ハーバード大学の科学者とエンジニアからなるチームは、太陽光や風力など、断続的に利用可能なエネルギー源から得た電力を、住宅用途にも商業用途にも安全かつ費用対効果の高い形で貯蔵できる充電式電池を実証した。 今回の新たな研究は、先行研究を基盤としている 。この先行研究は、同チームの成員によるもので、系統レベルでより安価かつ信頼性の高い電力貯蔵を可能にしうるものである。
新しい電池では、水に溶解した、安価で地球上に豊富に存在する元素（炭素、酸素、窒素、水素、鉄、カリウム）からなる化合物が、電子の受け渡しを行う。これらの化合物は無毒で不燃性であり、広く入手可能であるため、他の電池システムより安全で安価である。
「これは、自宅の地下室に置いても構わないと思える化学です」と、 Michael J. Aziz、材料・エネルギー技術に関するジーン・アンド・トレイシー・サイクス教授で、Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences （SEAS）に所属し、本プロジェクトの主任研究者でもある。「無毒性であり、水溶液に用いられる安価で豊富な材料は、安全であることを意味します。発火することはありません。大量の電気エネルギーを人の近くに貯蔵する場合、これは極めて重要です。」
フロー電池の仕組み
フロー電池は、再生可能エネルギー源から得たエネルギーを、無毒性の有機化合物で満たされた液体タンクに蓄える。出典：Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
本研究の成果は、 論文として、 本日、科学誌『Science』に掲載された。
この新しい電池の化学は、博士研究員Michael Marshakおよび大学院生Kaixiang Linが、共同筆頭著者の Roy Gordon（ハーバード大学トーマス・ダドリー・キャボット化学教授兼材料科学教授）と協力して発見した。
「私たちは、一般的な有機色素と安価な食品添加物を組み合わせることで、従来の材料と比べて電池電圧を約50％向上させました」とGordonは述べた。この成果は、「フロー電池向けの、高性能で不燃性、無毒性、非腐食性かつ低コストの初めての化学物質を実現するものです」。
従来の固体電極型電池と異なり、フロー電池は燃料電池に似て、エネルギーを外部タンク内の液体に蓄える。エネルギー容量を決定するタンクと、流体が送り込まれてピーク電力容量を決める電気化学変換装置は、それぞれ独立してサイズを決めることができる。蓄えられるエネルギー量はタンクの大きさを任意に拡大することで増やせるため、従来の電池システムよりも低コストで大量のエネルギーを蓄えることができる。
改良の上にさらなる改良を
多くのフロー電池設計において、電解液の活性成分は、酸に溶解したバナジウムなどの金属イオンであった。金属は高価で腐食性があり、取り扱いが難しく、反応速度が遅いため、効率の低下を招くことがある。昨年、Azizとハーバード大学の同僚たちは、 フロー電池を実証した 。この電池では、金属の代わりに、キノンと呼ばれる有機（炭素系）分子が用いられている。キノンは豊富に存在する天然の化学物質であり、光合成や細胞呼吸などの生物学的プロセスに不可欠である。
水溶液中のキノンが電池の負極側の電解液を形成する一方、正極側には、他の複数の電池でも使用されている、臭素を含む従来型の電解液が用いられていた。ハーバード大学が欧州の企業にライセンス供与したこの技術は、高い性能と低コストを備えており、電力事業者に拡張可能な系統レベルの貯蔵ソリューションを提供する可能性を秘めている。
しかし、臭素は毒性と揮発性があるため、訓練を受けた専門家が施錠された柵の内側で安全に扱える環境に最も適している。
そこでチームは、安価で長寿命かつ高効率といった同等の貯蔵上の利点を提供しつつ、住宅や企業で安全に導入できる化学物質を用いた新たな配合の探索を始めた。新しい電池では、臭素の代わりに、フェロシアン化物と呼ばれる無毒で非腐食性のイオンが用いられている。
「『シアン』という言葉が含まれているので、響きは良くないですよね」と、共同筆頭著者でコロラド大学ボルダー校の現化学助教授であるMarshakは述べた。「シアン化物は、体内の鉄と非常に強く結合するため、人を死に至らしめます。フェロシアン化物では、シアンはすでに鉄と結合しているため、安全です。実際、フェロシアン化物は食品添加物としても、肥料としても一般的に使用されています。」
フェロシアン化物は、酸性溶液よりもアルカリ性溶液中で溶解性が高く安定であるため、ハーバード大学のチームは、アルカリ性条件下で溶解性と安定性を持つキノン化合物と組み合わせた。これは、チームが昨年開発した元の電池の酸性環境とは対照的である。
Marshakは、濃縮されたアルカリ性溶液への曝露を、破損した使い捨てのAA電池に触れることにたとえた。「口に入れたり、ばしゃばしゃ浴びたりするものではありませんが、それ以外では本当に問題はありません。」
アルカリ性溶液を用いることには、他にも利点がある。非腐食性であるため、フロー電池システムの部品を、プラスチックのような、より単純で大幅に安価な材料で製造することができる。
「第一世代のフロー電池は、バナジウム、鉄、クロムなどの遷移金属を用いた単一元素の対でした」と、本研究には関与していない United Technologies Research Center の電気化学システム担当プロジェクトリーダーであるMichael Perryは述べた。「今では、目的の特性と性能を一つの完全なシステムで実現する、設計された分子の可能性が見えてきています。さらなる研究も必要であり、それだけの価値があります。ハーバード大学のチームは、次世代の化学の可能性を本当に示しています。」
ハーバード大学の Office of Technology Development は、エネルギー貯蔵市場の変化する複雑さに対応し、新しい化学物質の商業化に適した位置にある企業との関係を構築するため、研究チームと緊密に協力してきた。
「ネットメータリング」に代わる蓄電への移行
蓄電池の需要は、経済的要因と同じくらい規制上の要因によって左右されている。一部の州や世界の多くの地域では、太陽光パネルに降り注ぐ太陽エネルギーは、即時に需要を満たすために使えない場合、貯蔵されなければ無駄になる。しかし、多くの州では、顧客が「ネットメータリング」と呼ばれる規制制度のもとで、屋根設置の太陽光パネルで発電した電力を高い消費者料金で売却する権利を有している。そのような状況では、消費者が蓄電池を設置する動機はほとんどない。しかし、たとえば市場の専門家である William W. Hogan（ハーバード・ケネディスクール、レイモンド・プランク地球エネルギー政策教授）は、そのような政策は最終的に「非経済的かつ持続不可能」であると考えている。また、ますます多くの住宅所有者が太陽光パネルを設置するにつれ、電力会社は顧客から電力を買い取る義務に反対している。
Hoganは、ネットメータリングは「太陽光をより魅力的にするために設計された一連の規制上の仕掛け」の一つであると述べ、やがて屋根上の太陽光発電パネルを持つ消費者は、電力料金の割引と引き換えに電力を提供する選択肢を失うだろうと予測している。そうなれば、住宅所有者は蓄電池に投資するインセンティブを持つことになる。
これは、Tesla Motorsの起業家であるElon Muskが、同社が最近発表したPowerwallシステムで活用しようとしている新たな市場機会である。しかし、Azizとハーバード大学の同僚が設計したフロー電池は、リチウム電池と比べて、コストやピーク放電出力を維持できる時間の長さにおいて、潜在的な利点をもたらす。
「太陽光発電が非常に速く成長しているため、これには可能性があります」とAzizは述べる。「雲が太陽光設備の上を覆うと、 ドンと 、発電量は急落する。その後、雲が去ると発電量は一気に急上昇する。これに対処する最善の方法は電池である。」
本記事は、 Harvard Gazetteとの協力により掲載されたものです。掲載は、世界経済フォーラムがその見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：Paul Karoffは、Harvard Paulson School Communicationsに勤務している。
画像：デンマークのサムソ島近くの海上に立つ洋上風力発電所。REUTERS/Bob Strong。
