セメント電池は次なるエネルギー革命となるでしょうか？

著者：王悦生（凝縮系物理学博士）

電池は皆さんよくご存知だと思いますが、「セメント電池」って聞いたことありますか？セメントは一般的に私たちの日常生活の中で建築材料として使われています。私たちが住んでいる建物にも電気を蓄えることができるのでしょうか？セメント電池とは何ですか？普段使用しているリチウムイオン電池との違いは何でしょうか？今日はセメント電池について学びます。

セメント電池は、スウェーデンのチャルマース工科大学に勤務するエマ・チャン博士が、未来の建築材料を模索する中で2021年に発明した。動作原理は次のとおりです（画面表示）。

セメント電池のコンセプトは実は非常にシンプルです。

まず、セメントに少量の短い炭素繊維を加えて、導電性と曲げ靭性を備えたセメントベースの混合物を形成します。次に、金属コーティングされた炭素繊維メッシュを電極として混合物に埋め込み、鉄を陽極、ニッケルを陰極として使用しました。これはセメントベースのバッテリーのプロトタイプです。

報道によると、研究者らが製造した充電式セメント電池の平均エネルギー密度は1平方メートルあたり7ワット時で、単3アルカリ電池2本に相当する（アルカリ電池のエネルギー密度は3.27Wh）。市販のリチウムイオン電池と比較すると、セメント電池のエネルギー密度はまだ低いですが、建物内で電池を使用する場合、その面積が広大であるため、この制限を克服できます。つまり、その面積を利用して、エネルギー密度が低いという欠点を補うことができます。

2023年、米国マサチューセッツ工科大学の研究者らがセメント電池をさらに最適化した。彼らの研究では、コンクリートにメッシュ電極を敷設する必要がなくなり、性能もスウェーデンチームの装置よりも高くなっている。研究者らは水、セメント、カーボンブラックの混合物を使用し、添加されたカーボンブラックは導電線として機能した。セメントが水と反応すると、これらの線状構造が 2 つのプレートを接続する橋のように機能し、混合物全体が導電性になります。これにより、家庭に電力を供給できる可能性のあるスーパーキャパシタエネルギー貯蔵装置が誕生する可能性があります。

先ほどセメント電池について触れましたが、今度はスーパーキャパシタについて触れます。実は、セメント電池の基本原理はコンデンサです。では、コンデンサとは何でしょうか。スーパーコンデンサはどのように機能するのでしょうか。また、従来のリチウムイオン電池とどう違うのでしょうか。

いわゆるスーパーキャパシタは、近年ますます人気が高まっているエネルギー貯蔵システムです。

バッテリーと同様に、スーパーキャパシタには電解質によって分離された正極と負極があります。スーパーキャパシタの動作原理は、充電時に正極材料に徐々に正電荷が蓄積され、負極材料に徐々に負電荷が蓄積されるというものです。電極に蓄積された電荷の静電気引力の作用により、正極材料の表面は電解質中の負イオンを吸着し、負極材料の表面は電解質中の正イオンを吸着します。このエネルギー貯蔵方法は「二重層エネルギー貯蔵機構」と呼ばれ、2 つの帯電プレートの間に形成される電界に似ています。従来のリチウムイオン電池の動作原理は、ロッキングチェアに少し似ています。充電すると、正極の電位は徐々に上昇し、負極の電位は徐々に低下します。正極と負極の間の電位差の作用により、正極材料と負極材料は酸化還元反応を起こします。化学反応によってエネルギーを蓄えたり放出したりするため、このエネルギー貯蔵方法は「化学的エネルギー貯蔵機構」と呼ばれます。

スーパーキャパシタの充電と放電は純粋に物理的なプロセスであるため、リチウム電池に比べて充電と放電のプロセスが非常に高速です。さらに、スーパーキャパシタには、非常に小さな容積に大量の電気を蓄えることができるという利点があります。サイクル寿命が長く、数十万回繰り返して充放電できる。優れた超低温特性を有する。強力な高電流放電能力を備えています。

しかし、何事にも長所と短所はあります。スーパーキャパシタの現在の生産は技術的に完成しておらず、生産コストも高いため、現時点ではスーパーキャパシタを使用してリチウム電池を全面的に置き換えることはできません。

さらに、エネルギー密度が低く、単位体積あたりに多くのエネルギーを蓄えることができません。これは通常、フラッシュライト、電子回路のフィルタリングやカップリングなど、急速放電と充電が必要な状況で使用されます。純粋な電気自動車が代わりにスーパーキャパシタを使用する場合は、車両全体にさらに大きなスーパーキャパシタを装備する必要があります。

もう 1 つのポイントは、スーパーキャパシタは高温に耐えられず、湿気の多い環境に置くことができないことです。そうしないと、正常な動作に影響を与えたり、損傷を引き起こしたりする可能性があります。

スーパーキャパシタはリチウムイオン電池よりもはるかに速く充電でき、またリチウムイオン電池よりも安全です。スーパーキャパシタは現在、応用範囲の拡大と産業化の段階に達しています。スーパーキャパシタは、その優れた特性により、車両の牽引力や始動エネルギー用の従来の化学電池を部分的または完全に置き換えることができ、従来の化学電池よりも幅広い用途に使用できます。

コンデンサベースのセメントベース電池は、コストが非常に低いため、非常に幅広い用途に使用できます。

例えば、住宅建築では、屋根の上の太陽光パネルをケーブルで接続し、この素材で作られた基礎に、住宅が1日に使用する量に相当する太陽エネルギーを蓄えることができます。家は巨大なパワーバンクに変身し、必要なときにいつでも電力を蓄えます。まだ初期段階ではありますが、10ワットのLED電球に30時間電力を供給できる蓄電容量を備えており、将来の拡張性と建築環境への統合への影響は大きいです。 MITチームの研究では、カーボンブラックを多く加えるほどスーパーキャパシタが蓄えられるエネルギーは増えるが、コンクリート構造物の強度も低下することが判明した。したがって、コンクリート構造物に要求される強度に応じて、異なる割合のカーボンブラックを追加することで、さまざまなコンクリート「バッテリー」を作成できます。それだけでなく、風力発電所では風力タービンの基礎に使用したり、路面を通過する電気自動車に非接触充電を提供する道路を作るのにもこのコンクリートを使用することができます。

しかし、セメント電池には、電力貯蔵能力の不足や動作電圧の低さなど、スーパーキャパシタ特有の欠点もいくつかあります。これらの困難を克服できれば、「コンクリートバッテリー」は実現される見込みがある。多くの人の「家」も小さな発電所に変えることができます。正直に言うと、私はこの日をとても楽しみにしています。

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