南カリフォルニア大学(USC)の科学者たちは、再生可能エネルギーの普及を制限する電力貯蔵の問題を解決する可能性のある新しい電池を開発した。USC Newsが報じた。この技術は、溶液中に電気を蓄え、電子を選別し、必要なときに電力を放出するという既知の設計に新しい工夫を加えたものである。いわゆる、電極や電解液の劣化がほとんどなく長寿命な「レドックスフロー電池」はしばらく前からあったが、USCの研究者たちは、低コストで容易に入手できる材料をベースに、より良いバージョンを構築した。

USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciencesの化学教授であり、この研究の主著者であり、USCのLoker Hydrocarbon Research Instituteの共同ディレクターでもあるスリ・ナラヤンは、次のように述べている。「我々は、安価で長寿命、安全で環境に優しいフローバッテリーを大規模に太陽光や風力エネルギーシステムからのエネルギーを貯蔵するために魅力的であることを実証した」。

この研究は、 Journal of the Electrochemical Society誌に掲載された。

大規模な再生可能エネルギーの蓄電が現実味を帯びてくるかもしれない

大規模な再生可能エネルギーの蓄電が現実味を帯びてくるかもしれない風力タービンが回転したり、太陽光がソーラーパネルに当たったりするときに、電力需要が必ずしも一致するとは限らないため、エネルギー貯蔵は再生可能エネルギーにとって大きなハードルとなる。実行可能な蓄電ソリューションの模索は、複数の課題に直面しており、これこそがUSCの科学者たちが解決しようとした問題だ。

レドックスフロー電池は、再生可能エネルギーを豊富な時には液体溶液に蓄え、必要な時には電気を放出する。Image by USC Graphic/K Selnick

彼らがレドックスフロー電池に注目したのは、実証済みの技術であり、限られた用途で展開されているからだ。レドックスフロー電池は、バナジウムなどのイオンの酸化還元反応を利用して充放電を行う蓄電池です。電極や電解液の劣化がほとんどなく長寿命であり、発火性の材料を用いていないことや常温運転が可能なことから安全性が高いなど、電力系統用蓄電池に適した特性を持っています。このため、太陽光や風力などの再生可能エネルギーの導入を拡大していく上で必要となる系統の安定化技術として期待されている。

USCの科学者たちが達成した重要な技術革新には、硫酸鉄の溶液と酸の種類という異なる液体を使用することが含まれている。硫酸鉄は鉱業の廃棄物であり、豊富で安価である。アントラキノンジスルホン酸(AQDS)は、その安定性、溶解性、エネルギー貯蔵の可能性から、すでにいくつかのレドックスフロー電池に使用されている有機材料である。

この2つの化合物は個別にはよく知られているが、大規模なエネルギー貯蔵の可能性を証明するために組み合わせたのは今回が初めてだ。USCの研究室で行われたテストでは、この電池が競合他社よりも大きな利点を持っていることが証明された。

例えば、硫酸鉄は安くて豊富で、1ダイムで約2.2ポンド(約2.2ポンド)もあるが、AQDSの大規模製造には1ポンドあたり約1.60ドルかかる。この価格では、USCの科学者が開発したタイプの電池の材料費は、1キロワット時あたり66ドルになる。大規模に製造されれば、バナジウムを使用するレドックス電池の半分以下のコストで電力を供給することができる。

「新しい電池は耐久性があり、持続性が高いことが証明された」

USCでのテストでは、研究者たちはまた、競合技術とは異なり、硫酸鉄AQDSレドックスフロー電池は実質的に電力の損失なしに数百回のサイクルまたは再充電が可能であることを発見しました。エネルギー貯蔵システムの耐久性は、大規模な使用には重要である。

「開発された材料は、非常に持続可能性の高いものだ」と、研究の共著者であり、新しい有機キノン類の開発でナラヤンと共同研究を行っているローカー研究所の所長であるスーリヤ・プラカシュは述べている。「AQDSは、二酸化炭素を含む任意の炭素ベースの原料から製造することができる。鉄は地球上に豊富に存在し、毒性のない元素である」

また、この技術は、リチウムイオン電池の蓄電よりも優れている。リチウムイオン電池を搭載した家電製品や電気自動車の普及により、鉄の希少性が高まり、コストが上昇している。ターンでは、これらの経済性は、他の安価なエネルギー貯蔵オプションをより魅力的にする、と研究は述べている。また、リチウムイオン電池は、携帯電話やラップトップを充電してきたほとんどの人が知っているように一定回数の充電を経ると寿命に達する。

「硫酸鉄AQDSレドックスフロー電池システムは、大規模なエネルギー貯蔵のためのコスト、耐久性、スケーラビリティの厳しい要件を同時に満たすための良い見通しを提示する」と研究は述べている。

フローバッテリーが再生可能エネルギーの利用をさらに促進する方法

再生可能エネルギーの利用は増加しているが、エネルギー貯蔵の限界があるために制約を受けている。今日の太陽エネルギーと風力エネルギーのわずか20%を蓄えるには、700ギガワット時の予備容量が必要だ。1ギガワット時は、約70万軒の家庭で1時間分の電力を供給するのに十分な量だ。

「これまでのところ、経済的に実行可能で、環境に優しいエネルギー貯蔵のソリューションで、25年間持続するものはなかった」とナラヤンは述べている。「リチウムイオン電池は長寿命ではなく、バナジウムベースの電池は高価で比較的有毒な材料を使用しているため、大規模な使用には限界があります。私たちのシステムは、この課題を解決するものです。私たちは、これらの電池が、再生可能エネルギーを取り込むために、住宅、商業施設、工業施設で使用されることを期待している」。

Photo by USC Photo/Gus Ruelas