一种将电能储存在外部储罐中的“氧化还原液流电池”—— 利用贫铀作为资源的大容量储能技术

贫铀是制造核能发电燃料过程中的副产物。目前的核反应堆（轻水反应堆）无法将其作为燃料使用，日本约有16,000吨的贫铀被闲置储存。为使贫铀产生新的资源价值，研究团队致力于开发一种利用铀作为充放电功能材料（活性物质）的大容量储电技术。

在此次研发中，研究团队首次成功开发出以铀和铁为活性物质的“氧化还原液流电池”（Redox Flow Battery）。在氧化还原液流电池中，储存着溶解了活性物质的液体（电解液）的储罐与发生充放电反应的电极部分相互分离。通过泵送使已充电的电解液循环流动（即“液流”），可将电能存储于外部的储罐中。由于可通过增大储罐来提升储能容量（即储存电能的量），该系统被认为非常适合大容量储能。

研究团队为实现铀蓄电池的电解液流动化，对电解液的成分进行了重新设计，使得在分离电极部分与储罐后仍可进行充放电。试制的氧化还原液流电池相比电极与储罐一体化的铀电池，能够更长时间地稳定提取电流。

若能实现以铀为活性物质的氧化还原液流电池的大容量化和社会应用，将可为日本大量保存的贫铀赋予新的资源价值。此外，在扩大引入大型太阳能发电、海上风电等波动性较强的可再生能源时，该技术有望发挥调节电网的功能，助力实现低碳社会。

贫铀是制造核能发电燃料过程中的副产物，由于其含有的易发生核裂变的铀不足，因此无法在现有的轻水反应堆中作为燃料使用。虽然有望在下一代核反应堆中得到利用，但目前在日本尚无用途，约有16,000吨处于保存状态。此外，全球范围内的贫铀总储量约为160万吨。

研究团队致力于开发利用铀作为充放电功能材料（活性物质）的大容量储电技术，旨在实现贫铀的资源化。2025年，团队制作出以铀和铁为活性物质的“铀蓄电池”，并在世界上首次明确了其充放电性能。

在太阳能、风能等输出不稳定的可再生能源引入扩大的背景下，储电技术对于维持供电网的稳定至关重要。随着大规模发电厂的建设等，可再生能源逐渐成为主要电力来源。基于这一背景，研究团队持续推进铀蓄电池的大容量化开发，以应对大规模的可再生能源发电。

本研究成功开发了以铀蓄电池为基础的“氧化还原液流电池”（Redox Flow Battery）。其负极采用铀，正极采用铁作为活性物质，这一开发属世界首次。

在氧化还原液流电池中，储存电解液的部位（储罐）与发生充放电反应的部位（电极区）相互分离（图1）。电解液通过泵在储罐和电极区之间循环流动，充电后的电解液被储存在外置的储罐中，从而实现蓄电。电极区关系到蓄电池的输出功率，储罐则关系到蓄电池的电容量，通过改变储罐额数量和电极区的大小，可以提升电容量和输出功率。因此，氧化还原液流电池被认为适合大容量化。

铀蓄电池的负极电解液中含有铀离子，正极电解液中含有铁离子。充电时，铀离子从4价（溶液呈绿色）转变为3价（溶液呈深紫色），放电时则发生逆反应。本次开发中，为了实现铀蓄电池的大容量化，在保持其蓄电池功能的同时，重新设计了适合液流化的电解液组成材料。

在此次试制的氧化还原液流蓄电池中，充电前，含铀的负极侧储罐内的电解液呈绿色，表明铀离子处于4价状态。当通过泵使负极和正极储罐的电解液循环起来进行充电时，电池出口侧的负极电解液变为深紫色，这是由于充电反应使铀离子转变为3价所致。随着充电的进行，储罐内的电解液也逐渐变为深紫色（图2）。此外，将充电后的电解液送入电池并连接LED后，可观察到通过放电反应向LED供电，使其点亮。另外，相比电极区和储罐一体化的铀蓄电池，该液流电池能够持续更长时间地产生电力（图3）。

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