健康やフィットネスのモニタリングに用いるウェアラブル電子機器は、急速に成長している民生用電子機器分野の一つです。その大きな制約の一つは、小型バッテリーがデータ送信に十分な電力を供給できる容量に限りがあることです。今回、MITとカナダの研究者らが、こうした小型機器に必要な、短時間ながら強力な電力を供給する有望な新手法を見いだしました。
鍵となるのは、スーパーキャパシターを製造する新しい手法です。スーパーキャパシターは、ウェアラブル機器から心拍計、コンピューター、スマートフォンなどを通じてデータを短時間送信する際に必要となる、短いバースト状の電力を蓄え、放出できる装置だと研究者らは述べています。また、自律型マイクロロボットのように、小さな体積で高出力が求められる他の用途にも役立つ可能性があります。
この新手法では、元素ニオブのナノワイヤーから作った糸を、小型スーパーキャパシターの電極として用います（スーパーキャパシターは基本的に、絶縁体を挟んだ一対の導電性繊維です）。この構想については、MIT機械工学教授のIan W. Hunter、博士課程学生のSeyed M. Mirvakili、ブリティッシュコロンビア大学の他の3人による論文で説明されています。 ACS Applied Materials and Interfaces 誌に掲載されました。
ナノテクノロジーの研究者らは、過去10年間、スーパーキャパシターの性能向上に取り組んできました。ナノ材料の中では、カーボンナノチューブやグラフェンなどの炭素系ナノ粒子が有望な成果を示していますが、電気伝導率が比較的低いという課題があるとMirvakiliは述べています。
この新たな研究で、彼と同僚らは、高い電力密度など、こうした装置に望まれる特性は炭素系ナノ粒子に固有のものではなく、ニオブのナノワイヤー糸が有望な代替材料であることを示しました。
「何らかのウェアラブル健康モニタリングシステムを持っていると想像してください」とHunterは言います。「例えばWi-Fiを使って、遠距離にデータを送信する必要があります」。現時点で、多くの小型電子機器に使われるコインサイズのバッテリーは、一度に大量の電力を供給する能力が非常に限られており、データ送信にはそれが必要です。
「長距離のWi-Fi通信にはかなりの電力が必要です」と、MIT機械工学科のGeorge N. Hatsopoulos熱力学教授であるHunterは述べます。「ただし、それが必要なのはごく短時間かもしれません」。一般に、小型バッテリーはこうした電力需要にはあまり適していないと、彼は付け加えます。
「健康モニタリングや運動モニタリングの分野にいる複数の企業が、これを問題として経験していることは分かっています。そこで、バッテリーとコンデンサーを組み合わせるという代替案があります」とHunterは述べます。バッテリーは長期にわたる低電力の機能に、コンデンサーは短時間の高出力に用います。この組み合わせにより、機器の通信範囲を広げることも、市場ではおそらくより重要なこととして、サイズ要件を大幅に縮小することも可能になるはずです。
新しいナノワイヤー基盤のスーパーキャパシターは、非常に小さな体積でありながら、既存のバッテリーを上回る性能を発揮します。「Apple Watchを例にすると、質量を30 percent削減しても、気づかないかもしれません」とHunterは言います。「しかし、体積を30 percent減らせれば、それは大きな意味があります」と彼は述べます。消費者はウェアラブル機器の大きさに非常に敏感です。
Hunterによると、この技術革新は小型機器にとって特に重要です。燃料電池、バッテリー、フライホイールなど、他のエネルギー貯蔵技術は、効率が低くなる傾向があるか、極小サイズにすると実用化が難しいほど複雑になるからです。「私たちは最適な領域にいます」と彼は述べます。この技術なら、非常に小さな装置から大きなバースト状の電力を供給できます。
理想的には、高い体積電力密度（一定の体積に蓄えられる電力量）と高い体積エネルギー密度（一定の体積に含まれるエネルギー量）の両方が望ましいとHunterは言います。「その方法を見つけた人はいません」と彼は述べます。しかし、この新しい装置では、「体積電力密度はかなり高く、エネルギー密度は中程度で、コストは低い」といい、この組み合わせは多くの用途に適している可能性があります。
ニオブは比較的豊富で広く使われている材料なので、システム全体を安価かつ容易に製造できるはずだとMirvakiliは述べています。「製造コストは安いです」と彼は言います。他の研究グループはカーボンナノチューブなどの材料を使って同様のスーパーキャパシターを製造していますが、ニオブ糸はより強く、伝導率は100 times高いものです。全体として、ニオブ基盤のスーパーキャパシターは、同じ体積でカーボンナノチューブ版の最大5 timesの電力を蓄えられます。
ニオブは融点も非常に高く、摂氏2,500 degrees近くに達するため、これらのナノワイヤーで作られた装置は、高温用途にも適する可能性があります。
さらに、この材料は柔軟性が高く、布地に織り込んでウェアラブル形態にすることが可能です。ニオブの個々のナノワイヤーの直径はわずか140 nanometers、つまり140 billionths of a meterで、人間の髪の毛の幅のおよそ1000分の1です。
これまでのところ、この材料は実験室規模の装置でしか製造されていません。研究者らによると、すでに進行中の次の段階は、実用的で製造しやすいバージョンをどう設計するかを見極めることです。
この研究に関与していないオーストラリアのウーロンゴン大学の工学教授、Geoff Spinksは、「この研究は、スマートファブリックと将来のウェアラブル技術の開発において非常に重要です」と述べています。また、この論文は「ニオブ基盤の繊維スーパーキャパシターが示す優れた性能を説得力をもって実証しています」と付け加えています。
研究チームには、博士課程学生のMehr Negar Mirvakiliと、ブリティッシュコロンビア大学の教授であるPeter EnglezosとJohn Maddenも参加しました。
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：David L. ChandlerはMIT Newsに記事を執筆しています。
画像：国際会議でウェアラブル技術を利用する来場者。REUTERS/Edgar Su。
