風力や太陽光といった再生可能エネルギーを活用することは、グリーン・トランジションにとって不可欠である。しかし、こうした再生可能エネルギーは間欠的であり、予測が難しい。風がいつ吹き、太陽がいつ照るかを制御することは不可能である。
現在、私たちはやかんの湯を沸かすのに天候に頼る必要はない。それは主に化石燃料のおかげである。この有限で汚染をもたらすエネルギー源への依存を断ち切るためには、大量の再生可能エネルギーを安価かつ安全に蓄える必要があるが、残念ながら、そのすべての条件を満たす技術はまだ存在しない。
リチウムイオン電池は、私たちのスマートフォンやノートパソコン、電気自動車に使用されている。しかし、リチウムイオン技術は、リチウムやコバルトといった高価で地理的に偏在する材料に依存している。
コバルト採掘は、危険かつ汚染をもたらすプロセスとなり得る。リチウムイオンを含む有機電解液(電池内部の正極と負極の間にある液体化学物質)は可燃性である。火災の危険性があるため、家庭や都市、産業に電力を供給できる規模でこうした電池を展開することはリスクが高い。
しかし、代替となる解決策がある。フロー電池である。
フロー電池では、エネルギーは大型の外部タンクに保管された液体電解液に蓄えられる。充電や放電を行うには、電解液をセルスタックに通して汲み上げ、そこで電気化学反応が電子を発生させたり消費させたりする。この仕組みにはいくつかの利点がある。
ほとんどの電池において、エネルギーと出力という2つの特性は本質的に結びついている。エネルギーとは、電池に実際に蓄えられている電力量を指し、それによってどれだけの時間、一定の速度で電力供給を続けられるかが決まる。出力とは、エネルギーが供給される速度であり、一定時間内にどれだけの電力を供給できるかを示す。
通常、一方を変えずにもう一方だけを変えることは不可能である。より多くを蓄えるためにセルを追加すると、必要としない出力までも増えてしまい(そして望まないコストもかかる)。
しかし、フロー電池ではそうではない。より多くのエネルギーを蓄えたい場合は、単により大きなタンクでより多くの液体を使えばよい。より大きな出力が必要な場合は、単により大きなセルスタックを使えばよい。出力とエネルギーを独立して制御できるこの特性により、この技術は大規模化においてより低コストとなる。さらに、リチウムイオン電池とは異なり、フロー電池は(その大部分が水であるため)発火することがなく、非常に耐久性が高い。フロー電池の中には、20年以上にわたり稼働しているものもある。
大規模なフロー電池システムはすでにいくつか導入されている。中国では、送電網に接続される最大規模のシステムがギガワット時規模に達している(これは10万世帯に丸1日分の電力を供給できる規模に相当する)。スイスでは、AIデータセンターに電力を供給するため、2.1ギガワット時という世界最大のフロー電池(20万世帯以上に丸1日分の電力を供給できる規模に相当する)となる予定の施設が建設中である。とはいえ、フロー電池はいまだ発展途上の技術であり、解決すべき課題も多く残されている。
試験セル
世界各地で、私たちのような研究者たちが、フロー電池システムのコストを削減し、より広範な普及を促進するため、新たな電解液の化学組成や材料の開発を進めている。しかし、フロー電池研究を始めることは、決して容易ではない。試験セルはしばしば数千ポンドの費用がかかり、新しいセルの試験には多くの付帯機器が必要となる。
私たちの研究を通じて、私たちは低コストの3Dプリント試験セルを開発した。これによりフロー電池研究は大幅に容易になり、私たちの研究グループは数十個ものこうしたセルを試験できるようになった。しかし、私たちのチームは再現性のある試験結果を得るのに苦労した。Queen's University Belfastの私たち自身の研究室において、他のグループによる過去のフロー電池研究の結果を再現することも困難であった。この問題により、私たちは試験プロトコルのあらゆる側面を精査することとなり、数か月にわたる苦悩の時期を過ごした。
実際のところ、苦労していたのは私たちの研究グループだけではなかった。2024年初頭のある学会で、私たちはMassachusetts Institute of Technology(米国)の化学工学教授であるFikile Brushett氏の講演を聞いた。同氏は、この分野におけるプロトコルの欠如について説明した。それ以来、私たちは共同で一連の研究を主導し、報告された科学的研究のデータを確実に再現するにはどうすればよいか、その課題の調査と解決に取り組んできた。
2026年4月に発表されたある研究では、私たちは低コストの3Dプリント試験セルを世界各地の主要な研究グループ数か所に送付した。同一の電池を名目上は同じ条件で試験しているにもかかわらず、グループ間の性能のばらつきの大きさに、私たちは驚かされた。それ以来、私たちはこのばらつきの潜在的な原因をいくつか特定し、試験プロトコルの改善案を提示してきた。
私たちの最新の研究には、30を超える研究グループが私たちの試験セルの評価に参加している。私たちの試験データは現在、オンラインで一般公開されている。私たちはこれを用いて、なぜグループ間で性能にばらつきが生じるのかを突き止めようとしている。この成果は、すべての研究者が利用できる試験プロトコルをコミュニティが開発する助けとなるだろう。
いずれは、この研究成果により、新規参入者がフロー電池研究に取り組みやすくなるだろう。また、確立された研究グループにとっても、結果を比較し研究を加速させるための信頼できる基盤を提供することになるだろう。これらすべてが、化学工学者が再生可能エネルギーを安価かつ安全に、そして大規模に蓄える技術の革新をより迅速に進める助けとなる。
