JP2017201707A - 高エネルギー密度蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い破壊電圧及び非常に良好な熱伝導性を有する電気絶縁材料の薄層を、電極及び誘電材料の間に挿入する新規な方法及び設計を提供する。【解決手段】高い比エネルギー密度の電気エネルギー貯蔵を提供するための装置及は、種々の可能な導電性材料から作製された電極層３の間に挟み込まれた、チタン酸バリウム又は六方晶系チタン酸バリウムなどの高誘電率材料の複数の層１を含む。装置は、電極間に、ダイアモンドライクカーボン被覆などの非常に高い破壊電圧を提供する、更なる絶縁層２を備える。【選択図】図１

Description

キャパシタは、通常は金属である２つの導電性電極の間の誘電体材料に電気エネルギーを貯蔵する装置である。それらの構造は、（ライデン瓶と呼ばれる）ガラス瓶の外側及び内側に金属スリーブという構造としてスタートし、その道を辿っている。今日では、高い絶縁破壊電圧をもたらす誘電体厚さを与えつつ、同時に、非常に高い誘電率を有する材料が、電極の面積を最大化する幾何学的形状で使用される。高誘電率、高電圧、及び高電極表面積の組み合わせは、非常に高い比エネルギー（単位容積当たりのエネルギー）を有するエネルギー貯蔵能力をもたらす。

近年、アルミナ（Ａ１_２Ｏ_３）層で被覆されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）の非常に小さな粒子が、外部電場によって優先的に配向される場合に、非常に高い誘電率（２０，０００に近い値）を有し得ることが報告されている（参照により本願に援用される米国特許第７，０２３，６８７号）。前掲の発明者らは、粒子間の間隙をプラスチック（選択されたプラスチックはＰＥＴである。）で充填して、誘電体層の絶縁破壊電圧を向上させ、且つ粒子を所定の位置に保持することを選択した。この解決手段においては、導電性電極を作製するために粉体金属（アルミニウム）を使用した。ＢａＴｉＯ_３材料の高い誘電率を利用するために、ＢａＴｉＯ_３粒子が配向できるようにＰＥＴが軟化するために十分な高温にシステムを維持しながら、電極間のマトリクスに高電圧が印加される。優先的な配向を誘起するのに十分に高い電場強度を得るためには、ＢａＴｉＯ_３粒子の層は比較的薄い必要がある。一つの問題は、この用途で使用される殆どの誘電体材料は、前記配向の効果を得るために必要な電圧よりも低い破壊電圧を有するという事実であった。当該発明者らは、ＢａＴｉＯ_３粒子が誘電体層のＰＥＴマトリクス中に密に充填されれば、絶縁破壊電圧は、必要な値の直上に維持することができると報告している。

更により最近、日本の宇宙航空研究開発機構及びＴＤＫによる日本での出願（参照により本願に援用される、誘電性セラミック組成物に関する米国特許出願公開第２０１１／００５９８３８）がある。当該出願における材料もまた、ランタン、セリウム、バナジウム、又はビスマスの少量を添加することにより作製されてなるＢａＴｉＯ_３である。この添加及び加工方法により、実測で１６０，０００の誘電率を有するＢａＴｉＯ_３の六方晶系形態が与えられる。

しかし、ＰＥＴを使用した、この構造に基づく実用装置には問題がある。被覆されたＢａＴｉＯ_３粒子が、プラスチックマトリックスの一部の領域において低い密度を有する場合は、当該特定の領域では低い絶縁破壊電圧を経験することとなる。これにより、高発熱及びそれに続く装置の破壊を伴う、局所的な電流破壊を生じる。この破局的な破壊の起こりやすさは、粉体金属電極における、金属粒子−粒子間の抵抗に起因する残留加熱効果及びＢａＴｉＯ_３材料における、充電及び放電に起因する残留加熱効果によって更に悪化する。この影響は小さいとしても、温度の影響は、充電／放電操作において明らかであり、装置の寿命及び信頼性に対して重要である。従って、これらの懸念が、装置に対して最大許容印加電圧を厳格に制限し、それにより、エネルギー貯蔵量を制限し、得られる装置の有用性を制限することになりかねない。

高い破壊電圧及び非常に良好な熱伝導性を有する電気絶縁材料の薄層を、電極及び誘電材料の間に挿入する新規な方法及び設計の例が提供される。前記絶縁材料、例えばダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）は、以下に記載する多数の異なる方法により薄層状に蒸着することができる。具体的な厚みや蒸着方法は、最終的な装置の所望のエネルギー密度及び大きさに応じて変えることができる。

一つの例としての実施形態において、ＰＥＴに代えて、それに限定するものではないが、三井の３８０℃フリットガラス（参照により援用されるＵＳ６，３５５，５８６）などの低融解温度ガラス（ＬＭＧ）中にＢａＴｉＯ_３を包み込むことによって、従来の実施形態に対して、装置の信頼性を顕著に向上させることができる。次いで、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の薄層が、金属薄膜を付設する前に、誘電体層の両面に蒸着される。ＤＬＣは、良好な熱伝導性を付与しながら、サンドイッチの破壊電圧を非常に高いレベルに高める機能を果たす（ＤＬＣ膜の破壊電圧は、少なくとも７０％が、通常ｓｐ^３構造といわれる四面体炭素構造にあると仮定した場合に、１０，０００ボルト/ミクロンであることができる。）。安全な電圧範囲としては、一般的には破壊電圧の約半分で選択される。

前記ガラス又はセラミックは、４００℃よりも低い温度で焼結、融合又は融解させることができる。ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）は、この温度以上で黒鉛化し得るため、この温度の限度は重要である。ガラスが軟化している間に、高電圧が印加されてＢａＴｉＯ_３／Ａｌ_２Ｏ_３粒子を配向させ、該構造体が冷えた際に、粒子は配向したままの状態となる。

異なる電極材料、異なる層厚さ、及び異なる電圧を使用する他の実施形態が可能であり、以下にそのいくつかを記載する。高エネルギー密度蓄電装置の大きさを設定するための重要なパラメータは、１）ＤＬＣ絶縁層の絶縁破壊電圧、２）ＢａＴｉＯ_３に許容される、その高い誘電率を維持するための最大印加電場、及び３）外部電源において実用上発生させることができる最大電圧（ＤＣ）である。

少なくとも良好な熱伝導性を有する電気絶縁材料を含む第１の絶縁層と、電気絶縁材料中に分散したＢａＴｉＯ_３を含む粒子を含む誘電体層と、第１の導電電極層と、第２の導電電極層と、少なくとも良好な熱伝導性を有する電気絶縁材料を含む第２の絶縁層と、を備える、エネルギーを貯蔵するための装置が提供される。前記誘電体層は、前記第１の導電電極層と前記第２の導電電極層との間に設けられている。

また、それぞれが、少なくとも部分的にダイアモンド様構造に組織化された炭素を含む複数の絶縁層と、それぞれが、電気絶縁材料中に分散したＢａＴｉＯ３を含む粒子を含む複数の誘電体層と、複数の導電電極層と、を備える、エネルギーを貯蔵するための装置が提供される。前記複数の導電電極層は、前記複数の誘電体層及び前記複数の絶縁層と交互に積層され、前記装置に接続された電圧源から得たエネルギーの貯蔵に適応した電気キャパシタ装置を形成する。

更に、それぞれが、少なくとも部分的にダイアモンド様構造に組織化され、電気絶縁材として作用し、少なくとも良好な熱伝導特性を有する炭素を含む複数の絶縁層と、ＢａＴｉＯ_３を含む複数の誘電体層と、複数の導電電極層と、を備える、エネルギーを貯蔵するための装置が提供される。前記複数の導電電極層は、前記複数の誘電体層及び前記複数の絶縁層と交互に積層され、前記装置に接続された電圧源から得たエネルギーの貯蔵に適応した電気キャパシタ装置を形成する。

また更に、少なくとも良好な熱伝導性を有する電気絶縁材料を含む複数の絶縁層と、複数の誘電体層と、複数の導電電極層と、を備える、エネルギーを貯蔵するための装置が提供される。前記複数の導電電極層は、前記複数の誘電体層及び前記複数の絶縁層と交互に積層され、前記装置に接続された電圧源から得たエネルギーの貯蔵に適応した電気キャパシタ装置を形成する。更に、前記装置は、立方センチメートル当たり１０キロジュールよりも大きなエネルギー密度でのエネルギーの貯蔵に適応する。

上記特徴の更なる組み合わせ及び配置を伴う装置も提供され、更なる例としての実施形態と共にそれらの全てではないがいくつかを、より詳細に下記する。

本発明の特徴をより完全に理解するために、添付の図面と併せて、以下に挙げられた詳細な説明を参照されたい。

単一の電極を有する、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層の間の、低融点ガラス中のＢａＴｉＯ_３／Ａｌ_２Ｏ_３又はｈ−ＢａＴｉＯ_３粒子のサンドウィッチ構造の例を示す概略図である。 ＤＬＣにより被覆された薄い金属箔を示す概略図である。 磁性材料の層が追加された、図２と類似の概略図である。 ｈ−ＢａＴｉＯ_３及び焼結ガラス中に完全に包み込まれた、合致した熱膨張係数を有する金属箔の例を示す概略図である。 ｈ−ＢａＴｉＯ_３及び焼結ガラスによって片側のみ被覆された金属箔を有する例を示す概略図である。 低融点ガラス又はプラスチックのマトリクスで固定された粉体ｈ−ＢａＴｉＯ_３粒の独立した層を示す概略図である。 金属電極及びガラス又は金属担体上に蒸着されたＢａＴｉＯ_３を有する単一層を示す概略図である。 低電圧／高静電容量用途用のＰＬＤにより作製された多層構造を示す概略図である。 完成した装置に関する電極の交互配置の層を示す概略図である。 全ての印加された電圧がそれらの限界値にある、例としての実施形態のエネルギー密度を示すプロットである。 外部電圧が１０，０００ボルトに限定された場合に対する、例としてのエネルギー貯蔵装置に関する、立方センチメートル中のエネルギー密度を示すプロットである。

本書面を通して、ＤＬＣはダイアモンドライクカーボンを表記するために用いられることを留意されたく、ダイアモンドライクカーボンは、その全てが炭素を含む種々の形態で存在し得て、良好な摩耗特性を与える硬度、滑らかさなどのダイアモンドの特性に類似する特性を示し、そして、金属の領域の熱伝導度（数十〜数百の上位のＷ／ｍ−Ｋ）ないし純粋なダイアモンドの優れた熱伝導度（１０００Ｗ／ｍ−Ｋ付近）といった、良好ないし優秀な熱伝導能力をも有しつつ、高い電気絶縁能力を有することができる材料である。しかしながら、一部の形態のＤＬＡは、半導体特性すら有し得る。このＤＬＣ材料は、一般的には、少なくとも部分的に、ダイアモンド様構造に組織化された炭素を含み、かなりの量のハイブリッド化されたｓｐ^３炭素原子を含み得る。純粋なダイアモンドと異なり、ＤＬＣ材料は、可撓性とすることができ、非晶とすることができる。その形態の一部において、ＤＬＣ材料は、実際の合成ダイアモンド材料を含み得る。この開示の目的のためには、良好ないし優秀な熱伝導能力をも有しつつ、高い電気絶縁能力を提供するＤＬＣの組織設計が好ましい。ダイアモンド複合材料及びダイアモンド粉体のような、類似の特性を有する他の材料は、（ダイアモンド様材料又は実際のダイアモンド材料を含み得る特殊ポリマー又はセラミックスなどの）他の材料がある中でも、以下に記載するＤＬＣ材料を代替することもできる。

図１は、低融点ガラスなどの絶縁性マトリクス中に分散するＢａＴｉＯ_３／Ａｌ_２Ｏ_３又はｈ−ＢａＴｉＯ_３粒子を有するＢａＴｉＯ_３層構造１を有する（ここで、ｈ−ＢａＴｉＯ_３は六方晶系構造にあり、より一般的な立方晶系構造よりもより高い誘電特性を有する。）、例としての蓄電装置の層状構造の概略図を示す。ＢａＴｉＯ_３層１は、天面及び地面をＤＬＣの層２により被覆される。金属電極３は、天面のＤＬＣ層２の上に蒸着される。図１に示される層の倍数が、所望する形で最終的な蓄電装置中で一緒に挟み込まれて、好ましい蓄電容量を得る（例えば、図８及び付随する議論を参照のこと。）。最外層の金属電極層３は、外側のＤＬＣ層４によって被覆され、当該蓄電装置を電気的に絶縁する。層の厚みは、必要に応じて変えることができ、従って、この装置の一つのみの実施形態、特に印加される電圧が２０，０００ボルト未満に制限される場合について説明する。この制限は、電極間のＤＬＣ層の厚さによって設定される。電極間のＤＬＣ層の厚さを変えることによって制限電圧は上下に変更することができ、電圧を大きくする場合はＤＬＣ層を厚くすることとなる。

従来の手法のように、電極用アルミニウム粒子を用いることができるが、特に厚さが重要である場合には、モリブデンを追加する、又はモリブデンのみを使用することにより、急速な充電／放電周期を伴う用途に対して、金属電極膜の通電容量を増加させることができる。これは、モリブデンが非常に低い膨張係数を有することによる。断面積の大きい装置においては、このことは、電極の金属の膨張の影響を低減するために望ましいものとなる。あるいは、Ｎｉ及びＦｅの合金を用い、Ｆｅに対するＮｉの比を変えて所望の結果を得ることにより、低融点ガラス及び／又はＤＬＣの膨張係数と合致させることができる。装置全体がＤＬＣ又は他の封止用被覆中に封入され得るため、電極は、封入されない場合にはかかる合金の使用を妨げることとなる酸化の影響から保護され得る。

金属電極に関する他の代替候補としては、４００℃までの高温において、ＤＬＣ被覆されたｈ−ＢａＴｉＯ_３層上に銅の被覆を用いることとなる。この温度で加工された場合、銅層は室温への冷却に際して収縮することとなる。これにより、ｈ−ＢａＴｉＯ_３／ＤＬＣ層の複合系よりも高い膨張比を有する金属を用いることが可能となる。より高い熱膨張係数（ＣＴＥ）の金属は、上記のＤＬＣ封止の内側の空洞中で収縮するため、この方法により、蓄電装置内での低コスト金属の使用が可能となる。これは、膨張収縮成形法である。加えて、この方法は、ＤＬＣが封止する金属からのＤＬＣの切り離しに依存する。この効果を促進するために、図６において述べる、六方晶の生成を促進するためのＺｎＯ層と類似する、但しＺｎＯ層とは逆の位置の、原子レベルの厚さの切り離し層が存在してもよい。

金属電極の他の代替手段は、基材として、１ミル厚さ（特注固定具なし）又はそれ未満（固定具付き）で入手できるステンレス鋼４３０の市販様式を用いることである。箔の形態のこの材料は、熱膨張係数（ＣＴＥ）がｈ−ＢａＴｉＯ_３誘電体のそれと近似しているので、ロールからロールへの(roll to roll)成形が可能となる。この場合、ＢａＴｉＯ_３は、酸化亜鉛などの適当な六方晶系種層を介してｈ−ＢａＴｉＯ_３の形態で蒸着及び成長することとなる。これに続いて、規定された速度にて加熱及び冷却が行われることとなる。このプロセスは、ロールからロールへの塗工機での準備段階において、より堅固な金属となり得る利点を持つ。あるいは、所望であれば、この配列において、チタン又はモリブデン箔も同様に用いることができる。

完成した装置の電極は、一般的には、（図８に示すように）装置の対向する両端に接続された交互の電極層として、交互配置される。このＤＬＣの層を有する構造の一つの利点は、ダイアモンドの非常に高い熱伝導性が、装置内の残留熱負荷が効率的に（電極端から９０度である）側部に伝導されることを可能にし、該側部から、前記熱負荷が任意の数の熱移動方法によって除去され得ることにある。例えば、図１に示すような、１０ミクロンのｈ−ＢａＴｉＯ_３又はＢａＴｉＯ_３−Ａｌ_２Ｏ_３粒子層、及び１ミクロン厚さの電極層に隣接する２つの１ミクロンのＤＬＣ層を仮定すると、当該装置の側面の断面は、１５％の熱伝導のためのＤＬＣの表面積を有することとなる。

特定の膜厚が図に示されているが、これらは、設計者が行うことができる様々な選択を単に例示するものに過ぎない。ＤＬＣ層の厚さは、デバイスの最大の所望する電圧に関係する。電圧がより低ければ、より薄いＤＬＣ層の選択を可能とすることになり、実際に、
いずれの層も、特定の任務及び用途に向けて装置を適合させるために、設計者によって変更され得る。厚いＤＬＣ層を作製するためには、痕跡量のチタン、タングステン、コバルトなどの種々の金属、又は低いパーセンテージの種々のその他の金属を炭素と混合し、これを使用して、応力緩和層を作製することができる。さらに、純粋な炭素ターゲット上のレーザーの放射輝度水準を低減することにより、これも応力緩和層である、ｓｐ^２（グラファイト）層が創生されることとなる。厚い層に対しては、割れを防止するために応力緩和が望まれる。

これらの層状蓄電装置の作製は、数種の標準的な技術の使用を経て成し遂げることができる。好ましい方法は、ロール・トゥ・ロール塗工機で実施することができる高速パルス化レーザー蒸着法（ＰＬＤ）である。ロールからロールへの化学気相蒸着（ＣＶＤ）塗工機中でのマグネトロン・スパッタリングもまた、平面ＣＶＤ、反応ＣＶＤ又はプラズマ支援化学気相蒸着（ＰＡＣＶＤ）と同様に、実行可能な方法である。これらの蒸着法は現行の技術であり、他の用途に使用されるが、開示する装置の作製に適用することができる。

前記装置を作製するためにＰＬＤを使用する場合は、任意の数種のパルス化レーザーを用いることができる。これらのパルス化レーザーとしては、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザー、ネオジムをドープしたバナジン酸イットリウム（Ｎｄ：ＹｂＶＯ_４）レーザー、クロムをドープしたアレキサンドライト（Ｃｒ：ＢｅＡｌ_２Ｏ_４）レーザー又はチタンをドープしたサファイアレーザーが挙げられる。他のレーザーも、特にパルス化され、集束点において高い出力密度を有するレーザーである場合は、用いることができる。高い成長速度のためには、このプロセスは、パルス当たりの高い放射輝度及び高い平均出力の両方を示すレーザーを最も好適に利用する。この種類のレーザーは、通常軍事システムと考えられる。このレーザーは、平方センチメートル当たり１０^８〜１０^１０（あるいはそれ以上）ワットの範囲のエネルギー密度で、高純度炭素ターゲットに焦点を合わせる。単一の炭素イオンのプルームを創出するためには、このエネルギーが望ましい（より低いエネルギーは、炭素原子のクラスタ又はストリングを創出する傾向にある。）。望ましいパルス幅は、数十ナノセカンドの領域であり、これは、Ｑ−スイッチレーザーの通常のパルス長さである（又は、モード周期レーザーである場合には、ピコセカンド領域まで小さくなる。）。パルス繰返し周波数は、実際に用いられるレーザーを得るための物質の関数になることとなり、通常は、Ｑ−スイッチシステムに対して、数〜数十キロヘルツの範囲である。ＤＬＣの成長速度はかなり遅いが、この方法は現行の技術である。

本願において、ダイアモンドライクカーボン表面の成長速度及び品質を向上させるためにいくつかの方法が提案される。高いＰＬＤ成長速度における問題の一つは、ｓｐ^３ダイアモンド構造ではない炭素原子のクラスタが基材に衝突することである。ＰＬＤ膜の品質及び成長速度を向上させるためには、いくつかの可能な方法により炭素プルームが拘束され、基材に向けられるが、その最も簡易なものは、静電的に荷電された邪魔板又は電極である。更なる方法としては、四極子アンテナ又は無線周波数（ＲＦ）アンテナを使用することを挙げることとなる。（例えばマイクロ波領域内で、炭素−炭素結合に共役する）ＲＦ周波数の使用は、ビームを集束させる役割、及び放出された物質内での如何なる炭素原子の塊をも解体する役割の両方を果すことができる。三番目の代替方法は、空中にあるプルームを照射する第２のビーム経路内にレーザビームの一部を使用することである。この第２のビームは、基となるレーザーの一次周波数又は調和的に変換された周波数（又は両方の組合わせ）であることができる。

図１に述べた構造において、想定される完成した装置は、高さフィート当たり１０，０００以上の層を有することができ、想定される中心線からの長さが、それに限定されるものではないが、６インチ、想定される放熱器から放熱器の幅が、それに限定されるものではないが、１．５インチである。かかる装置は、非常に高いエネルギー密度を有することとなる。例えば、ＢａＴｉＯ_３に対する誘電率を、別な組成物について報告された２０，０００に対して、一つの組成物について報告された１６０，０００を用い、印加電圧を５，０００ボルトとすれば、この装置は、１立方フィートの材料中に約２．８×１０^９ジュール（これは約３ギガジュール又は約７７５キロワット時）に至るエネルギーを保持することとなる。

以下に述べる２つの主要な代替構築技術がある。（図２〜５に示す）第一の構築技術は、
膨張をＤＬＣに合致させた金属箔上に設けられた、被覆され絶縁された電極に基づく、すなわち、ＣＴＥ収縮封入成形法である。この電極の概略が図２に示される。エネルギー貯蔵単位（ＥＳＵ）装置と同様の幅を有する金属箔片５の両面及び両縁並びに片端が、ＤＬＣの層６によって被覆される。この例については、金属箔５の厚さは２ミル以下であり、望ましい値は実用上最も薄い厚さである。ＤＬＣ層６の厚さは、１／４０ミル〜１ミルであり、望ましい値は最大印加電圧によって決定される。

図３〜５は、ＢａＴｉＯ_３層を図２の電極に付加してＥＳＵ構造を形成するための、３つの代替方法を示す。それぞれの場合において、ＢａＴｉＯ_３層は、図２の金属箔電極と交互配置され、ＥＳＵである多層キャパシタが作製される。

六方晶系又はドープされたＢａＴｉＯ_３の組織設計は、図２に示すものと類似の金属電極上のＤＬＣの交互配置された構造に機械的に付加される粉体とすることもできる。この設計の変化形は、構築後に粒子が自己整列するとの利点を有する。この形態は、自動組立てに役立つ最も簡素な構築という利点を有することとなる。

図２ａに示す更なる電極の変化形は、当該電極を通る電流が磁気的に対抗する力を生じせしめることとなるように、高保磁力材料１１の層をＤＬＣ層の外側に付加することである。このことは、電流を減速し、従って放電速度を制限する効果を有することとなる。このことは、設計者が、安全上の理由から、衝突時及び／又はシステムの誤作動時の短絡電流を制限することを望もうとする、ハイブリッド車の動力電池などの消費者向け用途における状況に対して、望ましいこととなる。

図３においては、その熱膨張係数が焼結ガラス中のＢａＴｉＯ_３の熱膨張係数と合致する担体金属片５（例えば、市販のニッケル−コバルト鉄合金Ｋｏｖａｒ（登録商標）又はニッケル−鉄合金Ｉｎｖａｒ（登録商標））が、両側に被覆される。大きさは概数である。被覆材料７は、最終的には焼結又は加熱圧縮されて層を形成するガラス粒子と混合された粉体のｈ−ＢａＴｉＯ_３である。金属箔５は１〜３ミルの厚さであり、ＢａＴｉＯ_３層７の厚さは、所望のエネルギー密度に応じて１／４〜４０ミルの範囲とすることができる。

図４において、図３と類似する担体金属片８は、片側９のみがＢａＴｉＯ_３によって被覆される。ここで、層の厚さは１〜３ミルであり、電極８の寸法は実用上可能な限り薄い。

最後に、ＢａＴｉＯ_３層は、低融点ガラス又はプラスチックマトリクス中に懸濁した粒子から作製される場合は、金属基材なしの自己支持型であってもよく、あるいは、交互配置された構造に対して単に機械的に付設されてもよい。この例は、図５の概略図に示される。ＢａＴｉＯ_３層１０の厚さは、当該使用される装置が、実用上何に基づくかにより決定される。以下に示すことになるように、望ましい厚さは、印加電圧及び所望のエネルギー密度に依存する。図３〜５に示す全ての例としての構成は、ＥＳＵ装置を作製するに当たって、図２に示すような電極間に挟み込まれた形で設置される。

更なる代替構築構造を図６及び７に示す。これらの構築構造は、パルス化レーザー蒸着（ＰＬＤ）を用いて層を作製する能力に基づいている。それぞれの場合において、（ホウケイ酸塩ガラス、例えば厚さ２ミル、又は、Ｋｏｖａｒ若しくは鉄／ニッケル混合物などの熱膨張がＢａＴｉＯ_３に合致する金属層のいずれかの）担体が、ＰＬＤにより蒸着される種々の層により被覆される。

図６の例において、基材１７は、まず酸化亜鉛（ＺｎＯ）の非常に薄い層１６により被覆される。この層は、数十オングストローム程度の小さい結晶構造を構築するのに十分な厚さのみを必要とする。この層は、その後に成長するＢａＴｉＯ_３構造１５が、表面に対して垂直な所望のｚ軸を有する、好ましい六方晶系構造を有するために必要とされる。これが、高い誘電率の軸をＥＳＵの軸と同方向に揃える。次に、ＤＬＣの層２が、例えば少なくとも１ミクロン（１／２５ミル）の厚さで蒸着される。次に、電極としての役割を果たす金属層３が設置され、これは次に別なＤＬＣの層２によって被覆される。金属電極の両側のＤＬＣは、非常に高い印加電圧においてさえも、電流が流れることを防止するための、良好な絶縁障壁を提供する目的を果たす。ＥＳＵは、最終的には、担体が取り除かれる、又は取り除かれないいずれであってもよい形で、交互配置される多重構造によって組み立てられる。

図７は、集積回路向けに作製される装置に類似する、ＰＬＤを用いて作製された一体化された構造を有する、例としての別な配列を示す。金属又はガラス担体１７上に、交互になるＤＬＣの層２及び金属電極３が、酸化亜鉛被覆基材１６上に成長したＢａＴｉＯ_３層１８に挟み込まれる。完全な大きさの構造は、真空チャンバを開放することなく形成可能なＰＬＤ層の数に対する実用上の考慮のみによって課される制限に等しい数のＢａＴｉＯ_３層を含むこととなる。一旦多層構造が作製された後は、多くのそれらを一緒に挟み込んで完成品のＥＳＵを形成する。

これらの例としてのＥＳＵに関する交互の構造は、１）ＢａＴｉＯ_３又はそのドープされた誘導体の一つの高い誘電率、及び、２）ＤＬＣの絶縁特性及び熱特性の使用に基づく。これらの一般的な原理の範囲内で、如何なる層の正確な厚さに関しても、及び中間層の順序及び数に関してさえも、多数の変化形が存在する。正確な詳細は、種々の機械上の実施における実用性により決定されることとなり、方法論は、如何なる一つの特定の設計にも限定されない。

図８は、例としてのエネルギー貯蔵装置の電極が如何にして交互配置され得るかについての例を概略的に示す。左側の電極２０は、右側の電極２１のファインガー２５と交互配置される、櫛状の、層からなるフィンガー２６を有する。電極２４の間の材料は、任意の、図１〜６に示す金属電極又は金属箔上に蒸着された材料の層の例とすることができる。層の全数は任意である。最終的な装置は、電気絶縁材としての役割を果たし、大規模な装置に対して、必要であれば冷却システムの熱移動路としての役割を果たす、ＤＬＣの被覆体２２中に封入される。

図９は、いくつかの例としての実施形態に関する、種々のＢａＴｉＯ_３及びＤＬＣ層の厚さに対して可能なエネルギー密度の値のプロットを示す。それぞれの場合について、電極の厚さは約２５ミクロンと仮定する。該プロットは、ＢａＴｉＯ_３に関する誘電率を、従来の組成物からのより低い値の２０，０００と仮定する。ＢａＴｉＯ_３に対する最大印加電場は、この強度の電場までは誘電率は実質的に変化しないことを示すデータに基づいて、ミクロン当たり約５００ボルトに限定する。ＤＬＣに対する破壊電圧は、ｓｐ^３（ダイアモンド）構造に対して妥当である、ミクロン当たり１０，０００ボルトと仮定する。ＢａＴｉＯ_３層には、電圧破壊に対する如何なる保護を付加することも仮定しない。最後に、外部電源から利用可能な最大電圧は、この例については、約１２５，０００ボルトに限定されると仮定する。図は、４種の異なるＤＬＣの厚さに対して、及びＢａＴｉＯ_３の厚さが約２５４ミクロン（１０ミル）まで増加するときの、エネルギー密度を立方センチメートル当たりのキロジュールで示す。

図９の曲線は、上記に選択された電圧限界により課される、立方センチメートル（ｃｃ）当たりのエネルギーを表わす。約２００ミクロン未満のＢａＴｉＯ_３の厚さに対しては、ｃｃ当たりの最大エネルギー密度は、ＢａＴｉＯ_３のミクロン当たり５００ボルトである印加電場の限界によって決定される。２５０ミクロンを超えるＢａＴｉＯ_３の厚さに対しては、ｃｃ当たりのエネルギー密度は、約１２５，０００ボルトである最大可能な印加電圧によって限定される。ＤＬＣ層の厚さが５ミクロンである場合に対しては、限界は、ミクロン当たり１０，０００ボルトであるＤＬＣの破壊電圧によって決定される。この数字は、これらの設計パラメータの具体的な選択は、最終的に所望するエネルギー密度及び特定の厚さの層の作製の容易さに依存することを示している。広い範囲の変数に対して、エネルギー密度は、立方センチメートル当たり約１０キロジュールの領域の非常に高い値を有する。

図１０のプロットにおける曲線は、最大印加電圧が約１０，０００ボルトに限定される場合に対する例としての設計を示す。厚さが約２０ミクロンよりも薄い層に対しては、電圧は、ミクロン当たり５００ボルトである印加電場の限界によって限定される。厚さが約２０ミクロンよりも厚い層に対しては、印加電圧が一定であり、静電容量が、電極間の厚さに反比例するために低下することから、エネルギー密度が低下する。層がより薄くなると、厚さ１ｃｍのスタックを作製するために必要な層の数が非常に大きくなる。従って、ここでも、作製の容易さ、層の厚さ、印加電圧、及びエネルギー密度の間にトレードオフの関係が存在する。
用途例

本願に記載の装置を用いて得られるエネルギー密度は、既存技術であるリチウムイオン電池のエネルギー密度を、５倍以上の係数をもって凌駕する。更に、該装置は、一般的に、より迅速に充電することができ、また、再充電可能な電池にしばしば見られるような形で劣化することがなく、従って、より低い頻度での交換しか必要としないといえる。該装置はまた、一般的に内部漏電がより少なく、従って、より長い期間充電状態を保つ。そのため、得られる改良された装置は、高エネルギー密度の移動可能な電源が所望される用途に利用することができる。例えば、かかる装置は、より高いエネルギー密度の、且つ環境に対する毒性がより低い解決手段によって蓄電池を効果的に置き換えて、電気自動車、航空機、船舶、又は他の運搬装置に動力を供給するために使用することができる。更に、高密度でのエネルギー貯蔵により、大量のエネルギーを必要とする装置を、よりコンパクトに且つ移動可能な形、例えば移動可能なレーザー、電磁兵器（例えば、電磁加速砲）、及びその他のかかる装置への動力供給のためなど、で使用することができるようになる。

更に、該エネルギー貯蔵装置は、風力又は太陽光電気エネルギーを、発電ピークに、風や太陽が利用できないその他の時間に使用するために貯蔵するためなどの、多種多様な大規模なエネルギー貯蔵のための装置に利用することができる。また、用途としては、遠隔測定器、小型人工衛星、若しくは遠距離宇宙探測機でさえも、これらへの動力供給などの、無人運転での長期寿命を伴うシステム又は再充電の機会が頻繁でないシステムが挙げられる。

また、該装置は、電池を使用する如何なる装置においても、置換えとして小規模で使用することができる。これには、懐中電灯からコンピュータまでの任意の大きさの携帯型装置、携帯電話及び時計が挙げられる。小型化の終極に向かうこの概念では、ナノロボット用途における集積回路上にこれらの特徴の全てを有する。かかる一つの例は、一粒の塩程度の大きさの聴取器又は位置探知器用となる。

本発明の多数の他の例としての実施形態を、上記の特徴の様々な組み合わせを通じて提供することができる。本発明は、上記に、特定の例及び実施形態を用いて記載してきたが、当業者には、本発明の意図する範囲から必然的に逸脱することがない限りにおいて、様々な代替手段が用いられてもよく、本願に記載された要素及び／又はステップが等価なもので置換されてもよいと理解されることとなる。本発明の意図する範囲から乖離することのない限りにおいて、特定の状況又は特定の必要性に対して本発明を適合させるために、変更が必要となり得る。本発明は、本願に記載の特定の具体化及び実施形態に限定されることがないことが意図され、特許請求の範囲には、文字通りの又はその等価な、開示された又は非開示であるがそれによって含まれる、全ての新規且つ非自明な実施形態を含む、それらの最も広い、合理的な解釈が与えられることが意図される。

Claims (3)

1. 電気エネルギーを貯蔵するための装置であって、
   第１の導電電極層と、
   第２の導電電極層と、
   誘電体層と、
   熱伝導性を有する電気絶縁材料を備え、且つ、前記第１の導電電極層を前記誘電体層から電気的に絶縁するために、前記第１の導電電極層と前記誘電体層との間に設けられた第１の絶縁層と、
   熱伝導性を有する電気絶縁材料を備え、且つ、前記第２の導電電極層を前記誘電体層から電気的に絶縁するために、前記第２の導電電極層と前記誘電体層との間に設けられた第２の絶縁層と、
   を備える、装置。
2. 前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層が、ダイアモンド又はダイアモンド様炭素を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記誘電体層が、少なくとも部分的に六方晶系構造に組織化されるＢａＴｉＯ_３粒子を含む、請求項１又は２に記載の装置。

Images