20 世紀初頭、X 線イメージングの発明により、医学の知識が飛躍的に進歩しました。それ以来、私たちは体の骨がどのように機能するかを確認できるようになり、数多くの新しい治療法が明らかになりました。

さて、同様のアプローチを使用して、中性子イメージングレドックスフロー電池の内部機能を視覚化することができます。レドックスフロー電池は、主に太陽光や風力エネルギーシステムの大規模貯蔵に使用される電池の一種です。研究というのは、出版された日記でネイチャーコミュニケーションズ。

これらのバッテリーの内部を見ることができることで、バッテリーを改善するための新たな可能性がもたらされます。

TU/e、マサチューセッツ工科大学（MIT）、およびスイスのポール・シェラー研究所（PSI）の国際共同研究により、TU/e 研究者のアントニ・フォルナー・クエンカ氏が主導し、中性子イメージングを使用したこの新しい手法を開発しました。。

この画期的な成果により、レドックスフロー電池の内部動作を理解するのに役立つ驚くべき動画が提供されます。

分野を超えた好奇心に基づく研究

さらに重要なのは、画像が新しいアイデアやソリューションのインスピレーションとガイドラインを提供することです。より直接的には、この方法はレドックスフロー電池の開発に役立つ可能性があるが、フォルナー・クエンカ氏のチームが考案した新しいイメージング技術は、他の科学分野の進歩にも役立つ可能性がある。「私たちの手法は、さまざまな分野で実験し、そこから借用した結果です。これは、分野を超えた好奇心に基づく研究の重要性を示す刺激的な例です。」

「中性子ラジオグラフィーによるレドックスフロー電池の濃度分布の定量化」と題された研究では、中性子ラジオグラフィーが重要な役割を果たしています。フォルナー クエンカは、博士課程の在学中、このイメージング技術について多くのことを学びました。2013年にPSIで始まったトレーニング。その後、2017 年に MIT で博士研究員として研究を行い、そこでレドックスフロー電池について学びました。そのとき、彼の頭の中で電球が点灯しました。

システムはブラックボックスのままだった

「フロー電池の内部には、移動する流体、いわゆる電解質があります。電池が充電または放電するときにセルに電流が流れます。その結果、電解質中のイオンと酸化還元分子が異なる方向に動き始めます。その結果、分子の濃度が変化します。

「その動きによってバッテリーの性能と耐久性が決まりますが、これまでシステムはブラックボックスのままでした。作動中のバッテリーの内部を観察し、濃度分布を視覚化する機能があれば、システムへの理解が大幅に向上するでしょう。」

そのため、バッテリーがどのように機能するかに関する重要な要素は未知の領域のままであり、それがフォルナー クエンカの考えを引き起こしました。「私たちの体も大部分が液体、つまり水で構成されています。X線はそれを通過し、骨内の重い元素と相互作用するため、体を切らずにそれらを見ることができます。

「中性子は逆に働きます。中性子は電池ケースの材料を容易に通過しますが、液体電解質中の分子と強く相互作用します。」

既存の科学の新しい応用

「特定の分子と相互作用する中性子というこの基本的な性質を利用して、中性子線撮影フロー電池内の分子の濃度を初めて観察しました。」言い換えれば、既存の科学の新しい応用です。

「その技術自体は新しいものではありません。たとえば、歴史的オブジェクトを損傷することなく、それらが何でできているかを確認するために博物館ですでに使用されています。しかし現在では、この技術を使用して、次のように動く流体を視覚化することもできます。」レドックスフロー電池。」

ただし、フォルナークエンカ氏と彼のチームが使用した手法は、依然として X 線写真よりもはるかに手間がかかり、ストップモーション アニメーションに似ています。

「バッテリー内で液体の濃度がどのように変化するかをリアルタイムで追跡するために、バッテリー内を移動する中性子の集合の写真を 30 秒ごとに継続的に撮影します。いわばそれらの写真をつなぎ合わせて、次のようなビデオを提供します。バッテリ動作中に濃度がどのように変化するかを示しています。」

10日交代で24時間測定

これらの実験は PSI の中性子源で行われました。3 人の博士からなる共同チーム学生たちは、現在は無事に医師を卒業したフォルナー・クエンカ・レミー・ジャックモンド、マキシム・ファン・デル・ハイデン、エムレ・ボズとともに実験を担当しました。実験は激しいものであったため、チームは生産性を最大化するために約 10 日間、さまざまなシフトで 24 時間測定を行いました。

「中性子を使用する機会を持つことは特別な経験です。そのような装置を使用できるのは平均して 2 年に 1 回だけです。PSI (実験が行われたスイスのポール シェラー研究所編) は、年次報告書を作成しています。重要度に応じてランク付けされた国際実験コンテストで、私たちは 4 つの実験を成功させることができました。」

「努力と専門知識の点で、このプロジェクトは挑戦的であり、成功には 3 人の博士課程の学生が協力することが不可欠でした。私は、熱心に働き、真のチームとして協力したこれら 3 人の同僚を非常に誇りに思っています。私たちの研究チームだけでなく、PSI や MIT の国際共同研究者とのチームで働くことには大きな価値があります。」

改善の余地がたくさんある

Forner Cuenca 氏によると、レドックスフロー電池における流体の作用を視覚化することは、いくつかの理由から重要です。「もちろん、バッテリー内で発生するプロセスを理解することは、より効率的に動作し、寿命が長い、よりパフォーマンスの高いシステムを開発できることを意味します。

「したがって、これらは主に太陽光や風力による再生可能エネルギーの貯蔵に使用されるため、エネルギー転換に貢献したいと考えています。」Forner Cuenca 氏が当社 Web サイトの以前の記事で説明したように、改善の余地はまだたくさんあります。

ただし、他の新しいテクノロジーと同様に、将来的には他の可能性も提供します。「例えば、化学反応器はプラスチック、化粧品、医薬品などあらゆる種類の製品を製造するために使用されます。私たちの手法は溶液中の有機分子の視覚化を可能にするため、他の産業用途でも私たちのイメージング技術から恩恵を受けることができると期待しています。」

これらの新しい洞察は、今度はまったく異なる方法やアイデアにつながる可能性があります。「それが私を最も興奮させるものです。好奇心を刺激することです。結局のところ、これが私たちがこの新しい方法論を開発した方法です。共同研究と好奇心に基づくアイデアは、科学的発見の 2 つの重要な要素です。ブルースカイ プロジェクトを包含する ERC 助成金によって支援されており、私たちはこの方法を開発することができたので、将来的に追求すべき新しいアイデアがたくさんあります。」