IoT用センサーのバッテリーフリー化を可能にする蓄電デバイスを開発

モノのインターネット化が進んだスマート社会では、様々な機器が情報空間につながり多くの情報が人工知能で処理され、新しいサービスや付加価値が生み出されている。この中で、多種の膨大な数のセンサーが様々なシーンで大量に利用される社会が到来すると考えられている。

しかし、これら膨大な数のセンサーへのエネルギーの供給が課題となっている。明るい場所であれば、太陽電池で発電してバッテリーに給電するなどの方法が可能だが、暗所での動作は困難だった。暗所でも温度差があれば使える発電として、半導体等の材料の熱起電力を利用した熱電発電が知られている。それでも既存の技術ではその小型化・高性能化には限界があると考えらえている。加えて、発電素子に加えて従来は蓄電池の利用が不可欠だった。

開発した熱電バッテリーは、nmサイズのナノチャンネル（貫通穴）における熱浸透流を利用して発電し、温度差がない状態ではこのナノチャンネルが電解液中のイオンにより閉じてしまうことを利用して蓄電する。通常、ナノチャンネルの内部には、イオンが移動し電気二重層と呼ばれるイオンの層が形成されている。チャンネルの寸法が小さいと、この電気二重層により電気は流れない。

しかし、温度差をその両端に加えるとこのイオンの層の厚さに分布が生じ、イオンの流れが生じ電流が流れて電荷が蓄積される。試作した熱電バッテリーは、小型の電解液体容器を10nm径のナノチャンネル（貫通穴）をもつ薄膜で2つに分割した構造を持ち、それぞれの電解液室には金属電極が形成されている。電解液を入れて温度変化を与えた実験で、既存の固体熱電素子と同等以上の発電性能が得られ、しかも発電したパワーを蓄電できることを確認した。

東北大学によると、今回の熱電バッテリーは更に大きな出力と蓄電容量を目指して開発を加速し、2022年にIoTセンサー給電システムとしてのサンプル提案を目指しているという。