充放電時間が 6 時間を超えるフロー電池は、どのようにして長期のエネルギー貯蔵を実現できるのでしょうか?

□ 趙家良

最近、四川省経済情報化部と他の6つの部門が共同で「バナジウム電池エネルギー貯蔵産業の高品質な発展を促進するための実施計画」を発行しました。この計画は、国内のバナジウム電池産業に対する初の特別政策であり、四川省がバナジウム資源が豊富な省からバナジウム電池が豊富な省へと進む重要な一歩となる。

バナジウム（化学記号はV）電池、正式名称は全バナジウム液体フロー電池で、主にバナジウムイオンの原子価変化を利用して電気エネルギーの蓄積と放出を実現します。動作原理の観点から見ると、バナジウム電池とリチウムイオン電池の最大の違いは、導電性イオンが主に異なる価数のバナジウムイオンであることです。充電中、正極の V4+ は電子を失って V5+ になり、負極の V3+ は電子を獲得して V2+ になります。放電中はその逆になります。構造的には、電解液が電池内部に内蔵されているリチウム電池とは異なり、バナジウム電池は正極と負極の両側に電解液貯蔵タンクを備えており、循環ポンプによって電池内部に送られ反応が行われます。

実際、全バナジウム液体フロー電池は、液体フロー電池ファミリーの代表例にすぎません。製品分類の観点から見ると、液体フロー電池は、全バナジウム、亜鉛鉄、亜鉛臭素、鉄クロムなど、さまざまな電解質システムに応じて20を超える技術ルートに分類できます。それらの核心は、さまざまな電解質イオンの相互変換を通じて電気エネルギーの貯蔵と放出を実現することです。

リン酸鉄リチウムなどの新しい電池と比較して、フロー電池の電極反応プロセスは相変化を伴わず、深く充放電でき、大電流の充放電に耐えることができます。他の電気化学的エネルギー貯蔵技術と比較して、フロー電池には 3 つの最も顕著な特徴があります。第 1 に、自己放電が非常に少なく、数日または数週間貯蔵しても電力が減衰しないため、長期間のエネルギー貯蔵が可能になります。第二に、サイクル寿命が特に長く、最低でも 10,000 回に達し、一部の技術ルートでは 20,000 回以上に達することもあります。総耐用年数は20年以上になります。さらに重要なのは、バナジウム電池は電解液が電池パック全体に充填されているため、「瞬間充電」を実現でき、動作中に充電状態と放電状態を切り替えるのにわずか 0.02 秒しかかからず、応答速度はわずか 1 ミリ秒です。

我が国は早くからバナジウム電池の研究を開始し、現在は大規模な商業実証運用と市場開拓の段階に入っています。 1980 年代後半、北京大学と中国地質大学は、全バナジウム液体フロー電池の実験モデルを確立しました。 1995 年、中国工程物理院は 1 キロワットのバナジウム電池スタックのプロトタイプを開発しました。それ以来、より多くの研究機関がバナジウム電池の研究開発と商業化の推進に取り組むようになりました。 2022年10月31日、遼寧省大連市に世界最大の全バナジウム液体フロー電池エネルギー貯蔵発電所が完成し、送電網に接続されました。液体フロー電池は、長期エネルギー貯蔵の「予備軍」から徐々に前面に出てきています。

現在、エネルギー貯蔵市場ではリチウムイオン電池と揚水発電が明らかに優位を占めています。しかし、クリーンエネルギーの規模が拡大し続けるにつれて、理想的な低炭素電力システムには、多様化された長期エネルギー貯蔵ソリューションも必要になります。そのため、長期エネルギー貯蔵、つまり6時間以上の充放電時間を持つ技術がますます注目されています。

全バナジウム液体フロー電池は大きな期待が寄せられていますが、まだ解決すべき 2 つの重要な課題があります。1 つは技術的な難しさ、もう 1 つはエネルギー密度の低さです。フロー電池を構成する重要な部品のうち、化学反応の場となるバイポーラプレートやイオン交換膜などは、現在も輸入に頼っており、国内生産は難しい。電解液タンクのサイズが大きいため、フロー電池システムのエネルギー密度はリチウムイオン電池のエネルギー貯蔵量のわずか 1/10 です。第二に、液体フロー電池の初期投資コストは高く、通常はリチウム電池の2～3倍で、そのうち反応スタックと電解質が70％以上を占めます。ただし、使用時間が長くなるにつれて、ライフサイクル全体のコストの優位性が徐々に明らかになります。

独立した知的財産権を持つ技術的なルートを模索する中で、中国科学院の院士である趙天寿氏が率いるチームは多くの試みを行ってきた。基礎理論、主要材料、デバイスの革新により、フロー電池の性能が大幅に向上し、電流密度が主流の3倍以上に増加し、電解質利用率が80％に向上し、大きな減衰なしに2万回のサイクルが可能になりました。新型フロー電池の性能向上により、フロー電池エネルギー貯蔵発電所の初期投資コストが25％以上削減され、フロー電池のライフサイクルコストが商業化可能なレベルまで削減されると期待されています。

技術革新により、電池スタックなどのコストは引き続き低下し、電解液はほぼ完全にリサイクル可能となり、規模拡大後のバナジウム電力のコスト削減の余地は大きく残されています。バナジウム電力貯蔵は、安全性を重視した中規模・大規模エネルギー貯蔵の分野で大きな可能性を秘めています。

（著者はEnvision Technology Groupのエンジニアです）