オーストリアの研究者が最初の拡張可能で生分解性のバッテリーを開発

このトピックについて書いている理由:

ウェアラブルおよびインプラント用のこの拡張可能で生分解性のバッテリーは、素材の拡張性とその生分解性を初めて兼ね備えています。

柔軟で拡張可能なエレクトロニクスとロボット工学は、新しいアプリケーションを約束します。 たとえば、ヘルスケアは、ウェアラブル デバイスや埋め込み型電子機器から恩恵を受ける可能性があります。 この例としては、健康データを測定する使い捨てセンサーや、薬物を体内に放出するスマート インプラントがあります。 研究対象は複雑で、世界中の科学者を占めています。 最新の成果の 1 つは、最初の 拡張可能で生分解性のバッテリー. 高さはわずか数センチで、将来のスマートヘルス製品の原動力となる可能性を秘めています。 彼らはそれを発明しました マーティン・カルテンブルンナー教授 とその大学院生 ヨハネス・ケプラー大学 (JKU) リンツ.

増え続ける電子廃棄物の山

カルテンブルンナー教授は、 JKU グループ ソフトマター物理 新素材分野の基礎研究を行っています。 ソフトロボティクス そしてエラストマー。 彼の専門の 1 つは、新しいエネルギー源です。 彼の前任者であるジークフリート・バウアーは、2010 年に世界初の拡張可能なバッテリーを発表しました。彼は現在、最初の拡張可能かつ生分解性のバッテリーの開発に成功しています。 “医療分野への応用皮膚のセンサーなどは短時間しか着用されず、使い捨て製品には環境に優しく生分解性の素材が特に重要です。 2019 年現在、毎日 140,000 トンの電子廃棄物が生成されており、その量は指数関数的に増加しています。 だからこそ、どうすればエレクトロニクスとロボット工学を持続可能にすることができるか、また、エレクトロニクスとロボット工学のソフトフォームなど、新しい研究分野で同じことができるかについて、今から考え始める必要があります。」

ツールの量が増えると、電子廃棄物の山も増えます。 2019 年現在、毎日 140,000 トンの電子廃棄物が生成されており、その量は指数関数的に増加しています。 だからこそ、どうすればエレクトロニクスとロボット工学を持続可能にすることができるか、また、エレクトロニクスとロボット工学のソフトフォームなど、新しい研究分野で同じことができるかについて、今から考え始める必要があります。」

Martin Kaltenbrunner 教授、JKU リンツ

拡張可能で生分解性のバッテリー

研究では、拡張可能なバッテリーと生分解性バッテリーのアプローチがすでに確立されています。 しかし、これらの決定的な特性の間の関連性は、まだ失われている場合がありました。 いくつかの側面で、従来のバッテリーは耐久性があり柔軟な電子機器と区別されているためです。従来のバッテリーは硬く、通常は有毒な金属を含んでおり、まだ簡単にはリサイクルできません。 これがプロジェクトの出発点でした、と Kaltenbrunner は説明します。

電池は、一般的に骨格と活物質で構成されています。 下 スケルトン ハウジングとセパレーターが含まれています。 セパレータは、2 つの電極 (アノードとカソード) を互いに分離する層です。 イオンは陽極と陰極の間で交換され、イオンの循環は、例えば苛性カリ (水酸化カリウム (KOH)) からなる電解質によって可能になります。 アノードとカソードの間のセパレーターは、短絡の発生を防ぎます。

材料の問題

通常の電池では、ケースはスチール製で、電極は酸化マンガンと亜鉛でできています。 セパレータは紙のような布でできており、電解液は苛性カリ(水酸化カリウム(KOH))でできています。 これらの材料のすべてが特に柔軟性があり、生物学的に適合しているわけではありません。特に、濃縮された苛性カリはそうではありません。 したがって、研究者はまず、拡張可能な生分解性バッテリーの個々の部品を特定および/または作成する必要がありました。

材料は、バッテリーを製造する必要がありました。つまり、電気化学的要件を備えていると同時に、健康に無害で、生分解性で、機械的に拡張可能でなければなりませんでした。 Kaltenbrunner は、これらすべての要件を満たす材料の膨大な選択肢はないと指摘しています。

研究者は、ケーシング用のエラストマーを合成しました – セバシン酸ポリグリセリン (PGS) – 伸縮性と生分解性があります。 たとえば、堆肥には、食物としての材料を必要とする酵素さえあります. シートは活物質 – アノードとカソード用に作られました マグネシウム酸化モリブデン 使用済み。 どちらの物質も無害であり、微量元素として体内にも存在します。 電解質とセパレーターは、生分解性のアルギン酸カルシウムゲルに置き換えられています。 ヒドロゲルであり、溶解塩 (塩化カルシウム) を含むため、アノードとカソードを機械的に分離し、イオンを伝導することができます。

拡張可能で生分解性のバッテリー、Martin Kaltenbrunner、JKU。 ウェアラブル、インプラント
電池の膨張と生分解を可能にする切り紙電極 (c) Whiley

幾何学的および機械的に伸縮性があります

陽極の材料を見つけることは特に困難でした。 それは金属でなければならないからです – そして金属は通常柔軟性がありません. 使用したものと同じ マグネシウムシート 拡張性がないという問題に直面しました。 これを回避するために、チームは 切り紙 on は、紙や板金などの硬い素材を幾何学的かつ機械的に伸ばす、正確に定義された日本の型抜き技術です。 それにもかかわらず、マグネシウム シートの弾力性は限られているままです、と Kaltenbrunner は説明します。 伸ばした状態でも、できるだけ多くの電極領域を使用できるようにする必要があります。 研究者によると、これが葉が電子を伝導して電気を供給する唯一の方法です。

Kaltenbrunner と彼のチームが開発した拡張可能な生分解性バッテリーのエネルギー密度は、1 平方センチメートルあたり 1.72 ミリワット時です。 に比べたら大したことない ポリマーリチウム電池、60倍のパワーを生み出します。 しかし、このエネルギー密度は、センサーに数時間エネルギーを供給するのに十分です。 たとえば、アスリートはこのバッテリーを使用して、トレーニングの進捗状況を分析できます。 センサーで皮膚のナトリウム含有量を測定し、そのデータをスマートフォンに送信できます。

水溶性および生分解性

使用後は、蓄えられたエネルギー全体を簡単に堆肥化できます。 材料は水溶性で、水に触れるとすぐに分解します。 テスト中、バッテリーは摂氏 37 度の水温にさらされ、11 週間後に 70% 以上分解されました。 健康分野での将来のアプリケーションに関しては、バッテリーが完全に無害であることが重要です。 原則として、飲み込むことさえでき、胃の中で完全に分解されます。

Kaltenbrunner と彼の博士課程の学生にとって、研究目的は達成されました。 すべての素材は伸縮性があり、環境に優しく、生分解性です。 しかし、彼らはより高いエネルギー密度を達成するために研究を続けたいと考えています。

Sugawara Sango

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