エネルギー貯蔵を担うバッテリ

バッテリはエネルギーを貯蔵し、必要に応じて放出する装置です。日常的に使用されるバッテリが化学エネルギーの直接変換によって電気エネルギーを生成するのに対して、エネルギー貯蔵の概念をよく表しているのは、ナント・ド・ドランスの揚水式「水電池」です。 スイスアルプスの高地に位置し、電気自動車のバッテリ40万個分以上の蓄電容量を誇ります。

この水電池は、水力発電機と上下2つの貯水池からなります。ピーク時には、標高の高い貯水池から水を放出して発電します。エネルギーが過剰に生産されると、水は汲み上げられ、後の利用のために貯蔵されます。

水電池は興味深いモデルですが、現代生活の大部分で電力供給のために使用されている一般的な携帯型バッテリとは異なります。従来型のバッテリは、電流を発生させる電気化学セルまたは一連のセルです。

二酸化炭素排出量の削減を目指す産業界にとって、バッテリほど重要な技術はありません。これらは、電気自動車に電力を供給し、太陽光パネルや風力タービンからの電気を蓄え、電力網を安定させます。蓄電と電力の安定化という後者2つのアプリケーションにおいて、再生可能エネルギー源を経済的に拡大するためにはバッテリが不可欠です。

採掘、廃棄、および製造ライフサイクル全体を含めたバッテリ特有の環境への影響を考えると、徹底的な分析が必要となります。これにより、エネルギー転換による環境に対する一連の問題が、有害な別の問題に置き換わることがなくなります。

セルバッテリは、主に3つのタイプ（一次、二次、三次）に分類され、これらのタイプにさまざまなセル構造があります。この分類の中で異なる金属と電解質を使用することで、さまざまな用途に適した特性が得られます。

シングルユース（使い捨て）バッテリとして知られる一次電池は、再充電ができないため、使用後は廃棄する必要があります。懐中電灯などの携帯機器や大型電子機器によく使われます。たとえば、乾電池、アルカリ電池、亜鉛炭素電池、リチウム一次電池などがあります。

アルカリ電池は、シングルユースバッテリの中で最も一般的なタイプです。最も経済的なカテゴリであるこの非充電式バッテリは、寿命中は一定の放電率を維持し、信頼性の高い性能を発揮します。しかし、アルカリ電池は便利な反面、使い捨てという性質上、環境に配慮したものではありません。

充電式バッテリは二次電池とも呼ばれ、何度も充電して再利用できます。使い捨て用に設計された一次電池とは異なり、外部電位を利用して放電化学反応を逆転させるため、複数回の使用が可能です。これらのセルには、鉛酸、ニッケルカドミウム（Ni-Cd）、ニッケル水素（Ni-MH）、リチウムイオン（Li-ion）など、さまざまな化学的形態があります。充電式バッテリは一般的に一次電池より高価で、火災や爆発を引き起こす可能性があることから、過熱を防ぐための適切な取り扱いが必要なものもあります。

三次電池は極めてまれなタイプのバッテリです。一次電池や二次電池とは異なり、セルは作動直前まで他のコンポーネントから絶縁されています。電解質は、最も頻繁に絶縁されるコンポーネントです。

予備バッテリは、自己放電の可能性を効果的に排除し、化学的劣化を最小限に抑えています。予備バッテリのほとんどはサーマルタイプで、軍事用途に使用されています。

この記事の最後では、最も一般的なタイプである充電式リチウムイオン（Li-ion）バッテリについて重点的に説明します。

リチウムイオンバッテリは、長寿命、高エネルギー密度、理想的な電圧特性を備えているため、幅広い用途に適したタイプです。これには、小型補聴器、携帯電話、コンピュータ、電動自転車、電気自動車、さらには電力網規模の大規模なエネルギー貯蔵があります。

リチウムイオンバッテリでは通常、陽極（負極）と陰極（正極）で異なる材料が使用されます。金属、半導体、グラファイト、導電性ポリマーなど、あらゆる導電性材料を電極として使用できます。

正極の材料は、リチウムイオンセルの性能、サイクル、寿命に大きな影響を及ぼします。電解質によりプラスに帯電したリチウムイオンが負極と正極の間で運ばれ、セパレータがバッテリ内の電子の流れを遮断してリチウムイオンを通過させます。

マイナスに帯電した陽極では酸化反応が起こり、電子が放出され、回路の外部に向かって移動します。ほとんどのリチウムイオンバッテリは、地中から採掘される天然グラファイトと石油コークスを加熱して得られる合成グラファイトの混合物を陽極材料として使用しています。このようにして形成された混合物は層状構造となっており、充電時にはリチウムイオンが層内に入り、放電時には層外に出ます。

陰極は、セルの正極であり、還元反応が起こります。リチウムイオンバッテリの陰極には、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケルマンガンコバルト酸リチウムなど、さまざまな材料が使用されます。これらの材料は、充電および放電サイクル中に、その結晶構造にリチウムイオンを可逆的に受け入れたり、放出したりすることができます。

リチウムイオンバッテリの製造者は、極めて純度の高い高品質の鉱物を入手する必要があります。したがって、リチウムイオンバッテリの製造コストの半分以上は陰極と陽極にかかります。陰極、セパレータ、陽極、集電体を組み立てるには、各層の配置やラッピングなど、正確な組立工程も必要です。

リチウムイオンバッテリは約30年前に登場し、それから飛躍的な成長を遂げてきました。

一方、鉛酸、ニッケルカドミウム（Ni-Cd）、ニッケル水素（Ni-MH）など、他の充電式バッテリの化学的構造は100年以上前から存在します。次のセクションでは、それぞれのメリットとデメリットについて述べます。

鉛酸バッテリは1800年代後半に登場し、現在でも広く使用されています。このバッテリはコスト効率が高く、リサイクル可能で、メンテナンスのために複雑なバッテリ管理システムを必要としません。ただし、他のタイプに比べてエネルギーが小さく、サイクル数も限られています。鉛酸バッテリは、車椅子、ゴルフカート、非常灯、内燃機関を搭載した自動車の電源として使用されます。有毒成分である鉛を含むため、耐用年数の経過後は専門業者による処分が必要です。

Ni-Cdバッテリは、水酸化ニッケル、金属カドミウム電極、アルカリ性水酸化カリウム電解質で構成されています。その主な利点の1つは急速充電が可能なことですが、それに伴う欠点は自己放電率が高いことです。さらに、カドミウムは鉛と同様に有毒です。

Ni-MHバッテリは、体積あたりの電荷密度が30%増加し、自己放電が大幅に遅くなるなど、Ni-Cdバッテリに比べて段階的に改善されています。しかし、充電に時間がかかり、特に充電を繰り返すと容量が劣化しやすくなります。

他の二次電池の化学的構造と比べ、リチウムイオン電池は最新の充電式バッテリとして開発されました。前述の3つのタイプと比較し、高いエネルギー密度と出力密度の両方において優れ、重量対エネルギー比も優れています。ただし、リチウムイオンバッテリは非常に可燃性が高いため、保護回路を設け、慎重に取り扱う必要があります。

近い将来、新世代の先進的なリチウムイオンバッテリが登場することが予想されます。たとえば、リチウム硫黄バッテリでは、リチウム陽極が消耗して、硫黄がさまざまな化合物に変換されます。固体電池にも可能性がありますが、この技術はまだ研究室から商業的に実現可能な段階に移行していません。

エネルギーの大転換期にあって、バッテリの未来は私たち全員に影響を及ぼします。これには、使用される材料、金属の供給源や採掘場所、これらの鉱物の廃棄方法、あるいは理想的な再利用方法などが含まれます。サステナブルなバッテリの開発では、原材料の重要性を考慮し、鉱物の調達、廃棄、再利用について十分に検討する必要があります。