Billy Hurley, Digital Editorial Manager
金属空気電池は軽量でコンパクト、高いエネルギー密度の電源ですが、これまで大きな制約がありました。
マサチューセッツ工科大学の新しい設計では、オイルを使用して腐食を減らし、使い捨ての金属空気電池の寿命を延ばしました。 金属の劣化を防ぐために、MIT の研究者たちは、アルミニウムの電極と電解液の間にオイル バリアを配置しました。これは、MIT のチームによれば、1000 倍以上の改善です。
この発見は、先週、元 MIT 大学院生の Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Hopkins ’18 によって科学誌「サイエンス」で報告されました。 Keck 教授（エネルギー学）、Douglas P. Hart 教授（機械工学）により、先週、サイエンス誌に報告されました。
アルミニウムの場合、空気中の酸素が金属と結合して水酸化アルミニウムを作り、これが電気分解プロセスを活性化して電流を発生させます。
アルミニウムは水を引き付けるので、電解質が電池から排出された後も、残った電解質がしばしばアルミニウム電極表面に付着しています。
しかし、ホプキンス教授と彼のチームは、電池の電極の間に薄い膜バリアを置きました。
電池がスタンバイ状態になると、アルミニウム電極に最も近い側に油が注入され、膜の反対側にある電解液からアルミニウムの表面を保護します。 電池を再び作動させ、電解液を送り込むと、電解液がアルミニウム表面の油を容易に追い出し、電池のパワーが回復する。
その結果、従来のアルミニウム空気電池よりはるかに長い保存期間を持つアルミニウム空気電池の原型ができた。 電池を繰り返し使用し、1～2日間待機させた場合、MITの設計では24日間持ちましたが、従来の設計では3日間しか持ちませんでした。
スケールアップした一次アルミニウム-空気電池パックに油とポンプシステムを含めても、電気自動車用の充電式リチウムイオン電池パックの5倍の重量と2倍のコンパクトさがあると、研究者は報告します。 Hart教授は、新しい設計がいつの日かニッチな用途を超えて電気自動車に採用されると信じている理由について、Tech Briefsの取材に答えました。 なぜ金属空気電池は価値があるのでしょうか。
Douglas Hart教授（機械工学）。 非常に高いエネルギー密度を持つ電池です。 これは一次電池と呼ばれるもので、充電はできません。 この場合、アルミニウムが消費されます。
そしてアルミニウムは、電池を作るために作られる他の多くの金属と違って、非常に豊富です。 アルミニウムは地球上で最も豊富な材料の1つであり、世界中に分布しているので、1つの国が所有するものではありません。
Tech Briefs:
バックアップ発電機の問題の1つは、オンラインになるまでに時間がかかることと、ディーゼル燃料を使用するので、腐敗する可能性があることです。
イスラエルのPhinergy社は、自動車のレンジエクステンダー用にアルミ空気電池を製造しています。 電気自動車のバッテリーから電力がなくなった場合、アルミニウム-空気電池が作動し、充電ステーションまで余分な距離を移動できるようにする計画があります。 リチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギーを持っているだけに、基本的には交換可能な電池システムです。
Tech Briefs:
Hart 教授：金属空気電池の限界は何ですか。 一度オンにすると、オフにすることはできません。 反応を止めるには、電解液を抜くしかないのです。 そうすると、そのたびに電解液が少しづつ電池の金属面に残り、腐食していくんです。 しばらくして電解液を戻すと、また起動しなくなります。バッテリーが腐食し、表面にはこの副産物が詰まってしまうのです。
Tech Briefs: 9260>
Hart 教授: 自動車のようなものにこの電池を使用したいと思うでしょう。 しかし、このバッテリーは徐々に消耗していくため、多くのエネルギーを失うことになります。
人々はこの腐食プロセスを軽減するためにあらゆる種類の方法を検討しました。 アルミニウムや合金の表面について、よりよい化学的性質を研究してきました。 私たちは、非常にシンプルな方法を発見しました。 水で洗い流す代わりに、電解質を油で置き換えるだけです。
ハート教授：誰もが最初に抱いた反応は、次のようなものでした。 「冗談だろう？ オイルがすべてを塞いで破壊してしまうじゃないか “というものでした。 しかし、電解液の存在下では、アルミニウムは油よりも電解液と一緒に働くことを好むことが判明しました。 実は、オイルは汚さないんです。 オイルは電解液を置換して反応を停止させ、電解液を戻せばまたすぐに動き出すのです。 さらに良いことに、同じオイルで何度も洗浄でき、システムを汚染することがありません」
Tech Briefs: これは簡単に取り入れられる設計機能なのでしょうか。
Prof. Hart: 膜を設置するのは、実はとても簡単なことなのです。 実は、設置する前にカソード自体に組み込むことができるのです。 既存の電池技術に非常に簡単に手を加えることができるのです。 正極は表面積が大きいので、薄い膜で正極を保護するのです。 この膜は、正極材を長期にわたって保護することができます。 また、他のオイルほど安定していないオイルの使用も可能になります。
Tech Briefs: この新しい設計は、どのようなアプリケーションで使用されるのでしょうか。
Prof. Hart: 自動車のレンジエクステンダーは、確かに良いものです。 人々が電気自動車を買うのを怖がる理由の1つは、電力不足になるのが死ぬほど怖いということです。 そして、これは、次の充電システムに行くのに十分な電力がないという恐怖を乗り越えるためのバックアップ・システムとして、主に使用されるでしょう。
Hart 教授。 今、多くの人が家に小型の発電機を持っていますが、これは一酸化炭素を発生させるので、使うには非常に危険です。 アルミ空気電池は、発電機よりもはるかに安全な装置で、地下に置いておくとよいでしょう。 停電になったら、電源を入れればいいのです。 電気が復旧したら、電源を切ればいいのです。 また、アルミ空気電池は、病院での使用や、データ・サーバーのバックアップ電源システムには最適です。 金属空気電池は、たとえばリチウムイオン電池と比較して、現在実行可能な選択肢でしょうか。 確かに、Teslaはリチウムイオン電池を使用しています。 しかし、リチウムイオン電池にはリチウムが必要で、そのリチウムは世界の一部の国が所有しています。 9260>
最悪なのは、世界中のすべての自動車に必要な電池を作るには、コバルトの量が足りないということです。 コバルトに代わるものを見つけなければならないのです。 コバルトをニッケルに置き換えることができるだろうと言う専門家もいます。 9260>
アルミニウムは、あらゆる種類の輸送システムにとって素晴らしいエネルギー源です。 標準的なバッテリーが使用されるかもしれない航空機やその他の場所で使用されるのを私は見ることができます。 繰り返しになりますが、これは充電できません。
Tech Briefs: この研究に関して、あなたのチームは次に何をするのでしょうか。
Hart 教授: 商用電池メーカーのいずれかに採用されることを期待しています。 大きな可能性を秘めていると思いますし、ぜひ実用化されるのを見たいですね。 研究室での研究という点では、必要なことはほぼすべて示せたので、あとは実際のシステムに実装して、商業的な応用を実証する必要があると思います」
Tech Briefs: 結果はどのようなものだったのでしょうか。 電池の性能はいかがですか。
ハート教授 驚異的です。 Brandonは、バッテリーの寿命いっぱいまでオン・オフできることを示すことができましたが、以前のシステムとは異なり、ほとんどまったく劣化がありません。 つまり、病院のような場所で停電になったとき、これをオンにし、バッテリーのエネルギーを使い切らなかったら、バッテリーをオフにして、次回に使用することができます。 通常、停電が数分起こり、その後電源が回復することがあります。 その間に腐食が進み、高価な電池を使いきってしまうのです。 今は、自由に電源を入れたり切ったりすることができます。