ナトリウム・硫黄電池

ナトリウム・硫黄電池の概要

ナトリウム・硫黄電池（NAS電池）は、負極にナトリウム、正極に硫黄を使用し、β-アルミナを電解質とした高温動作型の二次電池です。この電池は、特に大規模な電力貯蔵用途に設計されており、電力の需要が変動する昼夜の間や、風力発電といった再生可能エネルギー源との統合による安定した電力供給を実現します。日本ガイシ社の商標としても知られており、近年の電力網の変遷と共に注目を集めています。

電池の反応メカニズム

ナトリウム・硫黄電池は、運転温度が約300から350℃に設定されています。この高温は、電解質のβ-アルミナのイオン伝導性を向上させるためです。負極の溶融ナトリウムは、電解質との界面で酸化され、Na+イオンとなり、正極に移動します。正極では、ナトリウムイオンが硫黄と反応して五硫化ナトリウム（Na2S5）を生成します。最初の放電反応は以下の通りです。

1. 負極反応
2Na → 2Na⁺ + 2e⁻
2. 正極反応
5S + 2Na⁺ + 2e⁻ → Na2S5
3. 全反応
2Na + 5S → Na2S5

放電が進むと、未反応の硫黄が顧みられず、Na2S5は高い原子価の硫黄同士の多硫化物に転化し、最終的に二硫化ナトリウム（Na2S2）へと変わりますが、ナトリウム・硫黄電池は通常この化合物を生成しないように運転されます。充電時には、放電の逆反応が起きます。

特徴と用途

ナトリウム・硫黄電池の長所には、従来の鉛蓄電池に比べてコンパクトなサイズや、風力発電や太陽光発電との組み合わせによる出力の安定化などがあります。さらに、使用される材料が豊富で長寿命、高い充放電効率、自発的な放電が少ないといった特性も持ち合わせています。

一方、短所もあります。常温では動作せず、300℃に維持するために加熱が必要です。このため、充放電特性が長い時間を要する設計となっているため、特定の運用条件を満たす必要があります。また、内蔵助剤として水を使用した消火が不得手で、火災発生時には特別な消火方法が必要です。

劣化要因と事故

電池の性能劣化は内部抵抗の増加や容量の低下といった要因に関連します。特にナトリウムと電池の内壁との異常反応が劣化を引き起こすことが知られています。しかし、適切な材料と設計により、8000サイクル以上の利用でも極少の性能劣化が確認されています。

日本では、過去に2件の火災事故が発生しています。2010年と2011年に、いずれも日本ガイシが製造したNAS電池が原因で火災が発生しました。事故後は、その原因を究明するための調査が行われ、製造プロセスの改善が図られました。

事業者の動向

現在、ナトリウム・硫黄電池は日本ガイシによって製造され、東京電力と共に販売されています。特に、再生可能エネルギーの拡大に伴い、供給量の増強を図っており、様々な企業との提携により電力需給調整事業に参加するケースも多く見られます。これにより、今後さらに多くの分野での活用が期待されています。

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