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レドックスフロー電池を安価・大容量化できる新技術 大規模蓄電設備に応用可

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レドックスフロー電池を安価・大容量化できる新技術 大規模蓄電設備に応用可

回開発したレドックスフローキャパシタの模式図

東北大学は15日、安価で大容量なレドックスフローキャパシタを開発したと発表した。

同大学は安価で低環境負荷な有機材料のレドックス反応容量を利用し、大規模蓄電設備向けに開発されてきたフローキャパシタのエネルギー密度の倍増(約2.5倍)に成功した。この研究成果は、スマートグリッド用大規模蓄電システムへの産業応用が期待される。

これまでは容量が小さかった

出力変動の大きい再生可能エネルギーの普及に伴い、電力グリッド安定化のための大規模蓄電システムが注目されている。この大規模蓄電システムには、単位電力あたりの蓄電デバイスコストの低減・長寿命性・安全性が求められる。これらの要求に応えるデバイスとして、近年、水系電解液中に活性炭を分散して作製したスラリーをフローさせながら充放電を行う「フローキャパシタ」がある。このフローキャパシタは、水系電気二重層キャパシタをベースとし、低コストで作製でき、かつ高入出力特性、長寿命性・安全性にも極めて優れるが、スラリーの容量が小さいことが実用化に向けた課題となっていた。

今回の研究では、高速な充放電ができる有機材料であるキノン化合物を、活性炭のナノサイズ空間内に埋め込むことで、キノン化合物のレドックス反応容量の付与によるスラリーの充放電エネルギー密度倍増に成功した。

今回使用された有機分子は、ジクロロアントラキノンとテトラクロロヒドロキノンと呼ばれる物質で、水素、炭素、酸素、塩素の4つの軽元素のみで構成されているため、本質的に環境負荷が小さく、安価に作製することが可能だ。これらの有機分子には導電性が無く、さらに、若干ながら電解液に溶け出してしまうため、これまで電極材料には不向きだとされてきたが、導電性を持つ炭素材料内部のナノサイズ空間にこれらの有機分子を埋め込むことで、安定な充放電反応が可能となる。

この材料設計では、従来型スラリーの流動性と高入出力特性は全く損なわれず、むしろ、スラリーの流動性は向上し、充放電エネルギー密度は、従来の約8Wh/kgと比較し、約2.5倍の20Wh/kg程度まで向上した。この有機分子埋め込みによるエネルギー密度の向上効果は、1000W/kg以上の急速充放電時においても維持される。なお、充放電操作とスラリーのフロー操作を組み合わせた動作試験も実施されており、今回開発したスラリーがフローキャパシタデバイス内において有効に機能することも確認されている。

安価かつ天然資源からの合成が可能なキノン化合物を利用して得られたこの開発成果は、大容量と高入出力特性の両立が必要となる大規模蓄電システムに適したものであり、将来的な産業展開が期待される。


同研究開発を行ったのは、同大学の多元物質科学研究所の笘居高明講師、斎藤颯博士前期課程学生(環境科学研究科)、本間格教授ら。なお、この成果は、英国時間の2016年12月12日に、英国化学会が刊行する材料化学専門誌「Journal of Materials Chemistry A」オンライン版に公開された。

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