mile米乐m6官网 可根据湿度变化发电的“湿度可变电池”的性能得到了改善

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）人类增强研究中心 驹崎佑介，首席研究员 野岛大树，首席研究员 平间广田，传感系统研究中心 首席研究员 渡边雄一，首席研究员 末森浩司，首席研究员 上村清 研究中心主任开发了一种湿度可变电池，其输出已提高到它可以驱动电子电路，并且是世界上第一个成功地通过利用湿度变化发电来驱动无线传感器长达四个多月的时间。

湿度可变电池利用昼夜湿度的变化来发电，因此除了湿度恒定的环境外，它们可以在任何地方发电，使其成为一种新的选择。能量收集作为一项技术，它有望用作小型无线传感器的电源。到目前为止，发电输出很低，不足以驱动电子电路。然而，这次我们使用陶瓷固体电解质膜提高了输出，并成功驱动小型无线传感器四个多月。预计这将使使用无需更换电池的免维护无线传感器成为可能，即使是在无法使用太阳能电池的黑暗地方，例如桥下或机器控制面板内部。

此外，我们导出了利用湿度变化发电的热力学理论，新开发的湿度可变电池是准静态循环理论上证明可以100%效率发电。通过利用这一理论，我们可以期待研究能够提高湿度可变电池的性能。

此研究结果的详细信息将于 2025 年 1 月 21 日（中欧标准时间）公布。高级能源与可持续发展研究它还将于 2025 年 1 月 29 日至 31 日在东京国际展示场（东京都江东区）举办的“MEMS 传感与网络系统展览会 2025”上公布。

在基础设施维护和农业等领域，人们期望通过物联网技术和传感器实现更智能的监控，但确保现场安装的传感器的电源一直是一个问题。电池需要定期更换，太阳能电池不适合在黑暗的地方使用。在这一点上，湿度可变电池利用昼夜湿度的变化来发电，因此几乎可以在任何地方发电，并有望用作小型无线传感器的电源。

AIST一直在开发一种将潮解性无机盐水溶液的吸湿效应与盐度差发电技术相结合，根据湿度变化来发电的装置。2021 年 6 月 2 日 AIST 新闻稿）。

迄今为止开发的湿度可变电池中，由于内部使用的聚合物阳离子交换膜的透水性引起的自放电，大部分从湿度变化获得的能量被浪费了。结果，发电所能获得的电量很少，难以驱动电子电路。因此，我们使用不允许湿气透过的陶瓷固体电解质膜，完全消除了自放电，开发了高输出湿度可变电池。

此外，迄今为止，利用湿度变化发电的热力学理论尚未建立，并且在给定特定湿度变化时可以从湿度变化电池中提取的最大能量以及理论上的最大发电效率尚不清楚。在这项研究中，除了提高湿度可变电池的输出之外，我们还导出了一个理论并对其进行了验证。

这项研究和开发得到了 NEDO（新能源和产业技术开发组织）的 NEDO 领先研究计划/未探索的挑战 2050 项目“湿度可变发电元件的研究和开发”（2019-2023 年）的支持。

通过使用全固态电池中使用的锂离子导电陶瓷固体电解质膜，我们显着提高了湿度可变电池的性能。湿度可变电池是利用空气湿度的变化来发电的发电元件。将高吸湿性的电解质(氯化锂水溶液)和电极收容在大气开放室(开放槽)和密闭室(密闭槽)中，开放槽和密闭槽由阳离子交换膜隔开。当环境湿度变化时，敞口槽内电解液中的水分蒸发，或者电解液吸收空气中的水蒸气，引起浓度变化。由于密闭槽是密封的，电解液的浓度不会因湿度的变化而变化，在开放槽和密闭槽之间会产生浓度差，从而在电极之间产生电压。迄今为止，基于聚合物的膜已被用作阳离子交换膜。基于聚合物的阳离子交换膜除了阳离子之外还允许水渗透，因此即使电池内部由于湿度变化而出现电解液浓度差异，水也会因渗透压而移动，从而减小浓度差异。湿变电池的电压是由浓度差产生的，因此浓度差的减小会导致电压的下降。这种现象称为自放电，因为即使不放电电压也会降低。先前的研究表明，传统的湿度可变电池会因自放电而浪费大量能量。

这项研究的独特之处在于，我们使用不允许任何湿气通过的锂离子导电陶瓷固体电解质膜，而不是传统的聚合物基阳离子交换膜。这消除了自放电，并能够产生比以前更高的输出功率。图1显示了所开发的湿度可变电池的结构和照片。尺寸为W35×D35×H5mm，内部隔膜使用20μm厚的玻璃陶瓷电解质膜（LICGC™ SP-01，由OHARA Co, Ltd制造）。

图2(a)显示了在90%湿度的实验环境中完全放电后湿度降至30%时测量可变湿度电池的最大输出的结果。最大功率为25 mW，每膜面积的功率密度为436 µW cm⁻²这高于使用传统聚合物阳离子交换膜时获得的功率密度（64 µW cm⁻²)的68倍，实现了显着的输出改进。图2(b)显示了连续测量安装在室外的这种湿度可变电池的输出的结果。经证实，由于昼夜湿度变化，可以发电3个月以上，期间最大输出为348μW（604μW·cm⁻²)，平均功率为 175 µW (30 µW cm⁻²) 该平均输出是可以驱动无线传感器等节能电子电路的值。新开发的湿度可变电池即使在真实环境下也具有足够的发电性能。

为了证明电子电路可以由湿度可变电池驱动，我们开发了一种由湿度可变电池供电的无线传感器（图 3(a)）。该无线传感器检测两个湿度可变电池产生的电压。直流-直流转换器升高电压并将其存储在小型锂离子电池（容量08mAh）中。利用锂离子电池中储存的电力，测量温度、湿度和大气压力的传感器以及用于无线通信的集成电路每隔10分钟运行一次，并无线传输传感器测量数据和锂离子电池的电压数据。配备锂离子电池进行蓄电，即使湿度可变电池不发电也能继续工作。我们通过在室外安装这个无线传感器进行了演示实验（图3（b））。在此演示实验中，我们能够持续传输无线传感器数据四个多月（图 3(c)）。锂离子电池的电压在实验开始时约为25V，在大约10天后增加到充满电（28V），并能够在之后的两个月内保持接近充满电的电压。此后，锂离子电池的电压逐渐下降，但推测这是由于湿度可变电池的劣化导致发电量下降。如果在湿度可变电池不产生任何电力的情况下操作无线传感器，锂离子电池的电压将在大约 25 天内从 28 V 降至 20 V。因此，人们认为，即使在无法再保持充满电后，仍由湿度可变电池供电，并且锂离子电池的电压下降速度减慢，从而可以长时间运行。迄今为止，已有四个多月没有报道过利用湿度变化驱动电子电路发电的例子，而此次演示实验在世界上尚属首次。

我们还针对开发的不会自放电的湿度可变电池，利用湿度变化推导出了以前未知的发电热力学理论。该热力学理论设计了V-Q图（电压-电荷图）和μ-n图（化学势-吸湿图）来说明湿度发电循环，并且可以计算使用湿度可变电池可以提取的最大能量以及给定特定湿度变化时的理论最大发电效率。这表明所开发的无自放电的变湿电池是一种优异的发电方法，在准静态循环中发电效率为100%。通过实验，我们已经证实，随着湿度变化变慢并接近准静态循环，发电效率会提高。通过在 96 小时内施加非常缓慢的湿度变化，发电效率达到 60%（图 4）。

在这项研究中，我们开发了一种可以驱动电子电路的高输出湿度可变电池，并导出了湿度可变电池的热力学理论。这证明了湿度可变电池作为小型独立电源的潜力，并加深了学术界对利用湿度发电的理解。

利用新开发的技术和热力学理论，我们将进行旨在实现更高产量的研究和开发。为了将湿度可变电池投入实际使用，有必要提高其耐用性，使其寿命达到10至20年，比一次电池更长，我们将继续研究和开发以实现这一目标。

已出版的杂志：高级能源与可持续发展研究
论文标题：通过日常湿度循环及其热力学收集湿电能量
作者：驹崎佑介、野岛大树、平间广田、渡边雄一、末森浩司和植村诚
DOI：https://doiorg/101002/aesr202400342

展会名称：2025年MEMS传感及网络系统展
日期：2025 年 1 月 29 日至 1 月 31 日
地点：东京国际展示场
网址：https://wwwoptojapanjp/mems/ja/
展位号：5D-11

能量收集

一种利用环境中存在的微量能量发电的技术。它有望成为一种在物联网和传感应用中实现不依赖电源线或一次电池的独立电源的技术。也称为能量收集。[返回来源]

准静态循环

在维持热力学平衡状态时发生的循环。这里，它是指在保持湿度可变电池内的电解液与空气中的水蒸气之间的汽液平衡的同时，湿度缓慢变化的循环。[返回来源]

直流-直流转换器

将直流电压转换为另一个直流电压值的电源电路。[返回来源]