コンクリートキャパシタ：エネルギー貯蔵の未来

コンクリートキャパシタでエネルギーを貯蔵する

エネルギー貯蔵と言えば、すべての注目がバッテリーに集中しています。かつては主に改良が続くリチウムイオン技術が中心でしたが、現在ではナトリウムイオン、固体電池、その他の代替バッテリー化学が開発され、商業段階に入ろうとしています。

いずれの場合も、これらのバッテリーは電気を化学的形態で蓄え、通常は金属イオンを用いて電荷変化を運びます。

Source: Let’s Talk Science

しかし、これが唯一の電気の貯蔵方法ではありません。もう一つの選択肢はスーパーキャパシタの使用です。

バッテリーが金属イオンの塊に電荷を蓄えるのに対し、スーパーキャパシタやウルトラキャパシタは導電性材料の表面に電荷を保持します。

Source: Sinovoltaics

エネルギー貯蔵概念のこの根本的な違いにより、キャパシタはバッテリーとは異なる動作をします。エネルギーが材料の表面にあるため、非常に速く動員でき、超高速の充放電サイクルが可能です。一方、バッテリーは必要な化学反応の速度に制約されます。

これまでキャパシタは、バッテリーに比べて保持できる電荷が少なく、材料が高価になるため、主にニッチ製品とされてきました。

しかし、マサチューセッツ工科大学（MIT）の4人の研究者が開発したコンクリートベースのキャパシタにより、建物や道路を巨大なバッテリーに変える可能性が出てきました。

彼らは最新の設計を権威ある学術誌『Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)』に「High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage」というタイトルで掲載しました。

キャパシタの応用

キャパシタはバッテリーに比べて保持できる電荷が少ないため、大規模または長期的なエネルギー貯蔵への利用はこれまで制限されてきましたが、その耐久性は注目に値します。

しかし、電荷の急激な変化やはるかに高い電圧に耐えられる能力は、短時間で大量のエネルギーが生成または必要とされる用途に有用です。

例えば、スーパーキャパシタは自動車、列車、クレーン、エレベーターなどで、短期エネルギー貯蔵、回生ブレーキ、またはバーストモード電力供給に使用されています。

総エネルギーは必ずしも高くなくても、強度と速度は重要です。

電力網やエネルギー貯蔵の用途では、スーパーキャパシタは数秒から数分続く電力ギャップを埋め、迅速に再充電できる点で最も効果的です。

コンクリートベースのキャパシタの改善

コンクリートがエネルギーを蓄える仕組み

バッテリーでは、異なる電気化学反応間のエネルギー差と利用可能な金属の量が容量を制限します。

キャパシタの場合、主な制限は材料の総表面積です。したがって、一般に多孔質の材料ほど多くの電荷を保持できます。

このため、複数の要素からなる不均質材料や、単純な材料の重合によってできた多孔質・空洞を多く含む材料が最適です。

2023年には、MITの研究者が複雑な微細構造を持つコンクリートが理論上キャパシタに転換できる可能性を探求しました。

セメント、水、超微細カーボンブラック（ナノスケール粒子）、電解質を組み合わせ、いわゆる電子伝導性カーボンコンクリート（ec³、発音は「e-c-cubed」）を作製しました。

ec³はコンクリート内部に「カーボンナノネットワーク」を持ち、電気を蓄え伝導します。

コンクリートの豊富さ

セメントとコンクリートは地球上で最も大量に生産されている材料で、総体積は17億立方メートル、総質量は41億トンに達し、砂や鉄鋼を上回ります。

Source: Visual Capitalist

その結果、世界のコンクリートのごく一部をエネルギー貯蔵に転換できれば、住宅やオフィス、都市のエネルギー貯蔵方法が根本的に変わる可能性があります。

「コンクリートの持続可能性の鍵は、エネルギー貯蔵や自己修復、そして炭素隔離といった機能を統合した『多機能コンクリート』の開発にあります。

コンクリートはすでに世界で最も使用されている建築材料です。その規模を活かして他の利点を生み出すべきではないでしょうか？」

Admir Masic – MITの土木・環境工学（CEE）准教授

ec³ の性能向上

エネルギー密度の向上

2023年の初期プロトタイプは、約45立方メートル（典型的な地下室に使用されるコンクリート量）で平均的な家庭の1日分のエネルギー需要を満たすほどのエネルギー密度を持っていました。

興味深いものの、コストや実用性の問題から商業的に利用できるレベルではありませんでした。

研究者は新バージョンで、同じエネルギー量を1/9^thの体積、すなわち5立方メートル（176立方フィート）で蓄えられるようにしました。
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詳細分析

この高性能は、フォーカスイオンビームで ec³ 材料の薄層を順次除去し、FIB-SEM トモグラフィーで走査型電子顕微鏡により分析した結果得られました。

これにより、研究者は導電性ナノネットワークの高解像度画像を再構築し、ec³ の孔を取り囲む「フラクタル状の網」が電解質の浸透と電流の流れを可能にしていることを発見しました。

この優れた分析手法を用いて、研究チームはさまざまな電解質とその濃度を実験し、エネルギー貯蔵密度への影響を調べました。

「ec³ に適した電解質は幅広く、海水さえも候補に入ります。これにより、沿岸や海洋での利用、例えばオフショア風力発電の支柱としての活用が期待できます。」

Damian Stefaniuk – EC³ Hub 研究科学者

有機電解質、特に日常の消毒剤に含まれる四級アンモニウム塩とアセトニトリル（透明で導電性の高い液体）を組み合わせたものが、最も高い性能を示しました。

コンクリートバッテリーの製造改善

従来は ec³ 電極を硬化させた後に電解質に浸す必要がありましたが、研究者は混合水に直接電解質を加える方法を発見しました。

この手法により、より厚い電極を成形でき、エネルギー蓄積量が増加しました。

この技術の実証として、チームはミニチュアの ec³ コンクリートアーチを構築し、構造形状とエネルギー貯蔵がどのように連携できるかを示しました。

9 ボルトで動作し、アーチは自重と追加荷重を支えながら LED ライトを点灯させました。

構造健全性の自動モニタリング

テストアーチに電荷を増やすと、ある時点でライトがちらつき始めました。これはコンクリートが損傷し始め、電力貯蔵が失敗していることを示しています。

この現象は、目に見えるひび割れがなくても構造損傷を顕在化させます。実際の建物で非常に有用になる可能性があります。

「ここには自己モニタリング機能があるかもしれません。建築規模の ec³ アーチを考えると、強風などの外部ストレスで出力が変動することがあります。

これを構造がどの程度ストレスを受けているか、あるいはリアルタイムで全体の健康状態を監視するシグナルとして利用できるでしょう。」

Admir Masic – MITの土木・環境工学（CEE）准教授

自己加熱コンクリート

このコンクリート設計は電力を蓄えるだけでなく、熱伝導率が高く、氷の除去にも役立ちます。実際に日本の札幌市で塩化物に代わる手段として使用されました。

蓄えたエネルギーを熱に変換すれば、道路や歩道、歩行路の氷を溶かすことも可能です。

コンクリートバッテリーとエネルギー貯蔵の未来

これまでユーティリティ規模のバッテリーは、熱バッテリー、水素貯蔵、またはナトリウム、鉄、アルミニウムなど低コスト材料を使用したバッテリーとして想定され、リチウム・コバルト・ニッケルを使用するリチウムイオン電池の高価さを回避しようとしてきました。

しかし、太陽エネルギーで産業化された文明全体を電力で賄うためにバッテリー貯蔵を拡大するなら、コンクリートのような普遍的な材料が理想的です。

まず、コンクリートは希少材料の使用をさらに減らせます。代替化学バッテリーでも銅などの大量金属が必要です。

次に、日常の都市景観や建設にシームレスに組み込める点でも有利です。

チームはすでに、電気自動車を充電できる駐車スペースや道路、完全にオフグリッドで稼働できる住宅などの応用に向けて取り組んでいます。

結果として、得られたコンクリートは通常のコンクリートと同等の構造強度を持つため、バッテリーパークの追加スペースや建設手順を完全に省いて、直接使用できる可能性があります。

「現代のナノサイエンスと古代の建築素材を組み合わせることで、私たちは生活を支えるだけでなく、エネルギーを供給するインフラへの扉を開いています。」

Admir Masic – MITの土木・環境工学（CEE）准教授

持続可能なセメントへの投資

CRH Plc