画期的な蓄電池を開発、住宅用にも 米ハーバード大

ソーラー住宅の普及に追い風か。無害で腐らず発火の危険もなし

2015.09.29
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米ハーバード大学の研究チームがこのたび無害、非腐食性、不燃性の新しい素材を使った、安全安価で高性能なフロー電池の開発に成功した。(PHOTOGRAPH BY ELIZA GRINNELL, HARVARD PAULSON SCHOOL OF ENGINEERING AND APPLIED SCIENCES)
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 太陽光発電のみで電力をまかなえる家に住みたいと願うなら、曇りの日用に電力を蓄えておけて、発火するおそれのない安全な電池が必要だ。米ハーバード大学の研究者が、そんな蓄電池を考案したと科学誌「サイエンス」9月25日号で発表した。

 未来の電池を開発しようと世界中の研究者がしのぎを削るなか、今回開発されたのはフロー電池と呼ばれるタイプのものだ。安価で無害、非腐食性かつ不燃性の材料でできており、しかも高性能であるという。(参考記事:「日本の切り紙「網」の技術で太陽電池の集光3割増」

「誰でも使えるようになるという意味で、畜電池は大きく前進しました」。ハーバード大学の工学教授で、論文の共同執筆者であるマイケル・アジズ氏はこう説明する。腐食の心配がない安全な電池であれば、事業用にも家庭用にも適している。「自宅の地下室にも安心して置いておける化学物質が使われています」

 気候変動問題が深刻化し、太陽光や風力などのクリーンな再生可能エネルギーへの期待が高まるにつれ、5年ほど前から電力貯蔵技術の研究がさかんになってきた。理由は簡単だ。太陽光発電や風力発電は出力の変動が大きく、太陽が出ていないときや風が吹いていないときに備えて電力を貯蔵する必要がある。(参考記事:「日本はどう?再生可能エネルギー普及、世界で加速」

 蓄電池のなかでもよく知られているのはリチウムイオン電池だ。今から20年以上前に主に個人用電子機器向けに実用化されたものだが、特に大出力のものは高価で、発火の危険性がある。実際、電気自動車で発火事故が数件起きているほか、大量のリチウムイオン電池を輸送する貨物機で火災が発生したこともある。

 研究者たちは現在、リチウムイオン電池の改良に取り組むほか、まったく別の方式も模索している。今回のハーバード大学の研究チームのように米国エネルギー省から資金を得て、新しい材料の組み合わせや、ナノサイズの電極の開発に取り組む研究者もいる。(参考記事:「極小のバッテリーが大きな革命を起こす」

 アジズ氏のチームはフロー電池に注目した。フロー電池は、電気が発生する電池セルとは別のところにあるタンクの液体にエネルギーを貯蔵するため、タンクを大きくすればより多くのエネルギーを貯蔵できる。問題は、フロー電池のほとんどがバナジウムなどの高価で腐食する金属を使っていることだった。

すでに複数の企業がアプローチ

 ハーバード大学の科学者たちは昨年、バナジウムの代わりにキノンという有機分子を使ったフロー電池を試作した。この試作品はうまく機能し、欧州の企業に製造を許諾したが、材料に有害で揮発性のある臭素が含まれていた。研究チームは今回、臭素をフェロシアニドという無害な非腐食性イオンに置き換えることに成功した。


【動画】フロー電池のしくみ 発電中は+の溶液から電子を引き出して-の液体に移動させることで電気を蓄え、電気を使うときは逆の流れにすれば放電する。外部のタンクの溶液に電気を貯められるため、タンクを大きくすれば蓄電容量は増える。(音声は英語です)

「フェロシアニドは青酸と同じシアン化物なので、毒性があると思われるかもれませんが、そうではありません」と、ハーバード大学のポスドク時にこの新しい素材を考えつき、現在は米コロラド大学ボールダー校に所属するマイケル・マーシャク氏は説明する。「青酸は体内の鉄イオンと非常に強く結びついて呼吸を阻害し、致死的な作用を及ぼします。これに対して、フェロシアニドは最初から鉄と結びついているので安全なのです」。フェロシアニドは食品添加物や肥料にも広く用いられているという。

 米アルゴンヌ国立研究所エネルギー貯蔵共同研究センターのジョージ・クラブツリー所長は、「この研究は、有機分子を電池に活用する新しい分野を開拓するものです」と言う。彼はこの新分野を「画期的で有望」と評価し、さらに多くの成果を生むだろうと予想する。

 今回の研究には関与していないが、米ケース・ウェスタン・リザーブ大学の工学教授で蓄電池の専門家であるロバート・サヴィネル氏は、「大容量化が容易で危険性がなく、製造コストも抑えられるでしょう」と、この電池の優れた性能を認めている。サヴィネル氏は、10年以内に商品化も可能だろうと期待を寄せるが、まださらなる検証も必要だと述べている。

 アジズ氏自身も検証の必要性を認めている。研究チームは短時間の実験結果で寿命を推定しただけなので、「何千回、何万回の充放電サイクルを経ても劣化しないことを証明する必要があります」と言う。彼は1年以内にこのテストを始めるつもりだが、ハーバード大学はそれ以前に製造を許諾する可能性がある。

 アジズ氏は、すでに複数の企業からアプローチを受けていることを打ち明け、「そう遠くない時期に商品化が実現するかもしれません」と言う。具体的な時期は、製造を許諾される企業が新興企業か大きな電池メーカーかで変わるだろう。

 ほかにも、起業家イーロン・マスク氏のテスラ・ギガファクトリー(米国ネバダ州)などが、自動車用、家庭用、事業用に畜電池の大量生産をめざしている。太陽光や風力による発電能力が上がるにつれ、エネルギー貯蔵分野の競争がもっとさかんになることをアジズ氏は期待している。(参考記事:「夢の超音速列車「ハイパーループ」、成否の鍵は?」

 しかし今後の電力貯蔵用電池の市場の巨大さを考えると、「最も安価な電池でさえ、需要をすべて満たすにはおそらく相当な時間がかかるでしょう」

文=Wendy Koch/訳=三枝小夜子

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