クリーンエネルギーを蓄える有望な新しいバッテリーへのステップ

2019-09-11 14:13:58

研究者たちは、より効率的で信頼性の高いカリウム酸素電池を構築しました。これは、国の電力網でのエネルギー貯蔵と、携帯電話やラップトップでのより長持ちする電池の潜在的なソリューションへの第一歩です。


金曜日にBatteries and Supercaps誌で発表された研究で、オハイオ州立大学の研究者は、金属酸素または金属空気電池での化学反応によって生成されたエネルギーを蓄える電池の正極の構築を中心に調査結果を詳述しました。研究者たちは、この発見により、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー源を、より安価で効率的なエネルギー貯蔵を通じて、送電網の実行可能な選択肢にすることができると述べています。


「電力網のすべて再生可能なオプションに行きたいのであれば、余剰電力を蓄え、電源が準備されていない、または機能していないときにその電力を戻すことができる経済的なエネルギー貯蔵装置が必要です」とVishnu-研究の共著者であり、オハイオ州立大学の機械工学と航空宇宙工学の教授であるババスンダレサン。 「このようなテクノロジーは重要です。安価で、エキゾチックな材料を使用せず、どこでも製造でき、地域経済を促進できます。」


再生可能エネルギー源は二酸化炭素を排出しないため、地球温暖化の原因にはなりませんが、太陽が照っているとき、または風が吹いているときにのみエネルギーを供給します。それらが地域のエネルギーグリッドの信頼できる電力源になるためには、日光と風から集められた過剰なエネルギーを貯蔵する方法が必要です。


世界中の企業、科学者、政府が、リチウムイオンバッテリー(多くの電気自動車に搭載されているものよりも大きなバージョン)から、金属バナジウムを使用して作られた大きな箱の店のサイズの巨大バッテリーまで、さまざまなストレージソリューションに取り組んでいます。


カリウム-酸素電池は、2013年に発明されて以来、エネルギー貯蔵の代替品となる可能性があります。化学教授のYiying Wuが率いるオハイオ州の研究者チームは、同時に保存しながらリチウム電池よりも効率的である可能性があることを示しました既存のリチウムイオン電池の約2倍のエネルギー。しかし、カリウム-酸素電池は、これまでのところ、コスト効率を高めるために十分な回数充電することができなかったため、エネルギー貯蔵には広く使用されていません。


実行可能なストレージソリューションになる可能性のあるカリウム酸素電池を作成しようとしたため、チームはロードブロッキングに陥り続けました:電池は充電ごとに劣化し、5または10充電サイクルより長く続くことはありません。電力を貯蔵するための費用対効果の高いソリューション。この劣化は、酸素がバッテリーのアノード(携帯電話であれ、電力網であれ、電子がデバイスを充電できる場所)に侵入したために発生しました。酸素によりアノードが分解し、バッテリー自体が充電を供給できなくなった。


サンダレサンの研究室で博士号を取得したポールギルモアは、アノードを酸素から保護できるかどうかを確認するために、ポリマーをカソードに組み込み始めました。彼がそれをする方法を見つけることができれば、彼はそれがカリウム-酸素電池をより長い寿命で一撃を与えるだろうと思った。チームは、ポリマーの膨潤がその性能に重要な役割を果たすことを認識しました。ギルモア氏によると、鍵は、酸素がアノードに染み込むことなく、電池が機能するために必要な酸素を電池に取り込む方法を見つけることでした。


この設計は、人間の肺のように機能します。空気は、繊維状炭素層を介してバッテリーに入り、わずかに多孔性が低い2番目の層に到達し、最終的に3番目の層で終わります。導電性ポリマーで作られたその3番目の層は、カリウムイオンがカソード全体に移動できるようにしますが、分子酸素がアノードに到達するのを制限します。この設計は、バッテリーを少なくとも125回充電できることを意味します。これにより、カリウム-酸素バッテリーは、低コストの電解液を使用した場合の寿命の12倍以上になります。


調査結果は、これが可能であることを示していますが、チームのテストでは、パワーグリッドストレージに必要な規模でバッテリーを製造できることが証明されていないと、スンダレサン氏は述べています。しかし、それは可能性を示しています。


ギルモア氏は、カリウム酸素電池が他の用途で役立つ可能性もあると語った。


「酸素電池の方がエネルギー密度が高い。つまり、電気自動車の範囲や携帯用電子機器の電池寿命を向上させることができるが、カリウム酸素電池がこれらのアプリケーションで実行可能になる前に他の課題を克服する必要がある」


そしてこの発見は、リチウムイオン電池や、「電池の血液ダイヤモンド」と呼ばれているコバルトに依存する他の電池に代わるものを提供しています。材料の採掘は非常に厄介なので、TESLAを含む主要企業は、バッテリーから完全に除去する計画を発表しました。


「大規模用途向けのバッテリーがコバルトを使用しないことが非常に重要である」とスンダレサンは言った。


そしてそれはまた重要です