで下がると、特別な断熱や防食対策を必要としない電池を作ることが実用的になる。」サドウェイは言う。
彼等が最終的に得た3つの成分は安くて直ぐに手に入る。アルミニウム、スーパーマーケットのホイルと変わらない。硫黄は、多くの場合、石油精製などのプロセスからの廃棄物である。そして広く利用可能な塩。「材料は安くて、物は安全である。燃えるわけにはいかない。」
彼等の実験で、研究者達は、電池セルが非常に高い発電速度で数百サイクルに耐えることができ、セル当りの予測コストは同等のリチウム・イオン・セルの約6分の1であることを示した。彼等はまた、充電速度が動作温度に大きく依存していることも示した。電池セルは25℃よりも110℃で25倍速く充電できた。
驚くべきことに、チームが電解質として選んだ溶融は、融点が低いと言う理由だけで偶然の利点があることが判明した。電池の信頼性における最大の問題の1つは、一方の電極上に蓄積し、最終的に他方の電極に接触するように成長する金属の狭いスパイクである樹枝状突起の形成であり、短絡を引き起こし、効率を妨げる。しかし、これらの特定の塩は、それが起こると、その誤作動を防ぐのに非常に優れている。
彼等らが選んだクロロアルミン酸塩は、「本質的にこれらの暴走した樹枝状突起を引退させながら、非常に急速な充電を可能にした。」とサドウェイは言う。「非常に高い充電速度で実験を行い、1分以内に充電したが、樹枝状突起の短絡によってセルが失われることはなかった。「おかしいです。」と彼は言う。なぜなら、全体の焦点は融点が最も低い塩を見つけることであったが、最終的に彼等が得たカテン化クロロアルミン酸塩は短絡問題に耐性があることが判明されたからだ。「樹枝状短絡を防ぐことから始めていたら、それを追求する方法を知っていたかどうかは分からない。」とサドウェイは言った。「われにとってセレンディピティだったのでしょう。」
さらに、電池は作動温度を維持するために外部熱源を必要としない。熱は電池の放充電によって電池化学的に自然に生成される。「充電すると熱が発生し、塩分が凍るのを防ぎ、そしてまた放電するとき、それはまた熱を発生させる。」とサドウェイは言う。
例えば、太陽光発電施設の負荷平進化に使用される一般的な施設では、「太陽が輝いているときに電気を蓄え、暗くなってから電気を引き出し、毎日これを行っている。そしてその充電-アイドル-放電-アイドルは、物事を温度に保つのに十分な熱を発生させるのに十分である。
サドウェイによると、この新しい電池配合は、数十キロワット時の貯蔵容量を生産し、単一の家庭や中小企業に電力を供給するために必要なサイズの設置に理想的である。数十～数百メガワット時の用途規模までの大規模な設置では、他の技術がより効果的である可能性がある。これらには、サドウェイと彼の学生が数年前に開発し、来年中に最初の製品を提供することを望んでいるAmbriと呼ばれるスピンオフ会社の基礎を形成した液体金属電池が含まれる。その発明に対し、サドウェイは最近、今年の欧州発明家賞を受賞した。
アルミニウム硫黄電池の規模が小さければ小さいほど、電気自動車の充電施設などの用途にも実用的になるとサドウェイは言う。彼はガソリン燃料ポンプで今日起こっているように、電気自動車が道路上で十分に一般的になり、複数の車が一度に充電したいと望むようになると、「電池でそれをやろうとし、急速充電を望むなら、アンペア数があまりにも高いので、施設に給電するラインにその量のアンペア数がない。したがって、このような電池システムを使用して電力を貯蔵し、必要に応じて迅速に解放することで、これらの充電器サービスを提供するために高価な新しい電線を設置する必要がなくなる。
これらの新しい技術は、すでにAvantiと呼ばれる新しいスピンオフ会社の基礎となっており、Avantiはシステムに特許をライセンスしている。サドウェイとAmbriの共同設立者でもあったルイス・オルティスによって共同設立された。「同社にとってのビジネスの最初の順序は、大規模に機能することを実証し、電池を数百回の充電サイクルの実行を含む一連のストレス・テストにかけることである。」とサンチェスは言う。
硫黄をベースにした電池は、ある種の硫黄に関連する悪臭を発するリスクを冒すであろうか？チャンスではない、とサドウェイは言う。「腐った卵の臭いはガスの中にあり、硫化水素である。これは元素硫黄であり、電池内に閉じ込められるであろう。
