資源が豊富なマグネシウムと紙から低環境負荷の新型電池を開発 塩水で駆動、ウェアラブルSpO2測定器やGPSセンサー用電源に応用

資源が豊富なマグネシウムと紙から低環境負荷の新型電池を開発塩水で駆動、ウェアラブルSpO2測定器やGPSセンサー用電源に応用

2024年3月19日 11:00 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所　教授　藪浩
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

安全な触媒と紙、マグネシウムをベースに「金属空気紙電池」を作製しました。
塩水をトリガーに8Vの電圧と100mW/cm²以上の出力を実現しました。
ウェアラブル酸素飽和度SpO₂測定器⁽^注¹⁾やGPS⁽^注²⁾センサー用電源への応用が可能であることを実証しました。他にも様々なウェアラブルデバイスや非常用電源などへの応用が期待されます。

【概要】

次世代のエネルギーデバイスには、高出力・高容量だけでなく環境負荷が低いことも求められます。しかし一般的な電池には、環境負荷が高くて資源量に制限のある様々な重金属やプラスチックが材料として多用されてきました。

東北大学材料科学高等研究所(WPI-AIMR)の藪浩教授(主任研究者、同研究所水素科学GXオープンイノベーションセンター副センター長)、電力中央研究所の小野新平上席研究員、東北大学発ベンチャーのAZUL Energy株式会社（宮城県仙台市、伊藤晃寿社長）、英国のスタートアップであるAMPHICO（アンフィコ、登記名：Amphibio Ltd、英国ロンドン、亀井潤社長）からなる研究グループは、燃料電池と金属空気電池の一種であるマグネシウム空気電池^（注³^）を独自の安全な電極触媒と紙をベースに作製し、環境負荷の高い重金属やプラスチックをほとんど使わず、塩水という身近な材料をトリガーにウェアラブルデバイスを駆動するのに十分な1.8 Vの電圧と100 mW/cm²以上の出力、968.2 Wh/kg_(Mg)の容量を示す高性能な「金属空気紙電池」を実現しました。

本電池は塩水をトリガーとして発電します。この特徴を活かし、コロナウイルス感染に伴う血中酸素濃度の低下を監視するウェアラブルなSpO₂測定器の電源として、また、溺れた際に要救助者の位置を特定するGPSセンサーを搭載したスマートライフジャケットの電源として利用できることを実証しました。

本電池は高性能でありながら、土壌や海水中に豊富に存在するマグネシウム、安全な触媒、紙、炭素など、環境に優しい素材で構成されているため、廃棄時の環境負荷が非常に低く安全であり、様々なウェアラブルデバイスや非常用電源などへの応用が期待されます。

本研究成果は、現地時間の3月18日に英国化学会による科学誌RSC Applied Interfacesのオンライン速報版に掲載され、同誌のoutside coverにも採択されました。

図1. 金属空気紙電池の模式図と性能(左)、及び様々なウェアラブルデバイスへの実装(右上)。右下は用いた正極触媒の作製方法。

【用語解説】

注1. SpO²測定器
パルスオキシメーターとも呼ばれ、動脈における酸素飽和度(SpO²)を測定する医療機器。酸素に結合したヘモグロビンとしていないヘモグロビンでは色が異なることから、波長の異なる光を当ててセンサーが受け取るそれぞれの光の量を比較して飽和度を算出する。

注2.GPS
Global Positioning Systemの略で、米国防総省が開発した代表的な衛星測位システム（GNSS）。人工衛星を利用して現在位置を測定するシステムで、受信機が複数の衛星から電波を受信することで緯度・経度・高度を割り出すことができる。GNSSには他に日本の「みちびき」、EUのGalileo、ロシアのGLONASS、中国の「北斗」、インドのNAVICがある。

注3. マグネシウム空気電池
負極材料にリチウムより豊富なマグネシウムを用いた電池。水や食塩水を注ぐことで発電する。長期保存可能な使い切りの一次電池は実用化されており、非常用や災害用として販売されている。一方、繰り返し充放電できる二次電池は、次世代の蓄電池の1つとして注目されている。

詳細（プレスリリース本文）