新しいナトリウム・アルミニウム電池は再生可能エネルギーを
統合して送電網の回復力を高めることを目指す
New Sodium, Aluminum Battery Aimes to Integrate Renewables for Grid Resiliency
By Karyn Hede, Pacific Northwest National Laboratory
https://techxplore.com/ より 2023.02.07
Energy Storage Materials誌に発表されたばかりの研究結果によると、新しい電池設計は、地球上に豊富に存在する金属を使用し、再生可能エネルギーを国内の電力網に低コストで容易に統合できる可能性があると言う。エネルギー省のパシフィック・ノースウエスト国立研究所が率いる研究チームは、低コストの金属であるナトリウムとアルミニウムで構築された送電網エネルギー貯蔵電池の新しい設計が、より安全で拡張性の高い定置型エネルギー貯蔵システムへの道を提供することを実証した。
「これらの新しい溶融塩電池の設計には、他の従来の高温ナトリウム電池よりもはるかに速く充放電し、より低い温度で動作し、優れたエネルギー貯蔵容量を維持できる可能性があることが示された。」とパシフィック・ノースウエスト国立研究所の材料科学者であり、この研究の主任研究者でもあるGuosheng Liは「優れたエネルギー貯蔵能力を維持している。」と述べ、「この新しいナトリウム・ベースの化学反応では、100℃以下の低温でも同様の性能が得られている。」と述べた。市販の高温ナトリウム電池技術よりも地球に豊富に存在する材料を使用している。」
より多くのエネルギー貯蔵を実現
この研究を支援したエネルギー省電力省エネルギー貯蔵プログラムのImre Gyuk所長は、「国内で入手可能な低コストの材料で作られたこの電池技術は、我が国のクリーン･エネルギー目標の達成にまた一歩近づくことになる。」と述べた。
ここに示されている再生可能資源からエネルギーを収集する系統接続電池は、スマートグリッド技術を通じてオンデマンドでそのエネルギーを電力網に供給できる。
新しいナトリウム・ベースの溶融塩電池は、2つの異なる反応を使用する。研究チームは以前、中性溶融塩反応を報告した。今回の新たな発見は、これらの中性溶融塩がさらに反応して酸性溶融塩になる可能性があることを示した。重要なのは、これらの2番目の酸反応メカニズムが電池の容量を増加させることである。具体的には、高電流で345回の充放電サイクルを行った後でも、この酸性反応メカニズムはピーク充電容量の82.8％を保持した。。
電池が放電プロセスで供給できるエネルギーは比エネルギー密度と呼ばれ、「kg当たりのワット時」(Wh/kg)で表される。この電池は初期段階または「コイン電池」テストの段階にあるが、研究者達は最大100 Wh/kgの実用的なエネルギー密度が得られる可能性があると推測している。比較すると、商用電子機器や電動自転車で使用されるリチウム・イオン電池のエネルギー密度は約170～250 Wh/kgである。しかし、新しいナトリウム・アルミニウム電池の設計には、安価でより豊富な材料を使用してアメリカで簡単に製造できると言う利点がある。
「最適化により、比エネルギー密度とライフサイクルはさらに高く、より長くなると予想されている。」とLiは付け加えた。
新しいナトリウム・アルミニウム電池の設計では、ナトリウム(黄色の球で示されている)のみを使用できる。
ナトリウム電池が本領発揮
実際、パシフィック・ノースウエスト国立研究所の科学者達は、アメリカに本拠を置く再生可能エネルギーのパイオニアであるNexcerisの同僚達と協力して、電池の組み立てとテストを行った。Nexcerisは、新事業Adena Powerを通じて、電池の性能をテストするために特許取得済みの固体のナトリウム・ベースの電解質をパシフィック・ノースウエスト国立研究所に供給した。この重要な電池部品により、充電中にナトリウム･イオンが電池のマイナス(アノード)側からプラス(カソード)側に移動する。
「この技術の我々の主な目標は、太陽エネルギーを毎日10時間から24時間にわたって電力網に低コストで移行できるようにすることである。」と、エネルギー貯蔵システムと関連技術に30件以上の特許を取得した電池設計を持つパシフィック・ノースウエスト国立研究所電池技術の専門家、Vince Sprenkleは述べた。「これは風力や太陽光発電などの再生可能資源から送電網に真の回復力を提供するために、より高レベルの再生可能エネルギーを電力網に統合することを検討し始めることができる最適な場所である。」
Sprenkleは、この電池の新しい柔軟なデザインを開発したチームの一員であり、電池を従来の管状の形状から、技術がコインサイズの電池から送電網スケールのデモンストレーション・サイズのより大型の電池に発展するにつれて、より簡単に積み重ねたり拡張したりできる平らで拡張可能な形状に移行した。
さらに重要なことは、これらのフラット・セル設計により、厚い陰極を使用するだけでセル容量を増やすことができ、研究者達はこれらの研究でこれを利用して、実験室条件下で28.2時間の持続放電を実現するトリプル容量セルを実走した。
リチウム・イオン電池を含む現在のほとんどの電池技術は、短期のエネルギー貯蔵に適している。10時間以上のエネルギー貯蔵の需要を満たすには。現在の最先端の電池技術を超えた、低コストで安全かつ長時間持続する新しい電池のコンセプトを開発する必要がある。この研究は、その目標に向けた有望な実験室規模の実証を提供する。
送電網回復力問題に関するバリエーション
再生可能エネルギーによって生成されたエネルギーを貯蔵し、オンデマンドで電力網に放出する機能により、電池技術の急速な進歩が促進され、多くの新しい設計が注目と顧客を獲得するために競い合った。新しいバリエーションはそれぞれ、それぞれのニッチな用途の要求を満たさなければならない。パシフィック・ノースウエスト国立研究所の凍結融解電池設計を採用した電池など、一部の電池は季節毎に生成されるエネルギーを一度に数ヶ月間貯蔵することができる。
季節限定電池と比較して、これらの新しい設計は12～24時間にわたる短期から中期の送電網エネルギー貯蔵に特に優れている。これはいわゆるナトリウム金属ハロゲン化物電池のバリエーションである。システムの一部としてニッケル陰極を使用した同様の設計が商業規模で有効であることが示されており、すでに市販されている。
「我々は、電池の性能を犠牲にすることなく、比較的希少で高価な元素であるニッケルの必要性を排除した。」とLeeは述べた。「ニッケルよりもアルミニウムを使用するもう1つの利点は、アルミニウム陰極の充電がより速くなることである。これは、この研究で実証されたより長い放電期間を可能にするために重要である。」
これらのマイルストーンに達したことを受けて、チームは放電期間を延長するためのさらなる改善に焦点を当てており、これにより再生可能電源をより多く導入するために送電網の柔軟性が大幅に向上する可能性がある。
また、低温で動作するため、従来の高温ナトリウム電池のように複雑で高価な部品やプロセスを必要とするのではなく、安価な電池材料で製造できるとパシフィック・ノースウエスト国立研究所の電池専門家で研究共著者のDavid Reedは述べた。
より低コストでより多くの送電網エネルギー貯蔵を実現
Sprenkleによると、2023年時点でのリチウム・イオン電池を使用した最先端の電力網エネルギー貯蔵能力は約4時間のエネルギー貯蔵容量となると言う。「材料と製造の予想コスト目標を達成できれば、この新しいシステムにより貯蔵エネルギー容量が大幅に増加する可能性がある。」と同氏は付け加えた。
研究の一環として、研究者達は安価な原材料をベースにしたナトリウム・アルミニウム電池の設計では、活物質のコストがkWh当りわずか7.02ドルになる可能性があると推定した。彼等は最適化と実際のエネルギー密度の増加により、このコストをさらに削減できると予測している。この有望な低コストの送電網規模の蓄電技術により、風力や太陽光発電などの断続的な再生可能エネルギーが国の電力網によりダイナミックに貢献できるようになる可能性がある。
研究の共著者であり、ナトリウム固体電池メーカーであるAdena Power社の社長であるNeil Kidnerは、パシフィック・ノースウエスト国立研究所と協力してナトリウム・ベースの電池技術を進歩させている。「この研究は、当社のナトリウム電解質が当社の特許技術だけでなく、ナトリウム・アルミニウム電池設計でも機能することを実証した。」と同氏は述べた。「ナトリウム・イオン電池技術の進歩に向けて、パシフィック・ノースウエスト国立研究所研究チームとのパートナーシップを継続することを楽しみにしている。」
