世界初の「カーボン空気二次電池」を開発、再エネ向け大容量蓄電池への応用に期待も：蓄電・発電機器

東京工業大学の研究グループが、二酸化炭素（CO2）の電気分解により炭素として蓄電し、その炭素と空気中の酸素を用いて発電する「カーボン空気二次電池（Carbon/air secondary battery、CASB）システム」を開発。世界初のシステムで、再エネ向けの大容量蓄電池として期待できるという。

[スマートジャパン]

　東京工業大学の研究グループは2021年12月17日、二酸化炭素（CO2）の電気分解により炭素として蓄電し、その炭素と空気中の酸素を用いて発電する「カーボン空気二次電池（Carbon/air secondary battery、CASB）システム」を考案し、その充放電の実証に成功したと発表した。CO2の電気分解に関する研究と、炭素と酸素を用いて発電する研究はそれぞれこれまでも報告されていたが、両者を組み合わせたシステムの開発は世界初の成果だという。

　このシステムでは、固体酸化物燃料電池／電解セル（SOFC/EC）を活用。CO2は液体状態で貯蔵しておき、充電時に気化して使用する。システム内に送られたCO2を、SOECに投入した電力によって炭素に電気分解し、この炭素はSOFC/EC内部に貯蔵する。その後、充電時間の経過に伴い一酸化炭素（CO）の分圧を増加させ、ブードア反応による熱平衡反応（2CO⇆C+CO2）を利用して炭素を析出させる。

　放電時は、内部に貯蔵された炭素と、システムに送り込んだ空気中の酸素を用いた反応を進行させて電力を得る仕組み。この際に生成したCO2を再び液体で貯蔵することで充放電サイクルを達成する。そのためシステムの充放電においてCO2は排出されないという。

開発したCASBシステムの充電方法を示した図　出典：東京工業大学

　CASBシステムの理論体積エネルギー密度は1625Wh/L、理論重量エネルギーは2500Wh/kg。定置型の蓄電システムと想定しているため、体積エネルギー密度の方が重要な指標となり、圧縮水素（理論体積エネルギー密度379Wh/L、20MPa）やリチウムイオン電池より高い体積エネルギー密度が期待できるとしている。水の電気分解で水素を製造するPower to Gasなどの方式と同様に、貯蔵する炭素やCO2の容量（＝蓄電容量）と燃料電池／電解セルの出力を独立に設定できるため、大容量蓄電システムとしての活用も見込めるという。

　SOFC/ECを使用した実証では、800℃、100mA/cｍ2の条件で電極が劣化することなく充放電サイクル（10回）にも世界で初めて成功。結果として、クーロン効率84%、充放電効率38％、出力密度80mW/cｍ2を達成できたという。これは、水の電気分解による水素製造システムの充放電効率（20〜54％）に匹敵する結果としている。

蓄電技術の体積（a）および重量（b）基準のエネルギー密度と出力の関係。リチウムイオン電池（Li-ion）、ナトリウム―硫黄電池（NaS）、鉛二次電池（Lead-acid）、ニッケル―カドミウム電池（NiCd）、バナジウムレドックスフロー電池（VRFB）は文献値　出典：東京工業大学

ASBシステムの充放電特性（a）と性能（b）。図3aにおいて縦軸は端子電圧と出力密度PD、横軸は経過時間と容量を示す。点線は理論起電力。図3bにおいて赤色の丸はクーロン効率ηC、青色の三角は充放電効率ηcd、緑色のひし形は放電時の出力密度PDを示している　出典：東京工業大学

　今後実用化に向けては、さらなる高効率化が望まれるため、研究グループでは今後システムさらなる改善・発展を進める方針。効率を高めるためには、炭素の効率的な利用が可能で、かつ炭素析出下でも過電圧が低い電極の開発の他、CASBシステムの実装に向けて、体積エネルギー密度や充放電効率が高くできるシステム全体の充放電プロセスの検討が必要としている。

　なお、今回の研究成果は「Journal of Power Sources」のオンライン版に2021年11月5日付で掲載された。