CN113302154A - 蓄电器件 - Google Patents

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Abstract

一种蓄电器件，其具有两个电极，并且在该电极间具有板状晶体结构蒙皂石系粘土膜。

Description

蓄电器件
技术领域
本发明涉及使用粘土矿物作为电介质的蓄电器件，更详细而言，涉及在电极间夹入有由粘土矿物构成的薄膜等作为电介质的蓄电器件。
背景技术
蓄电器件的具体例之一包括数字设备用电容器。数字设备用电容器根据用途/目的的不同，要求特性是不同的，近年来，频率特性优异、耐久性也高的层积陶瓷电容器正成为主流。由于微细化/高耐久化带来的技术进步，构成这种层积陶瓷电容器的电介质的价值正在提高。但是，这种微细化技术也提高了加工技术的成本。因此，需要开发出能够以低成本在纳米区域实现加工的新材料。
发明内容
发明所要解决的课题
目前广泛使用的蓄电体的电介质是以高容量化为目标，以纳米单位进行微细加工的。但是，从提供具有高介电常数但成本低的电介质及其制造方法的方面出发，现有的纳米单位的微细加工电容器等还不能令人满意。
本发明的课题在于提供一种使用了高容量且廉价的微细加工电介质的蓄电器件及其制造方法。
用于解决课题的手段
本发明人反复进行了各种研究，结果发现，若使在蒙皂石系粘土中发现的特有的厚度1nm左右的重复单元层积而成的超微细层积结构作为电介质，则相对介电常数显示出高值，因此，利用现有的电介质的微细加工得到的层积片数(密度)变为几百倍，可形成与现有的电介质相比能够实现小型大容量的电子器件，基于该技术思想反复研究，结果完成了本发明。
本发明的上述课题通过以下手段得以解决。
<1>
一种蓄电器件，其具有两个电极，并且在该电极间具有板状晶体结构蒙皂石系粘土膜。
<2>
如<1>所述的蓄电器件，其特征在于，在具有导电性的集电体的两个或单个与粘土膜连接的面形成金属氧化覆膜。
<3>
如<1>和<2>所述的蓄电器件，其特征在于，板状晶体结构蒙皂石系粘土膜中，膨润土或蒙皂石的层间离子选自钠离子、锂离子、三甲基硬脂基铵离子。
<4>
如<1>～<3>中任一项所述的蓄电器件，其在上下电极间具有隔板。
本发明的蓄电器件的电极具有能够与引线欧姆接触的导电性。
发明的效果
本发明的蓄电器件使下述超微细层积结构作为电介质，该超微细层积结构是在蒙皂石系粘土中发现的特有的厚度1nm左右、通常最小1nm～最大达到所形成的膜厚的重复单元层积而成的。利用现有的电介质的微细加工得到的层积片数(密度)变为几百倍，能够制造与现有的电介质相比能够实现小型大容量的电子器件。此外，所使用的膨润土是将天然产生的蒙皂石或其合成产品或者层间离子置换体用作部件，安全性优异，从制备电介质、进而蓄电器件的方面出发，能够容易地、比较廉价地进行加工、提供。
本发明的上述和其他特征及优点可适当参照附图由下述记载进一步明确。
附图说明
图1是示出本发明的蓄电器件的一个优选实施方式的概况的截面图。
图2是示意性地示出利用蓄电器件的相对介电常数测量的一例的结构图。
图3是使用了隔板的蓄电器件的概况示意图。
具体实施方式
接着，参照图1～3来说明本发明的一个优选实施方式。
如图1所示，蓄电器件1具有上部电极2、下部电极4和其间的粘土电介质3。粘土电介质3是指形成了板状晶体结构的上述硅酸盐化合物或蒙皂石系粘土矿物。蒙皂石系粘土矿物包括蒙脱石、锂蒙脱石、硅镁石、皂石。夹入有薄膜或粉末的粘土矿物的上部电极2和下部电极4使用了金属集电体。上部电极2和下部电极4只要与粘土电介质3接触即可。
电介质的厚度优选为0.01mm～1mm，但不限于此。
该蓄电器件通过粘土的微细结构进行蓄电。
为了控制粘土电介质3的含水率，上述蓄电器件1优选利用防水性、气体阻隔材料进行密闭。例如，可以使用：利用金属壳体密闭的方法；利用层压法防止水分从膜的包装蒸发的方法。此时使用的膜优选耐水性、水蒸气阻隔性、气体阻隔性优异。粘土电介质3的含水率优选为1质量％～20质量％、更优选为5质量％～15质量％。
上述粘土矿物使用选自天然或合成粘土中的至少一种粘土。作为这种粘土，可以为未改性的粘土，也可以为改性的粘土，优选选自膨润土和锂蒙脱石等蒙皂石系粘土中的至少一种。其中，膨润土由于是天然产生的无机系的粘土，因此安全性优异。另外，不会被土壤中的微生物分解，长期稳定，进而价格低。因此，是特别优选的粘土矿物。上述粘土矿物可以单独使用选自膨润土和蒙皂石中的1种粘土，或者也可以使用2种粘土。膨润土和蒙皂石的层间离子没有特别限定。
本发明中，板状晶体结构蒙皂石是指例如厚度为1nm左右、宽度/厚度的纵横比优选为20～2000、更优选为约30～300的平板状的粘土晶体。将代表性的蒙皂石系产品(国峯工业公司制造)的纵横比示于<表1>，但本发明并不限定于此。
【表1】
表1
Figure BDA0003168459340000031
为了配置上述粘土矿物，优选的是，作为分散液涂布到上部电极2和下部电极4的表面并使其自然干燥(通常含水率为10质量％)，再次将分散液涂布并贴合到涂布有同样的粘土分散液的上部电极2或下部电极4，并使其自然干燥。
将粘土矿物涂布到上部电极2或下部电极4时，优选将粘土矿物分散到水等溶剂中后进行涂布。分散介质可以使用能够根据粘土的特性而溶解/分散的分散介质。也能够以粉末状态在上部电极2与下部电极4之间形成粘土矿物的层，但需要注意应对飞散、控制涂布厚度、不产生缺损部。为了防止短路，可以使用粘结剂将粘土矿物固定于电极间。粘结剂可以举出丁苯橡胶系、丙烯酸聚合物系、聚偏二氟乙烯系、聚四氟乙烯系等。
另外，可以在无损本发明目的的范围内，根据需要在粘土电介质中混配各种添加成分作为任选成分。
上部电极2或下部电极4例如优选由Pt、Au、Ti、Ag、Cu、Pb、Fe、Cd、Al、Zn、Mg、Li等金属、和不锈钢、黄铜(Cu-Zn)、铸铁、钢、铝合金等合金、或石墨、导电性高分子等集电体构成。
对于电极2、4、7而言，可以对其中任一者实施表面处理，形成功能化的电极。作为表面处理法，包括：通过利用金属薄膜的包覆进行的镀覆、非电解镀覆、气相镀覆(CVD法)、利用阳极处理的蚀刻法或阳极氧化化学转化、电解研磨、化学修饰或电铸、碳涂层、碳化物处理等。特别是铝的阳极氧化覆膜的耐蚀性、耐磨耗性也优异，是优选的电极。
为了防止短路，在上下电极间能够使用隔板。使用了隔板11的蓄电器件6示于图3。
隔板11在上部电极8与下部电极9之间隔离电介质10、12，防止上下电极的接触与电流的短路，并且使金属离子、电子通过。该隔板11的种类没有特别限制，例如有由烯烃系树脂、PDF系树脂、PAN系树脂、PMMA系树脂等构成的隔板。具体而言，可以为由聚丙烯腈树脂、偏二氟乙烯树脂、丙烯酸类树脂和氨基甲酸酯系树脂、聚乙烯或聚丙烯等形成的合成树脂性的多孔质膜、或陶瓷制的多孔质膜所构成的隔板，或者将这些中的2种以上的多孔质膜层积而成的构成。
优选使成为电介质的粘土的分散液渗入隔板11并自然干燥。
实施例
接着，基于下述实施例更详细地说明本发明。本发明并不受这些实施例任何限定。
实施例1～4
如图1所示，在上部电极2厚度0.1mm×面积S(mm2)和下部电极IV厚度0.1mm×面积S+2(mm2)上涂布下述粘土的水分散液并使其自然干燥(涂布粘土的含水率为10质量％)。在该上部电极2和下部电极4上进一步涂布与上述同样的粘土水分散液作为粘结剂，无空隙地夹入，同样地使其自然干燥而形成粘土电介质3(厚度d＝0.07mm)，形成蓄电器件1。作为由电极2、4构成的集电体5，使用SUS430。电极2、4的厚度分别为0.1mm。
粘土水分散液使用粘土矿物的KUNIPIA F(商品名、国峯工业公司制造)(实施例1)、SUMECTON ST(商品名、国峯工业公司制造)(实施例2)、SUMECTON SA(商品名、国峯工业公司制造)(实施例3)、SUMECTON SWN(商品名、国峯工业公司制造)(实施例4)。
KUNIPIA F是对以蒙脱石为主要成分的天然物质膨润土进行精制而成的粘土矿物(层间插入Na离子)。SUMECTON ST是以硅镁石为主要成分的合成粘土(层间插入Na离子)。SUMECTON SA是以皂石为主要成分的合成粘土(层间插入Na离子)。SUMECTON SWN是以锂蒙脱石为主要成分的合成粘土(层间插入Na离子)。各实施例中使用的粘土的阳离子交换容量CEC[meq/100g]示于表2。
【表2】
表2
Figure BDA0003168459340000051
<使用蓄电器件1的相对介电常数的测量>
如图2所示，使用LCR测试仪：HIOKI-3522-50LCR Hi TESTER(日置电机株式会社制造)以100mV水平测定蓄电器件的阻抗Z[Ω]和相位角θ，测量相对介电常数。
实施例1中，在上述蓄电器件的制作方法中，S＝450mm2，使用SUS430作为电极5，使用KUNIPIA F作为电介质。
实施例2中，在上述蓄电器件的制作方法中，S＝450mm2，使用SUS430作为电极5，使用SUMECTON ST作为电介质。
实施例3中，在上述蓄电器件的制作方法中，S＝450mm2，使用SUS430作为电极5，使用SUMECTON SA作为集电体。
实施例4中，在上述蓄电器件的制作方法中，S＝450mm2，使用SUS430作为电极5，使用SUMECTON SWN作为集电体。
实施例1～4在100Hz和10kHz下测量相对介电常数的结果示于表3。
【表3】
表3
Figure BDA0003168459340000061
如表3所示，可知：实施例1～4在使用SUMECTON系粘土矿物作为电介质的蓄电器件中得到高的相对介电常数。这表明能够廉价地制作高介电常数的蓄电器件。在使用SUMECTON SWN的蓄电器件中能够得到最高的相对介电常数，作为蓄电器件是最优选的。
实施例5～8
<改变了集电体的蓄电器件的相对介电常数的测量>
实施例5～8在上述蓄电器件的制作中将集电体金属变更为铝或黄铜，使用了KUNIPIA F或SUMECTON ST作为电介质。
实施例5在上述蓄电器件的制作方法中设定S＝95mm2、d＝0.01mm，粘土电介质3使用了KUNIPIA F，电极使用了黄铜。
实施例6在上述蓄电器件的制作方法中设定S＝95mm2、d＝0.01mm，粘土电介质3使用了SUMECTON ST，电极使用了黄铜。
实施例7在上述蓄电器件的制作方法中设定S＝95mm2、d＝0.01mm，粘土电介质3使用了KUNIPIA F，电极使用了铝。
实施例8在上述蓄电器件的制作方法中设定S＝95mm2、d＝0.01mm，粘土电介质3使用了SUMECTON ST，电极使用了铝。
测量了实施例5～8在100Hz、10kHz下的相对介电常数。实施例5～8的相对介电常数的测量结果示于表4。
【表4】
表4
Figure BDA0003168459340000062
由表4可知，表明：即便在将实施例1中使用的电极以外的黄铜和铝用作集电体的蓄电器件中也发挥了功能，相对介电常数高。
参考例
在上述蓄电器件的制作方法中设定S＝95mm2、d＝0.3mm，代替电介质3而使用据称作为现有的电介质显示出最高性能的钛酸钡粉末(平均粒径100nm、纯度99.9％)，使电极为黄铜，除此以外与实施例1同样地制作出蓄电器件。
与实施例1同样地测量100Hz、10kHz下的相对介电常数，将其结果(相对介电常数)示于表5。
【表5】
表5
Figure BDA0003168459340000071
由表3、4的结果与表5的结果的对比可知，使用蒙皂石系粘土作为电介质的实施例1～8的蓄电器件显示出超过钛酸钡粉末的几百～几千倍的相对介电常数，是性能优异的蓄电器件。
实施例9在上述蓄电器件的制作方法中使用SUS作为电极5，使用KUNIPIA RC-G(国峯工业公司制造)作为电介质。KUNIPIA RC-G是KUNIPIA F的层间离子由钠离子置换成锂离子的蒙皂石系粘土(CEC40[meq/100g])。
实施例10在上述蓄电器件的制作方法中使用SUS作为集电体，使用KUNIVIS110(国峯工业公司制造)作为电介质。KUNIVIS 110是将KUNIPIA F的层间离子由钠离子置换成三甲基硬脂基铵离子的有机修饰蒙皂石系粘土。
实施例9、10在100Hz、10kHz下测量相对介电常数的结果示于表6。
【表6】
表6
Figure BDA0003168459340000072
由表6可知，在使用对蒙皂石系粘土的层间离子进行了离子交换的电介质3的蓄电器件中也得到了高相对介电常数。但是，主要具有钠离子作为层间离子时可得到高相对介电常数。
<使用蓄电器件6的相对介电常数的测量>
实施例11、实施例12
如图3所示，在上部电极8和下部电极9上涂布粘土分散液，形成上部电介质10和下部电介质12。在上部电介质10与下部电介质12之间夹入浸渗有粘土分散液的粘土浸渗隔板11，形成蓄电器件6。
实施例11在上述蓄电器件6的制作方法中使用KUNIPIA F作为电介质，电极使用了SUS430。
实施例12在上述蓄电器件6的制作方法中使用SUMECTON ST作为电介质，电极使用了SUS430。
测量实施例11、实施例12在100Hz、10kHz下的相对介电常数。将实施例11、实施例12的相对介电常数的测量结果示于表7。
【表7】
表7
Figure BDA0003168459340000081
由表7可知，使用了隔板的蓄电器件也可发挥功能，得到了高相对介电常数。
实施例13、14
<对电极表面实施了化学处理的蓄电器件的相对介电常数的测量>
实施例13在上述蓄电器件2的制作方法中设定S＝95mm2 d＝0.01mm，使用KUNIPIAF作为电介质，使用对与上部电介质10和下部电介质12接触的电极7的面进行了阳极氧化化学转化的(Al-Al2O3)作为电极7。通过阳极氧化化学转化得到的Al2O3氧化覆膜为约40nm。
实施例14在上述蓄电器件2的制作方法中设定S＝95mm2 d＝0.01mm，使用SUMECTON ST作为电介质，使用对与上部电介质10和下部电介质12接触的电极7的面进行了阳极氧化化学转化的(Al-Al2O3)作为电极7。通过阳极氧化化学转化得到的Al2O3氧化覆膜为约40nm。
测量实施例13和实施例14在100Hz、10kHz下的相对介电常数。实施例13、实施例14的相对介电常数的测量结果示于表8。
【表8】
表8
Figure BDA0003168459340000082
由表8可知，在使用了蒙皂石系粘土的电介质与氧化覆膜接触的蓄电器件中也能得到高相对介电常数，是性能优异的蓄电器件。
结合其实施方式对本发明进行了说明，但本申请人认为，只要没有特别指定，则本发明在说明的任何细节均不被限定，应当在不违反所附权利要求书所示的发明精神和范围的情况下进行宽泛的解释。
本申请要求基于2019年2月8日在日本进行专利提交的日本特愿2019-022129的优先权，将其参照于此并将其内容作为本说明书记载内容的一部分引入。
符号说明
1 蓄电器件
2 上部电极
3 粘土电介质
4 下部电极
5 集电体
6 蓄电器件
7 电极
8 上部电极
9 下部电极
10 上部电介质
11 粘土浸渗隔板
12 下部电介质

Claims (4)

1.一种蓄电器件，其具有两个电极，并且在该电极间具有板状晶体结构蒙皂石系粘土膜。
2.如权利要求1所述的蓄电器件，其特征在于，在具有导电性的集电体的两个或单个与粘土膜连接的面形成金属氧化覆膜。
3.如权利要求1或2所述的蓄电器件，其特征在于，板状晶体结构蒙皂石系粘土膜中，膨润土或蒙皂石的层间离子选自钠离子、锂离子、三甲基硬脂基铵离子。
4.如权利要求1～3中任一项所述的蓄电器件，其在上下电极间具有隔板。
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