JP2016207994A - High capacity capacitor device - Google Patents

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Kanji Shimizu
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film capacitor device which is compact and can obtain large electric energy with large capacity.SOLUTION: The thin film capacitor device 1 includes a first electrode 4, a second electrode 7 positioned to face the first electrode 4, and a dielectric layer 6 formed so as to be sandwiched between the first electrode 4 and the second electrode 7. Between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 and between the second electrode 7 and the dielectric layer 6, the collector layer 5 is formed by a collector constituted by a particulate form substrate in which the material is made of any conductive material such as metal, carbon, graphite, diamond, conductive organic substances or conductive ceramics. The particulate form substrate is a current collector composed of two types of substrates, namely, a substrate having an outer diameter dimension at a nano level and a substrate having an outer dimension at a quantum level.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、キャパシタ装置で、特に大容量の誘電体式薄膜キャパシタ装置に関する。  The present invention relates to a capacitor device, and more particularly to a large-capacity dielectric thin film capacitor device.

電気エネルギー蓄積装置として大容量のキャパシタを利用する場合は、電解キャパシタやフィルムコンデンサーなどが一般的に用いられている。近年電気自動車を代表に大容量バッテリーへのニーズからリチウムイオン電池の大容量化が進む中で、リチウムイオン電池の火災発生のリスクが100%回避されておらず、一部火災リスクを伴いながらも電気自動車を推進する一方でハイブリッド自動車としてニッケル水素イオン電池と高出力としてのフィルムコンデンサーの使用が大きく前進するとともに、燃料電池車へのシフト傾向が強まっている。また、燃料電池車においてもニッケル水素イオン電池とフィルムコンデンサーを用いるハイブリッド車の編成タイプが推進されている。  When a large-capacity capacitor is used as the electrical energy storage device, an electrolytic capacitor or a film capacitor is generally used. In recent years, as the capacity of lithium-ion batteries has been increasing due to the need for large-capacity batteries represented by electric vehicles, the risk of fires of lithium-ion batteries has not been avoided 100%, although there are some fire risks. While propelling electric vehicles, the use of nickel-hydrogen ion batteries and film capacitors as high power as hybrid vehicles has made great progress, and the shift to fuel cell vehicles has increased. In fuel cell vehicles, hybrid vehicle knitting types using nickel hydrogen ion batteries and film capacitors are being promoted.

一方セラミックコンデンサーをベースに数千V(2000V以上)の超高電圧蓄電により大容量を確保する方法が研究されているが、高電圧のインターフェースが課題となっている。また電解キャパシタを機能拡張した電気二重層電池の開発が盛んに行われているが、充放電による劣化の課題が解決されていないこと、および蓄電電圧が低く、リチウムイオン電池の蓄電容量の約二十分の一位しかないため容積が課題となるとともに部材の価格などにより製造コストの低減に限界がある。  On the other hand, a method of securing a large capacity by ultrahigh voltage storage of several thousand V (2000 V or more) based on a ceramic capacitor has been studied, but a high voltage interface has been a problem. Electric double layer batteries with expanded electrolytic capacitors have been actively developed. However, the problem of deterioration due to charging and discharging has not been solved, and the storage voltage is low, and the storage capacity of the lithium ion battery is about two times. Since there is only a sufficient number, the volume becomes a problem and there is a limit to the reduction in manufacturing cost due to the price of the member.

また、積層セラミックキャパシタなどの所謂コンデンサには、総合的な性能を低下させる放電時の急速放電圧力に伴う電流リークの問題がある。さらに、リチウムイオン電池などの化学変化により電気エネルギーを蓄積する所謂電池は、充電および放電が部分的に行われるとメモリ効果の問題により性能が低下するという課題があった。  Also, so-called capacitors such as multilayer ceramic capacitors have a problem of current leakage due to rapid discharge pressure at the time of discharge that degrades the overall performance. Further, a so-called battery that accumulates electric energy by chemical change such as a lithium ion battery has a problem that performance is deteriorated due to a problem of a memory effect when charging and discharging are partially performed.

このような種々の課題を解決するために、例えば、巨大磁気抵抗効果(GMRと称される)を利用した電気エネルギー蓄積装置が提案されている(特許文献1など)。これらのGMRを利用した電気エネルギー蓄積キャパシタは、磁性セクションが薄膜で形成されているため、容量を増大するためには磁性セクションを2次元方向に拡大して面積を増やすこととなるが、その場合、装置の小型化が困難になるという問題があった。  In order to solve such various problems, for example, an electrical energy storage device using a giant magnetoresistive effect (referred to as GMR) has been proposed (Patent Document 1, etc.). In these electric energy storage capacitors using GMR, since the magnetic section is formed of a thin film, in order to increase the capacity, the magnetic section is enlarged in a two-dimensional direction to increase the area. There is a problem that it is difficult to reduce the size of the apparatus.

また、本願の発明者は先に特許文献2において、セラミックキャパシタに代表される薄膜キャパシタでの大容量化のために、電極材と誘電体との界面に形成される集電体としてナノ微粒子(200〜2000nm程度)を用いることにより集電効率を上げて電気エネルギーの蓄積量を増大させる発明を開示した。これらの薄膜キャパシタは、電極材と誘電体との界面に形成される集電体に蓄積される電気エネルギーを利用するもので、用途としては、メモリバックアップ用の小容量品から、電気自動車のパワーアシスト用としての中容量品、そして電気自動車のパワー供給などの電力貯蔵用蓄電池代替としての大容量品まで幅広く利用可能である。しかし従来のセラミックキャパシタでは静電容量が低く、実用化するには大量に並列接続する必要性があった。  In addition, the inventor of the present application previously described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228867 as a current collector formed at the interface between the electrode material and the dielectric in order to increase the capacity of a thin film capacitor typified by a ceramic capacitor. An invention has been disclosed in which the current collection efficiency is increased to increase the amount of accumulated electric energy by using a power source of about 200 to 2000 nm. These thin-film capacitors use electrical energy stored in a current collector formed at the interface between the electrode material and the dielectric, and can be used for small-capacity products for memory backup, as well as power for electric vehicles. It can be used for a wide range of products, including medium-capacity products for assist, and large-capacity products that can replace storage batteries for power storage such as power supply for electric vehicles. However, the conventional ceramic capacitor has a low capacitance, and it was necessary to connect a large amount in parallel for practical use.

また、このような薄膜キャパシタの単位キャパシタ(セルと称される)の耐電圧は、その構成要素である誘電体、すなわち電子とホールを分離する絶縁体の耐電圧で決まり、材質、薄膜厚さ、均一度等に依存し、例えば、チタン酸バリウム系誘電体の場合誘電体の厚みが1μmで約200Vとなる。薄膜キャパシタは、誘電体の耐電圧以上の電圧を印加すると破損する性質があるため、高電圧を要求される用途においては、誘電体の厚さを増やすか、複数個の単位キャパシタを直列接続して用いる必要性があった。  Further, the withstand voltage of a unit capacitor (called a cell) of such a thin film capacitor is determined by the withstand voltage of a dielectric that is a constituent element thereof, that is, an insulator that separates electrons and holes. For example, in the case of a barium titanate-based dielectric, the thickness of the dielectric is about 200 V at 1 μm. Thin film capacitors have the property of breaking when a voltage exceeding the dielectric strength of the dielectric is applied, so in applications that require high voltage, the thickness of the dielectric is increased or multiple unit capacitors are connected in series. Need to be used.

また、電気二重層キャパシタにおいてナノカーボンなどを多数積層してイオン集合体の表面積を拡大して静電容量を確保する技術も開示されているが電解液を使用することで蓄電圧が2.5Vと低いため、蓄電容量はリチウムイオン電池の二十分の一以上に拡大することは困難であった。一方セラミックキャパシタなどの電解液を使用しないキャパシタも静電容量が低いのが課題であった。  In addition, a technology for securing a capacitance by enlarging the surface area of an ion aggregate by laminating a large number of nanocarbons etc. in an electric double layer capacitor has been disclosed. Therefore, it has been difficult to expand the storage capacity to more than 20 times that of a lithium ion battery. On the other hand, a capacitor that does not use an electrolyte such as a ceramic capacitor also has a problem of low capacitance.

このようにキャパシタにおける大容量化は種々の用途において切望され、種々の方式が提案されているもののいずれの方式においても、容積の小型化、軽量化、劣化、コストなどの多くの課題を有している。  As described above, increasing the capacity of a capacitor is eagerly desired in various applications, and various methods have been proposed, but each method has many problems such as volume reduction, weight reduction, deterioration, and cost. ing.

特開2008−177535号公報JP 2008-177535 A 特許第4996775号公報Japanese Patent No. 4996775

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型で、かつ、大容量で大きな電気エネルギーを得ることができる薄膜キャパシタ装置を提供することを目的とする。  The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a thin film capacitor device that is small in size and can obtain large electric energy with a large capacity.

上記の課題を解決するため請求項1に係る発明では、誘電体式薄膜キャパシタ装置において、前記薄膜キャパシタが、導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている導電性材料で形成された第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された誘電体層とからなり、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、材質が金属、カーボン、グラファイト、ダイアモンド、導電性有機物または導電性セラミックのいずれかの導電物質からなる微粒子形態基材により構成された集電子体により集電子体層が形成され、前記微粒子形態基材がナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材の2種類で構成された集電子体であることを特徴とする。  In order to solve the above problems, in the invention according to claim 1, in the dielectric thin film capacitor device, the thin film capacitor is positioned so that the first electrode formed of a conductive material faces the first electrode. A second electrode made of a conductive material, and a dielectric layer formed so as to be sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the first electrode and the dielectric A particulate base material made of a conductive material of any of metal, carbon, graphite, diamond, conductive organic substance, or conductive ceramic between the body layer and between the second electrode and the dielectric layer The current collector layer is formed by the current collector configured by the above, and the fine particle form base material is composed of two types of base materials having a nano-level outer dimension and a quantum-level outer dimension. Characterized in that it is a electrophile.

本発明によれば、ナノレベルの導電性微粒子基材(以下ナノ基材とも称する)と量子レベルの導電性微粒子基材(以下量子基材とも称する)により電極の表面積を飛躍的に拡大化するとともに電子感受性を高めることで電子流動性および電子集合性を高める相乗効果により静電容量および蓄電容量を飛躍的に高めた薄膜キャパシタ装置を得ることができる。  According to the present invention, the surface area of an electrode is dramatically increased by a nano-level conductive fine particle substrate (hereinafter also referred to as nano-substrate) and a quantum-level conductive fine particle substrate (hereinafter also referred to as quantum substrate). At the same time, by increasing the electron sensitivity, it is possible to obtain a thin film capacitor device in which the electrostatic capacity and the storage capacity are dramatically increased by the synergistic effect of increasing the electron fluidity and the electron collecting property.

また、請求項2に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記量子レベルの外形寸法を有する基材は、球状、躯体状、テトラポット形状、長繊維状または短繊維状のいずれか、またはそれらを組み合わせた形状を有することを特徴とする。  According to a second aspect of the present invention, in the thin film capacitor device according to the first aspect, the substrate having the quantum-level outer dimensions is a spherical shape, a rod shape, a tetrapot shape, a long fiber shape, or a short fiber shape. It has the shape which combined either, or those.

本発明によれば、量子レベルの外形寸法を有する基材(量子基材)の種々の形状のいずれかまたはそれらの組み合わせにより大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, a large-capacity thin film capacitor device can be realized by any one of various shapes of a base material (quantum base material) having a quantum level external dimension or a combination thereof.

また、請求項3に係る発明においては、請求項2に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記量子レベルの外形寸法を有する基材は、中空状の形態を有する基材であることを特徴とする。  According to a third aspect of the present invention, in the thin film capacitor device according to the second aspect, the base material having the quantum level outer dimensions is a base material having a hollow shape.

本発明によれば、量子レベルの外形寸法を有する基材(量子基材)を中空にすることで電極の表面積が拡大し、より電子感受性が増加し、大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, by hollowing a substrate having a quantum level outer dimension (quantum substrate), the surface area of the electrode is increased, the electron sensitivity is further increased, and a large-capacity thin film capacitor device can be realized. .

また、請求項4に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記集電子体層は、ナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材とがその材質または形態が単一または複合して複数層を電極表面上に積層されていることを特徴とする。  According to a fourth aspect of the present invention, in the thin film capacitor device according to the first aspect, the current collector layer includes a substrate having a nano-level outer dimension and a substrate having a quantum-level outer dimension. The material or form is single or composite, and a plurality of layers are laminated on the electrode surface.

本発明によれば、ナノ基材および量子基材の材質または形態が単一または複合して複数層を構成するため単位容積あたりの金属の表面積を拡大するとともに電子感受性が増加し、大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, the material or form of the nano-base material and quantum base material is single or composite to form a plurality of layers, so that the surface area of the metal per unit volume is increased and the electron sensitivity is increased. A thin film capacitor device is possible.

また、請求項5に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記集電体層は、前記第一の電極または第二の電極表面上にナノレベルの外形寸法を有する基材を複数層積層し、その上から量子レベルの外形寸法を有する基材を積層する集電体層で、それぞれの材質および形態が単一あるいは複合して複数層を電極表面上に積層する集電体であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  According to a fifth aspect of the present invention, in the thin film capacitor device according to the first aspect, the current collector layer is a substrate having a nano-level outer dimension on the surface of the first electrode or the second electrode. A current collector layer in which multiple layers of materials are stacked, and a substrate having a quantum-level outer dimension is stacked thereon. Each of the materials and forms is single or composite, and multiple layers are stacked on the electrode surface. The thin film capacitor device according to claim 1, wherein the thin film capacitor device is an electric body.

本発明によれば、ナノ基材の上に量子基材を積層することで表面積の拡大と電子感受性が増加するとともに円滑に電子流動性が拡大され、大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, by laminating a quantum substrate on a nano substrate, the surface area is expanded and the electron sensitivity is increased, and the electron fluidity is smoothly expanded, thereby enabling a large-capacity thin film capacitor device.

また、請求項6に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記集電体層は、第一の電極または第二の電極表面上にナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材とを混合して複数層積層する集電体層からなることを特徴とする。  Moreover, in the invention which concerns on Claim 6, in the thin film capacitor apparatus of Claim 1, the said collector layer has a nano-level external dimension on the 1st electrode or the 2nd electrode surface And a current collector layer in which a plurality of layers having a quantum level external dimension are mixed and laminated.

本発明によれば、ナノ基材と量子基材とを混合して複数層積層することで、大容量の薄膜キャパシタが可能となる。  According to the present invention, a large-capacity thin film capacitor can be achieved by mixing a nano-base material and a quantum base material and laminating a plurality of layers.

また、請求項7に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記ナノレベルの外形寸法を有する基材は、縦・横・高さのいずれかが1000nm未満の外形寸法で、好ましくは縦・横・高さのいずれかが100nm未満の外形寸法であることを特徴とする。  Further, in the invention according to claim 7, in the thin film capacitor device according to claim 1, the base material having the nano-level outer dimensions has an outer dimension of any one of vertical, horizontal, and height of less than 1000 nm. Preferably, any one of vertical, horizontal, and height is an outer dimension of less than 100 nm.

本発明によれば、本発明を実施する上で適切なナノ基材の外形寸法を使用することで大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, a large-capacity thin film capacitor device can be realized by using an appropriate outer dimension of a nano-base material for carrying out the present invention.

また、請求項8に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記量子レベルの外形寸法を有する基材は、縦、横、高さまたは先端形状のいずれかが1nm以下の外形寸法であることを特徴とする。  In the invention according to claim 8, in the thin film capacitor device according to claim 1, the base material having the quantum-size outer dimensions is any one of vertical, horizontal, height, or tip shape of 1 nm or less. It is characterized by the external dimensions.

本発明によれば、本発明を実施する上で適切な量子基材の外形寸法を使用することで大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, a large-capacity thin film capacitor device can be realized by using an appropriate external dimension of a quantum base material for carrying out the present invention.

また、請求項9に係る発明においては、請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記集電体層に用いられる基材は、磁化または超伝導化されていることを特徴とする。  The invention according to claim 9 is the thin film capacitor device according to claim 1, wherein the base material used for the current collector layer is magnetized or superconducted.

本発明によれば、磁化または超伝導化された集電体基材を使用することで、より大容量の薄膜キャパシタが可能となる。  According to the present invention, a thin film capacitor having a larger capacity can be obtained by using a magnetized or superconducting current collector base material.

また、請求項10に係る発明においては、誘電体式薄膜キャパシタ装置において、前記薄膜キャパシタが、導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている導電性材料で形成された第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された誘電体層とからなり、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、材質が金属、カーボン、グラファイト、ダイアモンド、導電性有機物または導電性セラミックのいずれかの導電物質からなる微粒形態基材により構成された集電子体により集電子体層が形成され、前記微粒形態基材がナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材の2種類で構成された集電体で形成され、前記第一の電極と、前記誘電体層と、前記第二の電極と、前記集電体層とがロール状に多層巻回されていることを特徴とする。  In the invention according to claim 10, in the dielectric thin film capacitor device, the thin film capacitor is positioned so that the first electrode formed of a conductive material faces the first electrode. A first electrode and a dielectric layer formed so as to be sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the first electrode and the dielectric layer And between the second electrode and the dielectric layer, the material is composed of a fine-grained base material made of a conductive material such as metal, carbon, graphite, diamond, conductive organic material, or conductive ceramic. A current collector layer is formed by a current collector, and the fine-grained base material is formed of a current collector composed of two types of base materials having a nano-level outer dimension and a base material having a quantum-level outer dimension. And said first electrode, said dielectric layer, said second electrode, characterized in that said collector layer is wound multi-layer wound into a roll.

本発明によれば、薄膜キャパシタ装置をロール状に巻回して形成することで大容量で利便性の高い薄膜キャパシタ装置を提供することができる。  According to the present invention, a thin film capacitor device having a large capacity and high convenience can be provided by forming the thin film capacitor device in a roll shape.

また、請求項11に係る発明においては、請求項1および10に記載の薄膜キャパシタ装置において、前記薄型キャパシタ装置が、スイッチ装置により充電回路または放電回路に切換可能に接続されており、前記放電回路は、安定して放電するためスイッチング回路により電圧および電流を制御するように構成されており、設定放電電圧よりも前記キャパシタ装置の放電電圧が高い場合には降圧型の回路を構成し、前記キャパシタ装置の放電電圧が低い場合には昇圧型の回路を構成するように、急速放電圧力を受けるためのコイルおよび一次的に電荷を蓄えるキャパシタを組み込んでいる回路を接続してなることを特徴とする。  According to an eleventh aspect of the present invention, in the thin film capacitor device according to the first and tenth aspects, the thin capacitor device is switchably connected to a charging circuit or a discharging circuit by a switch device, and the discharging circuit Is configured to control the voltage and current by a switching circuit for stable discharge, and constitutes a step-down circuit when the discharge voltage of the capacitor device is higher than a set discharge voltage, and the capacitor When the discharge voltage of the device is low, a circuit that incorporates a coil for receiving a rapid discharge pressure and a capacitor for temporarily storing electric charge is formed so as to constitute a boost type circuit. .

本発明によれば、請求項1および10に適切な充電および放電装置を有する大容量の薄膜キャパシタ装置が可能となる。  According to the present invention, a large-capacity thin film capacitor device having appropriate charging and discharging devices according to claims 1 and 10 becomes possible.

本発明によれば、誘電体式キャパシタ装置に関して、ナノレベルおよび量子レベルの導電性あるいは誘電体の微粒子基材を単独あるいは複合して積層することで、電極表面積を拡大するとともに電子感受性を高める相乗効果により静電容量を大幅に高めるとともに高電圧で蓄電することで蓄電容量を大幅に高めたキャパシタ装置を得ることができる。  According to the present invention, for a dielectric capacitor device, a nano-level and quantum-level conductive or dielectric fine particle base material is laminated alone or in combination to increase the electrode surface area and increase the electronic sensitivity. Thus, it is possible to obtain a capacitor device having a significantly increased storage capacity by significantly increasing the capacitance and storing it at a high voltage.

本発明の薄膜キャパシタ装置を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the thin film capacitor apparatus of this invention. 本発明の実施例1の電極と集電子体層を模式的に示した拡大図である。It is the enlarged view which showed typically the electrode and collector layer of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の電極と集電子体層を模式的に示した拡大図である。It is the enlarged view which showed typically the electrode and collector layer of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の電極と集電体子層を模式的に示した拡大図である。It is the enlarged view which showed typically the electrode and collector layer of Example 3 of this invention. 量子レベル基材の例を模式的に示した拡大図である。It is the enlarged view which showed the example of the quantum level base material typically. 量子レベル基材の一例の電子顕微鏡写真を示す。The electron micrograph of an example of a quantum level base material is shown. 本発明の実施例4のロールキャパシタ装置の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the roll capacitor apparatus of Example 4 of this invention. 本発明の薄膜キャパシタ装置用の充放電回路のブロック図である。It is a block diagram of the charge / discharge circuit for the thin film capacitor device of the present invention.

始めに、本発明の着想に至った従前技術について説明する。この「従前技術」とは、本発明の着想前に出願人が考案・検討した発明を示すものであり、従来技術(公知技術)とは異なる。  First, the prior art that led to the idea of the present invention will be described. This “prior art” refers to an invention devised and studied by the applicant prior to the idea of the present invention, and is different from the prior art (known art).

一般に、蓄電容量は誘電体の誘電率、電極表面積、蓄電電圧に比例することが知られている。従来の誘電率は電極表面を平坦形状で計測した値であって、電極表面にナノ粒子あるいは量子粒子などの積層により表面積を拡大し、かつ電子感受性を高めた場合の実効データは規定化されていない。  In general, it is known that the storage capacity is proportional to the dielectric constant of the dielectric, the electrode surface area, and the storage voltage. The conventional dielectric constant is a value measured on the electrode surface in a flat shape, and the effective data when the surface area is increased by stacking nanoparticles or quantum particles on the electrode surface and the electron sensitivity is increased are specified. Absent.

従前技術として、キャパシタ(またはコンデンサ、蓄電器とも称する)には、主に電解コンデンサ、セラミックコンデンサおよびフィルムコンデンサがあり、従来の電気二重層キャパシタは発火リスクの無い畜電池を目的として、電解コンデンサの電極表面に凹凸をつけ酸化処理で薄膜の誘電体を構成し電解液でイオン化集合する方式であり比較的静電容量が高いことを活用しその拡大策として、ナノカーボン等でイオン集合部分の拡大を行って静電容量を高めており、製造方法はフィルム巻方式が主体となっている。しかし電気二重層キャパシタは蓄電圧が低く(2.5V〜3.8V)、電解液を用いることで充放電劣化があり100%の充放電が行えないなどの欠点があり、ナノカーボンを用いた場合はコスト低減が困難などの理由により全面的な普及に至っていない。  As conventional technologies, capacitors (or capacitors, also referred to as capacitors) mainly include electrolytic capacitors, ceramic capacitors, and film capacitors. Conventional electric double layer capacitors are electrodes of electrolytic capacitors for the purpose of livestock batteries that are free from ignition risk. This is a method of forming irregularities on the surface, forming a thin film dielectric by oxidation treatment, and ionizing and assembling with an electrolytic solution. Utilizing the relatively high capacitance, the expansion of the ion aggregation part with nanocarbon etc. The capacitance is increased and the manufacturing method is mainly a film winding method. However, the electric double layer capacitor has a low storage voltage (2.5 V to 3.8 V), and has the disadvantages that charging / discharging is not possible and 100% charging / discharging cannot be performed by using the electrolytic solution. In some cases, it has not been widely spread due to reasons such as difficulty in cost reduction.

一方、セラミックコンデンサは粉末焼結方式と多層フィルム方式があるが、単位静電容量が低いが耐電圧が高いという特徴を有する。ノイズ対策デバイスあるいは電流平滑、電圧変換主体のデバイスとしてオンボード用には小型化が求められるためその多くが粉末焼結方式になっている。一方、フィルム方式コンデンサはプラスチックフィルムを誘電体としてフィルム巻コンデンサとして安定した耐電圧デバイスとして使用されてきた。  Ceramic capacitors, on the other hand, have a powder sintering method and a multilayer film method, but have a feature that the unit capacitance is low but the withstand voltage is high. As on-board devices are required to be miniaturized as noise suppression devices or current smoothing and voltage conversion-based devices, most of them are powder sintering methods. On the other hand, a film type capacitor has been used as a stable withstand voltage device as a film winding capacitor using a plastic film as a dielectric.

本発明は、キャパシタの中でも発火リスクが無く、充放電劣化が少なく、かつ蓄電圧を高く取れ、誘電率の高度化が見込まれるセラミックコンデンサに着目して、ナノレベルの微粒子基材および量子レベルの微粒子基材を用いて集電体部の表面積の拡大を行うことで、静電容量および蓄電容量を飛躍的に高めることが可能となった。本発明はセラミックコンデンサの従来製造方法として主体となっている粉末焼結方式では実現が極めて困難であったが、本発明においては、微粒子化することでスパッタリング方式などの蒸着法あるいはコーティング方式により実現可能とした。  The present invention focuses on ceramic capacitors that have no ignition risk among capacitors, have low charge / discharge deterioration, can take a high storage voltage, and are expected to have a high dielectric constant. By increasing the surface area of the current collector using a fine particle substrate, it has become possible to dramatically increase the electrostatic capacity and the storage capacity. Although the present invention was extremely difficult to realize by the powder sintering method, which is the main manufacturing method of ceramic capacitors, in the present invention, it is realized by vapor deposition method such as sputtering method or coating method by making fine particles. It was possible.

導電物質をナノレベルあるいは量子レベルに微粒子化することで電子流動性が高まり電気抵抗が低下することは実証されており、本発明はキャパシタの集電子体部にナノレベルあるいは量子レベルに隣接した界面の積層構造を構築することで集電子体の表面積を拡張するとともに電子感受性を極大化し、それらの相乗効果によりキャパシタの静電容量を飛躍的に拡大することにある。またセラミックキャパシタなどの高耐電圧の誘電体式キャパシタは高電圧での蓄電が可能となり高容量蓄電が可能である。  It has been proved that the electron fluidity is increased and the electric resistance is reduced by atomizing the conductive material to the nano level or the quantum level, and the present invention is applied to the current collector portion of the capacitor at the interface adjacent to the nano level or the quantum level. In order to increase the surface area of the current collector and maximize the electron sensitivity, the capacitance of the capacitor can be dramatically increased by a synergistic effect thereof. In addition, a dielectric capacitor having a high withstand voltage such as a ceramic capacitor can be charged at a high voltage and can be charged at a high capacity.

以下、本発明に係る薄膜キャパシタ装置の好適な実施の形態について、以下に示す実施例により詳細に説明する。  Hereinafter, preferred embodiments of a thin film capacitor device according to the present invention will be described in detail with reference to the following examples.

本発明の薄膜キャパシタの好適実施例について図面を参照しながら説明する。なお、これらの図面は説明上模式的なもので、実体寸法や形状の詳細とは異なるものである。図1は本発明に係る誘電体式薄膜キャパシタ装置1を模式的に示した断面図である。薄膜キャパシタ装置1は、支持基板2と、バッファ層3と、第一電極4と、集電子体層5と、誘電体層6と、第二電極7と、端子8および9とを備えている。  A preferred embodiment of the thin film capacitor of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, these drawings are schematic for description, and are different from details of actual dimensions and shapes. FIG. 1 is a sectional view schematically showing a dielectric thin film capacitor device 1 according to the present invention. The thin film capacitor device 1 includes a support substrate 2, a buffer layer 3, a first electrode 4, a current collector layer 5, a dielectric layer 6, a second electrode 7, and terminals 8 and 9. .

支持基材2は、特に限定しないが、多層フィルム式キャパシタの場合はフィルムコンデンサに使用される絶縁性が高い可撓性のある樹脂性フィルムを用いる。シート式キャパシタの場合は前記樹脂性フィルムの他絶縁性の高いセラミック系の薄膜シートを用いる。例えば、シリコン単結晶、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)単結晶、酸化マグネシウム(MgO)単結晶、酸化ジルコニウム(ZrO2)単結晶、あるいはガラス基材などによって、形成することができる。コストなどの観点からシリコン単結晶材が多く使われる。また、支持基材2の厚さは、電気エネルギー蓄積装置1全体の機械的強度を確保することができれば、とくに限定されるものではなく、例えば、10ないし1000μm程度に設定すればよい。  The support substrate 2 is not particularly limited, but in the case of a multilayer film type capacitor, a flexible resin film having high insulation used for a film capacitor is used. In the case of a sheet type capacitor, a ceramic-based thin film sheet having a high insulation property is used in addition to the resinous film. For example, it can be formed from a silicon single crystal, a strontium titanate (SrTiO3) single crystal, a magnesium oxide (MgO) single crystal, a zirconium oxide (ZrO2) single crystal, or a glass substrate. A silicon single crystal material is often used from the viewpoint of cost. The thickness of the support base 2 is not particularly limited as long as the mechanical strength of the entire electric energy storage device 1 can be ensured, and may be set to about 10 to 1000 μm, for example.

バッファ層3は、支持基材2の上層に形成され、支持基材2と第一電極4を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての役割を果たす。バッファ層3を形成するための材料は、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO2)、マグネシウムアルミネート(MgAlO4)、γ一A12O3、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、ランタナアルミネート(LaAlO3)などによって、形成することができる。具体的には、これらの中から、支持基板2との格子整合性に優れ、熱膨張係数が、支持基板2と誘電体層6を構成する薄膜材料の間にある材料を選択して、バッファ層3を形成することが好ましい。また、バッファ層3は単層構造であっても、多層構造であってもよい。そして、バッファ層3の厚さは、支持基材2と第一電極4を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての機能を確保することができれば、特に限定されず、例えば、1ないし1000nm程度に設定すればよい。なお、バッファ層3は設けなくてもよい。バッファ層3を設けない場合は、支持基材2の表面に、第一電極4を形成する。  The buffer layer 3 is formed as an upper layer of the support base 2 and serves as a barrier layer for preventing the reaction between the support base 2 and the electrode thin film constituting the first electrode 4. The material for forming the buffer layer 3 may be formed of, for example, zirconium oxide (ZrO2), magnesium aluminate (MgAlO4), γ-A12O3, strontium titanate (SrTiO3), lantana aluminate (LaAlO3), or the like. it can. Specifically, a material having excellent lattice matching with the support substrate 2 and a thermal expansion coefficient between the support substrate 2 and the thin film material constituting the dielectric layer 6 is selected from these, and the buffer is selected. Layer 3 is preferably formed. The buffer layer 3 may have a single layer structure or a multilayer structure. And the thickness of the buffer layer 3 will not be specifically limited if the function as a barrier layer which prevents reaction with the base material 2 and the electrode thin film which comprises the 1st electrode 4 can be ensured, for example, 1 thru | or What is necessary is just to set to about 1000 nm. The buffer layer 3 may not be provided. When the buffer layer 3 is not provided, the first electrode 4 is formed on the surface of the support base 2.

第一電極4は、従来のセラミックコンデンサの電極材料を使用することができ、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)などがあり、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、などの導電性の金属あるいは合金によって、形成することができる。また、第一電極4の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタ1の一方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、500〜2000nm程度に設定すればよい。  The first electrode 4 can use a conventional ceramic capacitor electrode material, such as copper (Cu), nickel (Ni), etc., such as titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), It can be formed of a conductive metal or alloy such as In addition, the thickness of the electrode thin film of the first electrode 4 is not particularly limited as long as it can function as one electrode of the thin film capacitor 1, and may be set to about 500 to 2000 nm, for example.

集電子体層5は、微粒子基材が寸法的にはナノレベルの外形寸法を有する基材(以下ナノレベル基材とも称する)と量子レベルの外形寸法を有する基材(以下量子レベル基材共称する)の2種類から成る集電子体である。これらの集電子体は図1の模式図においては球状で示しているが、その形状は球状、躯体状、凹凸を有する形状、棒状、繊維状、短繊維状などいずれの同一形状でも、またはそれぞれの形状の混合物でも良い。あるいは前記形状においてその内部を中空状にした形状であっても良い。  The current collector layer 5 includes a substrate in which the fine particle substrate has a nano-level outer dimension (hereinafter also referred to as a nano-level substrate) and a substrate having a quantum-level outer dimension (hereinafter referred to as a quantum level substrate). 2) current collectors. These current collectors are shown in a spherical shape in the schematic diagram of FIG. 1, but the shape may be any shape such as a spherical shape, a rod shape, a shape having irregularities, a rod shape, a fiber shape, a short fiber shape, etc. The mixture of the shape may be sufficient. Or the shape which made the inside hollow in the said shape may be sufficient.

これら集電子体の基材は、ナノレベルの基材および量子レベルの基材のいずれもその表面積が拡大することと、微粒子化し、ナノレベル基材と量子レベル基材とを混在させることで電子流動性が高まり電気抵抗が低下し、電子感受性を高めるよう働くことが重要である。  The base material of these current collectors is an electron by increasing the surface area of both the nano-level base material and the quantum-level base material, making the particles fine, and mixing the nano-level base material and the quantum-level base material. It is important to work to increase fluidity, lower electrical resistance, and increase electron sensitivity.

集電子体層5は金属の導電物質の微粒子により構成されるが、材質が金属あるいはカーボンあるいはグラファイトあるいはダイアモンドあるいは導電性有機物あるいは導電性セラミックなどの導電物質であればよい。また磁性材料として、鉄コバルト合金などの軟磁性材料あるいはマンガン酸化物のようにコロッサル効果(超巨大磁気抵抗効果)により磁性抵抗が常温で極めて高い材料を選定してもよい。さらに電子感受性が極めて高い超伝導性材料を選定してもよい。  The current collector layer 5 is composed of fine particles of a metallic conductive material, but the material may be any conductive material such as metal, carbon, graphite, diamond, conductive organic material, or conductive ceramic. As the magnetic material, a soft magnetic material such as an iron-cobalt alloy or a material such as manganese oxide that has a very high magnetic resistance at room temperature due to the Colossal effect (supergiant magnetoresistance effect) may be selected. In addition, a superconductive material with extremely high electron sensitivity may be selected.

図2は、本発明の実施例1の電極と集電子体層部分を模式的に示した拡大図である。本実施例の集電子体層5は、集電子体のナノレベルの微粒子層5aの上に量子レベルの微粒子層5bをスパッタリング法などにより、第一電極4の表面に(図2では上層に)粒子径を制御しながら成形する。    FIG. 2 is an enlarged view schematically showing an electrode and a current collector layer part of Example 1 of the present invention. The current collector layer 5 of this example is formed on the surface of the first electrode 4 (on the upper layer in FIG. 2) by sputtering a quantum level fine particle layer 5b on the nano level fine particle layer 5a of the current collector. Molding while controlling the particle size.

ナノレベルの外形寸法を有する基材5aは、縦・横・高さのいずれかが1000nm未満の外形寸法で、好ましくは縦・横・高さのいずれかが100nm未満の外形寸法である。また、本発明において量子レベルの外形寸法を有する基材5bは、縦・横・高さ、または先端形状のいずれかがほぼ1nm以下の外形寸法である。ただし、これら基材は微粒子であり、その形状は必ずしも同一形状に成形されているものでなく、その大きさはその形状により縦横比が一定とは限らずまた同一の大きさや形状である必要もない。本発明では、粒子の大きさが1000nm以下(より好ましくは100nm以下)のナノレベルの外形寸法を有する基材5aと1nm以下の量子レベルの外形寸法を有する基材5bとから構成されているもので良好な効果が得られるものである。  The substrate 5a having a nano-level outer dimension has an outer dimension of less than 1000 nm in length, width, and height, and preferably has an outer dimension of less than 100 nm in length, width, and height. Further, in the present invention, the base material 5b having an outer dimension of a quantum level has an outer dimension of approximately 1 nm or less in any of vertical, horizontal, height, and tip shape. However, these base materials are fine particles, and the shape is not necessarily formed in the same shape, and the size is not necessarily constant in the aspect ratio depending on the shape, and it is also necessary that the same size and shape be used. Absent. In the present invention, the particle size is composed of a substrate 5a having a nano-level outer dimension of 1000 nm or less (more preferably 100 nm or less) and a substrate 5b having a quantum-level outer dimension of 1 nm or less. A good effect can be obtained.

量子レベルの基材5bとしては、いわゆる量子ドットとして市販されているものを利用することができ、図5に球形以外の代表的形状を模式的に示す。これら量子ドットと称される材料は製造過程において種々の形状が得られるものである。図3では、aテトラポット形状量子レベル、b棒状量子レベル、c長繊維状または短繊維状量子レベル、d棒状量子レベルを中空にしたもの、e立方体形状の量子レベル、f躯体状(立方体上に凹凸を備えた形状の量子レベル)、を例示として示す。これらの量子レベルは製造過程や流通過程、または使用条件などでその形状が変形したり、結合した形状となることがあるが、それら形状自体は問題でなく、集電子体として表面積が拡大したものであることが重要である。また、同一の形状である必要もなく、これらの組み合わせや混合であってもよい。  As the base material 5b of the quantum level, what is marketed as what is called a quantum dot can be utilized, and typical shapes other than a spherical form are typically shown in FIG. These materials called quantum dots can be obtained in various shapes during the manufacturing process. In FIG. 3, a tetrapot shape quantum level, b rod-like quantum level, c long fiber or short fiber quantum level, d rod-like quantum level made hollow, e cube shape quantum level, f rod shape (on the cube) Is shown as an example. These quantum levels may be deformed or combined in the manufacturing process, distribution process, or usage conditions, but the shape itself is not a problem, and the surface area is increased as a current collector. It is important that Moreover, it does not need to be the same shape, These combination and mixing may be sufficient.

図6は、前記テトラポット形状の典型的セレン化カドミニュウム(CdSe)量子レベル実物の電子顕微鏡拡大図である。このCdSeテトラポッド構造量子レベルは、閃亜鉛鉱(Zincblende)のコアにカドミニュウム(Cd)とセレン(Se)を有するベンゼン環が数本のアームとして成長したものである。図5の如く量子レベル形状は、製造方法(量子成長過程や量産化過程)によりその形状が異なり正確に形状を示すものではない。  FIG. 6 is an electron microscope enlarged view of a typical cadmium selenide (CdSe) quantum level object in the tetrapot shape. The quantum level of the CdSe tetrapod structure is obtained by growing a benzene ring having cadmium (Cd) and selenium (Se) in the core of zinc blende as several arms. As shown in FIG. 5, the quantum level shape differs depending on the manufacturing method (quantum growth process or mass production process), and does not accurately indicate the shape.

集電子体層5は、全体で200〜2000nm程度の厚さで設定され、積層数は数層から20層程度で成形され合わせて1μm〜2μm程度の厚みに複合積層される。これらの複合積層にはスパッタリング法およびコーティング法を複数回繰り返し積層することが出来る。図2はナノレベル基材2層の上部に量子レベル基材2層を積層した例である。  The current collector layer 5 is set to a thickness of about 200 to 2000 nm as a whole, and the number of stacked layers is formed from several to about 20 layers, and is combined and laminated to a thickness of about 1 μm to 2 μm. A sputtering method and a coating method can be repeatedly laminated a plurality of times on these composite laminates. FIG. 2 shows an example in which two quantum level base materials are stacked on top of two nano level base materials.

微粒子5aの材料は、前記導電性基材を用いる。微粒子5aの材料として第一電極4と同一の材料とした場合、微粒子の形状にも因るが電極の表面積が100〜1000倍に増大しうることとなる。また、磁性材料あるいは超伝導材料を用いた場合は磁界の集電効果あるいは電子感受性がより拡大することにより電気エネルギーの蓄積量を更に増大させることができる。磁性材料または超電導材料の種類や着磁条件にも因るが、更に数十倍以上に増大させることも考えられる。  The conductive substrate is used as the material for the fine particles 5a. When the same material as the first electrode 4 is used as the material of the fine particles 5a, the surface area of the electrode can be increased 100 to 1000 times depending on the shape of the fine particles. In addition, when a magnetic material or a superconducting material is used, the amount of electric energy stored can be further increased by further increasing the current collecting effect or electron sensitivity of the magnetic field. Depending on the type of magnetic material or superconducting material and the magnetizing conditions, it may be possible to increase the magnetic material further by several tens of times.

誘電体層6は、第一電極4に積層した集電子体層5の上層に形成される。誘電体層6の材料としては高い誘電率を持つ材料、例えばチタン酸バリウムで形成される。誘電体層6は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、有機金属分解法(MOD)やゾル・ゲル法などの液相法(CSD法)などの各種薄膜形成法を用いて形成することができる。特に低温で、誘電体層6を形成する必要がある場合には、プラズマCVD、光CVD、レーザーCVD、光CSD、レーザーCSD法を用いることが好ましい。  The dielectric layer 6 is formed in the upper layer of the current collector layer 5 laminated on the first electrode 4. The material of the dielectric layer 6 is made of a material having a high dielectric constant, such as barium titanate. For example, the dielectric layer 6 may be a liquid phase such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a pulsed laser deposition method (PLD), a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD), a metal organic decomposition method (MOD), or a sol-gel method. It can be formed using various thin film forming methods such as the CSD method (CSD method). In particular, when the dielectric layer 6 needs to be formed at a low temperature, it is preferable to use plasma CVD, photo CVD, laser CVD, photo CSD, or laser CSD.

誘電体層6の表面(上層〉には、第一電極4と同様に集電子体層としてナノレベルの微粒子5aと量子レベルの微粒子5bとをスパッタリング法などにより粒子径を制御しながら成形する。積層数は5層程度で成形され合わせて集電子体層は1μm〜2μm程度の厚みに複合積層される。  On the surface (upper layer) of the dielectric layer 6, as in the case of the first electrode 4, nano-level fine particles 5a and quantum-level fine particles 5b are formed while controlling the particle diameter by sputtering or the like. The number of layers is about 5 and the current collector layer is combined and laminated to a thickness of about 1 μm to 2 μm.

第二電極7は、誘電体層6の上層に形成した集電子体層5の上層に薄膜に形成されている。第二電極7は、導電性を有していれば特に限定されるものではなく、第一電極4と同様な材料によって形成することができるが、製造上格子整合性を考慮した方が好ましい。また、室温で形成することができるから、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)などの卑金属や、WSi、MoSiなどの合金を用いて形成することもできる。また、第二電極7の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの他方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、1〜10μm程度に設定すればよい。  The second electrode 7 is formed as a thin film in the upper layer of the current collector layer 5 formed in the upper layer of the dielectric layer 6. The second electrode 7 is not particularly limited as long as it has conductivity, and can be formed of the same material as that of the first electrode 4, but it is preferable to consider lattice matching in manufacturing. Moreover, since it can form at room temperature, it can also form using base metals, such as iron (Fe) and nickel (Ni), and alloys, such as WSi and MoSi. The thickness of the electrode thin film of the second electrode 7 is not particularly limited as long as it can function as the other electrode of the thin film capacitor, and may be set to about 1 to 10 μm, for example.

端子8は、第一電極4から引き出され、入出力回路(本実施例では充電回路または放電回路)と接続するための一方の端子であり、端子8を引き出すために第一電極4は表出してマスキングで部分露出が行われている。端子9は、第二電極7から引き出され、前記入出力回路と接続するための他方の端子である。上述したように形成することで、第一電極4と誘電体層6および第二電極7と誘電体層6の間に集電子体層5が形成される。  The terminal 8 is pulled out from the first electrode 4 and is one terminal for connecting to an input / output circuit (in this embodiment, a charging circuit or a discharging circuit). To pull out the terminal 8, the first electrode 4 is exposed. Partial exposure is performed by masking. The terminal 9 is drawn from the second electrode 7 and is the other terminal for connecting to the input / output circuit. By forming as described above, the current collector layer 5 is formed between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 and between the second electrode 7 and the dielectric layer 6.

上述した薄膜キャパシタ1は、充電回路に端子8、9を接続することで、電荷(電気エネルギー)を充電(蓄積)する。この際に集電子体層5のナノ微粒子5aおよび量子微粒子5bが磁性材料で構成されていれば、巨大磁気抵抗効果により電流のリークを防止して誘電体層6により多くの電荷を蓄積することができる。そして、端子8、9を充電回路から、放電回路に切り替えることで充電した電荷を放電して負荷に電気エネルギーを供給し薄膜キャパシタとして動作する。  The thin film capacitor 1 described above charges (accumulates) electric charges (electric energy) by connecting the terminals 8 and 9 to the charging circuit. At this time, if the nanoparticles 5a and the quantum particles 5b of the current collector layer 5 are made of a magnetic material, current leakage is prevented by the giant magnetoresistance effect, and more charges are accumulated in the dielectric layer 6. Can do. Then, by switching the terminals 8 and 9 from the charging circuit to the discharging circuit, the charged electric charge is discharged and electric energy is supplied to the load to operate as a thin film capacitor.

本実施例によれば、第一電極4と誘電体層6との間および第二電極7と誘電体層6との間に、集電子体のナノレベルの微粒子5aと量子レベルの微粒子5bとにより構成された集電子体層6が形成されているので、第一電極4および第二電極7の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。  According to the present embodiment, between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 and between the second electrode 7 and the dielectric layer 6, the nano-level fine particles 5a and the quantum-level fine particles 5b of the current collector are provided. Thus, the surface area of the first electrode 4 and the second electrode 7 can be increased, so that the electrical energy that can be accumulated can be increased.

前述の例において、微粒子層は第一または第二電極上に形成されているが、この微粒子形態基材は誘電体層上に形成することも可能である。この場合、材質となる導電性有機物または導電物質は誘電体物質との格子整合性を考慮する必要がある。  In the above example, the fine particle layer is formed on the first or second electrode. However, the fine particle form base material can be formed on the dielectric layer. In this case, it is necessary to consider the lattice matching with the dielectric material for the conductive organic material or the conductive material.

また、集電子体層5のナノ基材5aおよび量子基材5bが、磁性材料で形成されている場合には、第一電極4と第二電極7との間に電圧を印加した場合に、電界によりナノ微粒子5aおよび量子基材5bの磁性性能による集電率の向上が可能になり、より多くの電気エネルギーを蓄積することができる。  Further, when the nano base material 5a and the quantum base material 5b of the current collector layer 5 are formed of a magnetic material, when a voltage is applied between the first electrode 4 and the second electrode 7, The electric field can improve the current collection rate due to the magnetic performance of the nanoparticles 5a and the quantum base material 5b, and more electric energy can be accumulated.

上記集電子体層5は第一電極4と誘電体層6との間と、第2電極と誘電体層6との間にそれぞれ形成しているが、いずれか片方でも電極の表面積を拡大し、集電率を高め、電子感受性を高めることは可能である。  The current collector layer 5 is formed between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 and between the second electrode and the dielectric layer 6, respectively. It is possible to increase the current collection rate and increase the electronic sensitivity.

なお、上述した集電子体層5のナノ基材5aおよび量子基材5bを磁性材料で形成する際は、予め着磁された状態で微粒子層を形成してもよいし、電気エネルギー形成装置として製造して当該電気エネルギー形成装置の使用前に外部から磁界をかけて着磁してもよい。予め着磁すれば、後から着磁する必要が無く、そのための回路や装置等も必要ない。  In addition, when forming the nano base material 5a and the quantum base material 5b of the current collector layer 5 described above with a magnetic material, the fine particle layer may be formed in a pre-magnetized state, or as an electric energy forming device. It may be produced and magnetized by applying a magnetic field from outside before using the electric energy forming apparatus. If magnetized in advance, there is no need to magnetize later, and no circuit or device for that purpose is required.

図3は他の実施例で、第一の電極4の表面上に集電子体層5が形成され、その構成がナノレベルの微粒子層5a(2層)と量子レベルの微粒子層5b(2層)の上にさらに同様のナノ微粒子層5a(2層)と量子微粒子層5b(2層)とが形成されたものである。この場合の製造法としては複数回のスパッタリングを順次繰り返して行うこととなる。  FIG. 3 shows another embodiment, in which a current collector layer 5 is formed on the surface of the first electrode 4, and the structure thereof is a nano-level fine particle layer 5a (two layers) and a quantum-level fine particle layer 5b (two layers). In addition, a similar nano fine particle layer 5a (two layers) and quantum fine particle layer 5b (two layers) are formed. As a manufacturing method in this case, a plurality of times of sputtering are sequentially repeated.

図3の実施例においては、ナノレベルの微粒子層5aの上に量子レベルの微粒子層5bが形成されているが、量子レベルの微粒子層5bを第一電極4上に形成し、その上にナノレベルの微粒子層5aを形成することも可能である。  In the embodiment of FIG. 3, the quantum level fine particle layer 5b is formed on the nano level fine particle layer 5a. However, the quantum level fine particle layer 5b is formed on the first electrode 4, and the nano level fine particle layer 5b is formed thereon. It is also possible to form a fine particle layer 5a at a level.

上述のように集電子体層5を、ナノレベル微粒子層5aと量子レベルの微粒子層5bとを繰り返し交互に積層することでより一層の表面積の拡大が図れる。この積層は数層亘って形成することは可能であり、その積層数が上がると表面積も拡大し、集電率を高めることも可能であるが、必ずしも積層数に比例して集電率が高まることはなく、スパッタリング回数が増加し、製造時間およびコスを要することとなるため、現実的には5〜20層としている。  As described above, the surface area of the current collector layer 5 can be further increased by repeatedly laminating the nano level fine particle layer 5a and the quantum level fine particle layer 5b alternately. This stack can be formed over several layers, and as the number of layers increases, the surface area increases and the current collection rate can be increased, but the current collection rate does not necessarily increase in proportion to the number of layers. However, since the number of times of sputtering increases and manufacturing time and cost are required, the number of layers is actually 5 to 20 layers.

図4は他の実施例で、集電子体層5の構成がナノレベルの微粒子層5aの各微粒子間に量子レベルの微粒子層5bの各微粒子を混在して形成したものである。このようにナノ微粒子の間(隙間)に量子レベル(または量子レベルの微粒子)を混在させることで、各粒子間に間隙が生じ効果的に集電率および電子感受性を高めることが可能となる。  FIG. 4 shows another embodiment in which the current collector layer 5 is formed by mixing the fine particles of the quantum level fine particle layer 5b between the fine particles of the nano level fine particle layer 5a. Thus, by mixing the quantum level (or the fine particles of the quantum level) between the nano-particles (gap), a gap is generated between the particles, and the current collection efficiency and the electron sensitivity can be effectively increased.

このような構成の集電子体は、予めナノ微粒子基材と量子レベル基材とを混合し、コーティング法あるいはスッパタリング法により成膜することができる。また、ナノ微粒子を分散状態(間隙を持って成膜した状態)またはクラスター(数個の群れ)状態に分散させ、その上に量子レベル基材をスパッタリングすることで形成することが可能である。上述した実施例では、薄膜キャパシタの各層は矩形平型の形状で積層していくが、マスキングの方式、薄膜成形方式により自由な形状を選択することが出来る。  The current collector having such a structure can be formed by mixing a nano-particle base material and a quantum level base material in advance and coating or sputtering. Further, it is possible to form the nano-particles by dispersing them in a dispersed state (a state in which a film is formed with a gap) or a cluster (a group of several), and sputtering a quantum level substrate thereon. In the embodiment described above, each layer of the thin film capacitor is laminated in a rectangular flat shape, but a free shape can be selected by a masking method and a thin film forming method.

図7は、上記実施例の薄膜キャパシタ装置1を多層フィルムとして円筒形態にした薄膜キャパシタ装置である。この薄膜キャパシタ装置は、バッファ層3の上層に、第一電極4、集電子体層5、誘電体層6、集電子体層5、第二電極7、集電子体層5、誘電体層6、集電子体層5、を単位ユニット層として多層フィルムとして製造したもので、巻取時は絶縁材質で製作された円筒形態材を中心に初期端部処理を施してバッファ層3の上に、第一電極4フィルム4、さらにその上に、誘電体層6・・・というように順次交互に積層し、巻き取る。第一電極4の表面上には図1に示す集電体層5がスパッタリング法などにより薄膜層が形成され、第二電極7の表面上にも同様に図1に示す集電体層5が薄膜層として形成されている。本方法はフィルムコンデンサと同等の製造工程であり絶縁基剤を底部に用いるためユニット層間の絶縁破壊リスクが少なくフィルムコンデンサより安全性が高いと言える。  FIG. 7 shows a thin film capacitor device in which the thin film capacitor device 1 of the above embodiment is formed into a cylindrical shape as a multilayer film. In this thin film capacitor device, a first electrode 4, a current collector layer 5, a dielectric layer 6, a current collector layer 5, a second electrode 7, a current collector layer 5, a dielectric layer 6 are formed on the buffer layer 3. The current collector layer 5 is manufactured as a multi-layer film as a unit unit layer. At the time of winding, on the buffer layer 3 by performing an initial end treatment mainly on a cylindrical shape material made of an insulating material, The first electrode 4 film 4 and the dielectric layers 6 are alternately laminated on the film 4 and then wound up. A current collector layer 5 shown in FIG. 1 is formed on the surface of the first electrode 4 by sputtering or the like, and the current collector layer 5 shown in FIG. It is formed as a thin film layer. This method is a manufacturing process equivalent to a film capacitor, and since an insulating base is used at the bottom, it can be said that there is less risk of dielectric breakdown between unit layers and higher safety than a film capacitor.

電極部の端子8および9は、外出しあるいは外部構成等はフィルムコンデンサあるいは電気二重層キャパシタの工程をそのまま継承すればよい。キャパシシタの積層数、つまり誘電体層の巻き数は例えば100〜1000程度の巻回を設定する。  For the terminals 8 and 9 of the electrode section, the process of the film capacitor or the electric double layer capacitor may be used as it is for the outside or external configuration. The number of stacked capacitors, that is, the number of turns of the dielectric layer is set to about 100 to 1000, for example.

(充放電回路図)
図8は、上述した実施例に適用される充放電回路の一例を示すブロック図である。本実施例1は、薄膜キャパシタ20の端子の一方8と他方9がスイッチ21により切換可能に接続される充電回路C1と放電回路C2とを有している。放電回路C2では、薄膜キャパシタ20とDC/DCコンバータ40との間に補助キャパシタ30を付設しており、薄膜キャパシタ20の蓄電量が0に近くなるまで変換を行う構成からなっている。
(Charge / discharge circuit diagram)
FIG. 8 is a block diagram showing an example of a charge / discharge circuit applied to the above-described embodiment. The first embodiment has a charging circuit C1 and a discharging circuit C2 in which one terminal 8 and the other terminal 9 of the thin film capacitor 20 are connected to each other by a switch 21. In the discharge circuit C2, an auxiliary capacitor 30 is provided between the thin film capacitor 20 and the DC / DC converter 40, and conversion is performed until the amount of charge stored in the thin film capacitor 20 approaches zero.

スイッチ21の操作により充電回路C1が選択された場合は電源装置22より薄膜キャパシタ20に充電が行われる。薄膜キャパシタ20の初期充電の際に直流電源と直接接続すると大電流が流れて許容電流値を超える恐れがあるので、電源装置22には定電流制御機能または大電流の入力を制限する電流制限手段を付加することが好ましい。  When the charging circuit C <b> 1 is selected by operating the switch 21, the thin film capacitor 20 is charged from the power supply device 22. When the thin film capacitor 20 is initially charged, if it is directly connected to the DC power source, a large current may flow and exceed the allowable current value. Therefore, the power supply device 22 has a constant current control function or current limiting means for limiting large current input. It is preferable to add.

つまり、スイッチ21により放電回路C2が選択されると薄膜キャパシタ20より補助コイル23を介してDC/DCコンバータ40へ蓄電量を放電する。この補助コイル23は急速放電圧力を受け止めるために挿入されている。また、DC/DCコンバータ40の前部に一次的に電荷を蓄える補助キャパシタ30を組み込んでいる。これにより、補助キャパシタ30による設定放電電圧よりも薄膜キャパシタ20の放電電圧が高い場合には降圧型の回路を形成し、薄膜キャパシタ20の放電電圧が低い場合には昇圧型のデバイスに切り替えを行う。  That is, when the discharge circuit C <b> 2 is selected by the switch 21, the charged amount is discharged from the thin film capacitor 20 to the DC / DC converter 40 via the auxiliary coil 23. The auxiliary coil 23 is inserted to receive the rapid discharge pressure. Further, an auxiliary capacitor 30 for temporarily storing charges is incorporated in the front part of the DC / DC converter 40. Thereby, when the discharge voltage of the thin film capacitor 20 is higher than the set discharge voltage by the auxiliary capacitor 30, a step-down type circuit is formed, and when the discharge voltage of the thin film capacitor 20 is low, switching to the step-up type device is performed. .

上記実施例の薄膜キャパシタ装置は一例を示すものであり、本発明は上記実施例の構成に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で種々設計変更しうる。  The thin film capacitor device of the above embodiment shows an example, and the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various design changes can be made without changing the gist thereof.

1 薄膜キャパシタ装置
4 第一電極
5 集電子体層
5a 集電子体層のナノサイズ微粒子層
5b 集電子体層の量子サイズ微粒子層
6 誘電体層
7 第二電極
8、9 ロールキャパシタ端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film capacitor apparatus 4 1st electrode 5 Current collector layer 5a Nano size fine particle layer 5b of current collector layer Quantum size fine particle layer 6 of current collector layer Dielectric layer 7 Second electrode 8, 9 Roll capacitor terminal

Claims (11)

誘電体式薄膜キャパシタ装置において、
前記薄膜キャパシタが、導電性材料で形成された第一の電極と、
前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている導電性材料で形成された第二の電極と、
前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された誘電体層とからなり、
前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、材質が金属、カーボン、グラファイト、ダイアモンド、導電性有機物または導電性セラミックのいずれかの導電物質からなる微粒子形態基材により構成された集電子体により集電子体層が形成され、
前記微粒子形態基材がナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材の2種類で構成された集電子体であることを特徴とする薄膜キャパシタ装置。
In a dielectric thin film capacitor device,
The thin film capacitor includes a first electrode formed of a conductive material;
A second electrode formed of a conductive material positioned to face the first electrode;
A dielectric layer formed so as to be sandwiched between the first electrode and the second electrode,
Between the first electrode and the dielectric layer and between the second electrode and the dielectric layer, the material is any of metal, carbon, graphite, diamond, conductive organic material, or conductive ceramic A current collector layer is formed by a current collector formed of a fine particle form base material made of a conductive material,
A thin-film capacitor device, wherein the fine particle form base material is a current collector composed of two types of base materials having a nano-level outer dimension and a quantum level outer dimension.
前記量子レベルの外形寸法を有する基材は、球状、躯体状、テトラポット形状、長繊維状または短繊維状のいずれか、またはそれらを組み合わせた形状を有することを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  The base material having an outer dimension of the quantum level has a spherical shape, a rod shape, a tetrapot shape, a long fiber shape, a short fiber shape, or a combination thereof. Thin film capacitor device. 前記量子レベルの外形寸法を有する基材は、中空状の形態を有する基材であることを特徴とする請求項2に記載の薄膜キャパシタ装置。  3. The thin film capacitor device according to claim 2, wherein the base material having an external dimension of the quantum level is a base material having a hollow shape. 前記集電子体層は、ナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材とがその材質または形態が単一または複合して複数層を電極表面上に積層されていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  The current collector layer is formed by laminating a plurality of layers on the electrode surface, with a base material having a nano-level outer dimension and a base material having a quantum-level outer dimension being a single material or a composite material or form. The thin film capacitor device according to claim 1. 前記集電体層は、前記第一の電極または第二の電極表面上にナノレベルの外形寸法を有する基材を複数層積層し、その上から量子レベルの外形寸法を有する基材を積層する集電体層で、それぞれの材質および形態が単一あるいは複合して複数層を電極表面上に積層する集電体であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  The current collector layer is formed by laminating a plurality of layers having a nano-level outer dimension on the surface of the first electrode or the second electrode, and laminating a substrate having a quantum-level outer dimension from above. The thin film capacitor device according to claim 1, wherein the current collector layer is a current collector in which a plurality of layers are laminated on the electrode surface in a single material or in a composite form. 前記集電体層は、第一の電極または第二の電極表面上にナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材とを混合して複数層積層する集電体層からなることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  The current collector layer is a current collector in which a base material having a nano-level outer dimension and a base material having a quantum-level outer dimension are mixed and laminated on the surface of the first electrode or the second electrode. The thin film capacitor device according to claim 1, comprising a layer. 前記ナノレベルの外形寸法を有する基材は、縦・横・高さのいずれかが1000nm未満の外形寸法で、好ましくは縦・横・高さのいずれかが100nm未満の外形寸法であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  The base material having the nano-level outer dimensions is that the vertical, horizontal, or height is less than 1000 nm, preferably the vertical, horizontal, or height is less than 100 nm. 2. The thin film capacitor device according to claim 1, wherein 前記量子レベルの外形寸法を有する基材は、縦、横、高さまたは先端形状のいずれかが1nm以下の外形寸法であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  2. The thin film capacitor device according to claim 1, wherein the base material having an outer dimension of the quantum level has an outer dimension of 1 nm or less in any of vertical, horizontal, height, and tip shape. 前記集電体層に用いられる基材は、磁化または超伝導化されていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ装置。  The thin film capacitor device according to claim 1, wherein the base material used for the current collector layer is magnetized or superconductive. 誘電体式薄膜キャパシタ装置において、
前記薄膜キャパシタが、導電性材料で形成された第一の電極と、
前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている導電性材料で形成された第二の電極と、
前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された誘電体層とからなり、
前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、材質が金属、カーボン、グラファイト、ダイアモンド、導電性有機物または導電性セラミックのいずれかの導電物質からなる微粒形態基材により構成された集電子体により集電子体層が形成され、
前記微粒形態基材がナノレベルの外形寸法を有する基材と量子レベルの外形寸法を有する基材の2種類で構成された集電体で形成され、
前記第一の電極と、前記誘電体層と、前記第二の電極と、前記集電体層とがロール状に多層巻回されていることを特徴とする薄膜キャパシタ装置。
In a dielectric thin film capacitor device,
The thin film capacitor includes a first electrode formed of a conductive material;
A second electrode formed of a conductive material positioned to face the first electrode;
A dielectric layer formed so as to be sandwiched between the first electrode and the second electrode,
Between the first electrode and the dielectric layer and between the second electrode and the dielectric layer, the material is any of metal, carbon, graphite, diamond, conductive organic material, or conductive ceramic A current collector layer is formed by a current collector composed of a fine-grained base material made of a conductive material,
The fine particle form base material is formed of a current collector composed of two types of base material having a nano-level outer dimension and a base material having a quantum-level outer dimension,
The thin film capacitor device, wherein the first electrode, the dielectric layer, the second electrode, and the current collector layer are wound in a multilayer shape.
前記薄型キャパシタ装置が、スイッチ装置により充電回路または放電回路に切換可能に接続されており、
前記放電回路は、安定して放電するためスイッチング回路により電圧および電流を制御するように構成されており、
設定放電電圧よりも前記キャパシタ装置の放電電圧が高い場合には降圧型の回路を構成し、前記キャパシタ装置の放電電圧が低い場合には昇圧型の回路を構成するように、急速放電圧力を受けるためのコイルおよび一次的に電荷を蓄えるキャパシタを組み込んでいる回路を接続してなることを特徴とする請求項1および10に記載の薄膜キャパシタ装置。
The thin capacitor device is switchably connected to a charging circuit or a discharging circuit by a switch device,
The discharge circuit is configured to control voltage and current by a switching circuit in order to discharge stably.
When the discharge voltage of the capacitor device is higher than the set discharge voltage, a step-down type circuit is formed, and when the discharge voltage of the capacitor device is low, a rapid discharge pressure is received so as to form a step-up type circuit. 11. The thin film capacitor device according to claim 1, wherein a circuit incorporating a coil for storing the capacitor and a capacitor for temporarily storing electric charges is connected.
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