効率的なエネルギー貯蔵のための5つの画期的な材料
概要
エネルギーを貯蔵する方法を変える5つの画期的な素材を紹介。各素材の利点と欠点を、化学と工学の専門家の解説付きでわかりやすく説明します。
グラフェン
グラフェンは炭素の一種で、非常に薄い単一原子層と高い導電性で知られている。グラフェンは、バッテリーやキャパシターの性能を向上させることができるため、エネルギー貯蔵材料として有望視されている。電気伝導性が高いため、電荷を高速で移動させることができ、その結果、放電と充電を高速化することができる。また、グラフェンは非常に強靭で柔軟性があるため、耐久性と軽量性を兼ね備えたエネルギー貯蔵デバイスの製造にも利用できる。 研究の結果、エネルギー貯蔵デバイスにグラフェンを含めることで、より過酷な条件下でも動作する、より寿命の長いデバイスを製造できることが明らかになりつつある。
リチウム硫黄電池
リチウム硫黄（Li-S）電池は、従来のリチウムイオン・アーキテクチャに対抗する強力な候補となっている。この盛り上がりの理由は、より多くのエネルギーを保持し、軽量化できる可能性があるからだ。Li-S電池の重要な特徴のひとつは、正極の材料として硫黄を使用することであり、硫黄は安価で豊富である。このような利点がある一方で、リチウム硫黄電池には、不要な副生成物が生成され、時間の経過とともに性能が低下しやすいという欠点もある。 科学者たちは、これらの電池の化学的性質と設計を改善することで、これらの障害を克服しようとしている。Li-S電池が完成すれば、モバイル機器から電気自動車まで、あらゆるものに効率よく電力を供給できるようになるだろう。
固体電解質
固体電解質は、従来の電池に見られる液体電解質に取って代わり、エネルギー貯蔵に革命をもたらすだろう。固体材料を使用することで、液漏れや火災のリスクが大幅に減少するため、バッテリーはより安全になる。また、固体電池は寿命が長く、エネルギー密度が向上する。固体電解質の課題は、液体中と同じようにイオンが移動しやすい材料を見つけることである。研究者たちは、最も実用的なものを決定するために、いくつかのセラミックやポリマーを探求している。材料が改良され続ければ、固体電解質は、より安全で信頼性が高く、安価なエネルギー貯蔵を可能にするだろう。
相変化材料
相変化材料（PCM）は、エネルギー貯蔵のもうひとつの新しい技術である。PCMは、融解・凍結現象を利用して、熱の形でエネルギーを貯蔵する。PCMは溶けるときに多くのエネルギーを取り込み、凍るときにエネルギーを戻す。このため、建物の熱制御や電子温度制御などの用途に非常に適している。PCMの利点のひとつは、幅広い温度範囲で作動し、複雑なシステムなしにエネルギーを貯蔵できることである。PCMを日常的なエネルギー・システムに組み込むには、温度の相変化を制御された方法で確実に起こせるよう、注意深く設計する必要がある。
金属空気電池
金属空気電池は、エネルギー貯蔵における最も現実的な開発のひとつである。金属空気電池は、陽極に亜鉛やアルミニウムなどの金属を使用することで、高いエネルギー密度を実現することができる。酸素は豊富な資源であるため、これらの電池はコスト効率が高いだけでなく、環境にも優しい。このような利点があるにもかかわらず、金属-空気電池は、反応中の副生成物の生成や、何サイクルも安定した性能を維持する方法などの困難のために、まだ研究段階にある。しかし技術者たちは、現在進行中の研究がそう遠くない将来、実用的で高性能な金属空気電池につながると楽観視している。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
よくある質問
F：なぜグラフェンはエネルギー貯蔵に適した材料なのですか？
Q: グラフェンは、導電性、強度、柔軟性があり、より高速な充電と、より弾力性のあるエネルギー貯蔵デバイスにつながる可能性があります。
F: 固体電解質の何が電池の安全性を高めているのですか？
Q: 可燃性液体の代わりに固体材料を使用することで、液漏れのリスクを排除し、火災のリスクを低減します。
F: なぜ金属空気電池の方が環境に優しいのですか？
Q: 金属空気電池は、反応剤として空気中の酸素を使用するため、有毒物質や重い物質を使用する必要がなく、環境への影響を低減できる可能性があります。
