長持ちする電池が欲しいか？暑さと冷たさを利用
Want a Battery That Lasts? Play Hot and Cold
By Gregory Barber
https://www.wired.com/ 2022.04.11
研究者達は室温で固体に変わり、エネルギーを内部に閉じ込める溶融塩電池を設計した。
毎年この頃、太平洋岸北西部は再生可能エネルギーの一時的な恩恵を受けている。この地域の豊富なダムの背後には強い風が峡谷を吹き抜け、風力タービンの配列を押し広げるのと同じように、溶けた雪の奔流が構築される。しかし、夏の終わりに来て、要素は容赦しない。低迷期の間、オレゴン州やワシントン州のような州は、近隣諸国が生産する天然ガスや石炭など､他のしばしばより汚れたエネルギー源にますます依存している。
自然は、我々が必要とするときに常にオンになっているわけではない。これはほとんどの再生可能エネルギーにとって問題である (ドイツ人には、太陽と風が一緒に消える期間を表すために、ダンケルクフート、または「無風帯」という言葉がある)。2045年までに100％クリーン･エネルギーを達成すると言う目標を掲げているワシントン州のような場所では、問題はこれらの季節的なギャップをどのように埋めるかである。カリフォルニアには夏の日差しが待っているかもしれないし、中西部には風があり、彼等に貿易の力を与えているのかもしれない。しかし、それは難しい。1つにはこれらの場所を接続するのに十分なワイヤーが不足している。さらに、カリフォルニア州にはゼロカーボン・エネルギーを生産するための同じ2045年の期限があり、地域間の分かち合いを複雑にしている。しかし、別の選択肢がある。一時的に猛烈な風からエネルギーを蓄え、雪の塊を溶かして、より無駄のない時代を持続させる。
太平洋北西部国立研究所では、研究者達は1つの可能な解決策を思いついた。独自のタイプの凍結融解を使用して数ヶ月間電力を維持する充電式電池である。ほとんどの電池は設計上、電力を放電する。エネルギーを充電および放電するために、それらは液体電解質を通るイオンの容易な移動に依存する。しかし、時にはこれらのイオンは、電力の需要がないときにすり抜けることがある。そのため、座ったままの電気自動車の電池は時間経過と共に枯渇する。先月、Cell Reports Physical Scienceで説明された太平洋北西部国立研究所の電池はパイプを本質的に凍結することによって､漏れた蛇口をオフにする。それは溶融塩で作られた電解質に依存しており、電池が180℃に加熱されると液体になり、イオンが通過できるようにする。冷えると塩分が固まる。イオンは閉じ込められ､その場で凍結され、エネルギーも凍り付いている。
電池は通常、一度に数週間または数ヶ月間電力を蓄える理想的な方法とは考えられていない。そのために、配電網の専門家達は物理学に根ざした解決策(後でタップできる高架貯水池に水を汲み上げたり、地下の洞窟に空気を圧縮したり、過剰な再生可能エネルギーを使用して水素などの燃料を作り出したりするなど)に目を向けることがよくある。従来の常識では、電池はその目的のために大規模に構築するには高価すぎると言うことである。彼等は作るのが難しすぎて、貴重なミネラルでいっぱいで、完全に充電されている間は怠惰に座っている。しかし、ますます研究者達は古く、しばしば安価な電池設計の未解決の化学反応を調べている。
溶融塩電池はそのカテゴリーに入る。1980年代には、フォードのような自動車メーカーによって電気自動車用として検討されたが、リチウム・イオン電池は直ぐに携帯電話のような小型電子器機の足がかりを得た。この技術が非常に支配的になったのは、部分的には再充電が非常に簡単であるためであり、単に電池内を行き来するイオンの移動の問題であった。他のタイプの電池は、より複雑な化学的および物理的変化を伴い、逆転するのが難しい。彼等は花びんを粉々に砕いてから、それを再びまとめようとするようなものである。
凍結融解アプローチは使用するたびに内部に材料が物理的に変化する(つまり、膨張および収縮する)ことを意味するため、これらの課題のいくつかをもたらす。「多くのつながりを壊し、それを改革しようとしている。」と太平洋北西部国立研究所のエネルギー貯蔵技術プログラム・マネージャーのヴィンセント・スプレンクルは言う。解決策は非常に安定した電池を設計することである。ニッケルやアルミニウムのようなうまく調和する金属をペアにし、さらに安定性を高めるために硫黄の顆粒を追加することである。研究者達が作ったプロトタイプは小さく、ホッケーパックほどの大きさのキャニスターであった。それを活性化するために、彼等は炉でそれを180℃に加熱した。「自宅のオーブンでそれを行うことができる。」と研究を主導した太平洋北西部国立研究所の電気科学者であるMinyuan Miller Liは言う。結果として得られた電池は、3ヶ月後に投入されたエネルギーの90％以上を保持していたと研究者達は報告している。(損失は主に、電池が徐々に加熱されるにつれてイオンが時期尚早に移動することによるものであった。
問題は温度である。塩混合物の融点は高すぎて実験室外では実用的ではない、とLiは言う。彼は電池を温水で作動させるために、材料がはるかに低い温度、理想的には100℃未満で溶融する必要があると推定している。次のステップは混合物全体の融点を低下させる別の種類の塩を添加するなどして、温度要件を下げる新しい材料を試すことである。研究者達はまた、ニッケルを鉄のような安価な金属に置き換えることができるかどうかも調べたいと考えている。
温度と材料の問題を解決できれば、研究者達は太陽電池アレイやダムからの余分なエネルギーを蓄えるのに十分な大きさの、より大きな電池、またはトラクター・トレーラーのサイズに加算される大きなパックを作成することを想像している。しかし、その前に解決すべき科学的なねじれが沢山ある。「我々の役割はこの種の技術のリスクを軽減することである。」とスプレンクルは言う。
この種の投資は有用であると、国立再生可能エネルギー研究所の配電網専門家で、研究に関与していないオマール・ゲラは幅広い季節貯蔵技術の必要性を考えると、有用であると述べている。数ヶ月間続くエネルギー貯蔵は、配電網が主に再生可能エネルギー源によって駆動されると、最も有用になる。貯蔵がなければ、社会はオフシーズンや無風期間で十分な電力を生産し続けるために、余剰の風力発電所や太陽光発電所を建設しなければならない可能性が高いとGuerraは指摘する。重要なことは、あらゆる種類の長期貯蔵は大規模に安価でなければならないと言うことであり、これが水素や圧縮空気貯蔵などの解決策が非常に魅力的である理由の1つである。ほとんどの「長期」電池メーカーは、太平洋北西部国立研究所の研究者達よりもはるかに短い時間枠を数時間から数日の規模で目標にしている。
太平洋北西部国立研究所の研究者達は、電池製造コストは1 kWhのエネルギー当り約23ドルに相当し、鉄に切り替えることで低くなる可能性があると推定している。これは経済的な長期貯蔵の推定値の範囲内にあると、カリフォルニア工科大学のエネルギー貯蔵研究者であるジャッキー・ダウリングは言う。そして、電池にはもう1つの大きな利点：場所がある。水素、水、または圧縮空気を含む貯蔵は多くのスペースを占有し、多くの場合、再生可能エネルギー源の近くに常に配置されているとは限らない貯水池や地下洞窟に依存している。「ワイヤーやパイプを作る必要があるが、電池はどこにでも作ることができる。」と彼女は言う。しかし、特定の技術に対する最終的な需要は、場所とコスト、そして地熱や原子力のような自然の気まぐれの影響を受けないゼロカーボン・エネルギーの「確固たる」供給源の利用可能性に依存する。
ほとんどの場合、未使用のまま座ることができるエネルギー貯蔵の他の用途もある、とGuerraは指摘する。彼はテキサス州を数日間の停電に陥れた2021年の長い凍結を指摘している。配電網を稼働させ続けるために、電池や貯蔵された水素燃料があったらどうなっていたか？「我々にはエネルギー貯蔵の問題を解決するような魔法の解決策はない。」と彼は言う。「それは様々な技術になるであろう。」
