低コスト電池の新しいコンセプト
A New Concept for Low-Cost Batteries
By David L. Chandler
https:/news.mit.edu/ 2022.08.24
安価で豊富な材料から作られたアルミニウム硫黄電池は再生可能エネルギー源のための低コストのバックアップ貯蔵を提供することができる。
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経済的で大規模なバックアップ・システムの必要性が急速に高まっている。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、MITなどの研究者達は、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のに役立つ。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・サドウェイ教授による論文で、MITと中国、カナダ、ケンタッキー州、テネシー州の15人とともに、今日、Nature誌で説明されている。「私は小規模な固定貯蔵、そして最終的には自動車(用途)用のリチウム・イオン電池よりも優れた物を発明したかった。」と材料化学のジョン・F・エリオット名誉教授である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。商業的に支配的な金属である鉄は、効率的な電池のための適切な電気化学的特性を持っていない、と彼は言う。しかし、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。「したがって、私は言った、まあ、それをブックエンドにしよう。それはアルミニウムになるだろう。」と彼は言う。
そして、他の電極にアルミニウムを何と対にするか、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。全ての非金属の中で最も安いのは硫黄なので、それが第2の電極材料になった。電解質に関しては、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を引き起こした。「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。」とサドウェイは言う。彼等はいくつかのポリマーを試したが、多くの塩の華氏約1,000度とは対照的に、水の沸点に近い比較的低い融点を持つ様々な溶融塩を調べた。「体温近くまで下がれば、特別な断熱・防食対策を必要としない電池を作ることが現実的になる。」と彼は言う。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・「食材は安く、物は安全で－燃えることはない。」とサドウェイは言う。彼等の実験で、チームは、電池セルが非常に高い充電率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。その結果、充電速度は使用温度に大きく依存し、摂氏110度(華氏230度)は摂氏25度(華氏77度)の25倍の速度を示した。
驚くべきことに、チームが電解質として選んだ溶融塩は、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状突起の形成であり、短絡を引き起こし、効率を下げる。しかし、この特定の塩は、それが起こると、その誤動作を防ぐのに非常に優れている。彼等が選んで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」と彼は言う。何故なら、全体の焦点は、融点が最も低い塩を見つけることにあったが、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したからだ。「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。」とサドウェイは言う。「我々にとってセレンディピティであったのでしょう。」
さらに、電池は動作温度を維持するために外部熱源を必要としない。熱は電池の充放電によって電気化学的に自然に生成される。「充電すると熱が発生し、塩が凍るのを防ぐ。そして放電すると熱も発生する。」とサドウェイは言う。例えば、太陽光発電施設の負荷平準化に使用される一般的な設備では、「太陽が輝いている時に電気を蓄え、暗くなってから電気を引き出し、毎日これを行う。そしてその充電－休み－放電－休みは、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。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と彼は言う。
数十メガワット時から数百メガワット時の実用規模までの大規模な設備では、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盤を形成した液体金属電池など、他の技術がより効果的かもしれない。その発明に対して、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、電気自動車の充電ステーション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、これらの充電器にサービスを提供するために高価な新しい電力線を設置する必要がなくなる。
この新技術はサドウェイとアンブリの共同設立者でもあったルイス・オルティスが共同設立した。システムの特許をライセンス供与したAvantiと呼ばれる新しいスピンオフ会社の基礎である。「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、数百回の充電サイクルを実行するなど、一連のストレス・テストを受けることである。」とサドウェイは言う。
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か？チャンスではない、とサドウェイは言う。「腐った卵の匂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、セル内に閉じ込められるであろう。キッチンでリチウム・イオン電池を開けようとすると、彼は言う(そして、家でこれを試さないで！)、「空気中の水分が反応し、あらゆる種類の汚れたガスも発生し始めるであろう。これらは正当な質問であるが、電池は密閉されており、開いた容器ではない。したがって、それについいては心配しない。」
研究チームは、中国の北京大学、雲南大学、武漢工科大学のメンバーが含まれていた。ケンタッキー州ルイビル大学、カナダのウォータールー大学、イリノイ州アルゴンヌ国立研究所とMITである。この研究はMITエネルギー・イニシアチブ、MITデシュパンデ技術革新センター、ENNグループによって支援された。
