80万kWhの電気を蓄えられる「スーパーバッテリー」が登場。どのように機能しますか?

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: ハンム・ディアオメン

プロデューサー: 中国科学博覧会

大連に「スーパーバッテリー」が建設された。プロジェクトの第1フェーズは現在、系統接続試運転の最終段階に入っており、10月中旬に正式に使用開始される予定です。現在、一度に40万kWhの電力を蓄電することができ、これは住民20万人が1日使用するのに十分な量です。プロジェクトが完了すると、4 時間以内に 80 万 kWh の電力を蓄えることができます。

この「スーパーバッテリー」は、多数のリチウム電池で構成されているわけではありません。これは別のタイプのバッテリー、全バナジウム液体フローバッテリー、略してバナジウムバッテリーです。今日は充電と放電の仕組みについてお話します。

バナジウムを理解するための3つの写真

バナジウムは、あまり知られていない元素ですが、周期表では、よく知られているチタン元素の隣の元素であり、鉄元素からもそれほど離れておらず、両者の間にはわずか 2 つの元素しかありません。

周期表におけるバナジウムの位置

（写真提供：Siriudie）

原子番号 23、元素記号 V のバナジウムは、硬く、銀灰色で、延性のある遷移金属です。

純度99.95%バナジウム角棒

(写真提供: eigene Aufnahme)

「灰色」の純粋なバナジウムは見た目がよくありませんが、さまざまな原子価状態のその溶液は非常に明るいです。

異なる原子価状態のバナジウム溶液

（写真提供：キム・ヒョン）

価数が鍵

バナジウムのさまざまな原子価状態について詳しく話さなければなりません。

化合物では、電子を失う側、つまり電子を放出する側は正電荷を持ち、電子を獲得する側は負電荷を持ちます。

たとえば、二酸化炭素 CO2 の場合、炭素は電子を 4 個失っているため、その価数状態は正四価となり、C4+ と表記されます。もう 1 つの例は、一酸化炭素 CO です。この時点では、炭素は電子を 2 個しか提供していないため、その価数状態は正の 2 であり、C2+ と表記されます。

価数状態について話す理由は、異なる価数状態のバナジウムイオン間の電位差が、それをバッテリーとして使用できる理由だからです。たとえば、正の二価バナジウムイオンと正の五価バナジウムイオン間の電位差は 1.259 ボルトです。一般的な5番電池の正極と負極の電位差は通常1.5Vまたは1.2Vしかありません。

電位差があるところに化学エネルギーが存在します。高さの違いがあるように、重力による位置エネルギーも存在します。

例えば、上部貯水池と下部貯水池の標高差は 1,259 メートルです。最初に頭に浮かぶことは何ですか?エネルギーは放出可能かつ貯蔵可能でなければなりません。これは揚水発電所です。

化学エネルギーと重力による位置エネルギーは名前が異なりますが、変換後のエネルギーは本質的に同じです。

したがって、2 つの溶液バレル間に電位差がある場合、2 つの溶液バレルは変換によってエネルギーを放出することができ、これがバッテリーを構成します。この時点で、2 つの溶液バレルはそれぞれバッテリーの正極と負極になります。

バナジウム電池はどのように放電するのでしょうか?

バナジウム電池の放電原理を理解するために、次のような図を想像してみてください。

垂直の崖の上に、溶液の入った 2 つの大きな樽が上下に吊るされており、一方には 5 価のバナジウムイオン溶液が、もう一方には 2 価のバナジウムイオン溶液が入っています。

（画像出典：著者自作）

崖の上に高さの差が 1259 メートルある 2 つのプールがあるのと同じように、三価と四価のバナジウムイオンが存在するため、五価のバナジウムイオン溶液と二価のバナジウムイオン溶液の間には 1.259 ボルトの電位差があることは容易にわかります。

五価バナジウムイオン溶液中のバナジウムイオンはすべて 5 つの電子を失っているため、より完全な状態になるために電子を獲得しようとする強い衝動を持っています。問題は、どこから電子をつかむかということです。弱い、つまり二価バナジウムイオン溶液から以下になります。

したがって、バナジウム電池の連続放電プロセスは、実際には、下にある二価バナジウムイオン溶液が継続的に電子を失い、三価バナジウムイオン溶液に変化するプロセスです。同時に、上記の5価バナジウムイオン溶液が継続的に電子を獲得し、4価バナジウムイオン溶液に変化するプロセスでもあります。

放電が終了すると、2つの状態は次のようになります。

（画像出典：著者自作）

この時点で、バネを使ってバナジウム電池を理解することもできます。完全に充電されたバナジウム電池は、完全に伸びたバネのようなものです。

（画像出典：著者自作）

放電を終えたバナジウム電池はバネのように元の状態に戻ります。

（画像出典：著者自作）

バナジウム電池はどのように充電しますか?バネを使ってバナジウム電池の放電過程をイメージすると、充電過程も理解しやすくなります。これは、外部エネルギーを使用して「バネ」を再び開くプロセスに似ています。

4 つの電子を失った四価のバナジウムイオンは、依然として痛みに耐えてもう 1 つの電子を失う可能性がありますが、支払うべき代償があり、この代償はエネルギー、つまり継続的な外部からの電気の入力です。

電界の作用により、4 価のバナジウムイオンは電子をもう 1 つ失い、5 価のバナジウムイオンになります。電荷は空気中から生成または破壊することはできないため、四価バナジウムイオンによって失われた電子は行く場所、つまりそれを運ぶ場所が必要であり、それが三価バナジウムイオン溶液です。三価のバナジウムイオンが電子を獲得し続けると、三価イオンから二価イオンに変化します。充電が完了すると、再び次のようになります。

（画像出典：著者自作）

上記はバナジウム電池の充電と放電の一般的な原理です。原理を説明しやすくするために、実際には非常に重要な詳細を説明で見落としていたことに注意してください。

電荷保存則を忘れてください!

前述のように、バナジウム電池の放電プロセスは次のとおりです。正極溶液では、5価のバナジウムイオンが継続的に電子補充を受け、徐々に4価のバナジウムイオンに変換されます。

しかし、考えてみてください。そのようなシナリオは可能でしょうか?ほぼ不可能です。これは、大きなバケツの溶液に電子を連続的に入力すると、バケツの溶液に大量の静電気が発生するためです。入力する電子が多くなるほど、静電気は強くなり、最終的には認識できないほど強くなります。

したがって、電荷保存の法則によれば、正極溶液が電気的に中性を維持しようとする場合、唯一の方法は、負に帯電した電子が得られるたびに、正電荷も同時にその家に流入し、正と負が互いに打ち消し合い、溶液が中性になることです。

この正電荷はどこから来るのでしょうか?それは負極溶液からのみ得られます。その理由は、放電プロセス中に、正極溶液は電子を獲得する側であり、負極溶液は電子を失う側だからです。すると、電荷保存の法則により、負極溶液は単純に電子を出力することはできず、そうしないと大量の静電気も帯びることになります。したがって、電子を出力すると同時に、同量の正電荷も出力する必要があります。

要約すると、バナジウム電池の放電プロセスは次のようになります。負極溶液は正極溶液に同時に等量の電子と正電荷を提供します。

充電プロセスは逆で、正極溶液は同時に負極溶液に等量の電子と正電荷を供給します。

ここで別の疑問が浮かびます。この正電荷とは何でしょうか?

それは実際には溶液中の水素イオン、つまり陽子です。水素には電子が 1 つしかなく、電子を 1 つ失うと、本質的には正電荷を持つ陽子になります。

そのため、実際の全バナジウム液体フロー電池では、正極溶液と負極溶液は実際には隣接していますが、プロトン交換膜によって分離されています。この陽子交換膜は陽子のみを行き来させ、他の物質は通過させません。

充電を例にとると、充電時には正極液中の四価のバナジウムイオンが電子を一つ失い、五価のバナジウムイオンになります。失われた電子は外部回路を通って負極溶液に入り、水素イオン（陽子）は陽子交換膜を通過して負極溶液に入ります。放電する場合は、プロセスが逆になります。

バナジウム電池の充電と放電の原理がわかったので、その利点にもっと興味を持つはずです。バナジウム電池について詳しく知るには、Science Popularization Chinaに注目してください。

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この記事は中国科学普及協会によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。