バッテリーは二酸化炭素を「吸収」することもできるのでしょうか?想像以上に速くて安全です!

制作：中国科学普及協会

著者: 海の中の塩辛い魚 (中国科学院長春光学精密機械研究所光学修士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

絶えず変化するこの世界では、私たちは避けることのできない問題、エネルギーに直面しています。エネルギーは私たちの社会の原動力であり、現代生活の礎です。

古代から、人類は火を保存し、仕事に利用することを学び、それが最初のエネルギー革命を引き起こし、人類が天然資源を制御する能力を獲得することを可能にした。炭火バーベキューはこのステージの典型的な光景です。

1770年代に、石炭を動力とする世界初の蒸気機関が登場しました。第二次産業革命により人類は蒸気時代を迎え、石炭を燃料とする蒸気機関車によって人類の輸送能力は大幅に向上しました。

電磁気学の発展に伴い、実用的な価値のある発電機や電動機が次々と作られてきました。送電や利用が容易な電気が内燃機関に取って代わり、人類の第三次エネルギー革命の到来を告げています。今では電気グリルを使ってバーベキューをしたり、電気で動く高速列車に乗ったりできるようになりました。

（写真提供：VEERギャラリー）

しかし、従来の化石燃料エネルギーは無限ではなく、その使用は汚染や温室効果ガスの排出を引き起こし、環境に悪影響を及ぼします。このため、新エネルギーの開発は特に重要かつ緊急なものとなっています。

化石エネルギーへの依存を減らす新しいエネルギー

地球規模の気候変動は人類の発展にとって最大の課題の一つとなり、気候変動に対処するための世界的な政治的コンセンサスと主要な行動を大きく促進してきました。地球規模の気候変動は、地球規模の人類社会に大きな脅威をもたらします。

2018年10月の気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の報告書では、甚大な被害を避けるために、世界は地球温暖化を1.5℃に抑えなければならないと述べられています。この目標は、世界が21世紀半ばまでに温室効果ガスの排出量を実質ゼロにした場合にのみ達成できます。温室効果ガス排出ゼロの目標を達成するためには、環境に優しい代替エネルギー源の発見と開発が開発の最重要課題です。なかでも、私たちにとって馴染み深い太陽光発電や風力発電は、優れた代替エネルギー源です。

現在、我が国の集中型太陽光発電と風力発電は世界一ですが、どちらの発電方法も不安定で、電力網に直接接続して使用することができません。電力網は発電側と消費側に分かれています。発電側は、消費電力側の要求に応じて、リアルタイムで発電量を調整する必要があります。火力発電所は燃料の燃焼量を調整することで発電量をコントロールできますが、太陽光発電や風力発電の発電量は自然条件によって決まります。

夜間は照明用の電力需要が高まるが、太陽光発電は利用できない。風力発電の場合、自然界では風速が変動するため、発電量も変動し、電気の無駄が生じます。

エネルギー貯蔵技術の出現は、再生可能エネルギーの効率的な利用にとって優れた原動力となります。

（画像出典：著者自作）

電気を水に例えると、発電側は水を出す蛇口、消費側は水道管に相当します。新エネルギー水栓の水出力は、水道管の流量需要を必ずしも満たすとは限りません。このとき、エネルギー貯蔵技術が貯蔵庫の役割を果たします。エネルギー貯蔵技術により一定量の電気を貯蔵することができ、発電端で発電された余剰電力を貯蔵して、発電が不十分な場合に電力消費端のニーズを満たすことができます。

揚水発電所、圧縮空気エネルギー貯蔵所、水電解水素エネルギー貯蔵と比較すると、電気化学エネルギー貯蔵技術は、地質、地形、環境によって制限されません。電気を直接貯蔵・放出することができ、産業として大きな将来性があります。

現在、電気化学エネルギー貯蔵業界ではリチウム電池が主流となっています。しかし、リチウムイオン電池の使用中にリチウムデンドライトが成長する問題が解決されていないため（リチウムイオン電池の使用中に、負極に金属リチウムが蓄積して形成されたデンドライト金属が生成され、電池の性能が低下し、ひどい場合には電池の短絡、燃焼、爆発を引き起こす可能性があります）、大規模な用途では安全上のリスクが高くなります。

一石二鳥：二酸化炭素を吸収するエネルギー貯蔵バッテリー

既存の電池のさまざまな欠点を解決するために、研究者たちは、効率的で環境に優しく安全な「優れた」電池を得るために知恵を絞ってきました。次に、エネルギー貯蔵の過程で二酸化炭素を吸収し、カーボンニュートラルの実現に貢献する、極めて環境に優しいエネルギー貯蔵電池、水性有機液体フロー電池について紹介します。

（画像出典：参考1）

上図は水性有機フロー電池のモデルを示しており、貯蔵タンク、電解液、循環パイプ、循環ポンプ、電極板、集電体、隔膜などの部品が含まれています。バッテリーは、水に溶解した有機物の化学反応を通じてエネルギーを蓄積または放出します。

正極電解質と負極電解質は、可逆的な電気化学的酸化還元能力を持つ有機分子（つまり、電気活性有機分子）であり、それぞれ 2 つの貯蔵タンクに貯蔵されます。循環ポンプの駆動により、電解液は循環パイプを通って電極表面に輸送され、電気化学的酸化還元反応を起こし、エネルギーの貯蔵または放出を実現します。

電極板、集電体、セパレーターが電池本体を構成します。電極板は通常、電子の通路と流体の通路の両方の役割を果たす流路溝を備えた高密度グラファイト板です。集電体は電気活性有機分子が酸化還元反応を起こす場所であり、カーボンフェルト、グラファイトフェルト、フレキシブルカーボンクロス、カーボンペーパーなど、比表面積の高い導電性材料が選択されることが多いです。隔膜は正極と負極を分離する役割を果たします。電気活性有機分子のクロストークを効果的に抑制しながら、H+、Na+、K+、Cl-などの荷電イオンを通過させて電荷のバランスをとるために、一般に、負に帯電した有機物には陽イオン交換膜が使用され、正に帯電した有機物には陰イオン交換膜が使用されます。

ウェストレイク大学の王潘氏のチームは、ハーバード大学および中国科学院大学の研究チームと共同で、フェナジン誘導体に基づく水溶性有機エネルギー貯蔵小分子を開発し、水性有機液体フロー電池の充電および放電プロセス中に統合された電気化学的炭素捕捉を実現する方法を提案した。

（画像出典：参考資料2）

このタイプのバッテリーの充電プロセス中、電解質内の各エネルギー貯蔵分子は電気を蓄え、同時に、元々中性であった電解質環境は二酸化炭素を溶解しやすいアルカリ性環境に変換されます。この環境は空気中の二酸化炭素を効率的に溶解することができます。

（画像出典：参考資料2）

放電プロセス中、エネルギー貯蔵分子は電気を放出し、アルカリ性環境を酸性環境に変えます。二酸化炭素は酸性環境では溶解度が低いため、電解質から逃げて再びガスになり、回収されます。

バッテリーの充電と放電により電解質の酸性度とアルカリ度が「変動」し、科学者はこの特性を利用して空気中の二酸化炭素を捕捉して収集します。研究チームは実験を行い、200サイクル後でもバッテリーの効率が依然として非常に高いことを発見しました。シミュレーション計算の結果、このバッテリーの効率は多くの新しいバッテリーの効率に劣らないことが判明しました。この結果はNature Energy誌に掲載されました。

結論

古代、人類は暖を取るために薪などの植物に固定されたバイオマスエネルギーに頼っていました。その後、エネルギー密度の高い石油や石炭を使用し、現在では太陽エネルギー、風力エネルギー、さらには原子力エネルギーを簡単に送信できる電力に直接変換して、何千もの家庭に電力を供給しています。エネルギー需要は増加していますが、環境への影響もますます重要になっています。効率的で環境に優しく安全なエネルギー収集・貯蔵装置の開発は、持続可能な人類の発展のために克服しなければならない技術的な課題です。

参考文献:

[1] 孔桃毅、董暁利、王永剛。水性有機フロー電池用活物質の研究の進歩[J]。中国科学: 化学、2023、53(08): 1419-1436。

[2]WangP、PangS、JinS、etal.高容量および高安定性電気化学CO2捕捉セルと結合型蓄電[J].2023.

[3] Gong Yiping、Wang Chenhui、Xiu Xiaoqing、他。大規模エネルギー貯蔵技術と多機能アプリケーションに関する研究のレビュー[J]。電源供給と使用。 1006-6357.2023.02.010.

[4] 黄建航、王永剛、夏永耀。新しいエネルギー貯蔵化学動力源の研究の進歩[J]。電源技術、2020年、44(06):793-798。

[5] Peng Kang、Liu Junmin、Tang Gonggen、他。水性有機フロー電池における電気化学的に活性な分子の研究の現状と展望[J]。エネルギー貯蔵科学技術、2095-4239.2022.0009。

[6] 呂黎明新エネルギー発電技術の現状と発展動向の分析[J]。エンジニアリング建設と設計、2020.11.250。

[7] 李元元。水性有機フロー電池用主要材料の設計と性能研究[D]。中国科学技術大学。 2022.001681.