JP2016104701A

JP2016104701A - 電気透析装置

Info

Publication number: JP2016104701A
Application number: JP2016040707A
Authority: JP
Inventors: 弘篤等々力; Hiroatsu Todoroki; 竹村　保彦; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村; 邦治野元; Kuniharu Nomoto
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: JP6063077B2; JP5898011B2; JP2013047171A; US9573813B2; CN103702936A; TW201311555A; US20130183226A1; CN103702936B; WO2013015229A1; TWI557069B

Abstract

【課題】純度の高い酸化グラファイト（あるいは酸化グラフェン）を量産する。【解決手段】グラファイトを酸化剤により酸化して得られた酸化グラファイト溶液に電気透析することで溶液に含まれる水溶性イオンを除去することにより、酸化グラファイトの純度を高める。このようにして得られた酸化グラファイトを原料にして得られた酸化グラフェンは、粉体と混合した後、還元することで、導電性を呈するグラフェンとなり、また、粉体を結合させることができる。例えば、各種電池の導電助剤やバインダーの代わりに利用できる。【選択図】図１

Description

本発明は、酸化グラファイト、酸化グラフェンあるいはグラフェンやそれらを用いた各種
電気機器等に関する。

グラフェンとは、１原子の厚さのｓｐ^２結合炭素原子のシートのことであり、炭素原子と
その結合からできた蜂の巣のような六角形格子構造をとっている。厳密には、グラフェン
とは上記の定義の通りであるが、本明細書では、これらのシートが２乃至１００層、積層
した炭素膜もグラフェンと称する。

グラフェンは様々な方法で作製されるが、Ｈｕｍｍｅｒｓ法は簡便な方法であり、多くの
研究がなされている（特許文献１および特許文献２参照）。Ｈｕｍｍｅｒｓ法では、最初
に酸化剤でグラファイトを酸化する。酸化剤には、過マンガン酸カリウムを用い、通常は
酸化作用を促進するために硫酸等の酸を同時に添加する。

酸化されたグラファイト（酸化グラファイト）は、層状構造を保っているが、グラファイ
トに比較すると層の間隔が増大しているため、超音波処理等により容易に層状構造を破壊
することができ、酸化されたグラフェン（酸化グラフェン）を得ることができる。なお、
この際、酸化グラフェンは１以上の炭素原子のシートを有していることがある。

得られた酸化グラフェンを適切な物体表面に薄く膜状に形成し、酸化グラフェンを還元す
ることで、非常に薄い炭素膜（グラフェン）を形成できる。

米国特許出願公開第２００７／０１３１９１５号明細書米国特許出願公開第２０１０／０３０３７０６号明細書米国特許第３７０５８４６号明細書米国特許第６４９５０１３号明細書

上記のようにＨｕｍｍｅｒｓ法は、高価な装置が必要としない方法であるため工業的に有
望である。しかしながら、実用的な酸化グラファイトを得るためには、以下に示すように
、精製工程で多大な時間や労力、資源を要する。

上記のようにグラファイトを酸化した直後の溶液中には、様々なイオンが溶け込んでいる
。これらのイオンは多くの場合、不要なものであり、場合によっては得られるグラフェン
の特性を悪化させるため、分離除去することが求められる。イオンを分離するためには、
通常は溶液を純水で希釈して、遠心分離で溶液を分離して、上澄み部分を捨てるという工
程を幾度も繰り返すことが求められる。この方法では、連続的な生産が困難であり、また
、多量の純水が必要とされる。

一方、酸化グラファイト溶液からイオンを分離する技術として透析法を用いる提案がされ
ている（特許文献２参照）。透析法を用いると、酸化グラファイト溶液を純水で希釈する
という工程を削減できるが、効率的な透析法については開示されていない。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、本発明の態様の一は、より量産性のよい、酸
化グラファイト、酸化グラフェンあるいはグラフェンの作製方法やそれに必要な装置等を
提供することを課題とする。また、本発明の態様の一は、酸化グラファイト、酸化グラフ
ェンあるいはグラフェンを用いて得られた電気機器を提供することを課題とする。また、
本発明の態様の一は、特殊な組成等を有する酸化グラファイト、酸化グラフェンあるいは
グラフェンを提供することを課題とする。また、本発明の態様の一は、新規な電気機器を
提供することを課題とする。

本発明の一態様は、グラファイトを溶液中で酸化する工程と、溶液の水素イオン濃度がＰ
Ｈ３以下となるように酸を添加する工程と、溶液から電気透析により陽イオンを除去する
工程と、を有する酸化グラファイトの作製方法である。ここで、酸は塩酸を用いてもよい
。

また、本発明の一態様は、グラファイトを溶液中で酸化する工程と、溶液の水素イオン濃
度がＰＨ６乃至８となるようにＰＨ調整剤を添加する工程と、溶液から電気透析により陽
イオンおよび陰イオンを除去する工程と、を有する酸化グラファイトの作製方法である。

また、本発明の一態様は、グラファイトを溶液中で酸化する工程と、溶液の水素イオン濃
度がＰＨ６乃至８となるようにＰＨ調整剤を添加する工程と、溶液から陽イオンおよび陰
イオンを除去する第１の電気透析の工程と、陽イオンを除去するバイポーラ膜を用いた第
２の電気透析の工程と、を有する酸化グラファイトの作製方法である。

上記においてＰＨ調整剤には、水酸化リチウムあるいは水酸化アンモニウムを用いてもよ
い。

また、本発明の一態様は、上記の方法によって得られた酸化グラファイトを超音波処理す
ることにより得られた酸化グラフェンの作製方法である。

また、本発明の一態様は、上記の方法によって得られた酸化グラフェンを還元することに
より得られたグラフェンの作製方法である。

上記の方法によって得られた酸化グラファイト、酸化グラフェン、あるいはグラフェンは
さまざまな電気機器に使用される。電気機器は蓄電装置でもよい。また、蓄電装置はイオ
ンをキャリアとする二次電池でもよい。イオンをキャリアとする二次電池としては、リチ
ウムイオン二次電池、ナトリウム硫黄二次電池を挙げることができるがこれらに限定され
ない。

また、本発明の一態様は、陽極と陰イオン交換膜と陽イオン交換膜と陰極を有する電気透
析装置であって、陽極と陽イオン交換膜の間に陰イオン交換膜を有し、陰極と陰イオン交
換膜の間に陽イオン交換膜を有し、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の間の領域には、酸
化グラファイトと陰イオンを有する水素濃度がＰＨ３以下である溶液を注入することを特
徴とする電気透析装置である。

また、本発明の一態様は、陽極と陰イオン交換膜とバイポーラ膜と陰極を有する電気透析
装置であって、陽極とバイポーラ膜の間に陰イオン交換膜を有し、陰極と陰イオン交換膜
の間にバイポーラ膜を有し、バイポーラ膜と陰イオン交換膜の間の領域には、酸化グラフ
ァイトと陰イオンを有する水素濃度がＰＨ３以下である溶液を注入することを特徴とする
電気透析装置である。

また、本発明の一態様は、陽極と陰イオン交換膜と陽イオン交換膜と陰極を有する電気透
析装置であって、陽極と陽イオン交換膜の間に陰イオン交換膜を有し、陰極と陰イオン交
換膜の間に陽イオン交換膜を有し、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の間の領域には、酸
化グラファイトと陽イオンと陰イオンを有する水素イオン濃度がＰＨ６乃至ＰＨ８である
溶液を注入することを特徴とする電気透析装置である。

上記において、陽極と陰イオン交換膜の間、あるいは陰極と陽イオン交換膜の間に１以上
のバイポーラ膜を有してもよい。

また、本発明の一態様は、陽極とバイポーラ膜と陽イオン交換膜と陰極を有する電気透析
装置であって、陽極と陽イオン交換膜の間にバイポーラ膜を有し、陰極とバイポーラ膜の
間に陽イオン交換膜を有し、陽イオン交換膜とバイポーラ膜の間の領域には、酸化グラフ
ァイトと陽イオンを有する水素イオン濃度がＰＨ６以上である溶液を注入することを特徴
とする電気透析装置である。この電気透析装置を本発明の他の一態様の第２の電気透析の
工程に用いても良い。

上記の構成を有する本発明の態様の少なくとも一によって、純度の高い酸化グラファイト
、酸化グラフェンあるいはグラフェンを得ることができる。また、上記の構成を有する本
発明の態様の少なくとも一によって、純度の高い酸化グラファイト、酸化グラフェンある
いはグラフェンを連続的に製造することができる。また、上記の構成を有する本発明の態
様の少なくとも一によって、純度の高い酸化グラファイト、酸化グラフェンあるいはグラ
フェンの量産性を高めることができる。

本発明の一態様で用いる電気透析装置の模式図である。本発明の一態様の酸化グラフェンの作製工程を示す図である。本発明の一態様の酸化グラフェンの作製工程を示す図である。本発明の一態様の原理を示す図である。本発明の一態様の原理を示す図である。本発明の一態様の原理を示す図である。二次電池の例を示す図である。蓄電装置の応用の形態を説明するための図である。無線給電システムの構成を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、
以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、酸化グラフェンを作製する工程について図１、図２、図４（Ａ）を用
いて説明する。図２には、本実施の形態の酸化グラフェンの作製工程の概略を示す。材料
であるグラファイトは平均粒径１μｍ乃至１００μｍのものを用いるとよい。最初に、グ
ラファイトに濃硫酸および酸化剤を添加し、酸化グラファイトを得る（図２のＰ１）。

さらに、過剰な酸化剤を失活させるために、過酸化水素水を添加する（図２のＰ２）。こ
の段階での溶液は、各種のイオンや酸化グラファイト以外の沈殿、未反応のグラファイト
等を含んでいる。まず、溶液をろ過することで水溶性のイオンを除去する（図２のＰ３）
。

さらに、残った固形物（酸化グラファイトや酸化グラファイト以外の沈殿、未反応のグラ
ファイト等を含む）に純水を加え、さらに溶液の水素イオン濃度をＰＨ３以下として、沈
殿を溶解させる。ＰＨ調整のためには塩酸を添加するとよいが、その他のものでもよい。
この段階でさらにろ過して、溶液に溶けているイオンを除去してもよい。その際には、得
られる固形物を十分に乾燥させると、塩素イオンも低減できる。

また、溶液は少量の未反応のグラファイトを含んでいるため遠心分離をおこなうことで、
未反応グラファイトを分離する（図２のＰ４）。未反応のグラファイトは、原料の一部と
して利用できる。なお、溶液中に存在する未反応のグラファイトが微量な場合にはこの工
程は必要ない。

このようにして得られた溶液は酸性であり、また、塩素イオンを含有している。これを除
去するために電気透析をおこなう（図２のＰ５）。その際、溶液の水素イオン濃度はＰＨ
３以下とすることが好ましい。

ここで電気透析について説明する。図１は本実施の形態の酸化グラフェンの作製工程に用
いる電気透析装置の概略を示す。電気透析装置は陽極１０１、陰極１０２、陰イオン交換
膜１０３、陽イオン交換膜１０４を有する。また、陰イオン交換膜１０３と陽イオン交換
膜１０４で挟まれた領域を流れる精製溶液管１０５と陽極１０１と陰イオン交換膜１０３
で挟まれた領域および陰極１０２と陽イオン交換膜１０４で挟まれた領域を流れる廃液管
１０６という２系統の管を有する。精製溶液管１０５と廃液管１０６には、それぞれ、精
製溶液タンク１０７と廃液タンク１０８、および精製溶液ポンプ１０９と廃液ポンプ１１
０を有する。

最初に、精製溶液タンク１０７には、酸化グラファイト溶液を入れ、廃液タンク１０８に
は純水あるいは適切な電解質を含む溶液を入れる。溶液は図１に矢印で示すように流れる
。なお、図１に示す電気透析装置に、精製溶液管１０５や廃液管１０６のいずれか一方あ
るいは双方に外部から溶液を追加する装置や、外部に溶液を取り出す装置を設けてもよい
。精製溶液管１０５を流れる溶液からは陰イオン交換膜１０３と陽イオン交換膜１０４に
よって、含まれる陰イオンと陽イオンが除去され、それらは廃液管１０６に移動する。

本実施の形態の電気透析について、図４（Ａ）を用いて簡単に説明する。図４（Ａ）には
、図１で示した陽極１０１、陰極１０２、陰イオン交換膜１０３、陽イオン交換膜１０４
、精製溶液管１０５、廃液管１０６を模式的に示す。陽極１０１と陰極１０２の間には電
圧が印加されている。精製溶液管１０５を流れる溶液に含まれている塩素イオン（Ｃｌ⁻
）と水素イオン（Ｈ^＋）は、それぞれ陽極１０１、陰極１０２に引き寄せられ、陰イオン
交換膜１０３、陽イオン交換膜１０４に到達する。

陰イオン交換膜１０３は、陰イオンは透過するが、陽イオンは透過させず、陽イオン交換
膜１０４は、陽イオンは透過するが、陰イオンは透過させないという性質を有する。その
ため、塩素イオンは陰イオン交換膜１０３を透過して、陽極１０１側の廃液管１０６に到
達し、水素イオンは陽イオン交換膜１０４を透過して、陰極１０２側の廃液管１０６に到
達する。このようにして、精製溶液管１０５のイオン濃度は低下する。逆に、廃液管１０
６の塩素イオン濃度、水素イオン濃度は上昇する。

なお、精製溶液管１０５には、酸化グラファイトも含まれるが、分子が巨大であるため陰
イオン交換膜１０３、陽イオン交換膜１０４を透過することができず、精製溶液管１０５
に残留する。なお、酸化グラファイトは、溶液中では電離して、陰イオン状の物質（ＧＯ
⁻）となる。

なお、図１に示されるように、廃液管１０６では、塩素イオンと水素イオンが混合するよ
うになっている。したがって、陰極１０２付近にある塩素イオンは、陽イオン交換膜１０
４に到達することもあるが、陽イオン交換膜１０４は塩素イオンを透過させないので、廃
液管１０６に留まる。

精製溶液管１０５の塩素イオン濃度が十分に低下したら、精製溶液管１０５を流れる溶液
の一部あるいは全部を取り出し、精製すべき溶液を追加するとよい。同時に、廃液管１０
６を流れる溶液の一部あるいは全部を取り出し、純水あるいはイオン濃度の低い溶液を追
加するとよい。取り出した溶液は酸化グラファイトを含む。

なお、廃液管１０６から得られる溶液中には、塩酸が含まれているが、この溶液を図２に
示す工程の原料として用いることもできる。

以上のようにして得られた酸化グラファイトを含む溶液を蒸発させる（図２のＰ６）。得
られる固形物は純度の高い酸化グラファイトである。さらに、酸化グラファイトを適切な
溶媒に懸濁させ、超音波処理をおこなうことで、酸化グラファイトの層状構造を破壊し、
酸化グラフェンを得ることができる（図２のＰ７）。

なお、図２のＰ６の工程は必ずしも必要ではなく、電気透析で精製した溶液に対してその
まま超音波処理をおこなうことで酸化グラフェンを得ることもできる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、陽イオン交換膜の代わりにバイポーラ膜を用いる溶液の精製方法につ
いて説明する。バイポーラ膜とは陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を張り合わせたもので
あり、バイポーラ膜に水（Ｈ_２Ｏ）を分解するのに必要とされる電圧以上の電圧をかける
と、水を水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）に分離する作用を有する（特許
文献３、特許文献４参照）。その際、バイポーラ膜の陰イオン交換膜側からは水素イオン
が、陽イオン交換膜側からは水酸化物イオンが放出される。

本実施の形態の電気透析を図４（Ｂ）を用いて説明する。なお、本実施の形態で説明する
電気透析に用いる装置は、図４（Ｂ）をもとに、図１と同様に構築できる。本実施の形態
で用いる電気透析装置は、陽極１１１、陰極１１２、陰イオン交換膜１１３、バイポーラ
膜１１４を有する。

図４（Ｂ）に示すように、図４（Ａ）の陽イオン交換膜１０４の代わりにバイポーラ膜１
１４を設ける。バイポーラ膜１１４の陽極１１１側は陰イオン交換膜であり、陰極１１２
側は陽イオン交換膜である。

また、陰イオン交換膜１１３とバイポーラ膜１１４の間には、精製溶液管１１５が設けら
れ、陽極１１１と陰イオン交換膜１１３の間および陰極１１２とバイポーラ膜１１４の間
には廃液管１１６が設けられる。

最初に、精製溶液管１１５には、酸化グラファイトを含む溶液を流し、廃液管１１６には
純水あるいは適切な電解質を含む溶液を流す。

以上の構成において、陽極１１１と陰極１１２の間に適切な電圧を印加すると、精製溶液
管１１５にある溶液中の塩素イオンが陰イオン交換膜１１３を透過して、廃液管１１６に
移動する。その結果、精製溶液管１１５にある溶液中の塩素イオン濃度が低下する。

また、バイポーラ膜１１４では水が分解され、廃液管１１６には水素イオンが、精製溶液
管１１５には水酸化物イオンが供給される。この結果、廃液管１１６では塩酸が得られる
。得られた塩酸は図２に示す工程の原料として用いることができる。また、精製溶液管１
１５に放出された水酸化物イオンは、精製溶液管１１５中の水素イオンと結合して水とな
る。

本実施の形態の電気透析は、処理すべき溶液中の水素イオン以外の陽イオンの濃度が十分
に低い場合には、実施の形態１で示した電気透析に比較して、効率的に塩素イオンを除去
できる。一方、水素イオン以外の陽イオンは精製溶液管１１５から排出できないので、水
素イオン以外の陽イオン濃度がある程度高い場合には利用できないこともある。

（実施の形態３）
本実施の形態でも、電気透析の工程において、酸化グラファイト溶液からイオンを分離す
る際に、バイポーラ膜を用いる方法に関して説明する。

本実施の形態の電気透析を図４（Ｃ）を用いて説明する。なお、本実施の形態で説明する
電気透析に用いる装置は、図４（Ｃ）をもとに、図１と同様に構築できる。本実施の形態
で用いる電気透析装置は、陽極１２１、陰極１２２、陰イオン交換膜１２３、第１のバイ
ポーラ膜１２４、第２のバイポーラ膜１２７を有する。

図４（Ｃ）に示すように、陽極１２１と陰イオン交換膜１２３の間に第２のバイポーラ膜
１２７を設け、陰極１２２と陰イオン交換膜１２３の間に第１のバイポーラ膜１２４を設
ける。第１のバイポーラ膜１２４の陽極１２１側は陰イオン交換膜であり、第２のバイポ
ーラ膜１２７の陰極１２２側は陽イオン交換膜である。また、陰イオン交換膜１２３と第
１のバイポーラ膜１２４の間には、精製溶液管１２５が設けられる。

陰イオン交換膜１２３と第２のバイポーラ膜１２７の間には廃液管１２６が設けられる。
また、第１のバイポーラ膜１２４と陰極１２２の間と第２のバイポーラ膜１２７と陽極１
２１の間には中和管１２８が設けられる。

最初に、精製溶液管１２５には、酸化グラファイトを含む溶液を流し、廃液管１２６、中
和管１２８には、純水あるいは適切な濃度の電解質を有する溶液が流される。

以上の構成において、陽極１２１と陰極１２２の間に適切な電圧を印加すると、精製溶液
管１２５にある溶液中の塩素イオンは陰イオン交換膜１２３を透過して、廃液管１２６に
移動する。その結果、精製溶液管１２５にある溶液中の塩素イオン濃度が低下する。

また、第１のバイポーラ膜１２４では水が分解され、精製溶液管１２５には水酸化物イオ
ンが、中和管１２８には水素イオンが供給される。また、第２のバイポーラ膜１２７では
、廃液管１２６には水素イオンが、中和管１２８には水酸化物イオンが供給される。この
結果、廃液管１２６では塩酸が得られる。得られた塩酸は図２に示す工程の原料として用
いることができる。

また、中和管１２８には、第１のバイポーラ膜１２４と第２のバイポーラ膜１２７によっ
て水素イオンと水酸化物イオンが供給されるが、これらはただちに中和反応して、水とな
る。図４（Ｃ）の電気透析装置では、塩素イオンが陽極１２１に触れることがないので、
陽極１２１が腐食することや、塩素ガスが発生することがない。したがって、装置を安全
に稼動させることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、酸化グラフェンを作製する工程について図５（Ａ）を用いて説明する
。なお、本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３とは異なり、電気透析（図２
のＰ５）をおこなう前にＰＨ調整剤を精製すべき溶液に添加して、溶液の水素イオン濃度
はＰＨ６乃至ＰＨ８とする。

ＰＨ調整剤としては各種アルカリ溶液、アルカリ塩を用いることができ、例えば、水酸化
ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム
、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸リチウム等を用いるとよい。

なお、酸化グラファイトや酸化グラフェン、グラフェンの用途によっては、ＰＨ調整剤に
含まれる陽イオンが特性を劣化させる不純物となることがある。ＰＨ調整剤に含まれる陽
イオンの多くは電気透析により除去できるが、微量が酸化グラファイトや酸化グラフェン
、グラフェン中に残存することがある。

例えば、作製する酸化グラファイトや酸化グラフェン、グラフェンをリチウムイオン二次
電池の原料に用いるのであれば、ＰＨ調整剤として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム
、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウムを用いるよりも、
水酸化リチウムや炭酸リチウムを用いることが好ましい。

また、その後に２００℃以上の温度で加熱する工程があるのであれば、水酸化アンモニウ
ムを用いてもよい。加熱工程で水酸化アンモニウムは揮発し、酸化グラファイトや酸化グ
ラフェン、グラフェン中には残らない。

本実施の形態の電気透析について、図５（Ａ）を用いて簡単に説明する。なお、本実施の
形態の電気透析では、図１に示す装置と同等な装置を用いることができる。ここではＰＨ
調整剤として、水酸化物（ＭＯＨ）を用いたとする。図５（Ａ）には、陽極１３１、陰極
１３２、陰イオン交換膜１３３、陽イオン交換膜１３４、精製溶液管１３５、廃液管１３
６を示す。陽極１３１と陰極１３２の間には電圧が印加されている。

精製溶液管１３５を流れる溶液に含まれている塩素イオン（Ｃｌ⁻）と陽イオン（Ｍ^＋）
は、それぞれ陽極１３１、陰極１３２に引き寄せられ、陰イオン交換膜１３３、陽イオン
交換膜１３４に到達し、塩素イオンは陰イオン交換膜１３３を透過して、陽極１３１側の
廃液管１３６に到達し、陽イオンは陽イオン交換膜１３４を透過して、陰極１３２側の廃
液管１３６に到達する。このようにして、精製溶液管１３５のイオン濃度は低下する。逆
に廃液管１３６のイオン濃度は上昇する。

精製溶液管１３５のイオン濃度が十分に低下したら、精製溶液管１３５を流れる溶液の一
部あるいは全部を取り出し、精製すべき溶液を追加するとよい。同時に、廃液管１３６を
流れる溶液の一部あるいは全部を取り出し、純水あるいはイオン濃度の低い溶液を追加す
るとよい。

なお、廃液管１３６から得られる溶液中には、塩素イオン、陽イオンが含まれているが、
この溶液を電気分解して、塩酸と水酸化物（ＭＯＨ、ＰＨ調整剤）を取り出して、それぞ
れ酸化グラファイトを作製する原料として用いることもできる。以上のようにして得られ
た酸化グラファイトを含む溶液より、酸化グラフェンを得ることができる。

（実施の形態５）
実施の形態４では、廃液として陽イオンと塩素イオンの混じった溶液を得た。上記のよう
に、この廃液は電気分解によって、塩酸と水酸化物とし、それぞれ酸化グラファイトの作
製工程に使用することができる。これに対し、本実施の形態では、廃液を電気分解するの
ではなく、バイポーラ膜を用いることで、電気透析の工程（図２のＰ５）で同時に塩酸と
水酸化物を得る方法について説明する。

本実施の形態の電気透析を図５（Ｂ）を用いて説明する。なお、本実施の形態で説明する
電気透析に用いる装置は、図５（Ｂ）をもとに、図１と同様に構築できる。本実施の形態
で用いる電気透析装置は、陽極１４１、陰極１４２、陰イオン交換膜１４３、陽イオン交
換膜１４４、第１のバイポーラ膜１４８、第２のバイポーラ膜１４９を有する。

図５（Ｂ）に示すように、陽極１４１と陰イオン交換膜１４３の間に第１のバイポーラ膜
１４８を設け、陰極１４２と陽イオン交換膜１４４の間に第２のバイポーラ膜１４９を設
ける。第１のバイポーラ膜１４８の陽極１４１側は陰イオン交換膜であり、第２のバイポ
ーラ膜１４９の陰極１４２側は陽イオン交換膜である。

また、陰イオン交換膜１４３と陽イオン交換膜１４４の間には、精製溶液管１４５が設け
られ、陰イオン交換膜１４３と第１のバイポーラ膜１４８の間と第２のバイポーラ膜１４
９と陰極１４２の間には酸管１４６が設けられ、陽イオン交換膜１４４と第２のバイポー
ラ膜１４９の間と第１のバイポーラ膜１４８と陽極１４１の間にはアルカリ管１４７が設
けられる。

最初に、精製溶液管１４５には、酸化グラファイトを含む溶液を流し、酸管１４６、アル
カリ管１４７には純水あるいは適切な電解質を含む溶液を流す。

以上の構成において、陽極１４１と陰極１４２の間に適切な電圧を印加すると、精製溶液
管１４５にある溶液中の塩素イオンと陽イオンは、それぞれ、陰イオン交換膜１４３と陽
イオン交換膜１４４を透過して、酸管１４６とアルカリ管１４７に移動する。その結果、
精製溶液管１４５にある溶液中のイオン濃度が低下する。

また、第１のバイポーラ膜１４８と第２のバイポーラ膜１４９では水が分解され、酸管１
４６には、水素イオンが、アルカリ管１４７には水酸化物イオンが供給される。この結果
、酸管１４６では塩酸が、アルカリ管１４７では水酸化物が得られる。得られた塩酸と水
酸化物は、それぞれ酸化グラファイトを作製する原料として用いることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態でも、実施の形態５と同様に電気透析の工程において、酸化グラファイト溶
液からイオンを分離する際に、バイポーラ膜を用いて、陽イオンと陰イオンを分別して回
収し、塩酸と水酸化物（ＭＯＨ）を得る方法に関して説明する。

本実施の形態の電気透析を図５（Ｃ）を用いて説明する。なお、本実施の形態で説明する
電気透析に用いる装置は、図５（Ｃ）をもとに、図１と同様に構築できる。本実施の形態
で用いる電気透析装置は、陽極１５１、陰極１５２、陰イオン交換膜１５３、陽イオン交
換膜１５４、第１のバイポーラ膜１５８、第２のバイポーラ膜１５９を有する。

図５（Ｃ）に示すように、陽極１５１と陰イオン交換膜１５３の間に第１のバイポーラ膜
１５８を設け、陰極１５２と陽イオン交換膜１５４の間に第２のバイポーラ膜１５９を設
ける。第１のバイポーラ膜１５８の陽極１５１側は陰イオン交換膜であり、第２のバイポ
ーラ膜１５９の陰極１５２側は陽イオン交換膜である。また、陰イオン交換膜１５３と陽
イオン交換膜１５４の間には、精製溶液管１５５が設けられる。ここまでの構成は図５（
Ｂ）に示すものと同じである。

図５（Ｃ）に示す電気透析装置では以下の構成が、図５（Ｂ）と異なる。陰イオン交換膜
１５３と第１のバイポーラ膜１５８の間には酸管１５６が設けられ、陽イオン交換膜１５
４と第２のバイポーラ膜１５９の間にはアルカリ管１５７が設けられる。そして、第１の
バイポーラ膜１５８と陽極１５１の間と第２のバイポーラ膜１５９と陰極１５２の間には
中性液管１６０が設けられる。

最初に、精製溶液管１５５には、酸化グラファイトを含む溶液を流し、酸管１５６、アル
カリ管１５７には純水あるいは適切な電解質を含む溶液を流す。また、中性液管１６０に
は、純水あるいは適切な濃度の電解質を有する溶液が流される。

以上の構成において、陽極１５１と陰極１５２の間に適切な電圧を印加すると、精製溶液
管１５５にある溶液中の塩素イオンと陽イオンは、それぞれ、陰イオン交換膜１５３と陽
イオン交換膜１５４を透過して、酸管１５６とアルカリ管１５７に移動する。その結果、
精製溶液管１５５にある溶液中のイオン濃度が低下する。

また、第１のバイポーラ膜１５８と第２のバイポーラ膜１５９では水が分解され、酸管１
５６には、水素イオンが、アルカリ管１５７には水酸化物イオンが供給される。この結果
、酸管１５６では塩酸が、アルカリ管１５７では水酸化物が得られる。得られた塩酸と水
酸化物は、それぞれ酸化グラファイトを作製する工程の原料として用いることができる。

また、中性液管１６０には、第１のバイポーラ膜１５８と第２のバイポーラ膜１５９によ
って水酸化物イオンと水素イオンが供給されるが、これらはただちに中和反応して、水と
なる。図５（Ｃ）の電気透析装置では、塩素イオンが陽極１５１に触れることがないので
、陽極１５１が腐食することや、塩素ガスが発生することがない。したがって、装置を安
全に稼動させることができる。

（実施の形態７）
本実施の形態では、酸化グラフェンを作製する工程について図３および図６を用いて説明
する。本実施の形態では、電気透析を２段階に分けておこなう。図３には、本実施の形態
の酸化グラフェンの作製工程の概略を示す。電気透析以外の工程は、実施の形態１を参照
すればよい。最初に、グラファイトに濃硫酸および酸化剤を添加し、酸化グラファイトを
得る（図３のＰ１）。

さらに、過剰な酸化剤を失活させるために、過酸化水素水を添加する（図３のＰ２）。こ
の段階での溶液は、各種のイオンや酸化グラファイト以外の沈殿、未反応のグラファイト
等を含んでいる。まず、溶液をろ過することで水溶性のイオンの大部分を除去する（図３
のＰ３）。

さらに、残った固形物（酸化グラファイトや酸化グラファイト以外の沈殿、未反応のグラ
ファイト等を含む）に純水を加え、さらに溶液の水素イオン濃度をＰＨ３以下として、沈
殿を溶解させる。ＰＨ調整のためには塩酸を添加するとよい。

このようにして得られた溶液から塩素イオンを除去するために電気透析を用いる。本実施
の形態では、第１の電気透析の工程（図３のＰ５Ａ）と第２の電気透析の工程（図３のＰ
５Ｂ）と２段階の電気透析をおこなう。第１の電気透析の工程前に、ＰＨ調整剤を添加し
て、溶液の水素イオン濃度はＰＨ６乃至ＰＨ８とすることが好ましい。

ここで、第１の電気透析について、図６（Ａ）を用いて簡単に説明する。第１の電気透析
に用いる電気透析装置は図１に示すものと同等なものを用いることができる。ここではＰ
Ｈ調整剤として、水酸化物（ＭＯＨ）を用いたとする。図６（Ａ）には、陽極１６１、陰
極１６２、陰イオン交換膜１６３、陽イオン交換膜１６４、精製溶液管１６５、廃液管１
６６を示す。陽極１６１と陰極１６２の間には電圧が印加されている。精製溶液管１６５
を流れる溶液に含まれている塩素イオン（Ｃｌ⁻）と陽イオン（Ｍ^＋）は、塩素イオンは
陰イオン交換膜１６３を透過して、陽極１６１側の廃液管１６６に、陽イオンは陽イオン
交換膜１６４を透過して、陰極１６２側の廃液管１６６に到達する。このようにして、精
製溶液管１６５のイオン濃度は低下する。逆に、廃液管１６６のイオン濃度は上昇する。

精製溶液管１６５のイオン濃度が十分に低下したら、精製溶液管１６５を流れる溶液の一
部あるいは全部を取り出し、精製すべき溶液を追加するとよい。取り出した溶液には、酸
化グラファイト以外に、微量の陽イオンが含まれる。そのほとんどは、ＰＨ調整剤として
添加されたものを起源とする。酸化グラファイトは、溶液中では電離して、陰イオン状の
物質（ＧＯ⁻）となるため、電気的に中性を保つために相応の陽イオンが必要なため、ど
うしても微量の陽イオンが残存する。この陽イオンは次の第２の電気透析の工程で除去さ
れる。

なお、廃液管１６６を流れる溶液もイオンの濃度が高くなれば、その一部あるいは全部を
取り出し、純水あるいはイオン濃度の低い溶液を追加するとよい。なお、廃液管１６６か
ら得られる溶液中には、塩素イオン、陽イオンが含まれているが、この溶液を電気分解し
て、塩酸と水酸化物（ＭＯＨ）を取り出して、それぞれを図３に示す工程の原料として用
いることもできる。

なお、第１の電気透析を、実施の形態５（あるいは図５（Ｂ））あるいは実施の形態６（
あるいは図５（Ｃ））に示したように、バイポーラ膜を用いた方法でおこなうと、この工
程において塩酸と水酸化物が得られる。すなわち、第１の電気透析に用いる装置として、
実施の形態５あるいは実施の形態６に示される装置を用いてもよい。実施の形態５に示さ
れる装置で電気透析をおこなった場合には、精製溶液管１４５に残留する溶液に対して、
第２の電気透析をおこなえばよい。実施の形態６に示される装置で、電気透析をおこなっ
た場合も同様である。

第２の電気透析の工程（図３のＰ５Ｂ）に用いる電気透析装置は、図１に示される電気透
析装置の陰イオン交換膜１６３の代わりにバイポーラ膜１７３を用いたものである。図６
（Ｂ）を用いて第２の電気透析の原理を説明する。図６（Ｂ）には、陽極１７１、陰極１
７２、バイポーラ膜１７３、陽イオン交換膜１７４、精製溶液管１７５、廃液管１７６を
示す。なお、バイポーラ膜の陽極１７１側は陰イオン交換膜であり、陰極１７２側は陽イ
オン交換膜である。

陽極１７１と陰極１７２の間には電圧が印加されている。精製溶液管１７５を流れる溶液
は、水素イオン濃度がＰＨ６以上であることが好ましい。この溶液には陽イオン（Ｍ^＋）
と酸化グラファイトの電離したもの（ＧＯ^―）が含まれているが、そのうち陽イオン（Ｍ
^＋）は陰極１７２に引き寄せられ、陽イオン交換膜１７４を透過して廃液管１７６に至る
。

一方、バイポーラ膜１７３では、水が分解され、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）は陽極１７１
側（すなわち、廃液管１７６）に、水素イオン（Ｈ^＋）は陰極１７２側（すなわち、精製
溶液管１７５）に放出される。その結果、精製溶液管１７５には、純度の高い酸化グラフ
ァイトが残り、廃液管１７６では水酸化物が得られる。廃液管１７６で得られる水酸化物
は、上記のＰＨ調整剤として使用できる。

以上のようにして得られる溶液は純度の高い酸化グラファイトを含む。この酸化グラファ
イトを含む溶液に対して超音波処理をおこなうことで、酸化グラファイトの層状構造を破
壊し、酸化グラフェンを得ることができる（図３のＰ７）。

（実施の形態８）
本実施の形態では蓄電装置（以下では、リチウムイオン二次電池）の作製方法について図
７を用いて説明する。図７（Ａ）は、蓄電装置３０１の平面図であり、図７（Ａ）の一点
鎖線Ａ−Ｂの断面図を図７（Ｂ）に示す。

図７（Ａ）に示す蓄電装置３０１は、外装部材３０２の内部に蓄電セル３０３を有する。
また、蓄電セル３０３に接続する端子部３０４、端子部３０５を有する。外装部材３０２
には、ラミネートフィルム、高分子フィルム、金属フィルム、金属ケース、プラスチック
ケース等を用いることができる。

図７（Ｂ）に示すように、蓄電セル３０３は、負極３０６と、正極３０７と、負極３０６
及び正極３０７の間に設けられるセパレータ３０８と、外装部材３０２中に満たされる電
解質３０９とで構成される。

負極３０６は、負極集電体３１０及び負極活物質層３１１を含んで構成される。正極３０
７は、正極集電体３１２及び正極活物質層３１３を含んで構成される。負極活物質層３１
１は、負極集電体３１０の一方または両方の面に形成される。正極活物質層３１３は、正
極集電体３１２の一方または両方の面に形成される。

また、負極集電体３１０は、端子部３０４と接続する。また、正極集電体３１２は、端子
部３０５と接続する。また、端子部３０４、端子部３０５は、それぞれ一部が外装部材３
０２の外側に導出されている。

正極集電体３１２には、アルミニウム、ステンレス等を用いる。正極集電体３１２には、
箔状、板状、網状等の形状を適用することができる。負極集電体３１０は銅、チタン等を
用いて形成できる。

電解質３０９の溶質は、キャリアイオンであるリチウムイオンを移送可能で、且つリチウ
ムイオンが安定に存在する材料を用いる。電解質の溶質の代表例としては、ＬｉＣｌＯ_４
、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ等のリチウム塩
がある。なお、キャリアイオンを、リチウム以外のアルカリ金属イオンまたはアルカリ土
類金属イオンとする場合には、電解質３０９の溶質として、ナトリウム塩、カリウム塩等
のアルカリ金属塩や、カルシウム塩、ストロンチウム塩、バリウム塩等のアルカリ土類金
属塩、ベリリウム塩、マグネシウム塩、等を適宜用いることができる。

また、電解質３０９の溶媒としては、キャリアイオンの移送が可能な材料を用いる。電解
質３０９の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代
表例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート
、ジエチルカーボネート、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テ
トラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。

また、電解質３０９の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液のリスク
が低減し、安全性が高まる。また、蓄電装置３０１の薄型化及び軽量化が可能である。ゲ
ル化される高分子材料の代表例としては、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリ
ルゲル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等があ
る。また、電解質３０９として、Ｌｉ_３ＰＯ_４等の固体電解質を用いることができる。

セパレータ３０８には、絶縁性の多孔体を用いる。セパレータ３０８としては、セルロー
ス（紙）、ポリエチレン、ポリプロピレン等の有機物を用いて作製できる。その他にガラ
ス繊維等の無機物を用いてもよい。

以下に、負極活物質層３１１、正極活物質層３１３の作製方法について簡単に説明する。
まず、添加剤として用いる酸化グラフェンを作製する。酸化グラフェンの作製は実施の形
態１乃至７を参照できる。なお、酸化グラフェンは官能基により周囲が終端されているた
め、水やクロロホルムやＮ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｏｒｍａｍｉｄｅ（ＤＭＦ）やＮ−
ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ（ＮＭＰ）等の極性溶媒中に懸濁させることができ
る。

次に酸化グラフェンと活物質粒子とを混合する。混合する際、活物質粒子の比率が混合物
の９０％以上、好ましくは９５％以上となるようにするとよい。混合する前に酸化グラフ
ェンのみを水あるいはＮＭＰ等の溶液に懸濁させるとよい。その後、活物質粒子を混合す
ることでスラリーが得られる。アセチレンブラック等の他の導電助剤やバインダーを適宜
、混入してもよい。

上述の通り、酸化グラフェンはさまざまな官能基を多数有しており、なかでもカルボキシ
ル基やヒドロキシル基のため、酸化グラフェン自体が理想的な分散剤として機能する。そ
のため、特に粒径１００ｎｍ以下の微粒子を混合する際には二次粒子の生成を抑制できる
。

活物質としてはさまざまな材料を用いることができる。例えば、正極活物質の材料として
は、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、珪酸マンガンリ
チウム、珪酸鉄リチウム等を用いることができるが、これに限らない。また、負極活物質
の材料としては、珪素やスズ、ゲルマニウム、グラファイト等を用いることができる。

活物質粒子の粒径は２０ｎｍ乃至１００ｎｍとするとよい。また、正極活物質粒子の作製
工程においてグルコース等の炭水化物を混合して、正極活物質粒子にカーボンをコーティ
ングしてもよい。この処理により導電性が高まる。

得られた正極活物質粒子と酸化グラフェンを含むスラリーを正極集電体３１２に、得られ
た負極活物質粒子と酸化グラフェンを含むスラリーを負極集電体３１０にそれぞれ塗布す
る。厚さは、任意に設定できるが、１μｍ乃至１ｍｍとするとよい。その後、スラリーを
乾燥させる。乾燥後は必要に応じてプレスしてもよい。

その後、酸化グラフェンを還元させるために大気中、真空中あるいは窒素やアルゴン等の
還元雰囲気中で１５０℃乃至９００℃で還元させる。温度は集電体や活物質の耐熱性、酸
化グラフェンに求められる導電率等を考慮して決定すればよい。

また、この還元処理の過程において、酸化グラフェン分子が、隣接する酸化グラフェン分
子と結合し、より巨大なグラフェンへと成長し、網の目のような立体的なネットワークが
形成される。その際、この分子内に活物質粒子が取り込まれるため、結果的に活物質粒子
間の結合力が高められる。

なお、グラフェンは、還元温度により導電性が変化するが、それ以外にも柔軟性や強度等
も変化する。必要とする導電性、柔軟性、強度等を考慮して、還元温度を決定すればよい
。また、導電性が十分でないグラフェンをバインダーの代わりに使用するのであれば、導
電性を補うために公知の導電助剤を必要量添加することが好ましい。

なお、本実施の形態では、蓄電装置３０１として、パウチされた薄型蓄電装置を示したが
、ボタン型蓄電装置、円筒型蓄電装置、角型蓄電装置等、様々な構造の蓄電装置を実現し
うる。また、本実施の形態では、正極、負極、及びセパレータが積層された構造を示した
が、正極、負極、及びセパレータが捲回された構造であってもよい。

リチウムイオン二次電池は、メモリー効果が小さく、エネルギー密度が高く、放電容量が
大きい。また、出力電圧が高い。そして、これらによって、小型化及び軽量化が可能であ
る。また、充放電の繰り返しによる劣化が少なく、長期間の使用が可能であり、コスト削
減が可能である。

次に、蓄電装置の別の例であるキャパシタの構造について説明する。キャパシタの代表例
としては、二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等がある。ここではリチウムイ
オンキャパシタについて説明する。リチウムイオンキャパシタは、充放電の効率が高く、
急速充放電が可能であり、繰り返し利用による寿命も長い。

キャパシタの場合は、図７（Ｂ）に示すリチウムイオン二次電池の正極活物質層３１３の
代わりに、リチウムイオン及び／またはアニオンを可逆的に吸蔵できる材料を用いればよ
い。正極活物質層３１３の代表例としては、活性炭、導電性高分子、ポリアセン有機半導
体（ＰＡＳ）がある。これらの微粒子を上述のように酸化グラフェンと混合してスラリー
を作製し、正極集電体に塗布した後、還元処理を施すとよい。また、負極として上記に示
す負極集電体、負極活物質層を含む電極を用いるとよい。

なお、開示する発明の一形態である電極を用いる蓄電装置は、上述のものに限られない。
例えば、蓄電装置の別の一形態である空気電池の負極として上記に示す負極集電体及び負
極活物質層を含む電極を用いることも可能である。この場合にも、サイクル特性の向上し
た蓄電装置を作製することができる。

（実施の形態９）
実施の形態８に示した蓄電装置は、電力により駆動する様々な電子機器・電気機器の電源
として用いることができる。

本発明の一態様に係る蓄電装置を用いた電子機器・電気機器の具体例として、表示装置、
照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉ
ｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画
を再生する画像再生装置、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオ
カメラやデジタルスチルカメラ等のカメラ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器
、電気洗濯機、エアコンディショナーなどの空調設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷
凍冷蔵庫等の電化製品、ＤＮＡ保存用冷凍庫、透析装置等の医療用機器などが挙げられる
。

また、蓄電装置からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電子機器・電気
機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車、内燃機関と
電動機を併せ持った複合型自動車（ハイブリッドカー）、電動アシスト自転車を含む原動
機付自転車などが挙げられる。

なお、上記電子機器・電気機器は、消費電力の殆ど全てを賄うための蓄電装置（主電源と
呼ぶ）として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。或いは、上記電子
機器・電気機器は、上記主電源や商用電源からの電力の供給が停止した場合に、電子機器
・電気機器への電力の供給を行うことができる蓄電装置（無停電電源と呼ぶ）として、本
発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。或いは、上記電子機器・電気機器は
、上記主電源や商用電源からの電子機器・電気機器への電力の供給と並行して、電子機器
・電気機器への電力の供給を行うための蓄電装置（補助電源と呼ぶ）として、本発明の一
態様に係る蓄電装置を用いることができる。

図８に、上記電子機器・電気機器の具体的な構成を示す。図８において、表示装置４０１
は、本発明の一態様に係る蓄電装置４０５を用いた電子機器・電気機器の一例である。具
体的に、表示装置４０１は、ＴＶ放送受信用の表示装置に相当し、筐体４０２、表示部４
０３、スピーカー部４０４、蓄電装置４０５等を有する。本発明の一態様に係る蓄電装置
４０５は、筐体４０２の内部に設けられている。

表示装置４０１は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置４０５に
蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給
が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置４０５を無停電電源として用いる
ことで、表示装置４０１の利用が可能となる。

表示部４０３には、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光装
置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃ
ｅ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥ
ｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）などの、半導体表示装置を用いることができる。

なお、表示装置には、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など
、全ての情報表示用表示装置が含まれる。

図８において、据え付け型の照明装置４１１は、本発明の一態様に係る蓄電装置４１４を
用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置４１１は、筐体４１２、光源４１３、
蓄電装置４１４等を有する。図８では、蓄電装置４１４が、筐体４１２及び光源４１３が
据え付けられた天井４１５の内部に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置４１
４は、筐体４１２の内部に設けられていてもよい。

照明装置４１１は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置４１４に
蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給
が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置４１４を無停電電源として用いる
ことで、照明装置４１１の利用が可能となる。

なお、図８では天井４１５に設けられた据え付け型の照明装置４１１を例示しているが、
本発明の一態様に係る蓄電装置は、天井４１５以外、例えば側壁４１６、床４１７、窓４
１８等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型の照明装置な
どに用いることもできる。

また、光源４１３には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる
。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤや有機ＥＬ素子などの発光素
子が、上記人工光源の一例として挙げられる。

図８において、室内機４２１及び室外機４２５を有するエアコンディショナーは、本発明
の一態様に係る蓄電装置４２４を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機４２１
は、筐体４２２、送風口４２３、蓄電装置４２４等を有する。図８では、蓄電装置４２４
が、室内機４２１に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置４２４は室外機４２
５に設けられていてもよい。或いは、室内機４２１と室外機４２５の両方に、蓄電装置４
２４が設けられていてもよい。

エアコンディショナーは、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置４
２４に蓄積された電力を用いることもできる。特に、室内機４２１と室外機４２５の両方
に蓄電装置４２４が設けられている場合、停電などにより商用電源から電力の供給が受け
られない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置４２４を無停電電源として用いることで
、エアコンディショナーの利用が可能となる。

なお、図８では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例
示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有する一体型のエアコンデ
ィショナーに、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることもできる。

図８において、電気冷凍冷蔵庫４３１は、本発明の一態様に係る蓄電装置４３５を用いた
電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫４３１は、筐体４３２、冷蔵室用扉４
３３、冷凍室用扉４３４、蓄電装置４３５等を有する。図８では、蓄電装置４３５が、筐
体４３２の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫４３１は、商用電源から電力の供給を
受けることもできるし、蓄電装置４３５に蓄積された電力を用いることもできる。よって
、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る
蓄電装置４３５を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷蔵庫４３１の利用が可能と
なる。

なお、上述した電子機器・電気機器のうち、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器
などの電気機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない
電力を補助するための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることで、
電気機器の使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。

また、電子機器・電気機器が使用されない時間帯、特に、商用電源の供給元が供給可能な
総電力量のうち、実際に使用される電力量の割合（電力使用率と呼ぶ）が低い時間帯にお
いて、蓄電装置に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まる
のを抑えることができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫４３１の場合、気温が低く、冷蔵室用
扉４３３、冷凍室用扉４３４の開閉が行われない夜間において、蓄電装置４３５に電力を
蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉４３３、冷凍室用扉４３４の開閉が行われ
る昼間において、蓄電装置４３５を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率を低
く抑えることができる。

（実施の形態１０）
本実施の形態では、実施の形態８に示した蓄電装置（二次電池）を、無線給電システム（
以下、ＲＦ給電システムと呼ぶ。）に用いた場合の一例を、図９のブロック図を用いて説
明する。なお、図９では、受電装置及び給電装置内の構成要素を機能ごとに分類し、互い
に独立したブロックとして示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分ける
ことが困難であり、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。

はじめに、ＲＦ給電システムの概要について説明する。受電装置５０１は、給電装置５１
１から供給された電力で駆動する電子機器または電気推進車両等に含まれているが、この
他電力で駆動する装置に適宜適用することができる。

電子機器の代表例としては、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォト
フレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報
端末、音響再生装置、表示装置、コンピュータ等がある。

また、電気推進車両の代表例としては、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道用電気車
両、作業車、カート、車椅子等がある。また、給電装置５１１は、受電装置５０１に電力
を供給する機能を有する。

図９において、受電装置５０１は、受電装置部５０２と、電源負荷部５０９とを有する。
受電装置部５０２は、受電装置用アンテナ回路５０３と、信号処理回路５０４と、二次電
池５０５とを少なくとも有する。また、給電装置５１１は、給電装置用アンテナ回路５１
２と、信号処理回路５１３とを少なくとも有する。

受電装置用アンテナ回路５０３は、給電装置用アンテナ回路５１２が発信する信号を受け
取る、あるいは、給電装置用アンテナ回路５１２に信号を発信する役割を有する。信号処
理回路５０４は、受電装置用アンテナ回路５０３が受信した信号を処理し、二次電池５０
５の充電、二次電池５０５から電源負荷部５０９への電力の供給を制御する。また、信号
処理回路５０４は、受電装置用アンテナ回路５０３の動作を制御する。すなわち、受電装
置用アンテナ回路５０３から発信する信号の強度、周波数などを制御することができる。

電源負荷部５０９は、二次電池５０５から電力を受け取り、受電装置５０１を駆動する駆
動部である。電源負荷部５０９の代表例としては、モータ、駆動回路等があるが、その他
の電力を受け取って受電装置を駆動する装置を適宜用いることができる。また、給電装置
用アンテナ回路５１２は、受電装置用アンテナ回路５０３に信号を送る、あるいは、受電
装置用アンテナ回路５０３からの信号を受け取る役割を有する。

信号処理回路５１３は、給電装置用アンテナ回路５１２が受信した信号を処理する。また
、信号処理回路５１３は、給電装置用アンテナ回路５１２の動作を制御する。すなわち、
給電装置用アンテナ回路５１２から発信する信号の強度、周波数などを制御することがで
きる。

本発明の一態様に係る二次電池は、図９で説明したＲＦ給電システムにおける受電装置５
０１が有する二次電池５０５として利用される。ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係
る二次電池を利用することで、従来の二次電池に比べて蓄電量を増やすことができる。よ
って、無線給電の時間間隔を延ばすことができる（何度も給電する手間を省くことができ
る）。

また、ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用することで、電源負荷部
５０９を駆動することができる蓄電量が従来と同じであれば、受電装置５０１の小型化及
び軽量化が可能である。従って、トータルコストを減らすことができる。

受電装置５０１は、受電装置部５０２と、電源負荷部５０９とを有する。受電装置部５０
２は、受電装置用アンテナ回路５０３と、信号処理回路５０４と、二次電池５０５と、整
流回路５０６と、変調回路５０７と、電源回路５０８とを、少なくとも有する。また、給
電装置５１１は、給電装置用アンテナ回路５１２と、信号処理回路５１３と、整流回路５
１４と、変調回路５１５と、復調回路５１６と、発振回路５１７とを、少なくとも有する
。

受電装置用アンテナ回路５０３は、給電装置用アンテナ回路５１２が発信する信号を受け
取る、あるいは、給電装置用アンテナ回路５１２に信号を発信する役割を有する。給電装
置用アンテナ回路５１２が発信する信号を受け取る場合、整流回路５０６は受電装置用ア
ンテナ回路５０３が受信した信号から直流電圧を生成する役割を有する。

信号処理回路５０４は受電装置用アンテナ回路５０３が受信した信号を処理し、二次電池
５０５の充電、二次電池５０５から電源回路５０８への電力の供給を制御する役割を有す
る。電源回路５０８は、二次電池５０５が蓄電している電圧を電源負荷部５０９に必要な
電圧に変換する役割を有する。変調回路５０７は受電装置５０１から給電装置５１１へ何
らかの応答信号を送信する場合に使用される。

電源回路５０８を有することで、電源負荷部５０９に供給する電力を制御することができ
る。このため、電源負荷部５０９に過電圧が印加されることを低減することが可能であり
、受電装置５０１の劣化や破壊を低減することができる。

また、変調回路５０７を有することで、受電装置５０１から給電装置５１１へ信号を送信
することが可能である。このため、受電装置５０１の充電量を判断し、一定量の充電が行
われた場合に、受電装置５０１から給電装置５１１に信号を送信し、給電装置５１１から
受電装置５０１への給電を停止させることができる。この結果、二次電池５０５の充電量
を１００％としないことで、二次電池５０５の充電回数を増加させることが可能である。

また、給電装置用アンテナ回路５１２は、受電装置用アンテナ回路５０３に信号を送る、
あるいは、受電装置用アンテナ回路５０３から信号を受け取る役割を有する。受電装置用
アンテナ回路５０３に信号を送る場合、信号処理回路５１３は、受電装置に送信する信号
を生成する。発振回路５１７は一定の周波数の信号を生成する。変調回路５１５は、信号
処理回路５１３が生成した信号と発振回路５１７で生成された一定の周波数の信号に従っ
て、給電装置用アンテナ回路５１２に電圧を印加する役割を有する。

このようにすることで、給電装置用アンテナ回路５１２から信号が出力される。一方、受
電装置用アンテナ回路５０３から信号を受け取る場合、整流回路５１４は受け取った信号
を整流する役割を有する。復調回路５１６は、整流回路５１４が整流した信号から受電装
置５０１が給電装置５１１に送った信号を抽出する。信号処理回路５１３は復調回路５１
６によって抽出された信号を解析する役割を有する。

なお、ＲＦ給電を行うことができれば、各回路の間に他のどのような回路を設けてもよい
。例えば、受電装置５０１が信号を受信し整流回路５０６で直流電圧を生成したあとに、
後段に設けられたＤＣ−ＤＣコンバータやレギュレータといった回路によって、定電圧を
生成してもよい。このようにすることで、受電装置５０１内部に過電圧が印加されること
を抑制することができる。

なお、ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用し、受電装置用アンテナ
回路５０３と二次電池５０５を重ねる場合は、二次電池５０５の充放電による二次電池５
０５の形状の変化と、当該変形に伴うアンテナの形状の変化によって、受電装置用アンテ
ナ回路５０３のインピーダンスが変化しないようにすることが好ましい。アンテナのイン
ピーダンスが変化してしまうと、十分な電力供給がなされない可能性があるためである。

例えば、二次電池５０５を金属製あるいはセラミックス製の電池パックに装填するように
すればよい。なお、その際、受電装置用アンテナ回路５０３と電池パックは数十μｍ以上
離れていることが望ましい。

また、充電用の信号の周波数に特に限定はなく、電力が伝送できる周波数であればどの帯
域であっても構わない。充電用の信号は、例えば、１３５ｋＨｚのＬＦ帯（長波）でもよ
いし、１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯でもよいし、９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのＵＨＦ帯でもよ
いし、２．４５ＧＨｚのマイクロ波帯でもよい。

また、信号の伝送方式として電磁結合方式、電磁誘導方式、共鳴方式、マイクロ波方式な
ど様々な種類があるが、適宜選択すればよい。ただし、雨や泥などの、水分を含んだ異物
によるエネルギーの損失を抑えるためには、周波数が低い帯域、具体的には、短波である
３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ、中波である３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、長波である３０ｋＨｚ〜３
００ｋＨｚ、及び超長波である３ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの周波数を利用した電磁誘導方式や
共鳴方式を用いることが望ましい。

本実施の形態は、他の実施の形態などと組み合わせて実施することが可能である。

１０１陽極
１０２陰極
１０３陰イオン交換膜
１０４陽イオン交換膜
１０５精製溶液管
１０６廃液管
１０７精製溶液タンク
１０８廃液タンク
１０９精製溶液ポンプ
１１０廃液ポンプ
１１１陽極
１１２陰極
１１３陰イオン交換膜
１１４バイポーラ膜
１１５精製溶液管
１１６廃液管
１２１陽極
１２２陰極
１２３陰イオン交換膜
１２４第１のバイポーラ膜
１２５精製溶液管
１２６廃液管
１２７第２のバイポーラ膜
１２８中和管
１３１陽極
１３２陰極
１３３陰イオン交換膜
１３４陽イオン交換膜
１３５精製溶液管
１３６廃液管
１４１陽極
１４２陰極
１４３陰イオン交換膜
１４４陽イオン交換膜
１４５精製溶液管
１４６酸管
１４７アルカリ管
１４８第１のバイポーラ膜
１４９第２のバイポーラ膜
１５１陽極
１５２陰極
１５３陰イオン交換膜
１５４陽イオン交換膜
１５５精製溶液管
１５６酸管
１５７アルカリ管
１５８第１のバイポーラ膜
１５９第２のバイポーラ膜
１６０中性液管
１６１陽極
１６２陰極
１６３陰イオン交換膜
１６４陽イオン交換膜
１６５精製溶液管
１６６廃液管
１７１陽極
１７２陰極
１７３バイポーラ膜
１７４陽イオン交換膜
１７５精製溶液管
１７６廃液管
３０１蓄電装置
３０２外装部材
３０３蓄電セル
３０４端子部
３０５端子部
３０６負極
３０７正極
３０８セパレータ
３０９電解質
３１０負極集電体
３１１負極活物質層
３１２正極集電体
３１３正極活物質層
４０１表示装置
４０２筐体
４０３表示部
４０４スピーカー部
４０５蓄電装置
４１１照明装置
４１２筐体
４１３光源
４１４蓄電装置
４１５天井
４１６側壁
４１７床
４１８窓
４２１室内機
４２２筐体
４２３送風口
４２４蓄電装置
４２５室外機
４３１電気冷凍冷蔵庫
４３２筐体
４３３冷蔵室用扉
４３４冷凍室用扉
４３５蓄電装置
５０１受電装置
５０２受電装置部
５０３受電装置用アンテナ回路
５０４信号処理回路
５０５二次電池
５０６整流回路
５０７変調回路
５０８電源回路
５０９電源負荷部
５１１給電装置
５１２給電装置用アンテナ回路
５１３信号処理回路
５１４整流回路
５１５変調回路
５１６復調回路
５１７発振回路

Claims

グラファイトを溶液中で酸化する工程と、
前記溶液の水素イオン濃度がＰＨ３以下となるように酸を添加する工程と、
前記溶液から電気透析により陽イオンを除去する工程と、を有する酸化グラファイトの作製方法。