新型「グラフェンリチウムイオンキャパシタ」を活用した蓄電制御システムの実証実験を開始

―自立電源型IoT機器を搭載した照明機器の実用化と普及に見通し―

国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）発ベンチャーである株式会社マテリアルイノベーションつくば（本社：茨城県つくば市、代表取締役社長：佐久間 一浩、以下「MIつくば」）と、岩崎電気株式会社（本社：東京都中央区、代表取締役社長：伊藤 義剛、以下「岩崎電気」）は、道路灯に搭載したIoT機器の自立型駆動用電源として、MIつくばの開発したグラフェンリチウムイオンキャパシタを搭載する太陽光パネルの環境発電を利用した蓄電制御システムの実証実験を開始（写真1～３）いたしました。

なお、本実証実験で活用するシステムは、MIつくばが茨城県の「令和４年度研究シーズ製品化支援事業」に採択され、岩崎電気の子会社、株式会社アイ・ライティング・システム（茨城県桜川市）と開発したものです。

 

 

 

　安全・安心な社会の構築とレジリエンスな社会の実現に向けたスマートライティングとして、環境センサーやカメラ等の搭載による道路近辺の環境状況、交通量や路上の冠水等の把握、路車間通信など、さまざまなIoT機器の利用の拡大が想定されております。
　特に屋外で使用する蓄電デバイスは、耐環境性能が求められるのと同時に、太陽光パネルや熱発電などの環境発電デバイスで発電された微弱電力の有効利用とIoT機器への安定な電力供給などが求められております。
　今回の実証実験では、蓄電デバイスとしてグラフェン材料にカーボンナノチューブをスペーサーとして層間構造が安定保持される「グラフェン/カーボンナノチューブ複合材料」を使用したグラフェンリチウムイオンキャパシタを搭載します。

MIつくばは、NIMSの研究成果を活用し、高性能のグラフェンリチウムイオンキャパシタを開発してきました。グラフェンリチウムイオンキャパシタは、充放電性能に優れるとともに動作温度範囲が広く、寿命性能や保守メンテナンス性が高いなど、屋外環境で利用するための基本的な優位性に加え、グラフェン／カーボンナノチューブ複合材料を使用することにより、さらなる出力並びにエネルギー密度の向上（大容量化）と、小型軽量化が可能です。
　自立型電源のシステム（図１）として実証実験を進め、蓄電制御システムを構築することで、照明機器に搭載するIoT機器用途だけでなく、有線での電源確保が難しい場所や人の立ち入りが難しくメンテナンスが困難な場所（山間部、危険箇所）などのIoT機器の電源システムとしての設置が可能です。また、本システムは、赤外線や開閉センサーなどの監視センサーや、非常警報等の通信機器の電源としても利用可能であり、本ＩｏT機器の自立型電源として幅広い分野での応用が期待されます。

■実証実験の概要
太陽光パネルを利用してグラフェンリチウムイオンキャパシタに蓄電した電力を、道路灯に搭載した各種IoT機器へ安定的に電力を供給する、蓄電デバイスの充放電を制御するシステムを介し、道路状況を撮影したカメラ画像（写真４）、環境センサー（温度、湿度、CO2濃度、紫外線量）の情報、グラフェンリチウムイオンキャパシタの電圧などのデータを無線で送信し、実証実験先の茨城県桜川市から埼玉県行田市での遠隔監視の実証実験を通じて、環境発電による蓄電制御システムとグラフェンリチウムイオンキャパシタの性能評価を行います。

■実証実験のシステム構成
本実証実験におけるシステムでは、(1)カメラを搭載したLED道路灯、(2)環境センサーやLTE通信機器などのIoT機器、グラフェンリチウムイオンキャパシタ、制御システムを内蔵した制御ボックス、（3）発電を行う太陽光パネル、より構成されております。
IoT機器の電力は照明用系統電力とは別の環境発電による自立型電力で動作する仕組みで、太陽光パネルを利用してグラフェンリチウムイオンキャパシタに蓄電した電力を夜間も含めて24時間供給します。
遠隔監視できるデータはインターネット経由でタブレット端末などでも監視することが可能です。
 

■IoT機器
無線通信やインターネット環境などのネットワークに接続することで、データや画像などのデータを送受信できる機能をもった、各種のセンサーやカメラ、スマート家電など電子機器。

■リチウムイオンキャパシタ
正極は電気二重層キャパシタと同じ材料（一般には活性炭など）を使用し、負極にはリチウムイオン電池と同じ材料（一般には黒鉛など）を使用した非対称型のキャパシタ。電気二重層キャパシタより高容量・高電圧が特長。

■グラフェンリチウムイオンキャパシタ
正極材料として現在一般に使用されている活性炭に替わりグラフェン／カーボンナノチューブ複合材料を使用したリチウムイオンキャパシタ。活性炭を使用した従来のキャパシタよりさらに高容量・高電圧を実現できる。

■グラフェン
グラフェンは、鉛筆の芯にも用いられる黒鉛を一枚一枚のシートに剥がすことで作ることができる材料で、重量当たりの表面積が最も大きい材料。表面積の大きなグラフェンは様々な用途において注目されているが、剥がしたシート同士が再度積層してしまうことで、表面積が低下することが課題の一つであった。MIつくばは、グラフェンとグラフェンの間にカーボンナノチューブをスペーサーとして挟むことで、長期間にわたって安定な材料とし関連特許を取得している。

■グラフェン／カーボンナノチューブ複合材料
グラフェンは、表面での反応を活かすため反応液等と接触する構造が求められ、グラフェン自身の再付着の防止する必要がある。グラフェン／カーボンナノチューブ複合材料は、グラフェンとグラフェンの間にカーボンナノチューブ（CNT）を挟み込む積層構造で、グラフェンの再付着を回避することに成功している。

＜本件に関する問い合わせ先＞
株式会社マテリアルイノベーションつくば （https://www.mitsukuba.com/）
担当：岡田、唐 （TEL：[phone]）

岩崎電気株式会社 （https://www.iwasaki.co.jp/）
広報宣伝室 担当：増田、杉本 （TEL：[phone]）