熱電バッテリー素子の模式図（左）と、原理を示す図（右）
東北大学は2019年1月28日、ナノメートルレベルの微細な流路（ナノチャンネル）における電解液のイオン伝導を利用して、温度差から発電と蓄電を行う技術を開発したと発表した。
今後IoTが浸透していく中で、各所に設置された多数のセンサーへのエネルギー供給が課題になるとされている。明るい場所であれば太陽電池の利用が考えられるが、暗所では利用できない。そのため、半導体などの材料の熱起電力を利用した熱電発電が考えられてきたが、これまでの技術では小型化や高性能化が困難だった。
今回開発した発電、蓄電技術は、ナノメートルスケールの直径を持ち、内部に液体を透過できる流路であるナノチャンネルを利用したものだ。通常ナノチャンネル内部に電解液を満たしても、チャンネル径が十分に小さい場合は、電気二重層と呼ばれるイオン層が形成されて電気は流れない。しかし、チャンネルの両端に温度差が発生すると、電気二重層のイオンの層の厚さに分布が生じることによって、熱キャピラリー力と呼ばれる圧力が発生。低温側から高温側にプラスイオンによる熱浸透流が生じることによって電流が発生し、電荷が蓄積される。
今回、この原理を用いて試作した「熱電バッテリー」によって検証実験を実施し、30℃の温度変化で250μW／cm²の出力密度を得るなど、従来の固体熱電素子と同等以上の発電性能が得られることを確認した。また、同実験では48時間以上経過しても60％以上の電荷が安定的に保持されており、蓄電能力も確認された。
今回開発した技術によって、太陽電池が利用できない暗所でもセンサーなどで給電が可能になり、将来的にはバッテリー不要のIoT機器の開発や、携帯端末の低消費電力化に貢献できるという。
今後、より大きな出力と蓄電容量を目指して開発を続け、2022年にIoTセンサー給電システムとしてサンプル提案できることを目指す。
