バッテリー技術の近未来を覗いてみましょう

ブレント・ウィルソン大佐がオアフ島のキャンプ・スミス基地司令官に就任するまでに、彼は湾岸戦争とイラク戦争に派遣され、コソボで数多くの防衛作戦を指揮していた。 しかし、ハワイ基地で彼が直面した敵は、彼が海兵隊ヘリコプターのパイロットとして戦場で見た敵とは異なっていた。 彼は、熱帯の天候によって定期的に踏みにじられる老朽化したエネルギーインフラと闘わなければなりませんでした。

「送電網全体が日常的にダウンし、私たちは廃業に追い込まれました」と当時、太平洋全域の防衛作戦を担当するチームの一員でもあったウィルソン氏は説明する。 「本当にそんなことはありえないよ。」

しかし、不良インフラとの戦いには、十分に活用されていない味方、太陽光もありました。 ウィルソンがインストールキャンペーンを開始 ソーラーパネル そして、嵐が襲ったときに業務の重要な部分をオンラインに保つことができる産業用バッテリー。 その経験は、最終的に、家庭に電力を供給するのに十分な大きさの電池をオフグリッドで販売するという、第 2 のキャリアへの出発点となりました。

バッテリーブーム

電池市場は過去数十年で拡大しており、今後 5 年間でさらに 12% 増加すると予想されています。 モルドール・インテリジェンス. 2025 年までに、900 億ドルの市場になるでしょう。 過去 10 年間、テスラ、ダイソン、ダイムラーなどの企業はいずれも、中小企業を買収したり新しい工場を建設したりして、業界に数十億ドルの投資を行ってきました。 もし あの古典的なシーンから 卒業生 今日撮影されたとしたら、ダスティン・ホフマン演じるキャラクターに与えられるキャリアに関する一言アドバイスは「プラスチック」ではなく、「電池」になるでしょう。

何がその成長を推進するのでしょうか? リチウムイオン電池の価格が下がり、パーソナルエレクトロニクスと電気自動車が急速に普及し、 とりわけ、太陽光発電や風力発電の蓄電を検討する住宅所有者や電力会社が増えていることが挙げられます。 エネルギー。

その成長に伴い、多くの無駄が発生します。 残念なことに、ほとんどのバッテリーは埋め立て地に捨てられます。 リチウムイオン電池のリサイクル率は恐ろしい：

5% 米国と欧州連合向け。 研究者たちはリチウムイオン電池をよりリサイクルしやすくする方法を見つけていますが、たとえそれが実現したとしても、私たちは依然として次のことを行う必要があります。 バッテリーをまったくリサイクルせず、ゴミ箱に捨てて廃棄する人々や企業の習慣を変える。 ごみ。

さらに、一部の専門家は、入手可能なリチウムの量は限られているが、どれだけ限られているかについては議論の余地があると述べています。 コバルトとコバルト（リチウムイオン電池の正極に一般的に使用される）の採掘は、環境と環境が厳しい環境で行われます。 人的コスト. さらに、コバルトの価格はここ数年で著しく上昇しています。

ここで疑問が生じます。もっと安価で、より環境に優しいバッテリーはあるのでしょうか? もっと良いものを使えないだろうか？ 将来はどうなるでしょうか？

多くの人が研究しています 可能性. 1990年代以降、30万人以上 電池関連の特許 が提出されています（2017 年だけで 30,000 件以上）。 これらの発明の大部分はリチウムイオン技術に関連していますが、固体電解質、シリコンベースのアノード、 リチウム空気、グラフェン、その他のオプション。環境に優しいものもあれば、環境的にはリチウムイオンと同等だが、それ以上の可能性があるものもあります。 効率的。

これらの新しいタイプの電池のほとんどは、おそらく（少なくとも今後数十年以内には）リチウムイオンほど広く販売されることはないでしょうが、非常に大きなニッチ市場にサービスを提供できる可能性があります。 ここでは人気のあるものをいくつか紹介します。

リン酸鉄リチウム

大佐の直後。 ウィルソンが軍を退役すると、ソーラーパネル会社の幹部らは彼に、長年にわたるエネルギー貯蔵事業の買収に取り組むよう求めた 知識（軍は世界最大のバッテリー使用者の1つ）、ラスベガスのCESに旅行に行き、国内の現在の作物を調査してください 電池。 旅行後、彼は自分が見た選択肢に不満を感じた理由を説明する巨大なスプレッドシートを作成しました。 最高のバッテリーは、平均的な住宅所有者にとって価格が高すぎる（3万ドル以上）か、十分な電力がありませんでした。 それから彼は一緒に働きました ネオボルタ バッテリーのラインを作成するため、通常は 2 桁前半のコストがかかります。

環境に配慮した化学者ならすぐにそう言うでしょう。 リン酸鉄リチウム エネルギー貯蔵はリチウムイオン電池の一種にすぎませんが、いくつかの注目すべき利点があります。 エネルギー密度が高く、寿命が長く、内部が破裂しても発火しません（リチウムイオンで起こり得ることです） 電池）。 欠点は？ 非常に重い（携帯電話の中に入れるのではなく、玄関に置いておくほうが良いのはそのため）、ケースにはまだリチウムが入っており、リサイクル経路は不明だ。

そのため、リン酸鉄リチウム電池を採用している電池はほとんどなく、そのリサイクル率がどの程度優れているかを知るのは困難です。 研究者の中には、構成要素に分解する方が簡単だと主張する人もいます。

リチウム硫黄

一部の専門家は、電池は軽量でエネルギー密度が高い傾向にあるため、リチウムイオンに代わるリチウム硫黄エネルギー貯蔵に賭けている。 硫黄も豊富で安価です。

リチウムイオン電池とリチウム硫黄電池の仕組みの違いは何ですか? リンダ・ナザール教授カナダのウォータールー大学の研究室は、過去 10 年間にわたってリチウム硫黄電池を研究しており、その違いを駐車場に例えて説明しています。 リチウムイオン電池の充電と放電は、車を駐車場に出入りするのに似ています。 リチウム硫黄電池は「駐車ガレージの構造全体をほぼ破壊し、再充電するときに再構築します」 細胞です。」

この化学反応は、完全な構造的および化学的変化が起こる鉛蓄電池で起こることに似ています。 これらの「変換」バッテリーには、独自の利点と課題があります。 「それらには、より多くの電子を貯蔵できるという利点があります」とナザール氏は言う。 一方、硫黄は導電率が比較的低く、放電後の電池の体積は変化します。 ウォータールー大学の研究チームは、サイクル寿命を延ばし、バッテリーの反応を最適化するためにバッテリーのコンポーネントを微調整しています。 バッテリーの課題のいくつかが解決されれば、バッテリーがドローンだけでなく航空にも使用されることをナザール氏は構想している。 の ゼファー機 また、電動で長時間の飛行を行った UAV は、多くの場合、リチウム硫黄電池に依存しています。

ナトリウムイオン

結局のところ、心臓に悪影響を与える周期表の元素は、電池にとっては非常に良いものであることがわかりました。 ナトリウムイオン電池の研究は、リチウムイオンエネルギー貯蔵とほぼ同時期の 1970 年代に始まりました。 2 つの元素は周期表上で隣接しています。 その後、リチウムイオンが普及し、ナトリウムイオンもエネルギーが低いと考えられ、その後 30 年間使用されました。

「これは最高のもののようです」とナザール氏は言う。彼の研究室はナトリウムベースのエネルギー貯蔵にも取り組んでいる。 「ナトリウムイオン電池は、地球上に豊富に存在する元素（鉄、マンガン、チタンなどで作られた正極）をはるかに低コストで利用できる可能性をもたらします。 しかし、リチウムとはまったく同じではないため、その化学反応をうまく機能させるのは困難です。」

ナザール氏は、リチウムイオン電池のコストは常に低下しているため、一部の企業はナトリウムイオン電池に投資する価値がないと考えていると指摘する。

「おそらくナトリウムイオン電池に多くの資源を投資する価値があると思います」と彼女は言います。 「ナトリウムイオン電池が高エネルギー密度で非常にうまく機能する瞬間があれば、それは大きな前進となるでしょう。」

砂糖

信じられないかもしれませんが、幼児がケーキのポップに飛び跳ねるのと同じように、砂糖でバッテリーを動かすことができます。 ソニーは、マルトデキストリンが酸化されてエネルギーが生成される反応に関する研究を 2007 年に初めて発表しました。 砂糖電池は材料の入手可能性と環境への配慮がリチウムイオン電池よりもはるかに優れていますが、化学反応によって生成される電圧は著しく低いです。 したがって、テスラにクランチベリーを一箱与えるのは控えたほうがよいでしょう。

オリジナルのコンセプトは 2007 年に初めて登場しましたが、 砂糖電池 コンセプトにはまだジュースが残っています。 2016年、マイケル・ストラノ教授率いるマサチューセッツ工科大学のチームは、 Thermopower Wave は、以前の砂糖電池よりもはるかに効率的で、商用 LED に電力を供給できます。 ライト。 砂糖は非常に豊富に存在するため、これは興味深い開発であり、これらの電池を製造する実行可能な方法を発見できれば、おそらくその技術を迅速に拡大できるでしょう。 残念ながら、商業的に利用可能になるのは数年先になる可能性があります。

流れ

フロー電池は他のほとんどの電池とは構造が異なります。多数の反応性物質を 1 つのユニットにまとめて詰め込むのではなく、 (通常の電池と同様)、フロー電池は反応性液体を別の容器に保管し、それをシステムにポンプで送り込んで生成します。 エネルギー。 また、それらは巨大で、電子機器や手のひらにすっぽり収まるようなものではなく、グリッドエネルギー貯蔵のために設計されています。

オリジナル フローバッテリー 伝えられるところによると、重さは1,000ポンドで、19世紀後半に賢く動力を供給するために発明されました。 フランスの飛行船「ラ・フランス」と名付けられた。 モジュール式エネルギー貯蔵への関心は、以来、上がったり下がったりしています。 それから。

「フロー電池への爆発的な関心と関心を実際に引き起こしているのは、次世代電池を作ることではなく、 電話やコンピュータだけでなく、中規模から大規模なエネルギー貯蔵も可能です」と、アメリカ大学の化学教授ティモシー・クックは説明します。 バッファロー。 したがって、スチームパンクな携帯電話を作成する場合を除き、極小ポンプで作動するフロー電池を持ち歩くことはまずありません。 しかし、太陽光発電を設置する家庭が増えるにつれて、「パーソナライズされたエネルギー」貯蔵市場は成長するでしょう。

リチウムイオン電池をより強力にするということは、電池のサイズを大きくすることを意味しますが、設計は フロー電池は液体のサイズを大きくすることでエネルギーを増やすことができます。 貯水池。 San Diego Power and Electric は最近、電力を供給できる施設を設置しました。 1,000戸.

「（化学反応が起こる）膜の寸法を変更する必要はありません。 より大量の液体を長時間流すことで、そのエネルギーを取り出すことができます。」 料理する。 「そのため、スケールアップやスケールダウンがはるかに簡単で、基本的にはインストールに合わせてカスタマイズすることもできます。」

また、フローバッテリーは、ほとんどのバッテリーよりも充電サイクルが長くなります。 液体を交換したり、他のモジュール部品を交換したりできるということは、バッテリーの潜在的な寿命がほぼ無限であることを意味します。

現在、企業は工業用サイズのフロー電池を販売しているが、クック教授は、広く受け入れられるまでにはあと5～10年かかると予想している。 彼は、電気自動車がこの技術を使用する日が来るかもしれないとさえ想像しています。 クック氏は、車が「ガソリン スタンド」に到着し、使用済みの電解液を排出し、新しく充電した電解液を補充する様子を説明しています。 車が再起動するまで 30 分も待つ必要はなく、数分で車輪が再び回転するようになります。 しかし、もちろん、その未来はずっと先のことです。

紙

紙からバッテリーを作ることには多くの利点があります。薄くて柔軟性があり、適切な材料で製造されていれば生分解性です。 スタンフォード大学のチームは、炭素と銀を飽和させたインクで薄いシートをコーティングすることにより、初期の紙電池を開発しました。 最近では、エコ愛好家たちはビンガムトン大学で開発されているバッテリーに興奮しています。 ソクフン・“ショーン”・チョイ教授は、唾液（より科学的には人間の唾液）を動力源とするものや、細菌を動力源とするものなど、いくつかの異なる化身をつくった。 チョイ氏とオモウンミ・サディク教授が開発したバイオバッテリーの最近の化身では、ポリカーボネートが使用されています。 (アミック) 酸とポリ (ピロメリット酸二無水物-p-フェニレンジアミン) を使用してエネルギー源を作ります 生分解性。

「当社のハイブリッド紙電池は、これまでに報告されているすべての紙ベースの微生物電池よりもはるかに高い電力対コスト比を示しました」とChoi氏はイノベーションが発表されたときに述べた。 発表されました. これらの環境に優しい紙電池の商業利用は、電気出力が低いため制限されています（LED ライトに電力を供給することができます）。 約20分）、研究者らは電子機器、無線機器、ペースメーカーなどの医療用途、航空機、 自動車。 Choi 氏は、電池が容易に入手できない発展途上国において、ポイントオブケア診断ツール用の使い捨て電源として電池を利用することについて論文を書きました。

空気

フェラーリのスピーカーからフィル・コリンズの曲が流れてきて首輪を外した瞬間だけではなく、空気は実際に電気を帯びることがあります。 空気亜鉛電池はスマーティーズキャンディーほどの大きさで、酸素と亜鉛の反応によって駆動され、長年補聴器に使用されてきました。 亜鉛も安価で豊富に存在するため、この技術は経済的で環境に優しいものとなっています。

しかし、この技術を実現しようとすると限界があります 充電式. 充電中にデンドライト結晶が形成され、バッテリーがショートする可能性があります。 材料を物理的に交換してバッテリーを「機械的に充電」するなど、亜鉛を交換する方法がテストされており、このアプローチはシンガポールの電気バスでも試みられています。 他にも、エネルギー密度、電力レベル、コストの程度を変えて、リチウム空気電池や金属空気電池を使って数多くの実験が試みられてきました。 過去 10 年にわたり、テスラは充電に関連するいくつかの特許を申請してきました。 リチウム空気電池したがって、その可能性は補聴器をはるかに超えて存在する可能性があります。

鉄

数年前、アイダホ大学の化学教授ピーター・アレンは、YouTube で電池科学への興味を表明し始めました。 彼はすぐに、視聴者が電池の材料に実際に反応することに気づき、教育的なデモンストレーションとして充電式鉄電池を作ることを思いつきました。 このプロジェクトにより、教育用バッテリー プロジェクトの手順、問題、学習内容を説明する 100 以上のデモンストレーション ビデオが作成されました。

「私は自分自身を電池の専門家として売り込みたくありません」と、専門分野が生物化学である教授は認めます。 YouTube ビデオを見て、彼は、比較的安価な日曜大工のバッテリーを構築することで、教え、学ぶべきことがたくさんあることに気づきました。

「鉄電池技術の一部は 100 年前から存在しているため、この問題に参加する多くの人が次のように考えていると思います。 外国の知識の多くは、『まあ、あれは踏み荒らされた土地だ――そこには何も見つからない』と言うだけだろう」と彼は言う。 「しかし、少し世間知らずだったので、私はそこに足を踏み入れて、『まあ、やってみよう。どうせ何か面白いものは見つかるだろう』と言いました。」

2 年の歳月を経て、30 以上のバッテリーのバリエーションと学部生の多大な協力を経て、アレンは 液体と固体の材料のバランスをとり、低エネルギーで最適な量のエネルギー密度を生み出す方法を学びました。 力。

「その後、私たちは次のような問題に取り組みました。『化学反応がうまく機能するが、その作用が遅い場合、どうすればその反応を加速できるでしょうか?』

たとえチームがその課題を解決したとしても、現在の技術では、鉄電池の最適な用途はおそらく 必要なスペースと発電所から送られるエネルギーの速度を考慮すると、近隣のマイクログリッドエネルギー貯蔵ユニットまたは太陽光発電所の電力回収 ユニット。

誰が勝つ？

アレンの鉄電池は商業的に実現可能になるでしょうか? 彼は、科学雑誌に発表された彼のチームの現在の研究結果がそこに到達するかどうか確信が持てません。

数多くの電池発明を検討してきた彼は、そのうち実際に市場に投入されるのはほんのわずかであることに気づきました。 科学研究には「死の谷」があると彼は説明する。

「本当に素晴らしいものを生み出す基礎研究があるのです」と彼は言います。 「商品化できるかどうかは疑問です。 そして、その質問をするお金はありません。」 最初の質問に答えるのに十分な資金を見つけた研究者は、運が良ければ、そのアイデアを改良して商品化したいと考えている投資家を見つけるでしょう。 「しかし、基礎研究と電池を商業化するために必要な改良の間にはギャップがあります。」

2019年、ベンチャーキャピタリストは沈没した バッテリースタートアップに17億ドルを投じる、そのうち14億はリチウムイオン関連の研究に使われます。 しかし、フロー電池、空気亜鉛、液体金属、その他多くの技術も書面による小切手の対象となった。 リチウムイオンエネルギー貯蔵装置は、少なくともあと10年間は​​エネルギー貯蔵装置の主流を占める可能性が高いが、他の多くのエネルギー貯蔵装置はすでに死の谷から抜け出すための動力源となりそうだ。

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