二酸化炭素は実に厄介な小さな分子だ。吸い込むと体に悪く、海や雨を酸性化させ、大気中に熱を閉じ込めることで、地球の気温を上昇させる。また、最も容易に利用できる燃料の一つに、二酸化炭素が閉じ込められているという側面もある。化石燃料の燃焼で発生する二酸化炭素が気候変動の一因となっていることは以前から知られていたが、それを実際に止める手立てはなかった。幸い、MITの新たな研究により、この危険な廃棄物を電池の有用な構成要素に変える方法が見つかった。
二酸化炭素を大気に放出させないための高いコスト
これは、二酸化炭素排出量の削減に向けた従来の取り組みを大きく前進させるものだ。排出量を減らす最善の方法は、単に電力の生産や使用を減らすことだが、ほとんどの人にとって、この選択肢は受け入れにくい（あるいは採算が合わない）。そこで、取り組みの多くは、発電所から排出される前に二酸化炭素を回収することに注がれてきた。
一般に、このような炭素回収プロセスでは、アンモニアの誘導体であるアミンを含む溶液を使って二酸化炭素と結合させ、大気中への放出を防ぐ。しかし、こうした溶液の問題は、アミンを再利用し、二酸化炭素を安全に貯蔵できるよう、アミンとCO2を再び分離しなければならないことだ。残念ながら、そのためには発電所が生産するエネルギーの約30%が必要となる。このプロセスがさらに効率化されたとしても、エネルギー損失という代償は残り、より健全な地球という恩恵を除けば、利益は生み出さない。
Betar Gallant氏と研究チームによる最近の論文が、Jouleに掲載され、より魅力的な代替案を提示した。CO2を地下深くに隔離する代わりに、それを利用してクリーンな方法で、より多くのエネルギーを生み出せないだろうか。
より優れた電池の開発
電池システムは、主に3つの構成要素からなる。電子を供給する正極、電子を受け取る負極、そして正極と負極の間で電気を伝える物質である電解質だ。研究者らは以前から、電解質の成分としてCO2を使う着想を得ていたが、いつも壁にぶつかっていた。CO2は反応性が低く、電気を通すには高い電圧が必要なため、電池として使うには効率が悪すぎる。他の研究では、CO2の反応性を高めるため、CO2ベースの電解質に金属触媒を取り入れてきたが、金属は高価で、反応を十分に制御できなかった。
ここで、Gallant氏と研究チームの革新が生きてくる。炭素回収プロセスと同じ手法を用いて、CO2ベースの電解質と、それを用いる電池システムを作り、現代のリチウムガス電池に匹敵する電圧を実現したのだ。具体的には、CO2ガスをアミンベースの溶液と結合させ、気体を液体に変えた。
このシステムでは、負極にリチウム、正極に炭素を用いた。CO2ベースの電解質が炭素正極と反応すると、アミンがCO2から切り離され、CO2由来の化合物が正極上に蓄積した。簡単に言えば、この電池システムはCO2を消費して電気を生み出すと同時に、再びCO2を取り込める再生アミンも生成した。
理論上、このシステムを発電所に設置し、本来なら大気中に排出されるCO2ガスを継続的に供給できる。従来の炭素回収プロセスと同様に、アミン溶液をCO2ガスと結合させた後、電解質として使うために電池システムへ供給できる。電気化学反応が起こると、CO2由来の化合物が正極上に蓄積し、アミン溶液は新たなCO2ガスを取り込む。このプロセスを繰り返すことができる。
これにより、従来の炭素回収プロセスでアミンとCO2を分離する高コストな工程を回避し、これまで以上に持続可能で実用的なCO2電池を実現する。
今後の展開は？
非常に期待できる成果だが、これは概念実証であることを忘れてはならない。理論上、このようなシステムを発電所に導入できる可能性はある。しかし、研究者らが構築したシステムは、充放電できる回数に限界があった。このシステムは、充放電サイクルが約10回を過ぎると機能し始めた。これに対し、スマートフォンなどに使われる一般的なリチウムイオン電池は、約500サイクルの使用が想定されている。
研究者らはMIT Newsに対し、「リチウム二酸化炭素電池が発電所やその他のCO2排出施設で使われるようになるまでには、まだ何年もかかる」と語った。研究者らは、「今後の課題には、ほぼ連続運転または長いサイクル寿命を実現するためにアミンの回転率を高めるシステムの開発や、より高出力で達成可能な容量を増やすことが含まれる」と述べた。
この種の電池を実用化するにはまだ多くの作業が必要だが、Gallant氏と研究チームは、創造的で学際的な思考を要する重要な知見を示した。この概念実証電池は、炭素回収に使われるアミンを電池システムに応用した初めての例であり、今後の研究が同様の飛躍を遂げれば、温室効果ガスを動力源とする電池の実現はそう遠くない。
