単に電力を蓄えるだけではない: 科学者はデュアルを開発

Wiley著2023年8月30日

清華大学の研究者は、電気を蓄えて供給するだけでなく、フルフリルアルコールやフラン酸などの貴重な化学物質を生成するハイブリッド電池を開発した。 このデュアルユースシステムは、充電式バッテリーとレドックスフローバッテリーの機能を組み合わせており、バッテリーの充電または放電中に特殊な触媒を使用してバイオマス由来のフルフラールを有用な化学物質に変換します。

充電式電池は電極材料に電気を蓄えますが、レドックスフロー電池は電極に取り付けられたタンクに蓄えられた化学物質を使用します。 科学者たちは最近、電気を蓄えて供給するだけでなく、フローシステムで有用な化学物質を生成するハイブリッドバッテリーシステムを設計しました。

While in use the furfural–nickel hydroxide battery transforms biomass-sourced furfural into either furfuryl alcohol or furoic acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">酸。

フルフラールは、農業バイオマスに一般的なペントース糖から形成される小分子であり、さまざまな用途のための多くの中間体を得ることができる重要なプラットフォーム化学物質と考えられています。 これは、食品保存剤および医薬品や香料の合成中間体であるフラン酸に酸化される可能性があります。

フルフラールは還元されると、樹脂、香料、薬物の前駆体であるフルフリル アルコールに変換されます。 Haohong Duan氏と中国北京の清華大学の研究チームは、ハイブリッドフローバッテリーの動作中に両方の付加価値のある化学物質を入手することに成功し、バッテリーシステムのコスト効率を高めました。

標準的な充電式バッテリーは、充電されると電極に電気を蓄え、放電時に回路に電気を供給します。 別の種類の電池であるレドックスフロー電池は、化学物質に電気を蓄え、化学生成物が 2 つの状態の間を循環して電池内に残ります。 両方の概念を組み合わせて、研究者らは、このような電池がエネルギーを貯蔵または供給しながら、どの程度余分な化学物質を生成できるかを調査しました。

A breakthrough came in the form of a bifunctional metal catalyst for the anode. Made of a rhodium–copper single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">この触媒は、バッテリーの充電時に電解質を含むフルフラールをフルフリルアルコールにスムーズに変換し、バッテリーの放電時にフラン酸が形成されました。 研究者らは、正極として、従来のニッケル亜鉛電池やニッケル水素電池で使用される正極材料と同様の、コバルトをドープした水酸化ニッケル材料を特定した。

このアセンブリにより、真の二重用途バッテリー システムが誕生しました。(太陽電池を使用して) 充電した後、4 つの直列接続されたハイブリッド バッテリーは、バッテリー中にフルフリル アルコールとフラン酸を継続的に生成しながら、LED ライトやスマートフォンなどのさまざまなデバイスを動作させることができました。これらの化学物質はフローシステムを使用して除去されます。

著者らは、新しいハイブリッドバッテリーがエネルギー密度と出力密度の点で多くの一般的なバッテリーに匹敵し、同時に電力と付加価値のある化学物質の両方を提供することを発見しました。 1 kWh のエネルギーを貯蔵する際に、システムが 0.5 kWh (冷蔵庫を数時間稼働できる程度) の電力を供給すると、0.7 kg のフルフリル アルコールが生成され、1 kg のフラン酸が生成されます。 ただし、フルフラールはシステムに継続的に供給されるため、生成物を電解質から分離する必要があります。