使い捨て電子機器を可能に——水で駆動するペーパーバッテリーを開発

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スイス連邦材料試験研究所（EMPA）の研究チームは、水で活性化する紙製の使い捨て電池を開発した。生分解性を有しており、スマートラベル、環境センサー、医療診断機器などの低消費電力の使い捨て電子機器の使用に適している。研究成果は、『Scientific Reports』誌に2022年7月28日付で公開されている。

開発した電池は、基材に紙、負極材料に亜鉛、正極材料にグラファイトを使用した空気電池だ。長方形の紙にグラファイトフレークとカーボンブラックが含まれる集電体、負極材料、正極材料の3種類のインクを印刷して作製する。インクを印刷した電池のセルは1cm²だ。

紙には塩化ナトリウムを分散させており、水を吸収すると活性化する仕組みだ。水は紙の一端から添加し、紙の自然な吸水性により基材に広がる。逆側の一端は望ましくない電気化学反応が生じないよう、ろうで疎水性を高めている。

少量の水を加えると、紙の中の塩化ナトリウムが溶け出し、帯電したイオンが放出される。このイオンが紙の中を移動して電池を活性化し、電池の負極側インクに含まれる亜鉛が電子を放出する。この電池を電子機器に取り付けると、生じた電子は負極側の集電体から正極側の集電体に移動し、正極で周囲の空気を正極活物質として利用することで電流が発生して、電子機器に電力が供給される。

電子機器として液晶ディスプレイ式目覚まし時計を用い、1枚の紙に2つのセルを印刷した電池の実証実験を行ったところ、2滴の水を加えると20秒後には電池が起動し、1.2ボルトの電圧で安定した。紙の乾燥により起動1時間後には電池の性能が大きく低下したが、さらに2滴の水を加えることで1時間以上0.5ボルトの安定した電圧を維持することができた。

また研究チームは、今回の実証実験に利用した電池の形状以外にも、さまざまな形やサイズに負極および正極材料を印刷できることも実証している。研究チームは、生分解性材料の使用により、この電池が使い捨て低電力電子機器の環境負荷を最小化できるとしている。

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