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空気中の湿度変化を利用して発電する「湿度変動電池」を開発 ~潮解性材料と塩分濃度差発電の融合~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(AIST)は2021年6月2日,センシングシステム研究センター 兼 人間拡張研究センターの駒崎 友亮 研究員らが,空気中の湿度変化を利用して発電を行うことができる「湿度変動電池」を開発した,と発表した.本研究は,国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)先端研究プログラムの支援を受けて行われ,成果は英国王立化学会が発行する Sustainable Energy & Fuels 誌に掲載された(注).

 近年の情報通信技術の発展に伴い,身の回りのさまざまなモノの情報をインターネットに接続するIoTの進展が著しい.将来はこの傾向が一層拡大し,接続される電子機器やセンサが膨大な数に増加すると考えられ,電源を供給するための配線接続や電池の充電,交換労力の簡略化が求められている.その解決策として,環境中の微弱なエネルギーを回収して自立的に発電を行うエネルギーハーベスト(環境エネルギーの収穫,環境発電)の考えがあり,多様な技術開発が行われている.環境の湿度変動を利用するエネルギーハーベストとして,酸化グラフェンの吸湿で発電する試みが報告されているが,内部抵抗が高くmAレベルの電流を取り出すことは難しかった.本研究において,研究グループは,これまでとは異なる原理の湿度変動を利用して発電する湿度変動電池を開発した.この電池は,潮解性のリチウム塩水溶液を入れた槽をイオン交換膜で二つに分け,一方は大気に開放,他方は密閉した状態にしたもので,それぞれの槽に電極が設置されている.電池周囲の環境湿度が低下すると,大気開放槽からは水分が蒸発して塩濃度が上昇するが,密閉槽の濃度は変化せず,両槽に塩濃度差が生じて電極間に電圧が発生し,開放槽電極がマイナス極,密閉槽電極がプラス極となる.環境湿度が上昇に転じると開放槽は水分を吸収して濃度が下がり,発電電圧は低下する.開放槽の濃度が密閉槽の濃度より低下すると電圧の向きは逆転する.恒温恒湿槽内で湿度30%と90%を2時間毎に繰り返したところ,発電電圧も環境湿度に応じて変動し,30%のときに22~25mV,90%のときに-17mV程度となった.最大出力は30μW(3.3μW/cm2),短絡電流は5mA(0.56mA/cm2)が得られた.この電池は1mA以上の電流を1時間以上継続出力することもできるという.環境湿度20~30%において,消費電力10μW以下の低消費電力モーターを,2時間半以上継続して回転させる映像も公開されている.

 開発された湿度変動電池は,電池素子が電解質溶液で作られており内部抵抗が低いため,これまでに比べ比較的大きな電流を長時間出力できる.さらに,空気中の湿度は一日のうちに数10%変化するので,これを利用して,置いておくだけでどこででも半永久的な電源が得られる.このような特徴から,IoT機器などの電源への応用が期待され,研究グループは,さらなる出力向上や耐久性改善などを行い,実用化を目指したいとしている.

(注)Yusuke Komazaki, Kenji Kanazawa, Taiki Nobeshima, Hirotada Hirama, Yuichi Watanabe, Kouji Suemori, and Sei Uemura, "Energy harvesting by ambient humidity variation with continuous milliampere current output and energy storage",  Sustainable Energy & Fuels 2021, Advance Article, DOI: 10.1039/D1SE00562F; First published 02 Jun 2021