砂糖電池

砂糖電池は、マルトデキストリンを燃料とし、酵素触媒によって促進される新しいタイプのバイオ電池です。

糖電池は、マルトデキストリンのグルコース単位の酸化によって電流を発生させます。有機化合物の酸化により二酸化炭素と電流が生成されます。反応が完結し、ほとんどの化学エネルギーが電気エネルギーに変換されるように、13種類の酵素が電池に埋め込まれています。実験結果によると、同じ質量の糖電池は、従来のリチウムイオン電池よりも少なくとも2倍、最大10倍の電気エネルギーを貯蔵できます。糖電池は、次世代の一般的なタイプの移動電源であり、電気自動車の電源になる可能性があると期待されています。ただし、糖電池の出力電圧（0.5V）はリチウムイオン電池（3.6V）よりも低いため、電力（電気エネルギーの転送速度）が低くなります。

日本の企業であるソニーは2007年に初めて糖電池の理論を発表しました。バージニア工科大学のYHパーシバル・チャン博士率いる研究チームは2014年にその最新版を提供しました。

歴史

日本企業であるソニーは、2007年に初めて糖電池の理論を発表しました。このタイプの糖電池は空気呼吸型で、酸素を酸化剤として利用します。この電池は期待通りの高いエネルギー密度と妥当な出力電圧を達成しました。その後、ソニーは2012年に研究の方向性を紙を燃料とする紙電池へと転換しました。2013年以降、ソニーはバイオ電池の研究プロジェクトに関する詳細な情報を発表していません。[1] [2]

バージニア工科大学のYHパーシバル・チャン博士率いる研究チームは、2009年に糖電池プロジェクトを開始しました。チームは当初、水素経済との関連性に焦点を当てていました。2014年には、酸化反応に酵素を利用する糖電池に関する研究を発表しました。このタイプの糖電池は高いエネルギー密度を達成し、3年後には実用化されると予想されていました。[3] [4]

2017年、YHパーシバル・チャン博士はFBIに逮捕されました（2019年に釈放）。連邦政府はチャン博士を20件以上の罪で告発しました（例が必要）。その後、チャン博士はバージニア工科大学の職を辞任しました。それ以降、バージニア工科大学は糖質電池の研究結果の公表を停止しています。

2019年、張博士は19件の罪状で無罪となったが、連邦政府の助成金詐欺を共謀した罪で有罪判決を受けた。[5]

2014年以来、浙江大学や天津大学を含むいくつかの中国の大学が、砂糖電池の研究に取り組み始めました。

潜在的なメリット

現在広く使用されているリチウムイオン電池と比較すると、砂糖電池は多くの面で潜在的な利点を持っています。

安全性

従来のリチウムイオン電池と比較して、糖電池は製造時に有毒金属を必要とせず、二酸化炭素ガスのみを排出します。標準的なリチウムイオン電池の製造には、鉛（Pb）、カドミウム（Cd）、クロム（Cr）など、様々な金属が必要になります。これらの金属が漏れ出すと、人間が依存している植物や動物の体内に蓄積し、最終的に人間に届きます。[6]さらに、リチウムイオン電池は過熱すると、最大100種類の有害ガスを人体に放出する可能性があります。場合によっては、充電式リチウムイオン電池が爆発し、人身事故を引き起こすこともあります。

燃料の入手可能性

糖電池の主燃料であるマルトデキストリンは、トウモロコシや小麦などのあらゆるデンプンから酵素的に生成できます。[7]したがって、マルトデキストリンは再生可能です。一方、リチウム電池の主構成要素である炭化リチウムは、地球上に自然に存在する再生不可能な化合物です。これを得るには、製造業者は採掘、抽出、精製を行う必要があります。[8]

環境への配慮

糖電池内部の酸化反応生成物は主に水、二酸化炭素、そしてリサイクル可能なアデノシン三リン酸（ATP）です。一方、リチウム電池を廃棄すると重金属が発生し、土壌を汚染します。フィールド実験によると、いくつかの植物種が土壌から重金属を抽出し、濃縮された金属を内部に蓄積します。糖電池はカーボンニュートラルなバイオ燃料を使用しているため、糖電池によって生成される二酸化炭素は温室効果ガス危機の一因にはなりません。燃料の生産には植物の光合成が関与しており、大気中の二酸化炭素を除去するため、新たに排出される温室効果ガスはネットゼロのカーボンフットプリントとしてカウントされます。[9] [10]

高エネルギー密度

15%マルトデキストリン溶液中のグルコース単位の完全酸化反応により、糖電池は596Ah kg −1のエネルギー密度を有します。これは、広く使用されているリチウムイオン電池（約270Ah kg −1 ）の2倍以上です。実用化においては、これは電池寿命の延長を意味します。一方、電池の質量と体積は減少します。[4]

欠点

新しく発明されたアイデアである糖電池はまだ十分に開発されておらず、現状ではいくつかの欠点があります。

比較的低い電圧

糖電池の出力電圧（0.5 V）は、様々な酵素触媒を用いることで従来の酵素燃料電池の出力電圧を上回っていますが、それでも一般的に使用されているリチウムイオン電池（3.6 V）の出力電圧よりもはるかに低いです。[3]そのため、電力消費量が低くなります。つまり、実用上、糖電池はリチウムイオン電池よりも機器の充電に時間がかかります。

水の必要量

糖電池の燃料の製造と内部の反応には水が必要です。この電池が世界中で広く使用されるようになると、間違いなく相当量の水が必要になります。現状では、水不足はさらに深刻化するでしょう。 [ 11]これは、あらゆる種類の農業やその他多くの産業プロセスで大量の水が消費されるため、反論としては弱いものです。

デザイン

糖電池の設計は一次電池の理論に基づいています。糖電池の主な構成要素は、陽極、陰極、膜、そして合成経路です。酸化反応は陽極側で起こり、燃料であるマルトデキストリンが酸化されます。燃料から放出された電子は陰極に接続された電線を通り、直流電流を形成します。電気機器は陽極と陰極の間に設置され、電流によって機器に電力が供給されます。[4]

アノード

電流を生成する酸化還元反応は合成経路で起こり、グルコース6-リン酸やホスホグルコムターゼなどの13の酵素が触媒（反応物と生成物の両方の物質）として作用します。燃料であるマルトデキストリンはポリマーからモノマーに分解され、4つの反応の間に二酸化炭素と水素イオンに酸化されます。これらの反応には酵素触媒が関与しますが、酵素触媒は反応物と生成物の両方の役割を果たすため、最終的に酵素の量は減少せず、反応を促進し続けます。反応の最後に、1つのグルコース単位と一定量の水から24個の電子が生成されます。その後、電子はワイヤを通って陰極に流れ、陰極から陽極に電流が流れます。 [4] [9]

合成経路

合成経路は13種類の酵素で構成されており、酸化還元反応が完了すること（つまり、グルコース1単位あたり24個の電子が生成される）を保証します。これらの触媒酵素をすべて経路に加えると、全体の化学式は次のようになります。

[4]

理論上、マルトデキストリン1分子のグルコース単位（C 6 H 10 O 5）は24個の電子を生成するため、この糖電池の最大電流密度は、2つの脱水素酵素に基づく同様のシステムの最大電流密度よりも35%高くなります。[4]実際に、バージニア工科大学の研究者たちは、糖電池の酸化還元反応のファラデー効率（理論出力に対する測定出力の割合）を測定しました。その結果は、陽極室が無酸素状態にある場合、97.6±3.0%となり、電子伝達の効率が高いことを示唆しています。[4]

NADP（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）依存性酵素を利用する天然経路とは異なり、合成経路では他の細胞質酵素を利用して反応を媒介します。その結果、糖電池は高価で不安定な複雑な有機化合物（例えばアデノシン三リン酸）を必要としません。[4] [3]

改善点

研究者たちは、酵素を酸化還元反応の触媒として用いる試作酵素燃料電池から、糖電池の設計を発展させた。この糖電池は、通常の酵素燃料電池の設計をベースに、酵素の効果を高めるための複数の手法を採用することで、電池全体の効率を向上させている。

非固定化酵素

糖電池中の酵素は電極に固定されておらず、電極近傍の限られた空間にも閉じ込められていません。糖電池中の酵素はより広い空間を自由に移動でき、酵素活性を維持できます。高速物質移動を維持するために、研究者らはビタミンK3を電極に固定化しました。関連する実験は、非固定化法によって糖電池が固定化酵素を用いた通常の酵素燃料電池よりも高く安定したエネルギー密度レベルに達することを示唆しています。その結果、糖電池のエネルギー密度が向上し、電池寿命が延長しました。[4]

サーモ酵素

非固定化酵素として、安定性を確保するために、高い耐熱性を持つ熱酵素が用いられています。糖電池では、熱酵素は大腸菌によって生産され、その後、加熱沈殿法によって精製されて利用されています。[9]

合成異化経路

糖電池内部の酸化反応は合成異化経路で起こり、13種の酵素が含まれる[ 4 ] 。この経路は密閉型ではなく通気型として構築されているため、研究者らは電池内部の空気圧を安定させ、酸化反応を完了させることができる。酵素は触媒として作用し、その総量は一定に保たれる。したがって、全体的な反応では燃料と水のみが消費され、酵素はシステム内で循環する。実験室での実験によると、糖電池は有機燃料の基本単位であるモノマー グルコースあたり約24個の電子の電子伝達効率に達する。比較すると、試作した酵素燃料電池の酸化反応ではグルコース単位あたり2個の電子しか生成できず、エネルギー密度が低い[4]。

参照

参考文献

  1. ^ 「Sony Develops」。Sony Global - Sony Global Headquarters . 2019年11月5日閲覧。
  2. ^ 「バイオ電池が紙を動力源に」2012年3月8日. 2019年11月9日閲覧。
  3. ^ abc Zhang, Y.-H. Percival (2009). 「水素経済への甘い独創的な解決策：砂糖で動く自動車はSFか？」.エネルギー＆環境科学. 2 (3): 272. Bibcode :2009EnEnS...2..272Z. doi :10.1039/B818694D.
  4. ^ abcdefghijk Zhu, Zhiguang; Kin Tam, Tsz; Sun, Fangfang; You, Chun; Percival Zhang, Y. -H. (2014年5月). 「合成酵素経路に基づく高エネルギー密度糖バイオバッテリー」. Nature Communications . 5 (1): 3026. Bibcode :2014NatCo...5.3026Z. doi : 10.1038/ncomms4026 . hdl : 10919/87717 . PMID  24445859.
  5. ^ 「元バージニア工科大学教授、助成金詐欺、虚偽陳述、妨害行為で有罪判決」www.justice.gov 2019年2月25日2019年11月9日閲覧。
  6. ^ Loughran, Jack (2016年10月24日). 「リチウムイオン電池が有毒ガスを生成することが判明」eandt.theiet.org . 2019年10月29日閲覧。
  7. ^ PubChem. 「マルトデキストリン」. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . 2024年4月4日閲覧。
  8. ^ 「現在のバッテリー市場の需要を満たすのに十分なリチウムはあるか？」クリーンエネルギートラスト2018年2月13日 2019年11月5日閲覧。
  9. ^ abc Chen, Ying; Wu, Pingping; Shao, Yufang; Ying, Yibin (2014年4月). 「電池生産地域周辺で栽培された野菜における重金属の健康リスク評価」Scientia Agricola . 71 (2): 126– 132. doi : 10.1590/S0103-90162014000200006 .
  10. ^ ロディッシュ, ハーヴェイ; バーク, アーノルド; ジプルスキー, S. ローレンス; マツダイラ, ポール; ボルティモア, デイビッド; ダーネル, ジェームズ (2000). 「グルコースと脂肪酸のCO2への酸化」『分子細胞生物学』（第4版）. ISBN 0-7167-3136-3。
  11. ^ 「バイオマスエネルギーの利点と欠点 | Renewable Resources Co」Renewable Resources Coalition . 2016年12月9日. 2019年11月5日閲覧。
  • https://vtnews.vt.edu/articles/2014/01/012213-cals-battery.html
  • https://www.youtube.com/watch?v=yYaj2mrsWlc
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