再生可能エネルギーをより安価にするベストツールとなる技術

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(This could be our best tool to make renewable energy cheaper)

2020/2/18 ノースイースタン大学

Abstract Image

・ ノースイースタン大学が、セルロースナノ結晶を使用した、(レドックス)フロー電池の分離膜を開発。
・ 2 槽のタンクの電解液中で選択的にイオンを交換することで電力を充放電するフロー電池は、タンクの大型化で電力貯蔵量も増量でき、太陽光や風力によるエネルギー貯蔵に適している。
・ しかし、このような電池の製造には複数の可動部をもつハードウェアを要し、タンクの分離膜が劣化すると電池の安定性やエネルギー貯蔵能力は低下。また、市販される Nafion 膜の価格は 1 ㎡当たり$1,321 と高価。これらは、大規模な電力系統でのレドックスフロー電池の普及を阻む要因となっている。
・ 今回開発したセルロースナノ結晶よる分離膜は、1 ㎡当たり$147.68 と安価(マーケティングに係るコストは含まず)。
・ 同材料による数種類の分離膜の試験の結果、市販の他の分離膜に比して優れた効率性と飛躍的に向上した電池寿命を提供することを確認。セルロース構造中の数千個のヒドロキシル基は、植物や樹木で水の輸送を促進するが、フロー電池では陽イオンの輸送を高速化させる。
・ また、同分離膜のもう一つの構成要素であるポリ(フッ化ビニリデン−ヘキサフロロプロピレン)が、正負に帯電した酸の混合を回避する。
・ これらは一般的な材料であるため、複雑な電力系統で必要となる大規模での準備が容易にできる。研究室で作製する高価な人工の材料とは異なり、セルロースは藻類や固体廃棄物、バクテリア等の天然の資源から抽出できる。
・ 本研究は、Rogers Cooperation およびその Innovation Center(@Northeastern’s Kostas Research Institute)が支援した。
URL: https://news.northeastern.edu/2020/02/18/this-nanomaterial-could-be-our-best-tool-tomake-renewable-energy-cheaper/

(関連情報)

Nano Letters 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Stable and Highly Ion-Selective Membrane Made from Cellulose Nanocrystals for Aqueous Redox Flow Batteries
URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03964#

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

The design of chemically stable ion-exchange membranes with high selectivity for applications in an aqueous redox flow battery (RFB) at high acid concentrations remains a significant challenge. Herein, this study designed a stable and highly ion-selective membrane by utilizing proton conductive cellulose nanocrystals (CNCs) incorporated in a semicrystalline hydrophobic poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) matrix. The high hydrophobicity of the PVDF-HFP matrix mitigates crossover of the electrolytes, whereas the abundant and low-cost CNCs derived from wood provide high proton conductivity. The fundamental contributors for CNCs’ excellent proton conductivity are the hydroxyl (−OH) functional groups, highly acidic sulfonate (−SO3H) functional groups, and the extensive intramolecular hydrogen bonding network. In addition, CNCs exhibit a mechanically and chemically stable structure in the harsh acidic electrolyte attributed to the high crystallinity (crystalline index of ∼86%). Therefore, because of the high proton conductivity, excellent ion selectivity, high chemical stability, and structural robustness, the vanadium redox flow battery (VRFB) assembled with the homogeneous CNCs and PVDF-HFP (CNC/PVDF-HFP) membrane achieved a Coulombic efficiency (CE) of 98.2%, energy efficiency (EE) of 88.2%, and a stable cycling performance for more than 650 cycles at a current density of 100 mA cm–2. The obtained membrane possesses excellent flexibility, high mechanical tensile strength, and superior selectivity. Meanwhile, the applied casting method is scalable for large-scale manufacturing.