水で作動する紙バッテリー (A paper battery with water switch)

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2022-07-28 スイス連邦材料試験研究所(EMPA)

・ EMPA が、水で作動する使い捨ての紙電池を開発。
・ 物品追跡用スマートラベル、環境センサーや医療診断装置等の使い捨て低消費電力電子機器に電力を供給し、環境への影響を最小限に抑える。
・ 同紙電池は、生分解性金属の亜鉛粒子によるアノード、グラファイトフレークとカーボンブラックによるカソード、両電極を隔てる紙製セパレーターと水系電解質を使用した、金属-空気電気化学セル(サイズ 1 ㎠)をベースとする。
・ 紙の生分解性、持続可能性や低コストに加え、その自然な吸湿性を活用 。アノードとカソードの両材料は 3D プリンティング技術に適し、ステンシル印刷により様々な形状やサイズの紙電池を作製できる。
・ 少量の水が加わると、紙に含まれる塩化ナトリウムが溶解して荷電イオンを放出し、電解質にイオン伝導性を付与。紙全体にイオンが拡散して電池の作動を促す。亜鉛アノードの酸化とカソードでの酸化還元反応を通じて放電する。
・ 同紙電池を使った低電力の電子機器の作動実証では、2 個のセルで 1 個の紙電池を作製して電圧を増加させ、液晶ディスプレイ付きのアラーム時計に電力を供給した。
・ セル 1 個は水 2 滴で 20 秒以内に作動を開始し、デバイスへの接続のない場合は 1.2V の安定した電圧を達成(標準的な AA アルカリ電池の電圧は 1.5V)。1 時間後に紙が乾燥して性能が著しく低下したが、さらに水 2 滴を追加すると 0,5V の安定した作動電圧を 1 時間超にわたり維持できた。
・ 金属-空気電池の多くは、電池の使用に伴って金属箔が徐々に消耗する。金属箔の制御は難しく、使い切ることができずに材料が無駄になることがある。新紙電池では亜鉛を多く利用すれことでより長時間作動でき、特定の用途に合わせて亜鉛量を調整した電池作製が可能となる。
・ 高湿度環境下の環境センシングアプリケーションでは紙の乾燥は問題にならないが、紙電池の乾燥にかかる時間について今後の設計にて対処する予定。EMPA では、効率低下無く数千回の充放電サイクルの紙ベースの生分解性キャパシタを昨年開発している。
URL: https://www.empa.ch/web/s604/wasser-aktivierte-batterie

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Scientfic Reports 掲載論文(フルテキスト)
Water activated disposable paper battery
URL: https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5

Abstract

We developed a disposable paper battery aiming to reduce the environmental impact of single-use electronics for applications such as point of care diagnosis, smart packaging and environmental sensing. The battery uses Zinc as a biodegradable metal anode, graphite as a nontoxic cathode material and paper as a biodegradable substrate. To facilitate additive manufacturing, we developed electrodes and current collector inks that can be stencil printed on paper to create water-activated batteries of arbitrary shape and size. The battery remains inactive until water is provided and absorbed by the paper substrate, taking advantage of its natural wicking behavior. Once activated, a single cell provides an open circuit potential of 1.2 V and a peak power density of 150 µW/cm2 at 0.5 mA. As a proof of concept, we fabricated a two cell battery and used it to power an alarm clock and its liquid crystal display.

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