ホール・エルー法
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/07/07 07:01 UTC 版)
課題
- 高温を必要とする
- アルミナを溶かすため莫大な温度、エネルギーを必要とする[15]。
- 電解液の腐食性が非常に高い
- 融剤に使われるフッ素化物は非常に腐食性が強く、電解液を貯められる容器が存在しない。やむを得ず冷却して固体化したフッ素化物自身を利用しているが容器を冷却しつつ電解液を溶かすために多くの熱量を必要とする[15]
- これによりホール・エルー法は自由エネルギー変化ではなくエンタルピー変化となる。固体酸化物形電解セルのように発熱を無駄なく分解に利用し高い効率を得ることが出来ない。
- 効率を上げるためには大型化で容器の表面積を減らすなどして熱損失を抑えると同時に電解液を最適な組成に保つなどして過電圧を抑え理論電圧に近づける必要がある。
- 熱損失だけを抑えても過電圧が大きければ電解液が熱くなりすぎて電解槽を溶かしてしまうし、過電圧だけを下げて発熱を抑えても熱損失が大きければ電解液が冷えすぎて固まってしまう。
- エネルギー効率が悪い
- 上記の短所によりエネルギー効率が悪い。アルミの発熱量は8.6kWh/kgに対し製造に必要なエネルギーは15 - 18kWh/kgと莫大で半分以下のエネルギー効率でしかない。
- 電極を消耗する
- 陽極の炭素電極は酸素と反応し消耗するため交換が必要。
- 二酸化炭素を生じる
- 電極が消耗して二酸化炭素が生じる。地球温暖化を促進するリスクとなる。
新技術・競合技術
非消耗電極
高い温度、腐食性ゆえ非消耗電極の開発は困難を極める。
大きく分けて、金属、サーメット、セラミックの3種類があり、金属は導電性に優れる一方セラミックは侵食が小さい。サーメットは大凡その中間の性質を持つ。[19]
ニッケル、銅、鉄、リチウムなど多種多様な金属およびその酸化物を用いて開発が行われてきたが[20]、十分な導電性と耐蝕性を併せ持つ電極は未だ実用化に至っていない。
アルコアは、電力源に自然エネルギーを用いるだけでなく、炭素電極を非消耗型の電極に置き換えることでCO2排出を限りなくゼロに近づける方法を開発。2018年には、この実用化を目指すエリシス（Elysis）にアルコア、リオ・ティントと、Appleやカナダ、ケベック州政府が総額1億4,400万ドル出資した。2024年に実用化を目指している。[21][22][23][24]
特許情報によればELYSISの開発した電極には銅、ニッケル、鉄、酸素が用いられる他予期せぬテルミット反応を防ぐための監視装置を考案している。[25]
湿式電解製錬
アルミナを熱で溶かすのではなくイオン液体に溶かして電気分解する。
湿式電解製錬は空気アルミニウム電池の充電と全く同じプロセスである。
富士色素が空気アルミニウム電池の二次電池化に成功した他[26]電池開発の観点から精力的な研究が続けられている。
塩化アルミニウム
アルミナを一旦塩素と反応させ融点の低い塩化アルミニウムを合成、これを電気分解する。
必要な電力は9.6kWh/kg-Alほどであり、ホール・エル―法より25％ほど必要な電力を少なく出来る。
標準自由エネルギーの問題で炭素などの脱酸素剤が反応に必要となるが[27]、電極と異なり強度は必要ないので、生物由来のバイオカーボンを使うことが出来、カーボンニュートラルを実現しやすくなる。
塩素と原料の不純物によって起こる有害な塩素化合物が生成される点が問題となっている。[28]
炭素還元
電気を用いず炭素だけで還元する。理論的には2080℃まで加熱すれば可能だがそのような高温は実現が困難である。
そこで、まずアルミの炭化物、塩化物を作る方法、ケイ酸、酸化鉄と混合して粗合金を得た後に精錬する方法が考えられたが、いずれもホール・エルー法に勝るだけのコスト、エネルギー効率を達成できていない[29][30]。
注釈
出典
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