新しい化学

New Chemistry

リチウムイオンバッテリーは現代生活の重要な一部となっています。車の始動や運転、電源コードなしでのラップトップやスマートフォンの使用、さまざまな機器の動作に電力を供給しています。

しかし、リチウムイオンバッテリーにはいくつかの欠点があり、特定の環境では特に効果的ではありません。そのため、研究者は新しいタイプのバッテリーの開発に取り組んでいます。2023年1月に、オーストリアのウィーン工科大学（TU Wien）の研究者グループが、科学論文誌『Advanced Energy Materials』に発表した論文で、酸素イオンプロセスで動作するバッテリーを開発したことを発表しました。

このデバイスは、可燃性のないセラミック材料で作られており、二重負荷の酸素イオンを吸収および放出します。これにより、電力グリッドに組み込まれるなど大規模な貯蔵システムに最適なバッテリーとなっています。酸素イオン技術は現在はまだ研究室に限定されていますが、研究者たちは既にスペインとフランスのパートナーグループと共同で特許を申請しています。

TU Wienの化学技術と分析研究所のシニアリサーチャーであるアレクサンダー・シュミットは、「酸素イオンバッテリーは持続可能な大規模な電力貯蔵を実現するのに貢献することを期待しています。」と述べています。

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エネルギーの獲得

現在、リチウムイオンバッテリーは世界を動かしています。それらは大きなシステムや小さなシステムに使われています。「2008年以来、体積密度は5倍から10倍に向上しています。この進歩により、ますます小型のデバイスを長時間にわたって駆動することが可能になりました。」とカーネギーメロン大学の電気電子工学教授であるブランドン・ルシアは述べています。

ただし、リチウムイオンバッテリーは家庭、データセンター、電力グリッドなどの貯蔵フレームワークには最適ではありません。バッテリーが発火する可能性があり、レアアース材料に関連する調達上の問題や環境上の問題があります。「人権侵害と関連付けられているコバルトなど、調達が困難な希少鉱物への依存を減らす必要があります」とルシアは述べています。

近年、研究者たちはナトリウム、マグネシウム、カリウムなどの材料を使用して、新しい種類のバッテリーを開発する研究を始めました。TU Wienのグループは2021年に酸素イオン技術の実験を開始しました。「このプロジェクトは純粋な学術的な好奇心から始まりました。基本物理学の具体的なデモンストレーションとしてです」とシュミットは説明します。「後になって、エネルギー経済への実用的な応用の大きな可能性に気付きました。」

酸素イオンバッテリーはより高温（約200度から400度セルシウス）で動作し、同じサイズのリチウムイオンバッテリーと比較してエネルギーを約1/3しか貯蔵できない（したがって、より大きなシステムが必要になる可能性があります）ですが、鉄、クロム、カルシウム、マンガン、チタン、ストロンチウムなど、広く入手可能な材料で構築することができます。また、非可燃性の固体電解質を使用しています。

これらのバッテリーは、リチウムイオンを含む他の種類のバッテリーとは異なり、時間の経過とともに容量が失われるという問題もありません。「大気中に存在する酸素から失われたセル容量を再生する能力を持っています」とシュミットは述べています。

酸素イオンが前進する

実験室スケールの酸素イオンバッテリーは、薄膜を生成するパルスレーザ蒸着プロセスによって作られます。「これは、高出力のUVレーザーをセラミックターゲットに照射することによって機能します。高いエネルギーのため、ターゲットの一部が蒸発し、プラズマに変換されます」とシュミットは説明します。「このプラズマはしばしば加熱された基板上に凝縮し、セラミックターゲットと同じ材料の薄膜を形成します。」

このシステムはリチウムイオンバッテリーと同様に機能しますが、代わりに酸素を使用します。セラミック電極は必要に応じて酸素イオンを貯蔵および放出します。電圧はセラミック要素間のイオンの流れを制御します。電気エネルギーは、酸素イオンを片方のセラミック電極からもう片方のセラミック電極に送り込むことで貯蔵されます。これらのイオンが戻ると、バッテリーは貯蔵されたエネルギーを放出します。

シュミットは、シーリングシステムの完成を完璧にすることが最も困難な課題だったと述べています。「これは現在の実験室スケールのモデルシステムでの主要なエンジニアリングの課題でした。」彼はさらに、次の主要な課題は拡大し、商業的に実用的なバッテリーシステムを生み出すための電子制御回路やソフトウェアを追加することだと述べています。

研究グループが商業化可能なシステムに到達するには数年かかる可能性があります。しかし、研究者たちは重要な技術的なハードルを乗り越えたことは明らかであり、太陽光や風力発電システムを組み込んだはるかに持続可能なエネルギーフレームワークをサポートする可能性のあるバッテリーの開発に向かっています。

さまざまな問題や課題が残っているものの、ルシアはこの技術を「非常に有望だ」と評価しています。特に、繰り返しの充放電に対する劣化への耐性や環境への利点があります。シュミットは「この技術には大きなポテンシャルがあると考えています」と付け加えています。

サミュエル・グリーンガードは、オレゴン州ウェストリンを拠点にする作家兼ジャーナリストです。

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