JP2011154914A - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により一定時間放置後、所定の電圧を確保できる電池を提供する事を目的とするものである。
【解決手段】一対の電極層と、前記一対の電極層を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極層と前記スペーサとによって設けられた空間に中間層を充填してなる発電素子とする。電極層としてはカーボン板またはカーボンを含有した樹脂などの複合材が好ましく、中間層としてはイオン液体が好ましく、スペーサとしては絶縁体が好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気エネルギーを発生する発電素子に関するものである。

近年、携帯電話やモバイルコンピュータに代表される携帯情報端末の需要は急速に高まりをみせており、今後さらに成長が期待される分野の１つとなっている。
一般に蓄電池としては、これまで鉛蓄電池やニッケル・カドミウム電池などが用いられてきたが、環境配慮型社会の要求からこのような有害重金属を含有する蓄電池に対する規制も次第に強まりつつある。また、小型の携帯情報端末の普及によって、より利用エネルギーの高密度化、高電圧化、高出力化、長寿命化、小型軽量化、低価格化等の要求が一層高まっている。

このような状況下、新たな蓄電源として、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオンキャパシタ等が開発され普及してきている。
リチウムイオン電池は、通常は非水系の電解液を使用するため、水の電気分解電圧を超える高い電圧が得られ、エネルギー密度が高い。従来の蓄電源と比較して、エネルギー密度、寿命、出力等においてより優れており、現在も端末の小型・軽量化の追及に伴い、リチウムイオン電池に関する更なる研究開発が盛んに行われている。例えば、小型・軽量化を追及したものとして、以下の特許文献１が挙げられる。特許文献１では電解質として高分子を用いて、電極の両面に触媒層を有する構造のリチウムイオン二次電池が開示されている。

特開２００６−２９４４５７号公報

ところが、特許文献１において蓄電源として使用されている電気二重層キャパシタ等は、電池の放電により電圧が低下した際には、外部電圧により繰り返し充電する必要が有った。そこで、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により一定時間放置後、所定の電圧を確保できる電池を提供する事を目的とするものである。

前記課題を解決するための第１の発明は、一対の電極層と、前記一対の電極層を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極層と前記スペーサとによって設けられた空間に中間層を充填してなる発電素子であって、前記中間層が、イオン液体よりなることを特徴とする発電素子である。

また、第２の発明は、前記イオン液体が、固体電解質塩を含有することを特徴とする。

また、第３の発明は、前記固体電解質塩がイオン液体と同一のアニオンを有する電解質塩であることを特徴とする。

また、第４の発明は、前記一対の電極層がカーボンを含有することを特徴とする。

本発明に係る発電素子にあっては、スペーサによって離隔された一対の導電性電極層間に、イオン液体を充填するという簡易構造で自己充電されるため、外部電圧を用いる事無く効率的に充電を行うことができ、携帯情報端末等に好適に用いることが出来る。

本発明に係る発電素子の実施の一形態を示す構成図である。 発電確認テスト方法の一例を示す概念図である。 本発明の発電確認試験における発電素子の電圧値と電流値のグラフである。

次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る発電素子１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの発電素子１００は、一対の電極６１、６２をスペーサ２１で離間させ、前記電極間に中間層２０を充填して構成されている。

そして、この電極６１、６２は、導電性の電極板よりなり、中間層２０は、イオン液体によって構成されている。

ここで、電極６１、６２は、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であり、より好ましくは、１×１０−１Ω・ｃｍ以下のものを使用できる。体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍを超える場合は、導電性が低い為に、発電効率が悪くなることが想定され好ましくない。

電極６１、６２は具体的には、導電性の良いカーボン板、またはカーボンを含有した樹脂などの複合材が挙げられ、それぞれ単独で、または２種類を組合せて使用することが出来る。

また、スペーサ２１としては、絶縁性の良い材料が用いられる。
具体的なものとしては、ガラス、石英、アルミナ、ジルコニア等の無機材料や、シリコーンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリオレフィン樹脂等の有機材料が挙げられる。

さらに、本発明の中間層２０はイオン液体よりなり、前記イオン液体にはイオン液体に対して可溶な固体電解質塩が含まれていることが好ましい。

上記イオン液体としては、特に限定されるものではないが、例えば以下の化式１から５の構造式に示すようなピリジニウム系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、脂肪族アミン系イオン液体、脂肪族ホスホニウム系イオン液体等を用いることができ、少なくとも１種のイオン液体から選択される。

イオン液体には、さらにアルカリ金属塩および／またはアルカリ土類金属塩が含まれていてもよい。アルカリ金属塩および／またはアルカリ土類金属塩を含む電解液材料は、電解質を含有するものとなるので、電解液の材料として好適である。

アルカリ金属塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩が好適であり、アルカリ土類金属塩としては、カルシウム塩、マグネシウム塩が好適である。より好ましくは、カリウム塩である。

さらには、電解液中での解離定数が大きい金属塩すなわち電解質塩であることが好ましく、例えば、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＮａＣＦ３ＳＯ３、ＫＣＦ３ＳＯ３等のトリフロロメタンスルホン酸のアルカリ金属塩やこれらのアルカリ土類金属塩；ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ３）３、ＫＮ（ＣＦ３ＳＯ３）３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ３ＳＯ２）２、ＫＮ（ＣＦ３ＣＦ３ＳＯ２）２等のパーフロロアルカンスルホン酸イミドのアルカリ金属塩やこれらのアルカリ土類金属塩；ＬｉＰＦ６、ＮａＰＦ６、ＫＰＦ６等のヘキサフルオロリン酸のアルカリ金属塩やこれらのアルカリ土類金属塩；ＬｉＣｌＯ４、ＮａＣｌＯ４等の過塩素酸のアルカリ金属塩やこれらのアルカリ土類金属塩；ＬｉＢＦ４、ＫＢＦ４等のテトラフルオロ硼酸のアルカリ金属塩やこれらのアルカリ土類金属塩；ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＮａＡｓＦ６、ＫＩ等のアルカリ金属塩が好適である。これらの中でも、イオン液体のアニオンと同一のアニオンを有する電解質塩を用いることが好ましい。

イオン液体が電解質塩を含む場合の存在量としては、イオン液体に対して電解質塩が０．１ｍｏｌ・ｋｇ^−１以上であることが好ましく、また、５ｍｏｌ・ｋｇ^−１以下が好ましい。０．１ｍｏｌ・ｋｇ−１未満であると、イオンの絶対量が不足となって、イオン伝導度が小さくなるおそれがある。５ｍｏｌ・ｋｇ^−１を超えると、イオン液体に溶解しないおそれがある。より好ましくは、１ｍｏｌ・ｋｇ^−１以下である。

（実施例・比較例）
[発電素子の作成]
イオン液体に表１に示す固体電解質塩を０．３ｍｏｌ・ｋｇ^−１溶解させ、混合溶液を調製した。図２に示すように、１対の電極層６１、６２間にスペーサ２１を置き、上記調製した中間層２０となるイオン液体を電極層６１、６２間に充填して発電素子とした。この時、下部電極層６２は絶縁のため、ＰＴＦＥシート６３上に設置している状態である。

さらに、発電素子作成後、両電極６１、６２間に外部から電圧を印加し、配向処理を行った。なお、発電素子１００の構成要素は以下のものを用いた。

[イオン液体]
ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製、ＩＬ−Ｐ１４）
[電解質塩]
（Ａ）カリウム塩：関東化学株式会社製・カリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド
（Ｂ）リチウム塩：関東化学株式会社製・リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド
このうち、（Ａ）、（Ｂ）のいずれかを用いた。
[スペーサ]
シリコンゴムシート（厚さ２００μｍ）
[ＰＴＦＥ]
日東電工株式会社製 ニトフロンＮｏ．９００ＵＬ（厚さ５０μｍ）
[電極層]
（Ｃ）カーボン板：昭和電工株式会社製 ＳＧカーボン板（気密性カーボン）
（Ｄ）ステンレス板：株式会社ミスミ製 ステンレスシムテープ
このうち、（Ｃ）、（Ｄ）のいずれかを用いた。

[発電確認試験]
上記要領で実施例１〜３、及び比較例を作製し、発電素子の発電能力を比較するために両電極間の電位差および電流値を測定して発電材料としての機能の評価を行った。発電電圧、発電時間は、電圧波形測定装置で観察することで行った。

電極間の電位差を測定するに当って、下記操作を行った。
１．両電極を短絡させ電位差を０ボルトにする。
２．その後、電極間の短絡を取り外し大気中に所定時間保存した。
３．その後、両電極間の電位差及び電流値を測定した。
（発電量）電位差及び電流値の測定結果を表１に示す。さらに放電後、大気中に一定時間保存した後の発電素子の電圧値と電流値を図３に示す。

（試験結果）
表１から分かる通り、イオン液体を中間層として含有する発電素子は、放電後大気中に所定時間保存することにより上部電極６１と下部電極６２間に電位差を得ることができた。さらに電極６１、６２にカーボン板を採用し、イオン液体にカリウム塩を添加することにより、電圧値に対する発生電流値が大幅に上昇したことがわかる。図３では、各実施例と比較例における電圧と電流の相対関係を示している。

この結果により、本発明の構成を採用すると簡易な構造で、容易に自己発電機能を備える発電素子を得ることが可能となる。

また、このような構成をした本発明の発電素子にあっては、電極間に電位差が生じて電気が発生することになるため、これをリード線を介して取り出し、図示しない携帯情報端末等の充電部位に蓄えることで電源として活用することができる。
なお、本発明の発電素子の適用は携帯情報端末に限定されるものではなく、非常用装置の電源に供するものに適用することも出来る。

１００ 発電素子
２０ 中間層（イオン液体）
２１ スペーサ
６１ 上部電極
６２ 下部電極

Claims (4)

1. 一対の電極層と、前記一対の電極層を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極層と前記スペーサとによって設けられた空間に中間層を充填してなる発電素子であって、
   前記中間層が、イオン液体よりなることを特徴とする発電素子。
2. 前記イオン液体が、固体電解質塩を含有することを特徴とする請求項１記載の発電素子。
3. 前記固体電解質塩が、前記イオン液体と同一のアニオンを有する電解質塩であることを特徴とする請求項２記載の発電素子。
4. 前記電極層が、カーボンを含有することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の発電素子。