相転移物質の利用による三次電池の高電圧化に成功-室温付近の熱環境で充電可能な自立型電源の実現に向けて-

独立行政法人国立高等専門学校機構
群馬工業高等専門学校
National Institute of Technology (KOSEN),
Gunma College




2020 年 2 月 6 日
報道関係者各位
国立大学法人 筑波大学
独立行政法人 国立高等専門学校機構 群馬工業高等専門学校
株式会社 フォーカスシステムズ



相転移物質の利用による三次電池の高電圧化に成功
～室温付近の熱環境で充電可能な自立型電源の実現に向けて～



研究成果のポイント
1. 電極材料の相転移を活用することにより、三次電池の電圧を 120mV 程度まで上昇することに成功しま
した。
2. 三次電池は、室温付近の環境熱で充電される自立分散電源であり、交換・管理が不要なことから、各種
センサーなどの電源として有望です。
3. 今後の材料設計により、さらなる起電力の巨大化が期待されます。


国立大学法人筑波大学 数理物質系 エネルギー物質科学研究センター（TREMS） 守友浩教授と国
立高等専門学校機構 群馬工業高等専門学校 柴田恭幸助教の研究グループは、相転移を示すコバル
トプルシャンブルー類似体（※1）を配置したビーカーセル型三次電池（※2）を試作し、13℃から 47℃への
昇温で 120mV 程度の起電力の発生に成功しました。この三次電池の熱効率（※3）は 0.9%であり、理論効
率（※4）の 11%に匹敵します。
IoT 技術などを幅広く活用する未来社会 Society5.0 の実現に向け、2023 年には世界のセンサー市場
が年間一兆個に達すると予想されています。しかしながら、それらの電池の交換・管理を行うことは現実的
ではありません。三次電池は、どこにでもある室温付近の環境熱で充電できる自立分散電源（※5）であり、
交換・管理が不要であることから、Society5.0 の必須技術の一つとされています。本研究グループは、未来
の自立分散電源として、かねてより三次電池を提案してきました。
本研究では、「物質の酸化還元電位は相転移の前後で不連続に変化するので、相転移物質を電極に
使用した三次電池では起電力が増大する」との考えに基づき、研究開発に取り組んできました。その結果、
相転移を示すコバルトプルシャンブルー類似体を利用した三次電池において、13℃から 47℃への昇温で
約 120mV の起電力を得ました。
今後、相転移材料の設計・開発により、さらなる起電力の巨大化が期待されます。また、産学連携による
研究開発を進め、三次電池の社会実装を目指します。
本研究成果は、2 月 4 日付「Scientific Reports」誌でオンライン公開されました。
＊ 本件は、科学研究費補助金、村田学術振興財団、国際科学技術財団、熱・電気エネルギー技術財団の研
究助成、および、（株）フォーカスシステムズとの共同研究の成果です。

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研究の背景
「三次電池」は、どこにでもある室温付近の環境熱で充電される自立分散電源です。昼夜の温度変化、日向と日
陰、衣服の脱着、部屋への出入り、空調の On/Off など、地球上のどこにでもある、室温付近数十度の温度変化を
電力に変換する「自立」型電源で、設置場所を選ばない「分散」性を有しています。IoT 社会の実現に向かって、
2023 年にはセンサー市場が年間一兆個に達すると予想されており、それらの電池の交換・管理を行うことは現実
的ではありません。しかも、センサーがアクセスの困難な場所（砂漠、海洋、密林、山岳など）に設置されるケースも
少なくありません。自立分散電源は交換・管理が不要であり、内閣府が提唱する未来社会である Society5.0 の必
須技術の一つです。例えば、三次電池をビル内に設置される防犯カメラの電源にすれば、昼夜の空調の On/Off で
充電され、永続的に防犯カメラを駆動し続けます。また、荷物にとりつける GPS センサーの電源にすれば、荷物の積
み下ろし時の温度変化で充電され、永続的に位置情報を発信し続けます。
本研究グループでは、これまで、コバルトプルシャンブルー類似体（Co-PBA： 図１）薄膜とマンガンプルシャンブ
ルー類似体（Mn-PBA）薄膜を電極材料としたビーカーセル型三次電池を試作し、その動作を実証してきました。し
かしながら、13℃から 47℃の温度変化で得られる起電力は 39mV と小さく、単セルではセンサーを駆動できませ
ん。そこで、「物質の酸化還元電位は相転移の前後で不連続に変化するので、相転移物質を電極に使用した三次
電池では起電力が増大する」と考え（図 2）、研究開発を推進してきました。




図 1 コバルトプルシャンブルー類似体の結晶構造。左図は完充電時、右図
は完放電時を示す。大きな赤丸、小さな青丸、小さな赤丸はそれぞれ、
ナトリウムイオン、コバルトイオン、鉄イオンを示す。




図 2 相転移を活用した三次電池の模式図。この例では、負極材料の酸化還
元ポテンシャルは、低温相（高温相）では高い（低い）としている。

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 研究内容と成果
本研究では、二種対のコバルトプルシャンブルー類似体（NaxCo[Fe(CN)6]0.82 および NaxCo[Fe(CN)6]0.90）薄膜を、
電解析出法でインジウム錫酸化物(ITO)透明電極上に製膜しました。膜厚は 1μm 程度です。NaxCo[Fe(CN)6]0.82
（NCF82）は、室温直上で低温相から高温相へ相転移します。他方、NaxCo[Fe(CN)6]0.90（NCF90）は低温相のまま
です。あらかじめ NCF90 と NCF82 薄膜を Ag/AgCl 標準電極に対して 1.01V まで酸化し、ビーカーセル型三次電
池を組み上げました。正極、負極、電解液は、それぞれ、NCF90、NCF82、10mol/L の NaClO4 水溶液です。この三
次電池において、13℃から 47℃へ昇温することで、120mV 程度の起電力の発生に成功しました（図 3(a)）。また、
47℃で三次電池を放電したところ、2.3mAh/g の電荷量を取り出すことができました（図 3(b)）。Co-PBA の比熱と
潜熱を考慮して、熱効率は 0.9%と評価されました。これは、理論効率の 11%に匹敵します。

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(a) 昇温過程 (b) 放電過程
起電力 (mV)




起電力 (mV)
st

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nd

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温度 (℃) 電荷量 (mAh/g)
図 3 相転移を活用した三次電池の(a)昇温過程と(b)放電過程。白丸と赤丸
は、それぞれ、一回目と二回目のデータである。放電過程の下限電圧
は 80mV に設定した。
Vcell (mV)

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(c) cooling -100
-200
Vcell (mV)

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今後の展開 100 Q (mAh/g)
相転移を活用した三次電池は、どこにでもある環境熱から大きな起電力を得る有望な技術です。高機能な相転
L (d) discharge at T
移材料を設計・開発することにより、起電力をさらに巨大化できると期待されます。今後、相転移材料の設計・開発
0 T = 283K L
を進め、さらなる起電力の巨大化を目指すとともに、産学連携を通じて三次電池の社会実装を目指します。

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Tcell (K)
用語解説
※１ コバルトプルシャンブルー類似体
プルシャンブルー類似体の一種で、NaxCo[Fe(CN)6]y の化学組成を持つ。Fe 濃度(y)により、相転移温度を精密
に制御できる。また、高い放電容量と高い安定性を示すため、二次電池材料としても有望である。
※２ 三次電池
正極と負極の酸化還元電位の温度係数が異なることを利用して、わずかな温度変化で充電される電池。二次
電池が電力により充電されるのに対して、三次電池は環境熱で充電される。
※３ 熱効率
熱機関の効率を表す物理量。温度サイクルに対して、[電池が発生した電気エネルギー]/[電池に流れ込んだ正
味の熱量] で定義される。
※４ 理論効率
高温（TH）と低温（TL）の間で動作する熱機関の効率の最大値であり、１－TL/TH で表される。カルノー効率とも呼
ばれる。

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※５ 自立分散電源
環境熱などの自然エネルギーを電力に変化し、かつ、設置場所の制限が小さな電源。Society5.0 を担うセンサ
ーの電源として、必要な技術である。三次電池はどこにでもある環境熱で充電されるので、自立分散電源の一つ
と言える。


掲載論文
【題名】 Energy harvesting thermocell with use of phase transition
（相転移を活用した三次電池によるエネルギーハーベスト）
【著者】 Takayuki Shibata(柴田恭幸), Hiroki Iwaizumi （岩泉滉樹）、Yuya Fukuzumi（福住勇矢）, and Yutaka
Moritomo（守友浩）,
【掲載誌】 Scientific Reports (DOI: 10.1038/s41598-020-58695-z)


問合わせ先
【研究に関すること】
守友 浩（モリトモ ユタカ）
国立大学法人 筑波大学 数理物質系 エネルギー物質科学研究センター 教授


柴田 恭幸（シバタ タカユキ）
独立行政法人 国立高等専門学校機構 群馬工業高等専門学校 一般教科(自然科学) 助教


【取材・報道に関すること】
国立大学法人 筑波大学 広報室
Tel: 029-853-2040
Fax: 029-853-2014
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp


独立行政法人 国立高等専門学校機構 群馬工業高等専門学校 総務課 総務・広報・評価係
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