新しい電池と蓄電技術

技術サポートエンジニア、スタブロス・スクーラキスによるレビュー（2024年4月）

世界が再生可能エネルギーへの転換を進め、エネルギー貧困に苦しむ国々への支援を強化する中で、再生可能エネルギーの貯蔵には新しいバッテリー技術が不可欠となっています。化石燃料は、その副作用に問題があるものの、貯蔵が容易です。一方、バッテリー技術はエネルギー貯蔵において大きな課題に直面していますが、業界ではこれを克服するための革新と実験が進められています。

電池には、後に電気へ変換される潜在エネルギーを蓄える金属や化学物質が含まれています。同様の原理は、他のタイプのエネルギー貯蔵にも見られます。例えば、酸素と木材を燃焼させて、蓄えられた化学反応の潜在エネルギーを熱として放出したり、ディーゼル燃料を圧縮し、空気中の酸素と反応させて熱エネルギーを放出したりします。

電池にはさまざまな技術がありますが、通常は、電気を通す物質（電解質）で隔てられた2つの金属片（電極）と、電解質内の多孔性セパレーター板で構成されています。電気回路が電極を接続すると、電圧差が生じ、電子が電流として流れ、電気エネルギーとなります。

2つの電極のうち、陽極は電子を送り出し、陰極（別の種類の金属）はこれらの荷電粒子を受け取ります。これは、陽極が電解質と反応して回路に電子を放出すると同時に、陽極の物質が電解質に溶解するためです。同時に、陰極は回路から電子を受け取り、電解質との自身の反応から新たに固体化した物質を生成します。

電極が電解質と交換する物質をすべて使い果たすと、バッテリーは放電し、電流の流れが止まります。これは、化学物質が蓄えていた位置エネルギーを使い果たしたためです。

完全にネットゼロで気候にやさしい発電を実現するには、エネルギー貯蔵技術における大規模なイノベーションが必要です。既存の送電網は、発電機から最終ユーザーへの即時の送電を前提としています。しかし、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源は供給が不安定であるため、この点がさらに複雑になります。そのため、電気自動車のバッテリーや送電網規模での再生可能エネルギー貯蔵の利用が必要となりますが、これには多くの課題があります。

これらのバッテリーは、変動する需要を管理し、既存の配電システムと統合し、停電を緩和するための予備を確保し、経済的な耐用年数を持つ必要があります。また、充電式バッテリーでは困難な低温環境下でも十分に稼働する必要があります。この規模のエネルギー貯蔵には、大量のバッテリー貯蔵が必要です。つまり、長い列のバッテリーを備えた施設で、熱および安全管理システムを完備したものが求められます。

最後に、エネルギー貯蔵には膨大な量のバッテリー用鉱物が必要ですが、新しいバッテリー技術はこれらの課題に対応し始めています。

消費者がより環境にやさしい製品を選ぶようになり、この成長分野における企業間の競争による技術革新が進むにつれて、新しいバッテリー技術が日々登場しています。主な応用分野としては、電気自動車（EV）用バッテリーとグリッド蓄電池の2つが挙げられます。

電気自動車（EV）はますます手頃な価格になっており、米国の充電インフラも整備が進んでいます。EVの航続距離を伸ばし、充電時間を短縮することが、従来のエンジン車よりもEVを魅力的にするための主な技術的課題です。EVのバッテリー技術における最近の進歩には、以下のようなものがあります。

• 正極のコバルト使用量の削減: コバルトはリチウムイオン電池の正極に広く使用されていますが、その採掘には環境破壊や人権侵害の問題があります。代替案として、リン酸鉄リチウム正極や有機材料など、より社会的に配慮されたバッテリー材料が検討されています。これらの技術はエネルギー密度といった性能面で課題があるため、実用的で経済的なエネルギー貯蔵技術となるには、さらなる開発が必要です。
• 構造としてのバッテリー: 電気自動車は主にバッテリーの重量により、従来の自動車よりも重くなる傾向があります。車両の構造フレームが重量の大部分を占めるため、構造部品としても機能するバッテリーは、重量の削減、走行距離の向上、道路の劣化の低減、安全性の向上につながります。従来の電池収納容器を使わず、接着剤でセルを金属板に接着して実用的な構造用梁を形成する技術です。
• カーボンナノチューブ: 垂直カーボンナノチューブを何十億本も使って電極を形成することで、電池のエネルギー密度と充電時間を大幅に改善できます。これは、電解質と反応する表面積が増加するためです。この技術は開発中ですが、エネルギー貯蔵技術の改善に大きな可能性を秘めています。

グリッド蓄電池は電気自動車用蓄電池ほど開発が進んでいませんが、再生可能エネルギーの蓄電は実用化が進んでおり、熱需要のための再生可能エネルギーの蓄電に関する技術革新も進行中です。

• 代替材料: 過熱や劣化を起こしやすいリチウムイオン電池に代わる実用的な蓄電池の開発は、再生可能エネルギーの蓄電における究極の目標です。現在開発中のオプションには、シリコンアノード、ニッケル水素、亜鉛イオンなどがありますが、これらはグリッド蓄電池として実用化できるほどのスケールや経済性をまだ持ち合わせていません。
• フロー電池: フロー電池は、2つの別々の反対の電荷を持つ電解液を固体の多孔質電極を通して往復させることで機能します。薄い膜素材が電解液の混合を防ぎ、流れの方向を切り替えることで、充電と放電の間の化学反応を逆転させます。多孔質電極は表面積を最大化し、バッテリーの性能を向上させます。これにより、バッテリーは熱の蓄積を最小限に抑えながら、適切にサイズ調整された状態で収納できます。また、電解液タンクと電極を分離することでカスタマイズが可能です。電極には通常バナジウムが使用されますが、これは希少で高価な金属です。そのため、鉄などのより入手しやすい材料を使用するための研究開発が進められています。
• 砂: フィンランドでは、砂に熱を蓄えるバッテリーが開発されています。このバッテリーは供給された電気を熱に変換し、その熱を砂に蓄え、必要に応じて家庭の暖房ネットワークに放出します。この技術は、エネルギー貯蔵の革新において重要な役割を果たす可能性があります。

最新のバッテリー技術により再生可能エネルギーの貯蔵がより現実的になるにつれて、次のような複合的な利点が生まれるでしょう。

• 鉱物資源の増加
• 業界における競争の活性化
• より経済的なバッテリーの実現
• 風力タービン、ソーラーパネル、水力発電などの再生可能エネルギー技術の採用
• より多くの国や地域で利用可能な再生可能エネルギー
• CO2排出量の削減と、より持続可能な社会の実現

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