国立先进工业科学技术研究所（主席：Kazuhiko Ishimura）（以下简称“AIST”）、传感系统研究中心（研究中心主任：Toshihide Kamata）和人类增强研究中心（研究中心主任：Masaaki Mochimaru）研究人员 Tomoaki Komazaki 及其同事开发了一种“湿度可变电池”，可以利用环境中湿度的变化来发电空气。
利用环境中存在的微量能量，如热电元件、太阳能发电、振动发电等，作为小型电子设备的独立电源能量收集技术已经发展了很多年，但热、光、振动等传统能源只存在于有限的地方，很难说该技术可以在任何地方发电。因此，人们正在努力开发能量收集技术，利用地球上几乎无处不在的湿度（空气中的水蒸气）作为能源。然而，现有的利用湿度的发电元件，可获得的电流为nA至μA级别，因此不能被视为实用的电源。新开发的变湿电池采用了潮解材料与盐度差发电相结合的新原理，并且由于内阻较低，因此可以连续汲取毫安级电流。该设备只需将其暴露在空气中即可利用昼夜湿度差来发电，因此有望用作物联网设备和其他设备的超低功耗电源。
有关该技术的更多信息，请参阅英国皇家化学学会期刊可持续能源和燃料2021 年 6 月 2 日。
开发的湿度可变电池（左）和改变湿度时湿度可变电池的电压（右）
近年来，随着科技的进步，各种电子设备开始投入使用，并且其数量正在稳步增加。将我们周围事物的信息连接到互联网的物联网（IoT）技术正在不断进步，并且这一趋势预计将持续下去。如果电子设备的数量不断增加，如何为数量庞大的电子设备供电的问题就出现了。随着电子设备数量的增加，人们认为连接电源线、定期充电和更换电池在物理空间和劳动力方面将变得不切实际。因此，正在开发能量收集技术，以利用环境中的微量能量独立发电，但在传统技术中，所使用的能量并不是随处可用，并且很难实现“可以在任何地方发电”的技术。
AIST 传感系统研究中心与 AIST 人体增强研究中心合作，开发用于可视化人周围信息的高性能传感技术，以及驱动电源和无线数据传输等各种传感相关技术。这次，我们基于传感系统研究中心拥有的湿度传感器技术开发可变湿度电池。
这项研究和开发得到了国家研究开发机构新能源和产业技术开发组织、NEDO领先研究计划/Unexplored Challenge 2050“湿度可变发电元件的研究和开发”（研究代表：Tomoaki Komazaki）的支持。
新开发的湿度可变电池是潮解无机盐水溶液的吸湿作用盐度差发电的技术，可以利用湿度波动来发电。迄今为止，人们一直在研究使用氧化石墨烯等吸收水分时产生电压的材料的发电元件，但这些元件具有数kΩ以上的高内阻，因此难以提取毫安级电流。新开发的湿度可变电池的工作原理与以前的电池不同（图 1）。湿度可变电池由一个与大气相通的开放式槽和一个密封的封闭式槽组成，两个槽中充满由水和潮解性锂盐组成的电解液。当这种电池暴露在低湿度环境中时，水从开放槽中蒸发，浓度增加，而在封闭槽中浓度不会变化，因为它是密封的。这会在开放罐和封闭罐之间产生浓度差，并在电极之间产生电压。相反，当暴露在高湿度环境中时，敞口罐中的水溶液吸收空气中的水分，其浓度降低。结果，在与之前相反的方向上产生浓度差，并产生相反方向的电压。如果重复这个过程，理论上可以从湿度波动中半永久性地提取电能。由于昼夜温差的变化，空气中的湿度在一天中会波动百分之几十，因此，如果我们使用它，我们就可以创造一种只需将其放置在适当位置即可在任何地方发电的技术。这项技术可以说是一种利用空气中轻微湿度波动的新型可再生能源。
图1 湿度可变电池工作原理
这次，我们实际上制作了一个湿度可变的电池，并在可以控制温度和湿度的恒温恒湿室中每 2 小时重复一次 30% 和 90% 的湿度。当湿度为 30% 时，产生约 22 至 25 mV 的电压，当湿度为 90% 时，产生约 -17 mV 的电压（图 2）。当我连接负载并测量电压最大时的输出时，最大输出为 30 µW (33 µW/cm2)的输出。另外，短路电流为 5 mA（056 mA/cm2)，能够输出1mA以上的电流1小时以上。此前还没有任何利用湿度的发电技术能够长时间输出如此大的电流的报道，可以说该装置具有极高的电流供给能力。这是因为该元件是由溶液制成的，并且具有比传统元件更低的内阻。
图2 湿度变化时的湿度波动电池电压（左）和连接负载时的输出（右）
此外，作为节电设备运行的演示，我们制作了一个可以以低于 10 µW 的功率驱动的低功耗电机，并使用湿度可变电池来驱动它。当将湿度可变电池放置在保持20%至30%湿度的密闭容器中并在电压达到一定值后连接到电机时，所存储的能量能够使电机旋转两个半小时以上（见视频）。
通过这种方式，湿度可变电池可以长时间稳定地从湿度波动中提取相对大量的能量，有望用作物联网设备的电源。
我们将继续针对实际应用进行研究，包括进一步提高长期使用过程中的输出和耐用性。