世界が再生可能エネルギー源へと徐々に移行するなか、実用的なバックアップシステムの必要性が高まっています。
研究者らは、安価で豊富な材料から作られ、その不足を補える新しいタイプの電池を開発しました。
アルミニウム、硫黄、岩塩の結晶を使い、一戸建て住宅や小規模事業所に電力を供給できます。
風力発電や太陽光発電の設備が世界各地でますます大規模化するなか、日が沈み風が止んだ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ます。現在のリチウムイオン電池は、こうした用途の多くにとって依然として高価です。また、揚水発電などの他の選択肢には、利用できるとは限らない特定の地形条件が必要です。
現在、MITなどの研究者らが、豊富で安価な材料だけで作られ、その不足を補う可能性のある新しいタイプの電池を開発しました。
アルミニウムと硫黄を2つの電極材料として用い、その間に溶融塩電解液を配した新しい電池構造について、本日、学術誌Natureに掲載された論文で説明されています。論文はMITのドナルド・サドウェイ教授と、MIT、中国、カナダ、ケンタッキー州、テネシー州の計15人の研究者によるものです。
「小規模な定置型蓄電、そして最終的には自動車用途において、リチウムイオン電池より優れた、はるかに優れたものを発明したいと思いました」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氏は説明します。
高価であることに加え、リチウムイオン電池には可燃性電解液が含まれており、輸送用途にはあまり適していません。そこでサドウェイ氏は周期表を調べ、リチウムの代わりになり得る、安価で地球上に豊富な金属を探し始めました。商業的に主流の金属である鉄は、効率的な電池に必要な電気化学的特性を備えていないといいます。しかし、市場で2番目に豊富で、実際には地球上で最も豊富な金属はアルミニウムです。「それで、これを片側の電極にすればいいと思いました。アルミニウムにしよう、と」と同氏は語ります。
次に、もう一方の電極にアルミニウムと組み合わせる材料と、充放電中にイオンを往復させるため、その間に入れる電解液の種類を決める必要がありました。非金属元素のなかで最も安価な硫黄が、2つ目の電極材料になりました。電解液については、「リチウムイオン電池が自動車などの用途で危険な火災を引き起こすこともあった、揮発性で可燃性の有機液体を使うつもりはありませんでした」とサドウェイ氏は言います。いくつかのポリマーを試した後、比較的融点が低いさまざまな溶融塩を検討しました。多くの塩の融点が華氏約1,000度近くであるのに対し、これらの融点は水の沸点に近い温度です。「体温に近い温度まで下げられれば、特別な断熱や防食対策を必要としない電池を実用的に作れるようになります」と同氏は語ります。
最終的に選ばれた3つの材料は安価で、容易に入手できます。スーパーで売られているアルミホイルと変わらないアルミニウム、石油精製などの工程で廃棄物として生じることが多い硫黄、そして広く入手できる塩です。「材料は安価で、安全です。燃えることはありません」とサドウェイ氏は言います。
実験で研究チームは、この電池セルが非常に高い充電速度でも数百回のサイクルに耐えられることを示しました。セル当たりの推定コストは、同等のリチウムイオン電池セルの約6分の1です。また、充電速度は動作温度に大きく左右され、摂氏110度（華氏230度）では、摂氏25度（華氏77度）の場合より25倍速く充電できることを示しました。
意外なことに、研究チームが融点の低さだけを理由に電解液として選んだ溶融塩には、思いがけない利点があることが分かりました。電池の信頼性に関する大きな問題の一つは、デンドライトの形成です。これは、一方の電極にできる細い金属の突起で、やがてもう一方の電極まで伸びて接触し、短絡を引き起こして効率を損ないます。しかし、この特定の塩は、偶然にもその不具合を防ぐ性能に優れていました。
選定したクロロアルミン酸塩は「暴走するデンドライトを事実上抑え込み、同時に非常に速い充電を可能にしました」とサドウェイ氏は言います。「非常に高い充電速度で実験し、1分足らずで充電しましたが、デンドライトによる短絡で使えなくなったセルは一つもありませんでした」。
「面白いことです」と同氏は言います。研究の焦点は融点が最も低い塩を探すことでしたが、最終的に選ばれた連結型クロロアルミン酸塩は短絡の問題に強いことが分かったからです。「最初からデンドライトによる短絡を防ぐことを目指していたら、どう進めればよいか分かったかどうか、確信はありません」とサドウェイ氏は言います。「私たちにとっては、偶然の幸運だったのでしょう」。
さらに、この電池は動作温度を保つための外部熱源を必要としません。熱は電池の充放電に伴う電気化学反応によって自然に生じます。「充電すると熱が発生し、塩が凍るのを防ぎます。そして放電時にも熱が発生します」とサドウェイ氏は言います。例えば、太陽光発電施設で負荷平準化に使う一般的な設備では、「日が照っている間に電気を蓄え、暗くなってから電気を取り出します。これを毎日繰り返します。充電、待機、放電、待機というサイクルで、電池を所定の温度に保つのに十分な熱が生まれます」。
この新しい電池の配合は、一戸建て住宅や小規模から中規模の事業所に電力を供給するのに必要な規模の設備に理想的で、蓄電容量は数十キロワット時程度になると同氏は言います。
数十から数百メガワット時規模の電力会社向け設備など、より大規模な用途では、他の技術の方が効果的かもしれません。数年前にサドウェイ氏と学生たちが開発し、Ambriというスピンオフ企業の基盤となった液体金属電池もその一つです。同社は来年中に最初の製品を提供することを目指しています。この発明により、サドウェイ氏は最近、今年の欧州発明家賞を受賞しました。
アルミニウム・硫黄電池は小規模であるため、電気自動車の充電ステーションなどにも実用的だとサドウェイ氏は言います。道路を走る電気自動車が増え、今日のガソリンスタンドの給油ポンプのように、複数の車が同時に充電しようとする状況を指摘し、「電池で急速充電しようとすると、必要な電流は非常に大きくなりますが、施設につながる送電線にはその量の電流を流せません」と説明します。このような電池システムで電力を蓄え、必要なときにすばやく放出できれば、充電器に電力を供給するための高価な新設送電線が不要になる可能性があります。
この新技術を基盤として、すでにAvantiというスピンオフ企業が設立されています。同社はこのシステムの特許ライセンスを取得しており、サドウェイ氏と、Ambriの共同創業者でもあるルイス・オルティス氏（’96年ScD ’00年）が共同創業しました。「会社がまず取り組むのは、この技術が実用規模で機能することを実証することです」とサドウェイ氏は言います。その後、数百回の充電サイクルを含む一連の耐久試験を行う予定です。
硫黄を使った電池は、一部の硫黄化合物に伴う悪臭を生じるおそれがあるのでしょうか。サドウェイ氏は「まったくありません」と答えます。「腐った卵の臭いは硫化水素というガスによるものです。これは単体硫黄で、セルの中に封入されます」。台所でリチウムイオン電池のセルを開けようとすれば（どうか自宅では試さないでください！）、「空気中の水分が反応して、さまざまな悪臭を放つガスが発生し始めます。もっともな疑問ですが、この電池は密閉されていて、開放容器ではありません。ですから、その点は心配していません」と同氏は言います。
研究チームには、中国の北京大学、雲南大学、武漢理工大学、ケンタッキー州のルイビル大学、カナダのウォータールー大学、テネシー州のオークリッジ国立研究所、そしてMITのメンバーが参加しました。この研究は、MITエネルギー・イニシアティブ、MITデシュパンデ技術革新センター、ENNグループの支援を受けました。
