2滴の水と1枚の紙でどうやって1時間電気を生成できるのでしょうか?

過去数十年にわたり、技術革新の加速、製品寿命の短縮、人間による電子製品の過剰使用により、電子廃棄物は世界で最も急速に増加する廃棄物となりました。

国連大学のデータによると、2019年には世界中で約5,360万トンの電子製品が廃棄されました。2030年までにこの数字は7,470万トンに達すると推定されています。この傾向を逆転させることができない場合は、2050年までに1億1000万トンに達することになる。

(出典: Pixabay)

より環境に優しい材料を使用し、資源のリサイクル率を向上させることは、電子廃棄物の増殖の問題を解決するための重要な方法であり、生分解性電池は現在の電池研究のホットな話題です。

現在、スイス連邦材料科学技術研究所（Empa）の研究チームが生分解性電池の分野で新たな進歩を遂げ、概念実証研究において、水で活性化できる使い捨ての紙製電池を提案した。

図｜紙製電池2個でLED付き目覚まし時計を駆動している。 （出典：研究チーム）

この新しいタイプの電池は、わずか2滴の水で、LED付き目覚まし時計に1時間連続して電力を供給できると報告されています。 1時間後、さらに2滴の水を加えると、引き続き使用できます。また、あらゆる形状やサイズに加工することができ、その潜在的な応用シナリオは非常に広範囲にわたります。

「水活性化使い捨て紙電池」と題する関連研究論文が科学誌「Scientific Reports」に掲載されました。この論文の責任著者は、スイス連邦材料科学技術研究所のグスタフ・ニストロム博士です。

研究チームによると、この紙製電池は、さまざまな低電力の使い捨て電子機器（アイテム追跡用のスマートタグ、環境センサー、医療診断機器など）に電力を供給し、環境への影響を最小限に抑えるために使用できるという。

紙電池はどうやって電気を生み出すのでしょうか?

近年、科学者たちは、生分解性太陽光発電装置、エネルギーハーベスター、スーパーキャパシタなどのグリーン電力技術において重要な進歩を遂げてきました。しかし、より高いエネルギー密度とより安定した動作を提供できる非常に補完的なエネルギー源である生分解性使い捨て電池の研究はまだ非常に限られています。

現在のバッテリー研究は、バッテリー性能の向上に重点を置いており、主に現在市場を支配しているリチウムイオンバッテリーの要件を満たす新材料の開発を通じて、より高いエネルギー密度と電力密度、より速い充電速度、より優れた動作安定性を継続的に開発することを目指しています。

しかし、人々が電子廃棄物の危険性をより意識するようになり、環境センシングや食品モニタリングなどの用途で使い捨て電子機器が登場するにつれて、環境に優しいバッテリーに対する市場の需要が高まっています。
市場の需要の変化により、従来とは異なる素材やデザインに新たな機会が生まれています。マグネシウム (Mg)、鉄 (Fe)、タングステン (W)、モリブデン (Mo) などの無機材料をベースにした水性一次電池は、高エネルギー密度の過渡電池の理想的な候補となっており、有機材料も優れた代替品であることが示されています。

いくつかの有望な進歩があるにもかかわらず、生分解性電池の付加製造は依然として重要な科学的課題です。

数千年にわたって紙の形で存在してきたセルロースは、過去10年間で、生物医学的診断、情報表示、エネルギー貯蔵の分野で幅広く応用されてきました。しかし、セルロースの固有の生分解性や吸湿性などのいくつかのユニークな特性は、十分に活用されていません。

この研究で、Nyström が提案した紙製バッテリーは、長方形の紙テープに印刷された 3 種類のインクを含む、1 平方センチメートルの大きさのバッテリーセルが少なくとも 1 つで構成されています。紙テープに塩化ナトリウム塩を散布し、短い方の端にワックスを染み込ませます。 1 つのインクには、紙の片面に印刷されたグラファイト フレークが含まれており、これがバッテリー パックの正極 (カソード) として機能します。紙の裏面には、負極（陽極）として機能する亜鉛粉末を含んだインクが印刷されています。

さらに、紙の両面、これら 2 つのインクの上に、グラファイト フレークとカーボン ブラックを含むインクが印刷されており、これがバッテリー パックの正極と負極をワックス端にある 2 本のワイヤに接続します。これらのインクは、3D プリントなどの積層製造技術に最適です。

では、この紙電池はどのようにして電気を生み出すのでしょうか?

論文によれば、ほんの少しの水で紙の上の塩が溶け、帯電イオンが放出されるという。これらのイオンは紙上で拡散し、バッテリーパックを活性化し、バッテリーパックの負極インク内の亜鉛が電子を放出できるようにします。電子機器に接続された電線によって回路が完成し、電子がグラファイトとカーボンブラックを含むインク、電線、機器を通過して負極から正極（グラファイトを含むインク）に移動し、そこで周囲の空気中の酸素に移動します。これらの反応で電流が発生します。

図｜紙電池の設計図。 （出典：本論文）

バッテリーが低電力電子機器を駆動する能力を実証するために、研究チームは 2 つのセルをバッテリー パックに組み合わせ、液晶ディスプレイ付きの目覚まし時計に電力を供給しました。

単一セルのバッテリーパックの性能を分析したところ、水を 2 滴加えると、パックは 20 秒以内に起動し、電力を消費するデバイスに接続されていないときは、標準的な AA アルカリ電池の 1.5 ボルトと比較して、安定した 1.2 ボルトに達することがわかりました。

1 時間経過すると、紙の乾燥により、単一セル バッテリー パックの性能が急速に低下します。ただし、さらに 2 滴の水を追加すると、0.5 ボルトの安定した動作電圧を 1 時間以上維持できます。

図 |定電流（100 μA）下での動作電圧を測定することにより、使い捨て紙電池の放電容量を特性評価します。 （出典：本論文）

研究チームは、紙と亜鉛の生分解性により、この電池は使い捨ての低電力電子機器の環境への影響を最小限に抑えることができると述べた。

さらなる研究が必要

前述のように、この紙電池は目覚まし時計に電力を供給することができますが、他の種類の電池と比較すると、その電力密度はまだ限られています。

この点に関して、研究チームは、この紙製電池が低電力電子機器やモノのインターネットのエコシステムで使用できると考えています。このバッテリーの持続性は、インクに使用される亜鉛の量を最小限に抑えることでさらに向上し、バッテリーによって生成される電流を正確に制御できるようになります。

今後の研究では、グリーン触媒を使用して酸素還元反応の速度を上げる方法、亜鉛の代替として有機アノード材料を使用する方法、およびバッテリーのライフサイクル全体にわたる環境への影響を評価する方法を調査します。

「私たちの研究は使い捨て電子機器の分野を前進させ、環境への影響と性能のバランスが取れたバッテリー技術を提案する」と研究チームは述べた。

参考リンク:

https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5

https://ewastemonitor.info/wp-content/uploads/2022/06/Global-TBM_webversion_june_2_pages.pdf