極少量の水で電気エネルギーを生成…KAIST、バッテリー充電まで成功

韓国科学技術院(KAIST・総長イ・グァンヒョン)は23日、新素材工学科のキム·イルドゥ教授チームが2次元伝導性ナノ物質のマキシン(MXene)素材と極少量の30マイクロリットル(㎕)の水で電気エネルギーを生成し、このエネルギーでバッテリーを充電できる環境にやさしい発電機を開発したと発表した。韓国メディア「電気新聞」が報じた。

研究チームは以前の研究で、伝導性炭素ナノ粒子がコーティングされた綿(cotton)繊維の片面に少量の水を落とすと、濡れた領域と乾いた領域に分かれ、小さな量の電気エネルギーが発生することを発見した。これを活用してLED電球の灯りをつけるのに成功したが、実生活に適用するにはエネルギー生産能力が低く、制限的だった。

研究チームは発電効率を高めるため、水と親しい親水性表面を持ち、早い毛細管現象を誘発できる2次元伝導性物質に注目した。2次元物質の中でも伝導度が金属に近い転移金属炭化物(MXene)の一つであるTißC₂Txを綿繊維にコーティングして発電機を製造した場合、従来の炭素ナノ粒子が適用された発電機より約24倍高いエネルギー効率を示し、マキシンを伝導性高分子とさらに複合化した時、炭素ナノ粒子を使用した時より約100倍高いエネルギー効率を達成した。

マキシン素材が適用された自己発電機は、従来の炭素粒子が適用された素子より7.7倍小さいサイズでも、1㎤あたり30.9㎽という世界最高水準の電力密度を見せた。研究チームは、マキシン基盤の自己発電機16個を並列し、10個を直列に計160個を連結して商用リチウムポリマーバッテリー(30mAh、3.7V)を20分間14%の容量を充電することに世界で初めて成功した。

今回の研究結果は、既存の伝導体上に水の非対称的吸着と蒸発を活用したエネルギーハーベスティング研究などで見せた制限的なエネルギー生産能力によって、単にLED電球の灯をつける水準から、バッテリーを充電できる水準に大きく向上した性能が特徴だ。これは様々なモノのインターネット(IoT)、ウェアラブル機器などに活用できるものと期待される。

キム教授は「どこでも簡単に手に入る水や汗、または大気中に飛び散って消える水分をエネルギー源として活用できるエネルギーハーベスティング技術で、持続的に発電できる長所がある」とし「伝導性2次元物質のマキシン物質を使用した場合、水と親しい性質と速い水拡散特性によって大きく向上した性能を確認し、高いエネルギー出力を活用した非常電力生産または自己発電機の大きさ増大を通じて大容量の二次電池を充電する非常電源用途などに活用できる」と述べた。

参考記事:KAIST、リチウム金属電池の寿命を延ばす電解液添加剤技術を開発
参考記事:KAIST「リチウム-空気バッテリー」のエネルギー貯蔵素材開発と発表
参考記事:KAIST、寿命の長い次世代電池「高容量リチウム過剰正極材料」を開発

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