开发出新型能量收集技术“湿度可变电池”

开发出新型能量收集技术“湿度可变电池”

2022/01/31

新型能量收集技术 开发“湿度可变电池” 旨在利用湿度变化“随处发电”

IoT（物联网）时代已到达 - 各种设备已连接到互联网，业务发生重大变化人们的生活方式将发生巨大变化物联网传播的技术开发在许多领域都取得了进展，但以下被认为是未来发展的关键：运行各种终端设备的电源问题此外，在物联网不断进步的同时，旨在实现脱碳社会的社会运动正在迅速增长，人们对可再生能源的使用的期望也越来越高。在这种情况下，以下作为一种有前途的供电方法而受到关注。“能量收集”，提取环境中存在的少量能量的发电方式AIST这次公布的方法是通过捕捉空气湿度变化来发电的“湿度可变电池”由非电池专家的研究人员以新的想法开发出的方法，不受传统思维的束缚，您可以在“任何地方”发电，无论地点和时间这是最大的特点。我们向研究人员询问了 AIST 未来计划如何进行实际应用。

“随处发电”带来的未来可能性

　2021年6月，AIST推出了一种“湿度可变电池”，可以利用空气中湿度的变化来发电，作为“能量收集”的新方法（6/2 新闻稿文章)。

　能量收集是一种将我们周围存在的少量能量转化为电能的技术，典型的例子就是太阳能电池。其他利用振动、热量、电磁波和温差等各种能量的电池正在研究和开发中，但正如太阳能电池所见，大多数能量收集方法都对提取能量的位置和时间有限制，问题是它们受到安装位置和发电时间的限制。

　此次公布的“湿度可变电池”几乎可以在任何有空气的地方发电，因此如果投入实际使用，有望成为一项为能量收集带来新可能性的技术。

前所未有的全新发电机制

　对于利用湿度变化进行发电，有一些利用湿度引起的材料膨胀和收缩的方法，以及使用多孔固体的先前研究，但这些方法都没有实现高效发电。这次，AIST人类增强研究中心的驹崎雄介构想的电池，采用了潮解发电和盐度差发电相结合的机制来发电，并采用了与以往研究完全不同的发电原理。

　湿度可变电池利用结合潮解特性（吸收空气中的水分形成水溶液的特性）和盐度差发电的机制来发电。使用潮解性氯化锂水溶液作为电解质，并将其暴露于大气中。然后，在低湿度环境中，水分蒸发，电解液浓度增加，而在高湿度环境中，水分被吸收，电解液浓度降低。这用于根据空气湿度在电池内部产生离子浓度差异，从而产生发电。''

　利用浓度差产生电压的技术被称为“盐度浓度差发电”。当容器内部被膜隔开，海水和淡水分别流过时，根据膜的特性，会产生浓度和压力的差异，从而用于发电。 Komasaki在湿度可变电池中也采用了这种结构，用阳离子交换膜（选择性地允许阳离子通过）分隔电池内部，将电池分为电解液暴露在空气中的开放槽和封闭槽。由于不暴露于空气的密闭罐中的浓度保持恒定，因此随着湿度的变化，开放罐和密闭罐之间会出现浓度差。其原理是，这会在放置在每个罐中的电极之间产生电压，该电压可以作为电能提取。由于白天空气中的湿度会波动百分之几十，Komasaki 表示，通过使用这种技术，几乎可以半永久性地提取电能（见图“湿度可变电池机制”和“电池结构”）。

　这种电池最大的特点是可以在任何地方发电，但由于湿度可变电池利用空气中湿度的缓慢变化，因此不适合需要快速补充电力的应用，例如移动设备。它可能是一种适合长期获取数据的传感器和终端设备的技术，例如基础设施和农场监控。

实现与室内太阳能电池相当的输出

　能量收集的问题是产生的电量很弱。那么这种湿度可变电池怎么样呢？

　驹崎每两小时重复30%和90%湿度的条件，测量电池的电压变化，从最大电压开始放电，测得最大输出为30μW。将此输出转换为单位面积为 33 μW/cm²，几乎相当于安装在室内的太阳能电池。此外，驹崎还利用在湿度为20%至30%的容器中充电一小时的电池，成功地运行了低于10μW的电机约两个小时，证实了电池可以长时间连续放电。虽然电量还很弱，但足以为已经实用化的太阳能手表提供动力。

　“令我惊讶的是，我们在开始研究后的短短几年内就能够产生如此多的电力。这些结果是在受控条件下获得的，在日常条件下不可能立即获得类似的结果，但我相信未来有足够的潜力超越室内太阳能电池。”小马崎对未来的进展充满信心。

实际应用的挑战是小型化、高输出和电池外围设备的开发

　未来，为了将电池集成到物联网设备中并使用它们，电池的小型化也将是一个重要的问题。 Komasaki重新审视了电池单元的结构和制造工艺，成功地将电池单元的尺寸从原来的6厘米见方缩小到了35厘米见方。他们还通过堆叠微型电池并将其串联来制造具有更高电压的发电元件。这是一种利用湿度可变电池特性的尝试，即使通过暴露对湿度变化敏感的表面来堆叠，电池也能发电。

　通过电池验证实验和小型化，其他问题也变得显而易见。 Komasaki 指出，“考虑到日常环境中的实用性，提高电压并开发用作电源的外围电路非常重要。”

　低电压的主要原因已确定是一种称为“自放电”的现象，即水和阴离子从电池内部的阳离子交换膜流出，减少了电解池中的浓度差，导致电压下降。这个问题对于盐度差发电和燃料电池等其他技术来说是常见的，并且被认为是电池电压低于其理论值的原因。我们正在考虑通过对离子交换膜进行处理来解决这个问题。

另外，外围电路的发展如何？ “湿度可变电池的电压较低，电压的大小和方向会根据湿度而变化，因此很难单独使用电池作为电源。因此，有必要通过以恒定水平增加电压或将其存储来将电池的电压转换为可用电力。Komasaki 认为，这些问题不是湿度可变电池所独有的，而是一般能量收集所共有的，并且可以通过与 AIST 能量收集和半导体相关研究人员以及外部合作来解决。派对。

由不同领域的研究人员以新想法开发

顺便说一句，开发这种湿度可变电池的小正崎并不是电池领域的研究人员。

　“最初，我参与了开发各种传感器的研究。当我制作湿度传感器时，一位同事恰好在研究基于温度变化的发电，所以我认为也许可以利用湿度差异发电，”驹崎回忆道。我在2019年春天提出了这个想法，并在夏天固化了这个机制的想法。令人惊讶的是，开发速度如此之快，从那时到原型发布大约花了两年时间。

　当我还是学生的时候，我的研究课题是电子纸和微信。即便如此，我对制造和开发比对科学更感兴趣，我想在我的研究中创造一些有趣的东西。即使是现在，我仍然强烈希望专注于整个系统的想法并做新的事情，而不是电池本身。”

　驹崎所属的人类增强研究中心（HARC）旨在通过融合传感器设备、信息技术、机器人技术、感觉/认知科学、服务和设计等领域，创建与人类密切合作并增强人类能力的系统（技术）。

　在人类增强研究中心，有一些研究人员正在从事电池开发等类似领域的研究，也有一些研究人员正在尝试通过测量床上用品和衣服的湿度来测量舒适度。我们还通过咨询和听取各方人士的建议来进行湿度可变电池的开发。''

　驹崎正在一步一步地开发一种湿度可变的电池，这种电池是他通过同事的工作提出的，可以在日常环境中长时间使用。

　有时我们被问到是否有可能使用湿度可变电池建造一座发电厂。如果不显着提高性能和成本，很难做到这一点，但如果我们利用它们的可堆叠特性，我们也许能够比太阳能电池更有效地使用更少的土地来发电，”Komazaki 说。人们对这项新技术的期望越来越高，因为它具有高度通用性，因为它可以适应广泛的环境条件，而且其优势在于它可以“在任何地方”发电。