JP2004512696A - 再充電可能なバッテリー - Google Patents

Abstract

この発明は再充電可能なバッテリーに関するもので、複数の細長い導体２が位置する細長い複数のホールが形成されている固体材料１と、第１の空間方位において固体材料１の両面に形成または配置された一対の第１の電極３と、第１の方向とは異なった第２の空間方位において固体材料１の両側に形成または配置された一対の第２の電極４からなり、直流電圧が一対の第１の電極３の間に適用されると電界が形成され、細長い導体内に静電荷が誘導されそれによって一対の第２の電極４の間に電圧を発生させるようになっている。

Description

【０００１】
本発明は再充電可能なバッテリーに関するもので、特に長手方向に延びるホールを有し、そのホール内に長手方向に延びる導体が形成されている固体（ソリッドステイト）を備える再充電可能なバッテリーに関するものである。
【０００２】
本発明は同時に出願された英国出願（発明の名称、再充電可能なバッテリー）を参照するものであり、代理人索引ＣＴＶ／Ｐ４５２０２．１を有し、その全ての記載を本発明では参照して組み入れるものである。
【０００３】
従来、種々の再充電可能なバッテリーが知られている。これらは例えば、ニッケル−カドミウムまたはニッケル−金属水素化物系を基礎とする化学蓄電池を含む。これらのバッテリーは充放電時にバッテリー内で徐々に起こる非可逆的な化学変化により作動寿命は限られている。そしてそれらは毒性化学物を含むという点で環境的には好まれていない。
【０００４】
一対の電極を有し、その一つが固体電解質のいずれか一方に設けられたキャパシタからなる蓄電池がＲＵ２０７０７５６に記載されている。このバッテリーは電解質を通る電流によって充電される。
【０００５】
一対の取り付けられた電極を有するピエゾセラミックス構成手段を備える再充電可能なバッテリーがＲＵ２０８７０６６に記載されている。
【０００６】
また、ＲＵ２０７４４７５にはダイナモを使って充電するキャパシタ・バンクからなる蓄電池が記載されている。
これらの全ての装置は充分な作動寿命を有していず、また環境に悪影響を与える傾向にある。
【０００７】
本発明の第一の観点によれば、固体誘電体または半導体材料のエネルギー貯蔵部材を含み、前記材料には複数のホールが形成され、そのホールには細長い導体が配置され、その長手方向に沿った少なくとも一つの地点において上記エネルギー貯蔵部材に接触する。また、直流電圧を印加されるようになった一対の第一の電極が上記エネルギー貯蔵部材の第一の空間方位または空間的方位（ｓｐａｔｉａｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）においてエネルギー貯蔵部材の両側に配置される。さらに一対の第二の電極が上記第一の空間方位とは異なった第二の空間方位において上記エネルギー貯蔵部材の両側に形成されている。
【０００８】
操作時は一対の第一の電極を渡って直流電圧が適用され、固体材料を横切る電界が形成され、これが細長い導体に静電荷を誘導し、それによって一対の第二の電極間に電圧を発生させる。
【０００９】
少なくとも細長い導体のいくつかが互いに同一または類似の空間方位を有しているのが有利である。特に好ましい具体例では、導体の充分が実質的に同一または同様の方向に延び、固体材料に対して等方性を与えるように延びている。すなわち、比較的多くの導体は実質的にある一つの支配的な方向に延びている。この導体および電極は一対の第一の電極の間に描かれる想像線が支配的な導体の方向に垂直に延び、一対の第二の電極が上記支配的な導体方向に対し、実質的に平行に延びるように形作られている。
【００１０】
本発明の第二の観点によれば、二対の電極間にエネルギー貯蔵体が位置する再充電可能なバッテリーを提供するものである。このエネルギー貯蔵体は固体誘電体または半導体材料から製造され、細長い導体が配置されたホールを有している。この細長い導体はその長手方向に沿った少なくともある地点で固体本体に取り付けられるように形成されている。これらの導体の少なくともいくつかは互いに実質的に同一または同様の空間的方位を有している。一対の第１の電極は第１の空間的方位において、全体としてエネルギー貯蔵体の両側に配置され、その間に直流電圧を適用するようになっている。一対の第二の電極は出力電極であって、上記第一の方位とは異なる第二の空間的方位において全体としてエネルギー貯蔵体の両側に形成または配置されている。
【００１１】
この導体および電極は一対の第一の電極の間に描かれる想像線が支配的な導体の方向に垂直に延び、一対の第二の電極が上記支配的な導体方向に対し、実質的に平行に延びるように形作られている。
【００１２】
この細長い導体は上記固体材料に対し少なくともその長手方向のある地点で接触するように形成されている。
【００１３】
一対の第一の電極は上記固体材料に対し密接して形成または配置されているのが好ましい。
【００１４】
また一対の第二の電極は上記固体材料に対し密接して形成または配置されているのが好ましい。
【００１５】
この電極は電気的に形成することができ、固体材料に対して電着またはスパッタリングにより形成される。またこの電極は分離して形成されてもよく、クランプして固定されるか接着されるなどの他の方法によって固体材料上に配置される。
【００１６】
この電極は金、銀、プラチナまたは銅あるいはそれらの組み合わせからなる金属で形成することができる。
上記固体材料は誘電体または半導体材料であって、例えば本出願人の国際特許出願ＷＯ００／４０５０６に記載されており、これらの記載の全部を引用することにより本出願に取り入れる。
【００１７】
この固体材料は固体の結晶性セラミック材料のような誘電体セラミック材料であってよく、ピエゾセラミック材料および異なるセラミック材料の固体複合材を含む。この固体材料はまた、シリコンまたはガリウム砒素のような半導体であってよい。この固体材料は誘電体と半導体材料との複合混合物であってもよい。
【００１８】
この固体材料はＷＯ００／４０５０６に記載の方法により製造することができ、すなわち、上記ホールは電気的浸食プロセスによって形成することができ、上記導体は上記ホール内での局部的なイオンの沈殿によって形成することができる。
【００１９】
上記ホールは間隙（ｐｏｒｅｓ）の形態であってよく、直径が２００ｎｍまでが好ましく、１０ｎｍから２００ｎｍがより好ましい。
【００２０】
上記導体は金、銀、プラチナまたは銅あるいはその組み合わせから金属で形成することができる。また他の金属が使用されてもよい。上記導体は細長いフィラメントまたはファイバーの形態であるのが好ましく、一またはそれ以上のフィラメントまたはファイバーが一定の細長いホール内に配置されてよい。
【００２１】
上記導体は直径が２００ｎｍまでが好ましく、１０ｎｍから２００ｎｍがより好ましい。
上記ホールおよび導体は長さ１００ｎｍから１０００ｎｍであるのが有利であって、この範囲以外の長さは特定の環境において使用することができる。
【００２２】
一対の第一の電極への直流電圧印加時に上記固体材料間に直流電界（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）が起きる。この電界は細長い導体中に静電荷を誘導させ、これらの電荷は上記電界の影響のもとに移動して一対の第二の電極間に電位差を生じさせる。一対の第一の電極間に電位差をかけ、第二の電極対に負荷または他の回路を接続することによってその負荷または回路を通して電流が流れることになる。
【００２３】
本発明の再充電可能な電池はいかなる化学的な活性成分をも含まず、環境的に有害でない。さらに再充電中にほとんどまたは全く機械的あるいは熱的劣化がないので、本発明の電池は現存の蓄電池に比して改善された操作寿命を有している。ある具体例では、本発明は現存の再充電可能なバッテリーより２０パーセント操作寿命が改善される。
【００２４】
本発明のよりよき理解のために、またどのように実施されるかを示すために添付図面に示す実施例を用いて説明する。
【００２５】
図１は固体セラミックブロック１を示し、該ブロックは複数の細長い間隙を有し、この間隙内には銀製の細長い導電性フィラメント２が形成されている。上記間隙およびフィラメント２は矢印Ａで示す支配的な長手方向を有している一対の銀電極３が電気的に上記固体材料１の片側に一つずつ形成され、電極３の間に描かれる想像線は上記支配的方向Ａに対し実質的に垂直をなす。銀電極４の第二の対が固体材料１の片側に一つずつ形成され、電極４間に描かれる想像線は上記支配的方向Ａに対し、実質的に平行をなす電極３間に適用される直流電圧によって電界が固体材料１を横切って発生する。この電界はフィラメント２内に静電荷を誘導し、その後この電荷は電解の影響のもとにフィラメント２に沿って移動することになり、電極４を渡る直流電圧を発生させ、この電圧はその後電極４に接続される負荷（図示せず）を通して電流を流すために利用される。
【００２６】
実施例１．間隙内に金属フィラメントを有するピエゾセラミック材料
ナノ間隙（ｎａｎｏｐｏｒｅ）が標準的方法（バインダーを有し、圧縮されたピエゾセラミック充電物を温度１４５０℃で燃焼させ、徐々に冷却する）によって製造されたピエゾセラミック・ブランクの端面の一つに、アンチモンスルホアイオダイド（ＳＳｂＩ）で製造された、先端直径２０ｎｍの第一プローブを使用し、負極性のパルス（処理ピッチ：６００ｎｍ、修正電圧：４ボルト、各間隙の処理時間４００ナノセック）の電気的浸食法により形成する。その後銀製の第二プローブ（先端直径１０ｎｍ）を使用し、正極性のパルスを供給して局部イオン沈殿法（処理ピッチ：６００ｎｍ、修正電圧：２ボルト、各間隙の処理時間６００ナノセック）によりナノ間隙中に銀のナノフィラメントを形成する。上記第一および第二プローブの位置決めは走査トンネル顕微鏡を用いて行った。間隙の濃度は平均３間隙／μｍ^２である。
【００２７】
上記方法によって処理されたピエゾセラミックプレトを強度（破壊ひずみ）研究に付した。３１００Ｎ／ｍｍ^２であって、この処理に付されたことのない同様のプレートでは２２００Ｎ／ｍｍ^２であった。
【００２８】
電気機械的カップリング係数は、材料の吸音損失（ａｃｏｕｓｓｔｉｃ ｌｏｓｓ）値に逆比例し、０．７１から０．８５に増加した。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は二対の電極を備える固体材料である。

Claims (20)

1. 複数のホールを有し、該ホール内に細長い導体が配置され、その長手方向に沿った、少なくとも一つの地点でエネルギー貯蔵部材に接触する固体誘電体または半導体のエネルギー貯蔵部材を含み、一対の第一の電極はその間に直流電圧が印加されるようになっており、第一の空間方位においてエネルギー貯蔵部材の両側に配置され、該第一の方向とは異なる第二の空間方位においてエネルギー貯蔵部材の両側に一対の第二の電極が配置されてなる再充電可能なバッテリー。
2. ホールおよび導体の少なくともいくつかは実質的に一方向に延びている請求項１記載のバッテリー。
3. ホールおよび導体の多くが実質的に一定の方向に延びている請求項２記載のバッテリー。
4. 一対の第一の電極間に描かれた想像線が上記所定の方向に実質的に垂直に延びている、請求項３記載のバッテリー。
5. 上記一対の第二の電極間に描かれる想像線が上記所定の方向に対し実質的に平行に延びる、請求項２または３に記載のバッテリー。
6. 上記一対の第一の電極が上記エネルギー貯蔵部材に対して密着して形成または配置されている、前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
7. 上記一対の第二の電極が上記エネルギー貯蔵部材に対して密着して形成または配置されている、前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
8. 上記ホールが間隙（ポアー）として形成されている前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
9. エネルギー貯蔵部材が誘電体材料から形成されている前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
10. エネルギー貯蔵部材が半導体材料から形成されている前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
11. エネルギー貯蔵部材が誘電体材料と半導体材料の複合体から形成されている請求項１乃至８のいずれかに記載のバッテリー。
12. 上記誘電体材料がセラミックス材料である請求項９または１１に記載のバッテリー。
13. 導体の少なくとも一部が銀から形成されている前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
14. 導体の少なくとも一部が金から形成されている前記請求項１乃至１２のいずれかに記載のバッテリー。
15. 導体の少なくとも一部がプラチナから形成されている前記請求項１乃至１２のいずれかに記載のバッテリー。
16. 導体の少なくとも一部が銅から形成されている前記請求項１乃至１２のいずれかに記載のバッテリー。
17. 上記ホールが１０ｎｍから２００ｎｍの直径を有する前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
18. 上記導体が１０ｎｍから２００ｎｍの直径を有する前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
19. 上記ホールが１０ｎｍから１０００ｎｍの長さを有する前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。
20. 上記導体が１０ｎｍから１０００ｎｍの長さを有する前記請求項のいずれかに記載のバッテリー。