安価なセメントとカーボンが原料――MIT、再生可能エネルギー貯蔵用スーパーキャパシターを開発

Credits:Courtesy of the researchers

MITの研究チームが、豊富で安価なセメントと水、カーボンブラックを使って、大量の電力を貯蔵できるスーパーキャパシターを考案した。セメントの水和反応中に、材料に形成される分岐状開口部にカーボンブラックが浸透し、ワイヤ状導電性ネットワークを形成することで内部表面積の大きいスーパーキャパシターが実現する。供給能力に変動がある再生可能エネルギーを大規模、低コストで貯蔵して、電力供給を安定化できると期待している。研究成果は、2023年7月31日に『National Academy of Sciences』誌に公開されている。

キャパシター（コンデンサー）は、電解質中に浸漬され、メンブレンで分離される2枚の導電体プレートから構成される。電圧が負荷されると、電解質の正負イオンがそれぞれ負極（マイナス）と正極（プラス）に集積されて充電され、外部負荷に接続されると放電して電力を供給する。キャパシターが貯蔵できる電力量はプレート表面積に依存するが、電気二重層誘電体などを利用するものを含め、静電容量が数10mF以上の極めて大きな電荷を貯蔵できるものが「スーパーキャパシター」と呼ばれている。

研究チームは、太陽光や風力、波力などの再生可能エネルギーが日照や気象条件に左右され、供給量に変動があるため「大規模にエネルギーを貯蔵する手法は不可欠」としている。そして既存のバッテリーは非常に高価であり、リチウムなど供給に制約のある材料に依存していることから、「安価な大規模エネルギー貯蔵システムのニーズは極めて高い」と考え、これに向けたスーパーキャパシターの開発にチャレンジした。

研究チームは、最も普遍的な材料のひとつであるセメントとカーボンを活用し、低コストの大規模エネルギー貯蔵システムの基本形を構築することに成功した。3～10％の導電性カーボンブラックをセメントと水とともに混合し養生すると、セメントの水和反応により材料内部に分岐状開口部が自然に形成され、カーボンが開口部に浸透して硬化したセメント中にワイヤ状の構造を形成、最終的に極めて大きな表面積を持つ導電性ネットワークが実現する。

こうして作成した2枚のコンクリート製電極を電解質に浸漬し、絶縁層によって分離することによって、非常に強力なスーパーキャパシターを構成することを確認した。1cm角で厚さ1mmのボタン電池サイズの小さなスーパーキャパシターを作成したところ、1Vで充電でき、3個直列接続して3VのLEDを光らせることを実証した。

研究チームは計算により、45m³のコンクリート製スーパーキャパシターを家屋の基礎部分に導入することで、1家庭の1日分の電力約10kWhを貯蔵できると考えている。この場合、基礎を作る追加コストは殆ど不要であり、必要な構造強度も維持する。また、道路上を走行している間にEVに非接触で充電できるコンクリート道路の建設も想定する。今後、スケールアップの可能性を確認する計画で、自動車用12Vバッテリーのサイズのものから始め、45m³のコンクリート構造による1家庭分の電力貯蔵能力を実証する予定だ。

安価なセメントとカーボンが原料――MIT、再生可能エネルギー貯蔵用スーパーキャパシターを開発