ニュース

Jun 22, 2023

リチウム

Di SPW | 29 gennaio 2019 della Dott.ssa Sofiane Boukhalfa, Project Architect.E

SPWによる | 2019年1月29日

によるソフィアン・ブカルファ博士、プロジェクトアーキテクト。 研究者であるナヴニータ・カウル博士。 どちらも PreScouter を使用

現代世界はリチウムベースの電池で動いています。 しかし、高コスト、原材料調達、過熱などのリチウムイオン電池の限界に対抗するために、数多くの化学物質や新しい技術が開発されています。 シカゴに本拠を置くリサーチインテリジェンス会社PreScouterは最近、今後10年間で市場を破壊し、高性能バッテリーの次の波をもたらす準備ができている10の新しいバッテリー技術を詳述したレポートを発表した。 ここでは、太陽光発電と蓄電に最も価値のあるこれらのバッテリー技術のレビューを含む、レポートの調査結果の概要を紹介します。

今後 5 ～ 10 年で太陽光発電と蓄電市場を破壊する可能性のある 10 のバッテリー技術。 プレスカウター

リチウムイオン電池は伝統的にグラファイト陽極を使用していましたが、研究者や企業は現在シリコン陽極に注目しています。 Si が優勢なアノードは、グラファイト イオンよりも 25 倍多く Li イオンを結合できます。 しかし、これらの電池は、導電率が低く、拡散速度が遅く、リチウム化中に体積変動が大きいという問題があります。 これらの制限により、Si が粉砕され、固体電解質界面 (SEI) が不安定になります。

これらの課題を回避するために、ナノテクノロジーとカーボン コーティングという 2 つの主要な戦略が使用されています。 前者の方法では、バルク Si アノードと比較して表面積が大きく、サイクル寿命とレート安定性が向上したさまざまなナノサイズの Si アノードが使用されます。 また、亀裂を生じることなく、リチウム化および脱リチウム化に耐えることができます。 カーボンコーティングでは、ナノサイズの Si とさまざまな形状のカーボン材料の組み合わせを使用して、高性能 Si/C ナノ複合アノードを生成します。 最近、コーティング剤としてヘテロ原子をドープしたカーボンが大きな関心を集めています。 ヘテロ原子をドープした Si-C 電極は、炭素原子よりも Li イオンとより強く結合し、安定した電気伝導性を備えた優れた電気化学的性能をもたらします。

Si ベースの電池は、低コストで自動車やスマートフォンの機能を強化できる可能性があるため、多くの商業的関心を引き起こしています。 Si 主体のリチウムイオン電池の商品化を目指して、Sila Nanotechnologies、Enovix、Angstron Materials、Enevate などの多くの新興企業が参加し、競争は熾烈です。

リチウム硫黄電池の最も有望な代替品の 1 つは、Na イオンと Li イオンの物理的および化学的特性が類似しているため、ナトリウム硫黄電池です。 ただし、バッテリーの動作には高温 (>300°C) が必要です。 有望な代替手段として、低コストの RT-NaS バッテリー システムは、安全性が強化された大規模グリッド アプリケーションでの使用について広範な研究の関心を集めています。 ただし、バッテリー内の複雑な反応により、RT-NaS バッテリーの理論容量は低下します。

2018 年には、RT-NaS 電池の問題を解決するためにさまざまなアプローチが使用されています。

充電式電池への新しいアプローチ。 金属メッシュ膜を採用したRT-NaS電池。 マサチューセッツ工科大学

コバルトナノ粒子で修飾された中空炭素の合成の概略図。 自然

PC 電解質中の従来の 1M NaTFSI と、10mM InI3 添加電解質を含む PC:FEC 中の 2MNaTFSI を含む電解質の概略図。 自然

RT-NaS電池はまだ開発の初期段階にあるが、サドウェイ博士率いるMITからのスピンアウト企業Ambriのような企業は電池設計の改善に取り組んでいる。 次世代の NaS ベースのエネルギー貯蔵技術は、上記で説明した進行中の研究努力とアプローチにより、間もなく現実になる可能性があります。

高性能陽子交換膜 (PEM) 燃料電池の生成に多くの研究努力が注がれてきました。 しかし、PEM 燃料電池の実現可能性は、コストが高く、水素ガスの輸送と貯蔵が高いため、課題となってきました。

RMIT大学の研究者チームは最近、陽子電池の技術的実現可能性を初めて報告した。 これは、水から水素またはプロトンを貯蔵する炭素電極と、水素から電気を生成する可逆 PEM 燃料電池の 2 つの部分で構成されます。 電池の設計は、電極に活性炭を使用しているため革新的です。活性炭は水素貯蔵に安価で豊富で構造的に安定しており、可逆セルの膜との間でプロトンを伝導する多孔質材料内の少量の液体酸を使用しています。 このバッテリーでは、1.8 V の電圧が実現可能です。

RMITのアンドリュース教授が2014年に提案した新しい電池コンセプト。 アンドリュース教授の研究論文のグラフィック要約

効率的な水素エネルギー生成にとっては大きな一歩ですが、この技術の商業化はまだ遠い道のりです。 研究チームは、バッテリーの入手可能期間は 5 ～ 10 年以内であると推定しています。 ABBマリンとシンテフ・オーシャンも、水素燃料電池を使用して商船や旅客船に電力を供給するメガワット規模の推進プラントの試験を行っている。 これらの電池は触媒として白金を使用する以外にリチウムイオンをまったく必要としないため、残りの材料が安価で豊富にあるため、現在のリチウムイオン電池の有力な候補となる可能性があります。

リチウム以外の金属を使用するデュアルイオン電池（DIB）は、大規模な定置型電力貯蔵用として近年大きな関心を集めています。 電解質のイオン含有量と電極の電荷を蓄積する能力を増加させることにより、DIB のエネルギー密度を増加させる研究努力が続けられています。

豊富で安価で容易に入手できるアルミニウムは、リチウムイオン電池の代替品として研究されています。 スイス連邦工科大学チューリッヒ校の研究者らは、Alベース電池の商業化への足がかりとなる2つの新技術を考案した。

ポリピレン正極とクロロアルミン酸イオン液体を使用した充電中の充電式アルミニウム電池の動作原理の概略図。 先端材料

これらの研究努力は、業界向けの安価な蓄電ソリューションとして使用する Al イオン電池の商品化に向けた大きな期待を示しています。

ニッケル亜鉛電池は、コスト効率が高く、安全で毒性がなく、環境に優しい電池であり、エネルギー貯蔵においてリチウムイオン電池と競合する可能性があります。 しかし、商業化の主な障壁となっているのは、サイクル寿命が短いことです。

この問題に対処するために、大連理工大学の中国の研究者らは、Zn電極の溶解の問題を解決し、樹枝状結晶の形成を抑制することでNi-Zn電池の性能を向上させる画期的なその場切断技術を開発した。 研究チームは、グラフェンを直接切断して短いナノリボンを形成できる、現場切断技術を備えた新しいグラフェン-ZnOハイブリッド電極を開発した。 強力な原子間相互作用により、Zn 原子がグラフェン表面に固定されます。 このアプローチは、Zn 電極の溶解、デンドライトの形成、およびパフォーマンスの問題を徹底的に解決します。

現在進行中の研究と企業によるアプローチにより、これらのバッテリーは電気自動車 (EV) やエネルギー貯蔵の広範な商業用途に計り知れない可能性を示しています。

カリウムイオン電池 (KIB) の電気化学的性能を向上させるために、最近多くの画期的な進歩がありました。 注目すべき 3 つを以下に挙げます。

これらの新しいアプローチは、K イオンのインターカレーションに適したホスト基板の制限を回避するのに役立ち、商業用途への産業投資を誘致するための有望な一歩となります。

水はイオンを伝導することができ、充電式バッテリーの形成に使用されます。 しかし、水の化学的安定性は最大 2.3 V まで持続し、これはリチウムイオン電池の 3 分の 1 であり、EV での使用は制限されています。 これらのバッテリーは定置型電力貯蔵用途に適している可能性があります。 この可能性を実現するために、スイス材料試験研究所 (Empa) の研究者らは、水に非常に溶けやすいナトリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド (FSI) と呼ばれる特定の塩を使用しました。 塩を含む液体では、水和シェル内のナトリウム陽イオンの周囲にすべての水分子が集中しているため、結合していない水分子はほとんど存在しません。 この食塩水は、他の水性電解質の 2 倍である最大 2.6 V の優れた電気化学的安定性を示します。 このプロトタイプは実験室で有望な結果を示しており、複数回の充放電サイクルに耐えることができます。

同様に、スタンフォード大学の研究者らは、太陽エネルギーと風力エネルギーを貯蔵するための、低コストで耐久性のある塩水電池を開発しました。 これらの電池は、硫酸マンガン、水、安価な工業用塩、触媒反応用の電極のみが必要なため、開発が簡単です。 さらに、この化学反応は将来の使用に備えて電子を水素ガスとして保存するため、グリッドスケールのアプリケーションに適していることがわかります。 プロトタイプのマンガン水素電池の性能はスケールアップすることができ、最大 10,000 サイクルの安定した性能と寿命の延長を示しています。 このバッテリーは商業用途に先立ち、研究者らによって特許取得の手続きが進められている。 これは産業界で多くの関心を集めており、Aquion Energyを含む企業はグリッドレベルの貯蔵用に安価なバッテリーの製造に取り組んでいる。 BlueSky Energy は、Aquion の塩水技術を住宅用太陽光発電に使用しています。

塩水電池の現在の用途は限られていますが、定置型貯蔵システムでの使用には安全性、低コスト、無毒性などのいくつかの利点が依然としてあります。

紙ベースの微生物バイオ電池は、安価で環境に優しく、自立可能なため、幅広い関心を集めています。 それらはバイオセンサーや将来の電子機器に膨大な応用が期待できる。 ただし、主な制限はパフォーマンスが低いことです。

最近、Seokheun Choi と科学者チームは、生分解性の紙ポリマー基材から設計された高性能微生物電池を開発しました。 紙の細孔には、呼吸の副産物として電子を放出できる凍結乾燥された電気バクテリアが含まれていました。 電気的性能をさらに向上させるために、研究チームは生分解性ポリマー混合物を紙に組み込みました。 これらの紙とポリマーのハイブリッド微生物燃料電池は、電力コスト比が向上しており、追加のコンディショニングや微生物を必要とせずに約 4 週間の保存寿命を備えています。 この技術は特許出願中であり、チームは商業化に向けた産業投資を求めている。 設計の最適化がさらに改善されれば、これらのバッテリーを他の多くの用途に使用できる汎用性が高まる可能性があります。

研究者らは細菌を利用してこれらの紙電池に電力を供給した。 チェ・ソクフン

マグネシウムベースのバッテリーは、エネルギー密度容量が高いため、理論的にはリチウムイオンと競合する可能性があります。 ただし、可逆反応には Mg2+ イオンのバリアを形成する腐食性電解液が必要であるため、Mg ベースの電池は充電できません。

エネルギー省国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) の科学者たちは、充電可能なマグネシウムベースの電池のプロトタイプを初めて発表しました。 彼らは、Mg アノード表面上に人工的な Mg2+ 導電性界面を生成しました。 この界面は、Mg アノードの表面を保護しながら、水を含む炭酸塩ベースの電解質中での Mg/V2O5 燃料電池の可逆サイクルを可能にします。 この戦略により、Mg ベース電池の電池性能が大幅に向上します。

別のアプローチでは、MIT、バークレー、アルゴンヌ国立研究所の研究者チームは、特に三元スピネルカルコゲナイド骨格において、Mg イオンをより速く伝導する固体材料を開発しました。 このバッテリー設計を商品化段階に移行するには、さらなるテストと研究が必要です。

太陽光発電用途に使用される電池には、低コスト以外にもいくつかの特性が必要です。 太陽電池の容量と定格電力は、電池のエネルギーと電力密度の特性によって異なります。 さらに、放電深度、全体的な寿命、バッテリーの効率などの指標は、どの化学薬品がどの特定のニッチ/用途に最終的に機能するかを決定する上で重要になります。

コスト対パフォーマンス対ストレージ容量。 プレスカウター

上記で取り上げた電池の多くは開発の初期段階にありますが、より長い寿命と広い温度範囲を備えた太陽光発電用途向けのリチウムイオン電池の低コスト代替品となる可能性があります。 Ni-Zn、Mg、Al イオン、NaS、グラファイト DIB、KIB、陽子および塩水電池はすべて重要な役割を果たす可能性があります。 これらはリサイクル可能であり、望ましくない副反応を起こさずに化学反応を最適化する方法を研究する多くの研究の対象となっています。 そのため、再生可能電力の貯蔵に大きな期待が寄せられます。 たとえば、BlueSky Energy はすでに住宅用太陽光発電に塩水電池の使用を開始しており、その価格はリチウムイオン電池と同等です。

太陽光発電用途に適している可能性のあるバッテリー技術のリスト。 プレスカウター

Sofiane Boukhalfa 氏、PhD、プロジェクト アーキテクト、PresSouter

ソフィアンは、PreScouter でハイテク、航空宇宙、防衛、金融の各部門を率いています。 ソフィアンはイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校で材料科学と工学の理学士号を取得し、博士号を取得しました。 ジョージア工科大学で材料科学および工学の博士号を取得し、ナノテクノロジーとエネルギー貯蔵に焦点を当てた研究を行っています。 ジョージア工科大学を卒業して以来、彼はいくつかの企業や自身のクライアントで新興テクノロジーおよびビジネス戦略のコンサルタントとして働いてきました。

Navneeta Kaul、博士、研究者、PreScouter

ナブニータ氏は、2018年8月にデンバー大学で生物学の博士号を取得して卒業しました。彼女の研究の焦点は、脊椎動物の記憶形成に重要なシナプスにおける局所的なタンパク質合成のメカニズムを理解することでした。 彼女は、クローニング、PCR、リアルタイム PCR、ウェスタンブロッティング、免疫沈降、生細胞、固定細胞イメージングなどの生化学および分子生物学の技術を使用した経験があります。 彼女は、新しいテクノロジーや研究の進歩をより多くの聴衆に伝えることに情熱を注いでいます。