科学者が新しいタイプの電池を発明

ウィーン工科大学より2023年5月15日

ウィーン工科大学のバッテリーのプロトタイプ。 クレジット: ウィーン工科大学

TU Wien (ウィーン) の研究者らは、優れた耐久性を誇り、希少元素の必要性を排除し、火災の危険性の問題を解決する画期的な酸素イオン電池を開発しました。

リチウムイオン電池は今日の世界では当たり前のものであり、電気自動車からスマートフォンに至るまであらゆるものに電力を供給していますが、必ずしもすべての用途にとって最適なソリューションであるとは限りません。 ウィーン工科大学の研究者たちは、いくつかの重要な利点を提供する酸素イオン電池を作成することで画期的な進歩を遂げました。 リチウムイオン電池のエネルギー密度には及ばないかもしれませんが、その蓄電容量は時間の経過とともに不可逆的に減少することがなく、再生可能なため非常に長い寿命が可能です。

さらに、酸素イオン電池の製造には希少元素は必要なく、不燃材料も必要となります。 この革新的なバッテリーのコンセプトは、スペインのパートナーと協力してすでに特許出願につながっています。 これらの酸素イオン電池は、再生可能資源からの電気エネルギーを保持するために必要なシステムなど、大規模なエネルギー貯蔵システムに優れたソリューションを提供する可能性があります。

ウィーン工科大学化学技術分析研究所のアレクサンダー・シュミット氏は、「私たちは燃料電池に使用できるセラミック材料についてかなり長い間経験を積んできました」と語る。 「そこで、そのような材料が電池の製造にも適しているかどうかを調査するというアイデアが生まれました。」

ウィーン工科大学のチームが研究したセラミック材料は、二重にマイナスに帯電した酸素イオンを吸収および放出することができます。 電圧が印加されると、酸素イオンはあるセラミック材料から別のセラミック材料に移動し、その後再び移動して元に戻ることで電流が発生します。

ユルゲン・フライグ教授、トビアス・フーバー教授、アレクサンダー・シュミット教授（左から右）。 クレジット: ウィーン工科大学

「基本原理は実際にはリチウムイオン電池と非常に似ています」とユルゲン・フライグ教授は言う。 「しかし、私たちの材料にはいくつかの重要な利点があります。」 セラミックは可燃性ではないため、リチウムイオン電池で何度も起こる火災事故は事実上排除されます。 さらに、高価な、または環境に有害な方法でしか抽出できない希少元素は必要ありません。

「この点において、セラミック材料の使用は非常にうまく適応できるため、大きな利点となります」とトビアス・フーバー氏は言います。 「入手が難しい特定の要素を、比較的簡単に他の要素に置き換えることができます。」 バッテリーのプロトタイプには依然としてランタンが使用されています。ランタンは、決して珍しいわけではありませんが、完全に一般的でもありません。 しかし、ランタンさえもより安価なものに置き換えられる予定であり、その研究はすでに進行中である。 多くの電池に使用されているコバルトやニッケルは一切使用しておりません。

しかし、おそらく新しいバッテリー技術の最も重要な利点は、その潜在的な寿命です。「多くのバッテリーでは、ある時点で電荷キャリアが移動できなくなるという問題があります」とアレクサンダー・シュミット氏は言います。 「そうなると、発電に使用できなくなり、バッテリーの容量が減少します。何度も充電サイクルを繰り返すと、深刻な問題になる可能性があります。」

しかし、酸素イオン電池は問題なく再生できます。副反応によって酸素が失われた場合、その損失は周囲の空気からの酸素で補うことができます。

新しい電池コンセプトは、スマートフォンや電気自動車を対象としたものではない。酸素イオン電池は、これまで使用されてきたリチウムイオン電池の約3分の1のエネルギー密度しか達成できず、200～400℃の温度で動作するからである。 しかし、この技術はエネルギーを貯蔵する上で非常に興味深いものです。

「たとえば、太陽エネルギーや風力エネルギーを一時的に蓄えるために大規模なエネルギー貯蔵ユニットが必要な場合、酸素イオン電池が優れたソリューションになる可能性があります」とアレクサンダー・シュミット氏は言う。 「エネルギー貯蔵モジュールで満たされた建物全体を建設する場合、エネルギー密度の低下や動作温度の上昇は決定的な役割を果たしません。しかし、そこでは当社のバッテリーの強みが特に重要になります。つまり、長い耐用年数、大容量の電池を生産できる可能性です。希少元素を含まないこれらの材料が大量に含まれていること、そしてこれらのバッテリーには火災の危険がないという事実です。」

参考資料: 「混合導電性酸化電極をベースにした充電式酸化イオン電池」Alexander Schmid、Martin Krammer、Jürgen Fleig著、2023 年 1 月 25 日、Advanced Energy Materials.DOI: 10.1002/aenm.202203789