はじめに

ゼロエミッション社会の実現には、発電時にCO₂を排出しない太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーによる発電を大量に導入する必要があります。一方で、その発電量は天候などによって変動してしまうため、うまく利用するにはエネルギーを貯める、輸送する、ということが必要になってきます。

電気化学デバイスとは、蓄電池や電気分解装置など、電気エネルギーを化学エネルギーに変換したり、その逆を行うデバイスのことで、エネルギーを貯めたり、運んだりするためには必要不可欠な技術です。

電気化学デバイスは、異なる材料が層状に重なった構造をしています。材料の表面や、材料と材料の境目・界面で、化学反応や、イオン、電子の移動が起こり、エネルギー変換が行われます。材料の表面や界面がどのような状態になっているか？　デバイスが動作している時に、界面で何が起こっているか？これらを知ることが、電気化学デバイスの性能向上につながります。

研究内容

私たちのグループでは、燃料電池や電解セル、蓄電池といった電気化学デバイスの高性能化、高機能化、信頼性向上を目指した研究をしています。目的に応じて異種材料界面やデバイスを工夫して作製し、最先端の計測機器を用いて分析・解析をし、物性発現機構や劣化機構の解明、高性能電極開発などにつなげています。

①固体酸化物形電解セル（SOEC）技術を核とした高効率エネルギー変換技術開発

固体酸化物形電解セル(SOEC)は、熱をうまく利用することで、他の電解技術より高効率に水素を製造できるという特徴があります。また、他の電解技術にない特徴として、水蒸気と二酸化炭素を同時に電解する「共電解（co-electrolysis）」と呼ばれる技術があります(下図左に概念図)。酸化物イオン（O^2-）伝導体を電解質に用いているので、水蒸気と二酸化炭素を一緒に燃料極に導入すると水蒸気だけでなく二酸化炭素からも酸素が取り除かれ、合成ガス（syngas，水素と一酸化炭素の混合ガス）が製造可能です。

また、この共電解プロセスと合成ガスからメタンなどの燃料を製造するプロセスをうまく組み合わせることで、電解するために使用する電力の約90%を化学エネルギーへと変換することが可能となります。外部からの電力に再生可能エネルギー由来の電力を用いれば、高効率にカーボンニュートラルなメタンなどの燃料を合成することが可能です(下図右に概念図)。

2022年度からは，大阪ガス株式会社を幹事企業としてNEDO グリーンイノベーション基金事業に採択され、産総研も共同実施先として本技術の早期実用化を目指した研究開発に取り組んでいきます。

②安全、安心な高性能蓄電技術開発

電力を貯蔵する蓄電技術として、リチウムイオン電池やレドックスフロー電池の研究を行っています。

リチウムイオン電池は、非常に高いエネルギー密度を持つことが大きな特徴であり、電気自動車や家庭用蓄電池など分散型電源として最も期待される電池です。一方で、レドックスフロー電池は、大容量かつ長寿命な蓄電池として、大規模な太陽光発電施設や風力発電施設からなる再生可能エネルギー発電所への設置が大きく期待される電池です。リチウムイオン電池は固体にエネルギーを貯蔵するデバイスであり、近年では電解液を用いない全固体電池開発にも注目が集まっています。レドックスフロー電池は、液体に貯蔵するデバイスであり、電解液をフローさせることで動作する電池です。

高性能な電池開発のために、ナノ構造制御技術を駆使し目的に合わせた高性能材料開発するとともに、最先端放射光軟X線により電子状態からリチウムイオン電池やレドックスフロー電池における反応機構や劣化機構をひも解き、速やかに材料開発にフィードバックしています。

チームの目指すところ

私たちのチームは通称「チームファインダー」(FINDER=Fundamentals of Ionic Devices Research Teamの省略形)。これまで見ていなかった、見えていなかったことを発見し、イオンや電子の挙動を解明することを得意としています。

ゼロエミッション社会の実現に貢献する電気化学デバイスの高性能化・高機能化をもたらすイノベーション創出のためには、国内外の企業・研究機関との連携研究を推進することが重要と考えています。ご興味のある方は、ぜひご連絡ください。

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