NTUシンガポールの科学者が生分解性印刷紙電池を開発 環境に優しい電池は、使い切ると数週間で土に還る 南洋理工大学（NTUシンガポール）の科学者は、紙のように薄い生分解性亜鉛電池を開発し、将来、柔軟で装着可能な電子システムの電源として、環境的に持続可能な選択肢となる可能性があることを明らかにしました。
NTUシンガポールが開発した亜鉛電池は、ハイドロゲルで補強したセルロース紙の両面に電極（電流が出入りする部分）をスクリーン印刷したものである。 電池を使い切ったら土に埋め、1カ月もすれば完全に分解される。この電池を使った実証実験については、『日本経済新聞』に掲載された。 科学雑誌「Advanced Science, NTUのチームは、4cm×4cmの正方形の印刷紙電池で、小型扇風機を45分間以上駆動できることを実証しました。
紙電池を曲げたりねじったりしても、電力供給が中断されることはありませんでした。また、4cm×4cmの紙電池を使ってLEDに電力を供給する実験では、紙電池の一部を切り取ってもLEDは点灯し続け、切断しても電池の機能には影響がないことが示されました。この電池は、すでに発売されている折りたたみ式スマートフォンなどのフレキシブル電子機器や、健康状態を監視する生体用センサーに組み込むことができると考えています。
NTU物理数理科学研究科のFan Hongjin教授(本研究の共同研究者)は、次のように述べています。"従来の電池にはさまざまなモデルやサイズがあり、デバイスに適したタイプを選択するのは面倒な作業でした。私たちの研究によって、よりシンプルで安価な電池の製造方法を示しました。
その結果、よりシンプルで安価な電池の製造方法を見出しました。このような特長をもつ私たちの紙電池は、徐々に開発が進んでいるフレキシブル電子機器に組み込むのに理想的です。
NTU電気電子工学部のLee Seok Woo助教授とこの研究の共同主執筆者は、次のように述べています。「私たちが開発した紙電池は、無毒で、電池部品を封入するためのアルミやプラスチックのケーシングを必要としないため、電子廃棄物問題の解決に役立つ可能性があると信じています。また、包装層を避けることで、より小さなシステムでより大きなエネルギー、つまり電力を蓄えることができるのです」。
NTUの研究チームは、研究員のYang Peihua博士とLi Jia博士も参加し、プリント紙亜鉛電池を開発しました。これは、NTU2025ビジョンと大学の持続可能性宣言に沿ったもので、人類の緊急の大問題を解決するための持続可能なソリューションを開発しようとするものです。
サンドイッチ型」電池を作製
電池は、電気化学反応によって電気エネルギーを発生させ、機器に電力を供給する。電池の内部構造は、通常、金属製またはプラスチック製のケースに収められている。このケースの中に正極と負極があり、これが電気化学反応を起こす電極となる。正極と負極の間にはセパレーターがあり、電極が接触するのを防ぐとともに、電荷が自由に流れるようにし、短絡を防いでいる。また、電池の内部には電解液と呼ばれる媒体があり、正極と負極の間を電荷が流れるようになっている。NTUの研究者たちは、より薄く、より軽い、パッケージ不要の試作品を開発するため、電池に「サンドイッチデザイン」を採用しました。電極をパンの切れ端に、電極が印刷されたセルロース紙をサンドイッチの具に見立てたのです。
製造工程では、まずセルロース紙をハイドロゲルで補強し、セルロースが本来持っている繊維の隙間を埋めることから始める。これは、電極の混合を効果的に防ぐ緻密なセパレータを形成するもので、「電極インク」として調合され、ハイドロゲルで強化されたセルロース紙の両面にスクリーン印刷される。陽極インクは、亜鉛とカーボンブラック（導電性炭素）を主成分としたものです。正極インクは、マンガンを使ったものとニッケルを使ったものを開発したが、研究チームによると、他の金属も使える可能性があるという。電極を印刷した後、電池を電解液に浸す。その後、電池の導電性を高めるために、金薄膜の層を電極にコーティングする。最終的な厚さは約0.4mmで、人間の髪の毛2本分の太さである。
環境に配慮した代替品
ヒドロゲルとセルロースは、バクテリア、菌類、その他の微生物によって自然に分解されるため、電池の寿命が尽きたら土に埋めるだけで、数週間で分解され、完全に生分解される製品となっています。この紙電池の生分解性を実証するため、NTUの研究者はNTUキャンパス内の屋上庭園の土に紙電池を埋めました。ハイドロゲルで補強したセルロース紙は、2週間後に破れ始め、1ヶ月で完全に分解されました。
Fan教授は次のように述べています。「分解が起こると、電極材料が環境中に放出されます。正極に使われているニッケルやマンガンは、天然の鉱物の形に近い酸化物や水酸化物の形で残ります。
負極に使われている亜鉛は、自然に酸化して無害な水酸化物になります。このことは、現在の電池に代わる、より持続可能な電池となる可能性を示しています。今後、NTUの研究チームは、印刷紙電池を他の印刷電子機器、電子皮膚、さらに環境に配備されたエネルギー貯蔵システムに完全に統合することを実証することを望んでいます。
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