[論文レビュー] Self-Charged Graphene Battery Harvests Electricity from Thermal Energy of the Environment

Zihan Xu, Guòan Tai+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2012

Graphene research and applications参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、非対称電極構造を用いて水溶液中のイオン運動に起因する環境熱エネルギーを電気エネルギーに変換する自己充電式グラフェンベース電池を提案する。飽和CuCl₂溶液中で20日以上にわたり安定した0.35 Vの出力を発生させ、温度およびカチオン濃度の上昇に伴い電圧が上昇する。これは、ポータブルおよび自己駆動型デバイスにおける環境熱エネルギーの回収の概念的実証である。

ABSTRACT

The energy of ionic thermal motion presents universally, which is as high as 4 kJ\bullet kg-1\bullet K-1 in aqueous solution, where thermal velocity of ions is in the order of hundreds of meters per second at room temperature1,2. Moreover, the thermal velocity of ions can be maintained by the external environment, which means it is unlimited. However, little study has been reported on converting the ionic thermal energy into electricity. Here we present a graphene device with asymmetric electrodes configuration to capture such ionic thermal energy and convert it into electricity. An output voltage around 0.35 V was generated when the device was dipped into saturated CuCl2 solution, in which this value lasted over twenty days. A positive correlation between the open-circuit voltage and the temperature, as well as the cation concentration, was observed. Furthermore, we demonstrated that this finding is of practical value by lighting a commercial light-emitting diode up with six of such graphene devices connected in series. This finding provides a new way to understand the behavior of graphene at molecular scale and represents a huge breakthrough for the research of self-powered technology. Moreover, the finding will benefit quite a few applications, such as artificial organs, clean renewable energy and portable electronics.

研究の動機と目的

• 外部からの入力を必要とせず、環境熱エネルギーを電気エネルギーに変換する自己駆動型エネルギー回収デバイスの開発。
• 水溶液中のイオンの熱運動を再生可能エネルギー源として利用可能かどうかの可能性の調査。
• 環境熱エネルギーのみを用いて持続的な電圧出力を発生可能なグラフェンベースのデバイスの実証。
• ポータブルおよび医療用途への応用においてスケーラブルで低コストなエネルギー回収手法の確立。

提案手法

• グラフェンを用いた非対称電極構造を採用し、電解質溶液中のイオンの熱運動を捕集する。
• 電極を飽和CuCl₂溶液に浸漬することで、イオンと電極の相互作用および電荷分離を促進する。
• 電圧の発生は、熱的に駆動されるイオンの運動がグラフェン電極に衝突することで生じる、純粋な電位差の蓄積に起因する。
• システムは20日以上にわたり安定したオープン・サーキット電圧を維持しており、長期的な運用安定性を示している。
• 実用的機能性の検証のため、6つのデバイスを直列に接続して商業用LEDを点灯させた。
• 理論的分析により、電圧出力が温度およびカチオン濃度と正の相関関係にあることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水溶液中のイオンの熱運動を効率的に電気エネルギーに変換できるか？
• RQ2 環境熱エネルギーを用いたグラフェンベースのデバイスが得られる最大の安定電圧出力は何か？
• RQ3 温度およびカチオン濃度は、このようなシステムの電圧出力にどのように影響するか？
• RQ4 外部エネルギー供給なしに、このデバイスが長期間にわたり発電を継続できるか？
• RQ5 回収されたエネルギーは、LEDなどの実用的電子部品を駆動するのに十分か？

主な発見

• デバイスは、飽和CuCl₂溶液に20日以上浸漬けた状態で、約0.35 Vの安定したオープン・サーキット電圧を発生させた。
• オープン・サーキット電圧は、電解質中の温度およびカチオン濃度の両方と正の相関関係を示した。
• 6つのデバイスを直列に接続することで、商業用発光ダイオード（LED）を正常に点灯させ、実用的なエネルギー出力を実証した。
• システムは、環境によって連続的に補充されるイオン運動に起因する環境熱エネルギーを活用している。
• 電圧出力は時間経過にかかわらず一貫しており、グラフェンベースのエネルギー回収素子の頑丈さと長期的安定性を示している。
• これらの発見は、グラフェンと環境熱エネルギーを用いた自己駆動型デバイスへのスケーラブルな道筋を示唆している。