有機電解質を水に置き換えることで、リサイクル可能なバッテリーが近づく

水系バッテリーと火災安全性

長年にわたり、リチウムイオンバッテリーは、電子機器や電気自動車の両方で市場で支配的なバッテリー形態でした。これは、エネルギー密度と全体的な安全性に優れた特性のおかげです。しかし、故障すると、非常に激しい火災を伴い、消し止めが困難な壮大な形で発生する傾向があります。これは、バッテリーが寿命の終わりに達し、リサイクルが必要になる際にも問題となります。

最悪のシナリオは、1つのバッテリーの故障が隣接するバッテリーに連鎖的な火災を引き起こす場合です。これは、大規模なユーティリティ規模システム向けにリチウムイオンでバッテリーパークを構築する際の非常に現実的な懸念です。リチウムバッテリーの火災リスクは主に、アノードとカソードを接続するために使用される可燃性の有機電解質に起因します。

オーストラリアのRMITの研究者たちは、電解質を水に置き換えることで解決策を見つけた可能性があります。チームは、左側の馬天毅教授が率いており、右側の朱凌峰博士と共同でプロジェクトに取り組みました。

出典: RMIT

いわゆる水系バッテリー、または水性金属イオンバッテリーは、火災を起こしたり爆発したりすることができません。また、人間と環境の両方に対する毒性も非常に低いです。

水系バッテリーの約束

水系バッテリーの設計は、亜鉛やマグネシウムなどのシンプルな元素に依存しており、これらは豊富で毒性が低く、製造コストを削減し、大量生産を容易にします。

実際には、水系バッテリーはさまざまな形態を取ることができます。例えば、マグネシウムイオンバッテリーや アンモニアイオンの形です。

また、馬天毅教授のチームは、これまでの採用を妨げてきた課題を解決することで、これらのバッテリーを商業的に実用化できるよう取り組んでいます。

例えば、マンガン電極の改良により、マグネシウムとマンガンを使用したコンデンサを作成し、“128.39 Wh/kg のエネルギー密度と超長寿命サイクル性能、6000サイクル後に85％の容量保持率”を達成しました。

優れた電気化学特性と水性電解質の重要な安全性の意味合いにより、この水性MICは大規模エネルギー貯蔵用途に有望です。さらに、カチオン・アニオン二重欠陥構造概念の戦略は、充電可能な金属イオンバッテリーの製造に関する重要な洞察を提供すべきです。 出典: Energy Storage Material

デンドライトの解決

ほとんどのバッテリーが経験するもう一つの問題は、電池内でのデンドライトの徐々に成長することです。デンドライトはとげ状の金属構造で、時間とともにショート（リチウムイオンの場合は火災）を引き起こす可能性があります。水系バッテリーもデンドライトの問題に対して脆弱です。

バッテリーの金属部品をビスマスでコーティングすることで、デンドライトの形成を阻止する保護層が作られます。

これにより、新しいバッテリーはリチウムイオンバッテリーよりもはるかに耐久性が向上し、ユーティリティ規模のバッテリーパックや、場合によっては商用車のような集中的な使用にも適しています。特に安全性が高いため、リチウムイオンに代わる代替化学の選択肢を拡大する有力な候補となります（この点については、私たちの記事「エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリーテクノロジー」でさらに詳しく探求しています）。

“マグネシウムイオン水系バッテリーは、短期的には鉛酸バッテリーを1〜3年程度で置き換える可能性があり、長期的には5〜10年後にリチウムイオンバッテリーを置き換える可能性があります。” Pr Tianyi Ma

水系バッテリーは将来の方向性か？

ユーティリティ規模のバッテリーは、EVバッテリーとは根本的に異なる可能性があります。なぜなら、両者は同じ制約の下で動作しないからです：

• EVバッテリーは軽量かつ小型で、エネルギー密度が非常に高く、迅速に充電できなければなりません。
• ユーティリティ規模のバッテリーは低コストで、非常に耐久性が高く、安定・安全であり、大量に調達可能な豊富な材料に依存しなければなりません。

さらに、ユーティリティ規模のバッテリー分野でも、複数の化学系が何年も、場合によっては数十年にわたって市場を共有する可能性があります。

これは、各々が異なる利点と使用ケースを持ち、例えば夜間・昼間のサイクルや数週間単位でエネルギーを蓄えるなど、異なる時間枠での利用があるためです。

また、いずれにせよ再生可能エネルギーの大量導入はバッテリーの大量導入を意味し、材料を多様化することで、希少ではないが大量供給過剰でもない金属の価格ショックを回避できます。例えば：

• 亜鉛（亜鉛バッテリー）
• マグネシウム（マグネシウムイオン）
• マンガン（金属水素バッテリー）
• バナジウム（レドックスフローバッテリー）
• アンチモン（溶融金属バッテリー）
• 硫黄（ナトリウム硫黄バッテリー）

現在、マグネシウムイオンバッテリーを市場に投入しようとしている企業はありません。しかし、他のさまざまな化学組み合わせが大量生産に向けて進展していることを考えると、近い将来状況が変わる可能性があります。