液体

Jul 15, 2023

グリッド上の再生可能エネルギー貯蔵の実行可能な選択肢として機能する可能性のあるバッテリーにとって、コストは重要な変数です。 マサチューセッツ工科大学の研究者らによる分析によると、送電網の電力を完全に風力と太陽光でまかなうには、エネルギー貯蔵に必要なコストは 1 キロワット時あたりわずか 20 米ドルです。 パシフィック・ノースウェスト国立研究所の報告書によると、完全に設置された100メガワット、10時間のグリッド蓄電リチウムイオン電池システムのコストは現在、1kWhあたり約405ドルだという。 しかし現在、2024 年に実際の展開が予定されている液体金属電池により、エネルギー貯蔵コストが大幅に削減される可能性があります。

MIT の材料化学者で名誉教授のドナルド・サドウェイ氏は、最近のアルミニウム硫黄電池を含む、長年にわたる多くの電池発明において、手頃な価格を最優先に考えてきました。 低コストもまた、溶融金属電極と溶融塩電解質を含む液体金属電池を発明し、2010 年に新興企業 Ambri を共同設立して商品化に着手した動機となった。

Ambriのグリッドバッテリーの価格は、サイズと期間に応じて1kWhあたり180ドルから250ドル/kWhだと同社は述べている。 しかし、2021年10月にRenewable and Sustainable Energy Reviews誌に掲載されたSadowayらの論文によると、その予測コストは2030年までに約21ドル/kWhになるという。 そして、マサチューセッツ州マールボロの会社は現在、最初の公共施設の設置の準備を整えています。 アンブリと公益事業会社エクセル・エナジーは、2024年初めにコロラド州オーロラで300kWhのシステムの設置を開始する予定だ。 システムはその年末までに完全に稼働するはずです。

液体金属電池の低コストは、リチウムイオンと比較して材料、化学、システム設計が単純であり、寿命が長いことに起因するとサドウェイ氏は言う。 「液体金属電池のコンセプトは、定置型蓄電池としてはユニークなものとなっています。 リチウムとは異なり、可燃性ではありません。 そして容量の低下にも強いです。 私たちは数千回の充電サイクルに関するデータを取得しています。これは何年もの運用期間に相当します。 これは 20 年経っても容量の 95% を維持できるはずです。 20年使用可能なリチウムイオン電池を持っている人を探してください。」

従来の電池は通常、2 つの固体電極 (リチウムイオン電池の場合はグラファイトとリチウム金属酸化物) と液体電解質、さらにセパレーター、膜、その他のコスト増加要素で作られています。 充電および放電サイクル中、電解質からのイオンが電極に出入りするにつれて、固体材料が膨張および収縮します。 体積変化を繰り返すと、時間の経過とともに粒子がばらばらになり、バッテリー容量が低下します。

アンブリの液体金属バッテリーは、密度に基づいて積み重ねられた 3 つの液体層で構成されています。 最も密度の高い溶融アンチモン陰極が底部にあり、軽カルシウム合金陽極が上部にあり、中間密度の塩化カルシウム塩電解質が中央にあります。 「サラダ油と酢を思い浮かべてください。ただし、ここでは 3 つの層があり、混ざらないため分離しています。」とサドウェイ氏は言います。

液体金属設計では必要な部品が少なく、化学反応は合金化に依存しているため、固体材料の分解は発生しない、とサドウェイ氏は言う。 放電中、カルシウムアノードはカルシウムイオンを放出し、これが電解質を通ってカソードに移動し、そこでカルシウム-アンチモン合金を形成します。 充電中はこのプロセスが逆になります。 「膜も分離装置もありません」とサドウェイ氏は言う。 「シンプルさのこれらすべての要素は、回復力と密接に関係しています。」

IEEE Spectrum が 10 年前に初めて Ambri を取り上げたとき、同社は負極としてリチウムまたはマグネシウムを検討していました。 サドウェイ氏によると、カルシウムへの切り替えはコストを抑えるためだという。

ただし、バッテリーの新しい化学反応の欠点の 1 つは、導入までに長い道のりがかかることです。 「商業化への取り組みを始めたとき、頼れる人は誰もいませんでした」とサドウェイ氏は言います。 「リチウムイオン製造で成し遂げられた素晴らしい進歩はすべて、この場合にはほとんど当てはまりません。 化学的性質も形状も異なります。 そのため、製造機械も含めてあらゆるものを発明する必要がありました。」