亜鉛臭素電池

亜鉛臭素電池は、亜鉛金属と臭素の反応を利用して電流を生成する充電式電池システムで、電解質は臭化亜鉛の水溶液です。亜鉛は、一次電池の負極として長い間使用されてきました。亜鉛は広く入手可能で、比較的安価な金属です。亜鉛は、中性およびアルカリ性の水溶液と接触してもかなり安定しています。このため、亜鉛は今日、亜鉛炭素およびアルカリ一次電池に使用されています。

主な潜在的用途は、グリッド、家庭用または独立型電力システム用の定置型エネルギー貯蔵です。水性電解質により、リチウムイオン電池システムと比較して、 過熱や火災が発生しにくくなります。

亜鉛臭素電池は、フロー電池と非フロー電池の 2 つのグループに分けられます。

Primus Power（米国）はフロー電池の商業化に積極的に取り組んでおり、Gelion（オーストラリア）とEOS Energy Enterprises（米国）は非フローシステムの 開発と商業化に取り組んでいます。

亜鉛臭素電池は、リチウムイオン蓄電システムに比べて 6 つの利点があります。

• 毎日100%の放電深度能力。^[3]
• 容量低下が少なく、5000回以上のサイクルが可能
• 電解質は不燃性なので火災の危険性が低い
• 冷却システムは不要
• 低コストで入手しやすい電池材料
• 既存のプロセスを使用して簡単に使用済み製品をリサイクル

これらには 4 つの共通する欠点があります。

• エネルギー密度が低い
• 往復効率が低い (冷却システムを実行するために必要なエネルギーによって部分的に相殺されます)。
• セパレーターを突き破る可能性のある亜鉛デンドライトを防ぐために、数日ごとに完全に放電する必要があります。^[3]
• 充電および放電率が低い

これらの特性により、亜鉛臭素電池は多くのモバイル用途（通常、高い充放電率と軽量が求められる）には適していませんが、太陽光発電、オフグリッドシステム、負荷シフトをサポートするための日常的なサイクリングなどの固定エネルギー貯蔵用途には適しています。

亜鉛臭素フロー電池（ZBRFB）はハイブリッドフロー電池です。臭化亜鉛溶液は2つのタンクに貯蔵されます。電池が充電または放電されると、溶液（電解質）はリアクタースタックを介して1つのタンクから別のタンクにポンプで送られます。1つのタンクは正極反応用の電解質を貯蔵するために使用され、もう1つのタンクは負極を貯蔵します。エネルギー密度は60〜85 W·h/kgの範囲です。^[1]

水性電解液は、水に溶解した臭化亜鉛塩からなる。充電中、金属亜鉛が電解液からセルスタックの負極（古い設計ではカーボンフェルト、最近の設計ではチタンメッシュ）表面にめっきされる。臭化物は正極表面で臭素に変換され、安全な化学的に複合した有機相に貯蔵される^[明確化]。古い ZBRFB セルではポリマー膜（微多孔性ポリマー、ナフィオンなど）が使用されていたが、最近の設計では膜が不要になっている。^[4]バッテリースタックは通常、カーボン充填プラスチックバイポーラプレート（例：60 セル）で作られ、高密度ポリエチレン（HDPE）容器に収められている。バッテリーは電気めっき機とみなすことができる。充電中、亜鉛は導電性電極に電気めっきされ、臭素が形成される。放電時には、プロセスが逆になり、負極にめっきされた金属亜鉛は電解液に溶解し、次の充電サイクルで再びめっきできるようになる。完全に放電した状態で無期限に放置することができる。スタックが乾燥した状態に保たれている場合、完全に充電された状態では自己放電は発生しません。

化学的性質の一般的な利点に加えて、亜鉛-臭素フロー電池には 2 つの重要な利点があります。

• より大きなタンクとスタックにより、大容量の貯蔵容量に拡張可能です。
• ポンプ、タンク、電解液などの個々の部品を修理または交換できます。

フロー電池には特定の欠点もあります。

• リセット：1～4サイクルごとに、電解液ポンプを稼働させながら、端子を低インピーダンスシャントを介して短絡し、バッテリープレートから亜鉛を完全に除去する必要があります。^[3]
• 面出力が低い：（<0.2 W/cm ²）充電時と放電時の両方で、電力コストが増加します。^{[5] [6] [7]}
• 往復効率が低い: 70～80%。通常 90% 以上に達するリチウムイオン電池よりも大幅に低い。
• エネルギー密度が低い:
• 可動部品を備えた複雑な構造

各セルの2つの電極室は、通常、膜（通常はマイクロポーラスまたはイオン交換膜）で区切られています。これにより、臭素が負極に到達して亜鉛と反応し、自己放電を引き起こすのを防ぐことができます。自己放電をさらに減らし、臭素蒸気圧を下げるために、正極電解質に錯化剤が追加されます。これらは臭素と可逆的に反応して油状の赤い液体を形成し、Brを減少させます。
₂電解質中の濃度。^[要出典]

• プリムス・パワー（カリフォルニア州ヘイワード）は非上場の米国企業です。しかし、2023年5月時点で、同社は2015年以降、設備を設置していません。^[8]プリムス・パワーは、125kWhユニットの効率が70%であると主張しています。^[9]
• オーストラリア、ブリスベンのRedFlow Limitedは、2024年8月23日に自主管理下に入るまでASXに上場していた企業であり、^[10] 10月18日に秩序ある閉鎖が宣言され、^[11] 2024年12月に清算が行われた。 ^[12]同社のZBM3バッテリーは、12時間の連続電力を供給すると主張した。^[13]同社は、ZBM3バッテリーのDC-DC「スタックエネルギー効率」が最大80％であると主張した^{[14] 。10kWh}ユニットのZBM3では42Wh/kgである^{[14] 。}
• EnSync（旧ZBB）^[15] – ウィスコンシン州メノモニーフォールズ（廃止）。^[16]

非フローバッテリーでは、2 つのタンク間でバッテリー材料が通過しません。

• ジェリオン：シドニー大学のトーマス・マシュマイヤーは、液体をゲルに置き換えた。イオンはより速く移動できるため、充電時間が短縮される。ゲルは難燃性である。^[17] 2016年4月にジェリオンが発売された。同社は英国の再生可能エネルギーグループ、アームストロング・エナジーから1,100万豪ドルの投資を獲得した。^[18]ジェリオンはIPOでさらなる資金を調達し、2021年11月30日にAIMロンドン証券取引所に上場した。

ジェリオン社は、商業およびグリッドアプリケーションで使用するために1.2kWhのモノブロックバッテリーを商品化する計画です。^[19]  ジェリオン社は、そのモノブロックは^[19]より高いエネルギー密度（120Wh/kg）、より高い往復効率（>87%）、可動部品がなく、既存の鉛蓄電池工場を改造することでギガワット容量まで製造を拡張できると主張しました。

2023年3月時点で^{[アップデート]}、ジェリオンは2023年にアクシオナ・エナジー向けのシステムを試験的に導入する予定であった。 ^[20]ジェリオンは、高速放電モード、低コストの電極（チタンに代わるもの）、デンドライトの管理と防止の改善を発表した。^[21]

• EOS Energy Enterpriseのカソード：2023年5月時点で、^{[アップデート]}EOSはEos Z3バッテリーを発表し、受注残は347MWh、拘束力のある受注は合計2.2GWhであると主張した。^[22] EOSは、バッテリーのRTEが「80年代半ば」（放電深度が低い）で、寿命が6,000サイクル/20年であると主張した。^[23]

フロー構成と非フロー構成は同じ電気化学を共有します。

負極では亜鉛が電気活性種です。亜鉛は電気陽性で、標準還元電位は E ° = −0.76 V vs SHEです。

負極反応は亜鉛の可逆的な溶解/めっきです。

${\displaystyle {\ce {Zn_{(s)}<=>{Zn^{2}+}_{(aq)}+2e^{-}}}}$

正極では臭素は可逆的に臭化物に還元されます（標準還元電位はSHEに対して+1.087 Vです）。

${\displaystyle {\ce {{Br2_{(aq)}}+2e^{-}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}}}$

全体的な細胞反応は

${\displaystyle {\ce {{Zn_{(s)}}+Br2_{(aq)}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}+{Zn^{2}+}_{( aq)}}}}$

測定された電位差はセルあたり約 1.67 V です (標準還元電位から予測される値よりわずかに低い)。^{[引用が必要]}

複数のシステムを並列に使用して技術の利点を最大化し、欠点を最小限に抑えることで、低電気負荷と大規模発電設備の条件下で稼働する遠隔通信サイトでディーゼル発電機の燃料を大幅に節約できます。^[24]

2021年12月、レッドフローはカリフォルニア州の2.0MWバイオガス燃料コージェネレーションユニットとマイクログリッド制御システムをサポートするために、アネアギア向けに2MWhの設備を完了しました。 ^{[25] [26]}

2021年11月現在、^{[アップデート]}EOS Energy EnterprisesはPine Gate Renewablesから300MWhの注文を確保しており、2022年に設置が予定されている。^[27]

2022年2月現在^{[アップデート]}、ジェリオン社は、グリッド規模のアプリケーション向けにエンデュアバッテリーを試験するためにアクシオナ・エナジー社と契約を結んだと発表した。^[28]

2023年6月、レッドフローはカリフォルニア州のローリングヒルズカジノへの電力供給を支援するために20MWhのシステムを供給する契約を発表した。^[13]

• 電気化学工学
• 電池の種類一覧

• 亜鉛-臭素循環電池における臭素錯体形成 DJ Eustace, J. Electrochem. Soc. 127(3), 528–32 (1980)
• 電池ハンドブック、第 3 版。D. Linden、TB Reddy。39.1–39.8 (2002)
• Rose, David M.; Ferreira, Summer R. 「遠隔通信サイト向け亜鉛臭素フロー電池の性能テスト」(PDF)。サンディア国立研究所。アップデート
• レッドフロー。

• 電力貯蔵協会における臭素酸亜鉛電池