バイオバッテリー

従来の電池では、エネルギーは酸化還元状態に蓄えられます。しかし、食用電池では、研究者たちは化学結合にエネルギーを蓄える電池の開発を目指しています。イタリア工科大学では、消化管の情報を収集するために飲み込む小さな錠剤である、摂取可能な電子機器の研究が行われています。マイクロプロセッサやLEDを配置することで、ミニカメラを内部に組み込むことができます。現在、これらの電池はコストが非常に高く、環境にも負荷がかかる可能性があるため、その可能性は非常に限られています。カイローニ氏のチームは、金属電極を使わず、人々がすでに家庭に持っていて、エネルギーハーベスティングによって充電できるものを作ることにしました。研究者たちは、リボフラビン（ビタミンB2）が電池のアノードとして、ケルセチンがカソードとして機能することを発見しました。電極は蜜蝋でカプセル化され、セパレータは寿司に使われる海苔で作られています。この電池は0.65ボルトで動作し、体内で問題を引き起こさないことが証明されています。これは、48マイクロアンペアの電流を12分間供給するか、より低いレベルの電流を1時間以上供給することができ、低電力LEDを点灯させるのに十分な電力です。

これらの電池は、生物医学用途、特に胃のpHを測定する用途で研究されており、さらに開発が進めば、消化管疾患の診断と治療にも使用される予定です。^{[ 7 ] [ 8 ]}これらの電池の利点は、低電圧で動作することです。体内では、電池が分解して有毒物質を放出するリスクがあります。これは、約1.2Vを超えると特に危険です。他の市販の電池と比較した食用電池の安全性は、食品の品質監視や食用ソフトロボットへの応用も可能にします。

食用電池の効率は、発生可能な最大電圧で測るべきではありません。なぜなら、食用電池は1.2V以下の電圧を発生させるように設計されているからです。食用電池はより高い電圧を発生させる能力を持つ場合もありますが、摂取後の組織損傷や、死亡などのより深刻な副作用を防ぐためには、低電圧が必要です。食用電池の容量は10マイクロAhから20マイクロAh以上まで幅広くあります。また、一部の食用電池は充電式で、複数回使用できるものもあります。

ペンシルベニア州立大学の研究者たちは、複数の種類のハイドロゲルを積層する独自の製造方法を用いて、デンキウナギが電気パルスを発生させる際に自然界で見られるイオンプロセスを再現した構造を作り出した。彼らの研究成果は「Advanced Science」誌に掲載され、この手法によって柔軟性と環境安定性に優れた電源が実現した。

この研究のため、ペンシルベニア州立大学は電気魚の生物学を調査しましたが、課題は、ウナギにヒントを得たデバイスが、人間の設計を機能的にサポートできるほどの電力を生成できないことでした。そこで、極薄のハイドロゲルシートを作成することで、機械的な支持を必要とせずに、より多くの電力を生成することに成功しました。これにより、小さな体積から600ボルトを超える電力を生成することが可能になりました。バッテリーの無毒性を確保するため、ハイドロゲルのみで作られており、強力でありながら柔軟性も確保されています。

このプロセスは、厚さ20mmの回転面に材料を積層するスピンコーティングによって行われます 。このプロセスにより、機械的強度と柔軟性を維持しながら高出力が確保されます。ハイドロゲルはゲル状の性質を持つため、実際に高出力を得るには通常、外部支持構造が必要です。ゲルの粘度は、層を適切に形成する上で重要な役割を果たします。最初の試作品は回転台から滑り落ちてしまうため、層を確実に形成するために粘度と機械的強度を高める必要がありました。

ペンシルベニア州立大学材料研究所の装置を用いて、放電速度、電力密度、導電率などの電源からの電気化学的測定値を収集した。粘度が向上したことで、電力密度は以前よりも高い44 kW/m3に達した。この電力密度により、埋め込み型医療センサー、ソフトロボットコントローラー、ウェアラブル電子機器への電力供給が 可能になった。

空気に触れるとハイドロゲルが乾燥してしまうという懸念に対処するため、研究チームはグリセロールという化学物質を組み込んだ。これにより、ハイドロゲルは80℃でも凍結することなく機能を維持し、ほとんどのハイドロゲルよりも長く水分を保持できるようになった。現在、外部からの支持を一切必要とせず、ハイドロゲル溶液中に完全に封入された電源として機能するハイドロゲルは、これが唯一である。

デンキウナギ電池は柔軟性と生体適合性があり、生物医学用途に利用できる可能性がある。^{[ 9 ]}これらの電池は環境的にも安定しており、さらに開発が進めば、理想的には環境中で充電できるようになるだろう。^{[ 9 ]}このため、生物学的用途に適している可能性がある。

デンキウナギは、1回のバーストで600Vを超える電気を発生させることができ、非常に高い電力密度を実現できます。複数の研究により、デンキウナギの電解質とハイドロゲルで作られた電池セルは、100mVを超える電位と、0.001kW  /m^3から1500kW  /m^3までの最大電力密度を生成できることがわかっています。^{[ 10 ]} これらのセルは連結して、大きな電圧出力を持つセルを作ることができ、いくつかの研究では100Vを超える電圧が報告されています。^{[ 11 ] [ 12 ]}

微生物燃料電池（MFC）は、再生可能資源を動力源とする充電式バイオバッテリーとして機能します。発電性微生物バイオフィルムが有機物を酸化し、生成された電子を外部回路に伝達します。バイオ触媒は自然に自己組織化、自己修復し、変動する環境に適応します。しかし、アノード界面においては、適切な栄養素拡散、効率的な廃棄物除去、機械的堅牢性、高い電気伝導性、標準的な微細加工プロセスとの互換性、そして過酷な製造・保管条件下での微生物の持続的な生存性を確保することが課題となっています。

MFCは、有機物を電気に変換し、汚染物質を除去する能力があるため、廃水処理に応用できる可能性があります。試験済みの微生物燃料電池は、電池の構造、および使用される陽極、​​陰極、膜に応じて、家庭廃水および/または合成廃水からの流入排水の30%から95%を除去することができました。^{[ 13 ] [ 14 ]} MFCは、遠隔地でその地域特有の微生物を使用して電気を生産したり、環境特有のロボットに使用したりできる可能性があります。^{[ 15 ]}

微生物燃料電池の効率を調べるには、アノード、カソード、および膜を調べることが重要です。アノード、カソード、および膜の組み合わせによっては、電力密度が 0.5  mW/m^2 未満になるものもあれば、100 mW/m^2 を超えるものもあります 。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}炭素と白金は、これらのタイプのセルで最も広く使用されているカソードの 2 つです。白金は一般的な材料ですが、研究者は、より低コストで同様の効率を提供できる可能性のある他の材料があるため、よりコスト効率の高いカソードを探しています。カソードの主な目的は酸素還元反応を促進することなので、カソードの選択はバッテリーの電力密度に大きく影響します。異なる微生物は電力密度も大きく異なり、電力密度が 1  mW/m^2 をわずかに超える微生物もあれば、電力密度が 4000  mW/m^2 を超える微生物もあります。^{[ 19 ]}

バイオ電池は、糖類やデンプンなどの有機化合物の化学分解によって発電します。これは、重金属や合成化学物質に依存する従来の電池よりもはるかに持続可能な選択肢です。バイオ電池は堆肥化も可能なので、有害物質も発生しません。エネルギー密度、酵素効率、微生物工学の継続的な改善により、バイオ電池は特定の用途において、間もなく従来の電池に匹敵するか、あるいは凌駕する可能性があります。ソニーは燃料源としてグルコースを使用し、50mWの出力を得ました 。デンプン誘導体であるマルトデキストリンは、グルコースよりもエネルギー密度が高いため、グルコースよりも優れた燃料源となる可能性があります。マルトデキストリンはデンプンから得られるため、再生可能な資源です。

砂糖電池は、生体適合性と、電池の燃料として利用できる体内の豊富なグルコースの存在から、埋め込み型デバイスへの応用が検討されている。いくつかの例では、血流中のグルコースが酸化されて電力が生成される。このタイプの電池はラットの胃の中で実証され、LEDやデジタル温度計を動作させるのに十分な電力を生成することができた。^{[ 8 ]}この技術は、ペースメーカー、バイオセンサー、薬剤送達システムなどに応用される可能性がある。燃料は体内から供給されるため、電池の交換や交換のための手術や侵襲的な方法の必要性が軽減される。砂糖電池は、携帯型および大規模なエネルギー用途にも検討されており、理論的には市販の電池の代替として使用できる可能性がある。^{[ 20 ]}

ある研究によると、糖バイオ電池のエネルギー貯蔵密度は596 Ah kg^-1に達する可能性があり、これはリチウムイオン電池のそれよりも1桁以上高い値である。^{[ 21 ]}さらに、この電池はリチウムイオン電池よりはるかに低い電流を生成するが、一般的な家庭用充電式電池のそれよりもはるかに高い電流を生成する。これらの電池はプラスチックを使用しているが、通常販売されている電池と比較して持続可能であると見なされている。

レモン電池のような有機バイオ電池は、食品の酸性を電池の電解質として利用します。これらの電池は、食品全体、または皮などの食品の一部を使用し、酸化還元反応を利用して電荷を生成します。食品を燃料電池に利用できる細菌バイオ電池の一種であるMFCとは異なり、有機バイオ電池は酸性食品を電極の1つとして使用しますが、MFCでは金属電極上にバイオフィルムを形成するために使用されます。^{[ 22 ] [ 23 ]}

有機廃棄物からのバイオ電池に関する研究は限られているが、ある研究では、LED、壁掛け時計、その他の小型家庭用機器などの低エネルギー用途に果物の皮から作られた電池を使用することについて言及している。^{[ 22 ]}

現在の有機バイオ電池は、リチウムイオン電池に比べて効率がはるかに低い。^{[ 22 ]}電池の持続時間は10～20時間程度で、最大電圧と電流出力は約1Vと0.5Aだが、家庭の有機廃棄物から作られているため、他の電池よりもはるかに持続可能である。^{[ 22 ] [ 24 ]}

圧電発電機と摩擦電気発電機は、機械エネルギーから電気エネルギーを生成します。圧電発電機は圧電効果を利用して動作します。圧電効果とは、材料中の結晶が機械エネルギーに敏感であり、圧力が加わると電気分極が誘起され、電荷が発生する現象です。近年、卵殻、タマネギの皮、魚の浮き袋、クモの糸など、生物にヒントを得た圧電発電機が数多く研究されています。一方、摩擦電気発電機は摩擦電気効果を利用して動作します。摩擦電気効果とは、接触した2つの材料間で電荷が移動する現象です。この一般的な例として、子供の科学実験で風船を髪の毛にこすりつけると髪の毛が逆立つ、つまり静電気が発生する現象が挙げられます。

圧電発電機と摩擦電気発電機は、動物追跡への利用について研究されてきた。^{[ 25 ]}圧電発電機は、機械的な動きによって充電できるという利点があり、動物に装着中にバッテリーが切れて追跡が予期せず終了するという問題を回避できる。また、どちらのバッテリーも環境耐性があり、高湿度やその他の環境要因に耐えることができる。^{[ 26 ]}どちらも、さまざまなウェアラブル、埋め込み型、携帯型デバイス、さらにはエネルギーを生成するタイルや歩道への利用も検討されている。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 26 ] [ 30 ]}

このタイプのバッテリーの電圧と電流出力は、バッテリーが受ける動きの量と力、および周期的な動きの周波数に依存します。摩擦電気発電機のフラクタル設計に基づくスイッチドキャパシタコンバータ、スライディング、および自立モードなどのいくつかの方法では、80%からほぼ100%のエネルギー伝達効率を達成できます。^{[ 31 ] [ 32 ]}圧電発電機は、魚の浮き袋発電機の0.3%から卵殻発電機の60%まで、さまざまなエネルギー伝達効率を達成します。^{[ 26 ] [ 33 ] [ 34 ]}

デンキウナギ（Electrophorus electricus）は、ソフトパワー源の生物学的インスピレーションとして最も研究されている生物の1つです。デンキウナギには、600ボルトの電位差と1アンペアの電流を実現する3つの電気器官があります。^{[ 11 ]}電気細胞と呼ばれる数千個の細胞が体全体に直列に配置されており、それぞれが選択透過性膜を介して小さなイオン電位差を生成します。これらの積み重ねられた細胞すべてが合わさって高電圧放電を形成し、ウナギの狩りを助けます。

人工電気モデルでは、小型ポリアクリルアミドハイドロゲル区画間のイオン勾配を利用しています。これらは、陽イオンと陰イオンを選択的に透過するハイドロゲル膜の繰り返しで囲まれ、繰り返しスタック構造で配置され、開放回路で 110 ボルトを生成します。このシステムは柔軟性、透明性、生体適合性を備えており、埋め込み型医療機器への応用が期待されています。他のモデルでは、スピンコーティングを適用して、内部抵抗を低減したハイドロゲルベースの電源を作製しました。これらのハイドロゲルの厚さを薄くすることで、機械的安定性を維持しながら内部抵抗を低減し、電源が 44  kW/m ³付近の電力密度を生成できるようになりました。^{[ 36 ]}このモデルは、数日間、-80 ℃ という低温でも動作し、外部支持構造のない最初のハイドロゲルベースの電源であることが判明しました。

光合成は、光駆動電子伝達系を介した太陽エネルギーから化学エネルギーへの変換のモデルとして長年利用されてきた。主に、植物生物学は、表面化学と階層的な細孔構造を通じて電池電極の設計に影響を与えてきた。植物は、イオンと代謝物を輸送するための分岐した維管束系を持っており、これが多孔性が電解質の浸透とイオン拡散にどのように影響するかについての電極材料設計のインスピレーションとなっている。植物は、組成と構造の配置を通じて、エネルギー変換とイオンチャネル制御を行っており、これが電池電極材料の開発のインスピレーションとなっている。^{[ 37 ]}クロロフィルに基づく光合成は、電気化学プロセスを補完するために電極界面に組み込む光吸収分子構造の研究にもインスピレーションを与えている。

生物はさまざまな方法でエネルギーを貯蔵し、整理します。動物では、エネルギーは体全体の脂肪組織に貯蔵されます。この方式を利用して、充電式亜鉛空気電池がロボットの構造表面に組み込まれました。^{[ 38 ]}これらの電池は、アラミドナノファイバー膜、水酸化物伝導性ポリマーゲル電解質、亜鉛アノード、および空気カソードで作られています。水酸化物イオンが亜鉛電極と、水性ポリマーゲル中のアラミドナノファイバーマトリックスで作られた電解質膜を通過して貯蔵されると、電池が機能します。このアプローチは、単一のリチウムイオン電池の最大72倍のエネルギー容量を提供できると推定されています。