世界で初めて、リチウムイオン二次電池が充電できる有機熱電素子を開発産総研

産業技術総合研究所（産総研）は2022年9月28日、同所ナノ材料研究部門接着界面グループがリチウムイオン二次電池の充電ができる多層型有機熱電素子を世界で初めて開発したと発表した。充電器に開発した有機熱電素子を用いると、既存の電子機器を本体デザインや部品構成などを変更せずに使える。

リチウムイオン二次電池は、多くの無線電子機器の電源に使用されているが、定期的な充電、あるいは交換が必要になる。一方、熱電素子は、機器周りの熱源から直接発電でき、電気コンセントからの配線が不要な有力な電源の候補となっている。しかし、新たな電源として熱電素子を使うには、センサー機器本体のデザインや部品構成などを新しくする必要がある。

そこで研究グループは、電気コンセントからの給電が不要で、電子機器を改良せずに使用する方法のひとつとして、リチウムイオン二次電池を充電できる熱電素子を開発した。

リチウムイオン二次電池の充電には、数Vの電圧が必要だが、これまでに開発した有機熱電素子の出力電圧は、リチウムイオン二次電池の充電には不十分な数～数十mV程度だった。そこで、電圧昇圧回路を利用し、出力電圧を増大させて充電器として効率的に機能するか検証した。

研究では、市販のリチウムイオン二次電池（定格電圧：2.4V）を充電できる有機熱電素子の開発を目指し、電圧2.4Vを得るために電圧昇圧回路を使用した。また、軽量という有機材料の利点を生かすため、素子を大きくしないことを目指し、身の回りにあるボタン電池の重さである6g以下の重さで、充電ができる素子を作ることに挑戦した。

これまでに開発した出力密度40μW/cm²の素子を使って、リチウムイオン二次電池を充電するための電圧昇圧回路を稼働させる場合、少なくとも750枚のPEDOT/PSS（導電性高分子の一種）を直列に積層しなければ必要な電圧を得られず、このときの総重量は30g以上になる。さらに、直列数が増えると電気の流れる距離が長くなり、電気抵抗が約500Ωと大きくなるため、出力が大きくならない。

そこで、PEDOT/PSSの膜厚を最適化。これまでの有機熱電素子（出力密度40μW/cm²、積層数100枚、重さ5g、22×22×5mm）は、PEDOT/PSSの1枚当たりの膜厚を50μmとしていたが、膜厚20μmとした。膜厚20μmのPEDOT/PSS素子は、キャスト法で作製したPEDOT/PSS膜を重ねて圧着させて製作した。

薄膜を積み重ねて圧着した結果、大幅に熱電素子の電気抵抗が低下することを見いだし、高電圧化と低電気抵抗化を両立。新しく開発した素子を使うと、電圧昇圧回路を利用してリチウムイオン二次電池を充電できる出力を得られた。

出力密度は、電圧昇圧回路の動作に十二分な72μW/cm²となり、膜厚50μmでの40μW/cm²から80％向上。電気特性を調べた結果、膜の電気抵抗は予想に反して小さくなっていた。また、X線回折測定により、圧縮で薄くした膜の結晶構造を解析したところ、PEDOT/PSSの結晶間隔が狭まることが確かめられた。

新しく開発した有機熱電素子の写真と構造模式図

開発した有機熱電素子の素子（積層合計枚数200枚、22×22×6mm）は、重量5g。直列50枚のユニットを4つ並列につなげ、電気抵抗を11Ωに抑えている。

この熱電素子は、二次電池の充電器に使えるだけでなく、センサーや無線通信用の電源としても使える。利用できる熱源には、自動車や工場内の配管、加熱調理機や給湯器、夏の農業用ハウス表面や太陽電池パネル、冬の暖房機器などが考えられる。温度差があれば良いため、寒い場所の建物内外の温度差を利用することも考えられる。

また、充電器に用いると、既存の電子機器を本体デザインや部品構成などの変更をせずにそのまま使える。機器の電源部の組込みにも対応するため、熱のある場所では、充電や電池交換の手間が不要になる。

今後、さらに薄膜化と積層技術を進化させ、有機熱電素子による充電完了時間を短縮する。また、軽量化を進め、容量の大きい市販のコイン型電池を充電できる、あるいは市販のコイン型電池のすべてを代替できる有機熱電素子の開発を目指す。

世界で初めて、リチウムイオン二次電池が充電できる有機熱電素子を開発　産総研