JP2012178228A

JP2012178228A - 発電素子

Info

Publication number: JP2012178228A
Application number: JP2011039239A
Authority: JP
Inventors: Naoko Hanatani; 尚子花谷; Michita Hokao; 道太外尾; Atsushi Yokouchi; 敦横内
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-09-13

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】一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にピロリジニウム系イオン液体よりなる中間層を設けてなる発電素子とする。中間層としてはピロリジニウム系イオン液体単体または、ピロリジニウム系イオン液体を含有するゴム材料よりなる構成とした。
【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り、新たな蓄電源として、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。

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。

ところが、特許文献１に示すような蓄電池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り、ユーザーによる度重なる長時間の充電作業を強いていた。そこで、外部電圧による充電を必要とせず、ピリジニウム系イオン液体などを含有した誘電性ゴム組成物による自己充電機能により所定の電圧を確保できる蓄電池が特許文献２などに提案されている。

特開２００６−２９４４５７号公報特開２００９−２２７９８５号公報

しかしながら、特許文献２において、蓄電池として使用されているピリジニウム系イオン性液体含有のゴム組成物などでは、自己充電機能を備え前記特許文献１の問題点は解決されているものの、充電できる電圧が極めて低く、蓄電池として装置を動作させるには更なる充電能力の向上が望まれていた。そこで、本発明では前記問題点を解決する為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、自己充電により所定の電圧を確保できる蓄電池の性能を向上させることを目的とする。

前記課題を解決するための第１の発明は、一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間に中間層が設けられている発電素子において、前記中間層はピロリジニウム系イオン液体であることを特徴とする。

また、第２の発明は、一対の電極と、前記一対の電極で中間層を挟み込んだ発電素子において、前記中間層は、ピロリジニウム系イオン液体をゴム材料に含有させた固体電解質であることを特徴とする。

本発明に係る発電素子にあっては、中間層にピロリジニウム系イオン液体を含有させることにより、これまで検討されていたピリジニウム系イオン液体に比べ充電性能が大幅に向上させることができ、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。本発明及び比較例の発電素子（ＩＬ／Ｃユニット）から発生した電圧値と抵抗値のグラフである。本発明及び比較例の発電素子（エラストマーユニット）から発生した電圧値と抵抗値のグラフである。

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、一対の導電性の電極６１、６２を離間させ、前記一対の電極で中間層２０を挟み込む構成となっている。

ここで、中間層２０にイオン液体単体を用いたＩＬ／Ｃユニットおよび、中間層２０にゴムなどのベース材料にイオン液体を分散させたエラストマーユニットでは、自然放置にて自己充電がなされる構造となっている。

そして、前記ＩＬ／Ｃユニット、エラストマーユニット共に用いられるイオン液体としては、ピロリジニウム系イオン液体を用いる事が充電性能向上の点で好ましい。
また、エラストマーユニットにおけるイオン液体を分散させるベース材料のゴムとしては、特には限定されないが、使用可能なものとしては、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、フルオロシリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム等が挙げられる。これらは、それぞれ単独で２種以上を組み合わせて使用することができる。またこれらの中では、発電性能およびエラストマー材料としての性能を存分に発揮するために、「比誘電率が３以上」「上記した有機添加剤との相溶性がよい」、「安価，かつ容易に入手可能で成形性がよい」、「成形エラストマーの硬さ（デュロメータＡスケール）が３０〜５０の範囲内」、「最大伸びが５００％を超える」点に優れているアクリルゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、フルオロシリコーンゴム、フッ素ゴムが特に好ましい。

また、エラストマーユニットにおいて、ゴム１００質量部に対するイオン液体の含有率は、目的とする発電電圧、化合物自体によって適宜選定されるが、概略５〜７０質量部、より好ましくは１０〜５０質量部である。含有量が５質量部未満の場合は、エラストマー中に存在する絶対量が少なすぎるため、発電電圧がさほど向上せず、電源装置としての性能を存分に発揮しない。また、７０質量部を超えて添加した場合、エラストマーとの相溶性の上限を超えてしまい、エラストマーの可撓性が大きく損なわれてしまう。

また、エラストマーユニットにおける中間層の厚さとしては、用いるベース材料により異なるが、耐久性、変形能が維持できる１００μｍ〜１ｍｍ程度の範囲、より好ましくは、２００〜５００μｍの範囲である。中間層の厚さが極めて薄い場合、変形時に穴、亀裂等が発生する虞が高くなり好ましくない。それに対して、中間層の厚さが１ｍｍを越える場合は、膜厚が厚すぎて、発電性能の低下、変形能の低下が想定され好ましくない。

他の物性としては、硬さ（デュロメータＡスケール）が２０〜６０、より好ましくは、３０〜５０の範囲である。硬さが２０未満の場合は、変形能は大きくなるものの、機械的強度が不足する傾向が強くなり実用性が低下するため好ましくない。それに対して、硬さが６０を越えると変形能が小さくなりすぎて、エラストマーユニットとしての実用性に乏しくなり好ましくない。

（電極）
発電素子の電極としては、ＩＬ／Ｃユニットにおいては導電性のある電極板、エラストマーユニットにおいては、導電性の電極板、もしくは導電性フィラーを含有し導電性を備えたゴム材料等が挙げられる。

導電性のある電極板および導電性フィラーの物性としては、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下、より好ましくは１×１０⁻¹Ω・ｃｍ以下のものを好適に使用できる。体積固有抵抗が１０ Ω・ｃｍを超える場合は、導電性が低いために発電効率が悪くなることが想定され好ましくない。電極板の具体的なものとしては、導電性の良いカーボン板やカーボンを含有する樹脂複合材などが挙げられ、それぞれ単独または２種類を組み合わせて使用することができる。

また、エラストマーユニットの電極として用いられるゴム材料に含有される導電性フィラーの具体的なものとしては、導電性カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー、銀や黒鉛等の固体導電物の少なくとも一種が挙げられる。さらに、電極の導電性及び伸びの向上のためにイオン液体を添加しても良い。電極のベースゴム材料としては特には限定されないが、使用可能なものとしては、上記エラストマーユニットの中間層のベースゴムで挙げた、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、フルオロシリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム等が挙げられ、それぞれ単独で２種以上を組み合わせて使用することができる。さらには中間層のベースゴムと同じ材料であることが好ましい。

また、エラストマーユニットの電極中において、ゴム１００質量部に対する導電性フィラーの含有率は概略５〜７０質量部、より好ましくは１０〜５０質量部である。含有量が５質量部未満の場合は、ゴム材料中に存在する絶対量が少なすぎるため、導電性がさほど向上せず、電源装置としての性能を存分に発揮しない。また、７０質量部を超えて添加した場合、ゴム材料の可撓性が大きく損なわれてしまう。

エラストマーユニットの電極の厚さとしては、５〜１００μｍの範囲、より好ましくは１０〜５０μｍの範囲である。電極の厚さが５μｍ未満の場合は、膜厚が薄すぎて均一に成膜するのが困難であると共に、変形時に穴等が発生する虞が高くなり好ましくない。それに対して、電極の厚さが１００μｍを越える場合は、膜厚が厚すぎて中間層の変形に追随するのが難しくなると共に、導電性の低下も想定され好ましくない。

（スペーサ）
ＩＬ／Ｃユニットにおいては一対の電極間にイオン液体の中間層を封入する為のスペーサが必要になる。スペーサとしては、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。
この構成を有することによって、一対の電極間に電位差が発生する。この電位差を放電させた後、開回路の状態で大気中保存することにより、再度両電極間に電位差が生じる特徴を有する。

（実施例・比較例）
実施例、比較例ともに、発電素子としてＩＬ／Ｃユニット、エラストマーユニットの２種類を表１、表２のように作製して性能試験を行った。

[ＩＬ／Ｃユニット]
電極：昭和電工株式会社製ＳＧカーボン板
スペーサ：シリコーンゴムユニット（厚さ２００μｍ）
中間層：イオン液体Ａ（実施例）、イオン液体Ｂ（比較例）

[エラストマーユニット]
電極：アクリルゴム（株式会社トウペ製）＋カーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製）＋架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製）（＋イオン液体Ａ、Ｂ）
中間層：アクリルゴム（株式会社トウペ製）＋カーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製）＋架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製）＋イオン液体Ａ、Ｂ

[イオン液体]
実施例（イオン液体Ａ）：ピロリジニウム系イオン液体：1‐(メトキシメチル) ‐1‐メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド（ＭＭＰ−ＴＦＳＡ）
比較例（イオン液体Ｂ）：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）

（電極の作製）
実施例１と比較例１はカーボン板を電極とし、イオン液体を含浸させた。
実施例２〜３と比較例２〜４は導電性エラストマーを電極とした。ベースゴム溶液中に導電性フィラーを分散させた混合物から、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、薄膜を作製し半硬化状態にしたものと、ベースゴム溶液中に導電性フィラーとイオン液体を分散させた混合物から、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、薄膜を作製し半硬化状態にしたものを用意した。

（中間層の作製）
実施例は、ピロリジニウム系イオン液体（イオン液体Ａ）を用いた。
比較例は、ピリジニウム系イオン液体（イオン液体Ｂ）を用いた。
エラストマーユニットにおいては、ベースゴム、イオン液体混合溶液を調製し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用いて半硬化状態の薄膜を作製して中間層とした。

（発電素子の作製）
ＩＬ／Ｃユニットである実施例１と比較例１は、１対の電極（６１、６２）間にスペーサ２１を置き、前記イオン液体を電極上に滴下して発電素子１００とした。この時、下部電極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。さらに発電素子作製後、両電極間に外部から電圧を印加し、配向処理を行った。

エラストマーユニットである実施例２〜３、比較例２〜４は、前記にて作製した薄膜の中間層２０の両端に、前記にて作成した一対の電極（６１、６２）を接着し発電素子１００とした。この時、下部電極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。さらに発電素子作製後、両電極間に外部から電圧を印加して配向処理を行った。

（発電確認試験）
実施例および比較例で作製した発電素子の発電量を、図２で示すような測定装置で測定して発電材料としての機能の評価を行った。発電電圧は、電圧波形測定装置で測定した。

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０V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、両電極間の電位差の時間変化を測定した。

（試験結果）
実施例１と比較例１の電圧と抵抗値の測定結果を図３に示す。電圧の測定は、大気中に保存して２４時間以内の電圧のピーク値を測定した。また，電圧がピーク値を示した時間から１週間後の電圧値も同様に図４に示す。
実施例２〜３と比較例２〜４の電圧と抵抗値の測定結果を図４に示す。電圧の測定は、大気中に保存して２４時間以内の電圧のピーク値を測定した。また，電圧がピーク値を示した時間から１週間後の電圧値も同様に図４に示す

図３、図４から分かる通り、ピロリジニウム系イオン液体を中間層又は電極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間にこれまでのピリジニウム系イオン液体を用いた発電素子以上の電位差を得ることができ、自己充電機能の向上に寄与していることが分かった。特にアニオンがトリフルオロメタンスホニルイミド（ＴＦＳＡ）のイオン液体において性能が最も向上した。

この実験結果により、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の性能向上を図ることが可能となる。

１００…発電素子
２０…中間層（イオン液体、イオン液体含有固体電解質）
２１…スペーサ
６１…上部電極
６２…下部電極

Claims

一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間に中間層が設けられている発電素子において、
前記中間層はピロリジニウム系イオン液体であることを特徴とする発電素子。
一対の電極と、中間層と、前記一対の電極で前記中間層を挟み込んだ発電素子において、前記中間層は、ピロリジニウム系イオン液体をゴム材料に含有させた固体電解質であることを特徴とする発電素子。