安全な触媒と紙、マグネシウムをベースとした「金属空気紙電池」を作製――塩水をトリガーとして発電東北大学ら

2024-3-21
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東北大学は2024年3月19日、同大学材料科学高等研究所、電力中央研究所、AZUL Energy、英AMPHICOの共同研究グループが、安全な触媒と紙、マグネシウムをベースとした「金属空気紙電池」を作製したと発表した。

次世代のエネルギーデバイスとして、環境負荷が小さく、高出力かつ高容量な電池の開発が求められている。中でも、水素の代わりに亜鉛やマグネシウムなどを負極とした金属空気電池は、リチウムイオン電池の3倍以上の重量エネルギー密度を有する次世代電池として期待されている。

特に、低環境負荷な金属空気電池として、紙の表面に正極を、反対側に亜鉛負極を形成し、電解液をトリガーに発電する金属空気紙電池がこれまでに開発されている。しかし、有害なアルカリ性の電解液を要することや、塩水を用いた場合は出力がµW/cm²レベルにとどまることにより、実用に満たない状況となっていた。

同研究グループは今回、ろ紙などの紙に正極触媒をコートし、負極にマグネシウムを用いて集電体で挟むことで、金属空気紙電池を作製した。

次に、塩水を電解液として、セルの電流―電圧特性および電流―出力性能を評価した。結果、紙の密度が高い方が毛管力により塩水を吸い上げる能力が高いものの、電解液の保持量が少なく、抵抗が高いことから出力が低いことが判明している。

また、紙の密度が低い方が塩水を吸い上げる時間を要する一方で、セル出力が高いことが明らかになった。これらの結果から、金属空気紙電池の性能向上には紙の密度の最適化が重要であることが判明した。

セルを最適化したところ、1.8Vの開放電圧、103mW/cm²の出力、968.2Wh/kg_(Mg)の容量を得た。また、導電助剤としてカーボンナノファイバー（CNF）を正極に混合することで、集電体を用いずに直接デバイスと接続できる金属空気紙電池も作製できることが分かった。

次に、AZUL Energyが、血中酸素濃度の低下を監視するウェアラブルSpO₂測定器を設計、作製した。金属空気紙電池を電源に使用し、生体内の酸素濃度をリモートでモニタリングできることを確認している。

また、AMPHICOが開発した撥水性の高いライフジャケットに、AZUL Energyが設計、作製したGPSセンサーを組み込んだ。金属空気紙電池を電源に使用し、塩水により電源部を濡らしたところ、GPSセンサーのシグナルからGoogle Earth上で位置を特定できることが判明。溺れた際の位置特定に寄与する。

今回開発した金属空気紙電池は、ほとんどが自然に還る材料となっており、低環境負荷な電池の実用化に繋がることが期待される。また、塩水などを用いて発電できるため、緊急時の電源としても有用だ。今後、さまざまなデバイスの電源としての応用が期待される。

安全な触媒と紙、マグネシウムをベースとした「金属空気紙電池」を作製――塩水をトリガーとして発電　東北大学ら