ポリサルファイド臭化物電池

ポリサルファイド-臭素電池（PSB、ポリサルファイド-ポリブロマイド、または「臭素-硫黄」とも呼ばれる）は、臭化ナトリウムとポリサルファイドナトリウムという2種類の塩の水溶液などの液体に電気エネルギーを蓄える充電式電池の一種です。これは、酸化還元（酸化還元）フロー電池の一種です。

2002年、英国のリトル・バーフォード発電所に12MWeの試作型電力貯蔵施設が建設されました[ 1 ]。この施設はポリサルファイド・ブロマイドフロー電池を採用していました。この施設は完成しましたが、技術のスケールアップに関する技術的問題のため、本格的な稼働には至りませんでした[ 2 ] 。米国ミシシッピ州コロンバスにある テネシー川流域開発公社（TVA）の施設にも同様の実証プラントが設置されていましたが、完成には至りませんでした。

化学

2種類の異なる塩溶液電解質が2つの別々のタンクに収容されています。エネルギーが必要な場合、Na 2 S 2（二硫化ナトリウム）溶液が陽極に、NaBr 3（三臭化ナトリウム）溶液が陰極にポンプで送られます。陽極と陰極、そしてそれぞれの塩溶液は、イオン交換膜によって分離されています。

負極では、陽極反応は次のようになります。

2 北1つの2S2→北1つの2S4+2 北1つの++2 e−{\displaystyle 2\ \mathrm {Na_{2}S_{2}} \rightarrow \mathrm {Na_{2}S_{4}} +2\ \mathrm {Na^{+}} +2\ \mathrm {e} ^{-}}

正極では、カソード反応は次のようになります。

北1つのBr3+2 北1つの++2 e−→3 北1つのBr{\displaystyle \mathrm {NaBr_{3}} +2\ \mathrm {Na^{+}} +2\ \mathrm {e} ^{-}\rightarrow 3\ \mathrm {NaBr} }

システムからエネルギーが引き出されると、二硫化ナトリウムは多硫化ナトリウムに、三臭化ナトリウムは臭化ナトリウムになります。この反応は、電極に電流を流すことで逆転し、システム内の化学塩が再充電されます。このシステムは、電極が反応によって消費されず、反応のための表面としてのみ機能するため、燃料電池と定義されることがあります。しかし、液体は消費される燃料ではなく、プロセスによって変化する塩溶液電解質です。

歴史

ポリサルファイドと臭素の酸化還元対をフロー電池や静電電池に使用できる可能性は以前から言及されていたが、1981年に初めて充電式ポリサルファイド-ポリ臭化物電池（SBB）を実証（特許を申請）したのは、ガス技術研究所（シカゴ）のロバート・レミックとピーター・アングであった。[ 3 ]彼らは詳細な研究を行うためにエネルギー省の助成金を獲得し、MoS2が負極反応に好ましい（しかし理想的ではない）電気触媒であることを明らかにした。[ 4 ]

1987年、スチュアート・リヒトは、ワイツマン科学研究所（イスラエル、レホヴォト）とMIT（マサチューセッツ州、ケンブリッジ）に在籍中に、硫化カリウムの並外れた水溶性（例えば、K 2 SとK 2 S 4溶液の水：塩のモル比は3：1）を実証し、後に硫黄/ポリ硫化物-アルミニウム電池でこれを実証した。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]それにもかかわらず、おそらくKBr（20℃で5.49モル）と比較してNaBr（20℃で8.82モル）の溶解度の方が高かったため、ポリ硫化物-ポリ臭化物RFB開発者の間ではナトリウム化学が主流のままであった。

1992年、ナショナル パワー PLC（英国電力市場の民営化の結果1990年に設立）は、ガス技術研究所からレミックとアングによるオリジナルの米国特許を取得し、[ 3 ]ポリサルファイド-ポリ臭化物RFBの分野で研究開発プログラムを開始しました。ナショナル パワーでの最初の仕事は、Zn-Br2 RFBの研究でよく知られていたラルフ ジト [ 8 ] によって行われました。 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 1990年代の英国電力市場再編の過程で、ナショナル パワーの特許はイノジー テクノロジー ベンチャーズ社に譲渡され、同社は2002年にドイツの多目的公益事業会社RWEグループの子会社となりました。 Regenesys Technologies Limitedは、RWE-Innogyからスピンオフし、Regenesys®バッテリーとしてブランド化されたポリサルファイド-ポリ臭化物RFBの迅速な実証と商業化を任務としました。2001年までに、Regenesysは70人以上の従業員を雇用し、5kWおよび10kWのスタックを実証しました。

2001年、英国貿易産業省は、イングランド中部のリトル・バーフォードにある既存のガスピーク発電所と計画中の風力発電用地に隣接する場所に100kWのRegenesys®バッテリーを建設するための総費用200万ポンドのうち約50%（RWE-Innogyからの費用分担を含む）を負担した。 [ 12 ]同様の発電所が、米国ミシシッピ州コロンバスでも検討された。 [ 13 ] [ 14 ]テネシー川流域開発公社の取り組みの一環として。しかし、10kWから100kWのスタックへの拡張は予想以上に困難であることが判明した。いくつかの技術的課題に対処した後、RWEは2003年にRegenesys®技術を断念することを決定した。1990年から2004年までのポリサルファイド-ポリ臭化物RFBの開発費用は1億4000万ポンドを超えた。[ 15 ]

ポリサルファイド-ポリ臭化物電池の実現可能性を探る研究者もいた。2002年頃、大連化学物理研究所（中国）は独自のSBBプログラムを立ち上げた。2004年から2006年にかけて、同研究所は40 mA/cm 2で動作する1 kWシステムの実証実験を行い、サイクルエネルギー効率は主に新電極材料の開発により67%から82%に向上したと報告した。[ 16 ] [ 17 ]しかしながら、長期サイクル使用中に多孔質負極に硫黄が析出するなどの技術的課題や、バナジウム系レドックスフロー電池の成功により、SBBの商業化は限定的となっている。

近年、Li +およびNa +導電性セラミックセパレータを用いたSBBが実証されている。これらのセルは100サイクル以上にわたって顕著な劣化なく良好なサイクル寿命を示したが、セパレータの高い抵抗のために低電流密度で動作した。[ 18 ] [ 19 ]

参照

参考文献

  1. ^ Price, A.; Bartley, S.; Cooley, G.; Male, S. (1999). 「ユーティリティ規模のエネルギー貯蔵への斬新なアプローチ」. Power Engineering Journal . 13 (3): 122– 129. doi : 10.1049/pe:19990304 (2025年7月12日非アクティブ).{{cite journal}}: CS1 maint: DOIは2025年7月時点で非アクティブです（リンク）
  2. ^ 「英国における電気エネルギー貯蔵技術とシステム、およびその可能性に関するレビュー」（PDF） 24ページ。2010年9月19日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2012年11月24日閲覧。
  3. ^ a b米国特許US4304799A、ロバート・レミック、ピーター・G・アン、ピーター・G・アン、「電気的に充電可能なアニオン活性還元酸化電気貯蔵供給システム」、1981年12月8日公開 
  4. ^レミック、ロバート；カマラ、エミリオ (1983-07-01). 硫化物／多硫化物カップルの電気化学（報告書）. ガス技術研究所.
  5. ^リヒト、スチュアート (1987-09-01). 「多硫化カリウムの高い水溶性を利用した電気化学ストレージのための高エネルギー媒体」 .電気化学協会誌. 134 (9): 2137– 2141. doi : 10.1149/1.2100838 .
  6. ^米国特許 US5413881A、Stuart Licht; Dharmasena Peramunage & Dharmasena Peramunage、「アルミニウムと硫黄の電気化学電池と電池」、1995-05-09 発行 
  7. ^ Peramunage, Dharmasena; Licht, Stuart (1993-08-20). 「水性電池用固体硫黄正極」 . Science . 261 (5124): 1029– 1032. doi : 10.1126/science.261.5124.1029 . PMID 17739624 . 
  8. ^米国特許US5256606A、ラルフ・ジト、「pH制御を備えた電気化学的エネルギー貯蔵および/または電力供給セル」、1993年10月26日公開 
  9. ^米国特許US3279998A、ラルフ・ジト・ジュニア、「臭素正極活物質を有する蓄電池」、1966年10月18日公開 
  10. ^米国特許US3355340A、ラルフ・ジトー・ジュニア、「亜鉛臭素二次電池」、1967年11月28日公開 
  11. ^米国特許US4388331A、ラルフ・ジトー、「長期安定性を備えた亜鉛臭素電池」、1983年6月14日公開 
  12. ^ Regenesysユーティリティスケールエネルギー貯蔵：レポート（レポート）。エネルギー貯蔵協会。2004年。
  13. ^ 「ミシシッピ州コロンバスにあるTVAのRegenesys工場の完成に向けた提案を募集」 。 2023年10月24日閲覧。
  14. ^ Grant, I. (2002). 「TVAのRegenesysエネルギー貯蔵プロジェクト」. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting . 第1巻. pp.  321– 323. doi : 10.1109/PESS.2002.1043242 .
  15. ^ 「RWE、Regenesysプロジェクトを断念」ガーディアン紙、2004年1月22日。
  16. ^ Zhao, Ping; Zhou, Huamin; Yi, Baolian (2006). 「ニッケルフォームおよびカーボンフェルトの多硫化ナトリウム／臭素レドックスフロー電池電極への応用」Electrochimica Acta . 51 (6): 1091– 1098. doi : 10.1016/j.electacta.2005.06.008 .
  17. ^周 華敏; 趙 平; 易 宝連 (2006). 「ポリ硫化ナトリウム/臭素レドックスフロー電池の高性能負極としての新しいコバルト被覆カーボンフェルト」 .電気化学. 74 (4): 296– 299. doi : 10.5796/electrochemistry.74.296 .
  18. ^ Wang, LN; Liu, XF; Liu, JY; Yang, H.; Fu, CM; Xia, YY; Liu, TX (2018). 「持続可能なエネルギー貯蔵のための充電式金属フリー完全液体硫黄臭素電池」. Journal of Materials Chemistry A . 6 (42): 20737– 20744. doi : 10.1039/C8TA07951J .
  19. ^ Gross, MM; Manthiram, A. (2019). 「メディエーターイオン固体電解質を用いた長寿命ポリサルファイド-ポリハライド電池」. ACS Applied Energy Materials . 2 (5): 3445– 3451. doi : 10.1021/acsaem.9b00253 .
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