JP2021157881A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い出入力性能、高容量で小型化が可能な二次電池を提供する。【解決手段】二次電池100であって、p型半導体として機能する電極10と、n型半導体として機能する電極20と、電極10と電極20の間に設けられるホール伝達部材30と、を備え、電極10は、スパッタ膜または蒸着膜であり、電極20は、シリコン、グラフェン、及びグラファイトの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、ホール伝達部材30は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜である。【選択図】図1
Description
本発明は二次電池に関する。
現在、リチウムイオン二次電池が広く普及している。一般的なリチウムイオン二次電池は、リチウム含有遷移金属複合酸化物を活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料を活物質とする負極と、非水電解液と、セパレータと、を備える(例えば、特許文献1参照)。
近年では、二次電池は、携帯型電子機器だけではなく、電気自動車、スマートグリッド、人型ロボット、ドローン、電力負荷平準化システム等の定置用電池等、幅広く使用されるようになった。これにより、従来のリチウムイオン二次電池を上回る高い出入力性能、高容量で小型の二次電池の開発が期待されている。
しかしながら、従来のリチウムイオン二次電池は、単位重さあたりの出力及び容量に限界がある。また、化学電池であるため小型化に限界がある。
本発明は、高い出入力性能、高容量で小型化が可能な二次電池を提供することを目的とする。
本発明は、二次電池であって、p型半導体として機能する第一電極と、n型半導体として機能する第二電極と、第一電極と第二電極の間に設けられるホール伝達部材と、を備え、第一電極は、スパッタ膜または蒸着膜であり、第二電極は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、ホール伝達部材は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜であることを特徴とする。
本発明によれば、高い出入力性能、高容量で小型化が可能な二次電池を提供できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る二次電池について説明する。
<第1実施形態>
図1〜3を参照して、本発明の第1実施形態に係る二次電池100について説明する。
図1〜3を参照して、本発明の第1実施形態に係る二次電池100について説明する。
[二次電池100の全体構成]
図1に示すように、二次電池100は、p型半導体として機能する第一電極としての電極10と、n型半導体として機能する第二電極としての電極20と、電極10と電極20の間に設けられるホール伝達部材30と、を備える。
図1に示すように、二次電池100は、p型半導体として機能する第一電極としての電極10と、n型半導体として機能する第二電極としての電極20と、電極10と電極20の間に設けられるホール伝達部材30と、を備える。
電極10は、正極として機能する。電極10は、スパッタ膜または蒸着膜であり、例えば酸化ニッケルを含む。電極20は、負極として機能する。電極20は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜である。ホール伝達部材30は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜であり、例えばニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含む。電極10、電極20、及びホール伝達部材30は、それぞれ平面状に成膜されて積層される。電極10及び電極20は、スパッタリングにより形成されるスパッタ膜または蒸着により形成される蒸着膜であるため、バインダーを含まない。つまり、電極10及び電極20は、バインダーを含まないスパッタ膜または蒸着膜である。電極10と電極20はホール伝達部材30を介して対向し、物理的に接触しない。
p型半導体として機能する電極10、n型半導体として機能する電極20、及びホール伝達部材30を備える二次電池100では、従来のリチウムイオン二次電池のようなイオンの移動ではなく、ホールの移動により充放電される。具体的には、充電時には、外部電源(図示せず)の高電位端子が電極10と電気的に接続され、低電位端子が電極20と電気的に接続されることで、電極10にホールが生じる。また、電極10のホールはホール伝達部材30を通じて電極20に移動する。放電時には、電極10の電位は電極20の電位よりも高く、電極10と電極20との電位差により、電極10のホールが外部負荷(図示せず)を通じて電極20に移動する。また、電極20のホールはホール伝達部材30を通じて電極10に移動する。これにより、電流は、電極10から外部負荷(図示せず)を介して電極20に流れる。
ここで、ホールはイオンよりも小さく、高い移動度を有する。二次電池100は、イオンの移動よりも高速なホールの移動により作動するため、高い急速充電性能及び高い出入力性能を有する。また、電極20がグラフェンを有する場合は、充電時の電極20では、ホールは電極10での電界方向と垂直方向に進行し、電子はホールと反対方向に蓄積されることを見出している。放電時の電極20では、誘電分極反応を生じ、電極20に蓄積された電子は一気に外部に放出され、電極20のホールは電極10側に移動する。これにより、二次電池100は高い出力性能を有する。
また、二次電池100は、作動時に化学反応を伴わないため、長寿命、高容量、高い出入力性能、高い急速充電性能、及び高い安全性を有する。
このように、二次電池100はホールの移動により作動するため、半導体電池の原理より成る電池といえる。二次電池100は、イオンではなくホールの移動により作動するため、高い出入力性能及び高容量を有する。
また、電極10、電極20、及びホール伝達部材30はスパッタ膜または蒸着膜である。つまり、電極10及び電極20は、材料の混錬及び塗布により形成されるものではないため、電極10及び電極20の製造工程を減らすことができ、さらに、電極10及び電極20に良好な導電パスを形成することができる。加えて、電極10及び電極20は、電極活物質を接着するバインダーが不要であるため、二次電池100は、長寿命、高容量、高い出入力性能、及び高い急速充電性能を有する。
また、従来のリチウムイオン二次電池は、電極10及び電極20が材料の混錬及び塗布により形成されるため、電極10及び電極20の小型化に限界があり、そのため、電池の小型化に限界がある。これに対し、本発明の第1実施形態に係る二次電池100の電極10、電極20、及びホール伝達部材30の各膜は、スパッタリングまたは蒸着により形成される。そのため、例えば2ミリ四方の小さな電極10、電極20、及びホール伝達部材30であっても容易に作成することができ、二次電池100を従来のリチウムイオン二次電池よりも小型化できる。そのため、以下に記載するように、二次電池100を小さくチップ状に形成し、電子機器50の電子基板51に設けることが可能となる。
図2に示すように、二次電池100は、電子機器50の電子基板51に設けられて電子機器50の電源または補助電源として機能する。例えば、二次電池100を電子機器50としてのパーソナルコンピュータの電子基板51に設け、補助電源として機能させることで、停電等で主電源からの電力供給が遮断された際の揮発性メモリの内容の保持及び電子部品への衝撃の緩和をすることができる。また、主電源がオフの状態でも、二次電池100から揮発性メモリに電力を供給し内容を保持することができる。他にも、二次電池100を電子機器50としてのペースメーカーの電子基板51に設け、主電源として機能させることができる。二次電池100は、作動時に化学反応を伴わないため、高い安全性を有する。さらに、二次電池100は、従来のペースメーカーに用いられている充電不可能な一次電池ではなく、充電可能な二次電池であるため、ペースメーカーの主電源として好適である。
電極10、電極20、及びホール伝達部材30の各膜は、ケース60内に形成されて電子基板51に設けられることが好ましい。ケース60は、例えば銅などの導電性材料で形成される。ケース60は、電子基板51上に搭載される凹状の本体部61と、本体部61の開口を塞ぐ蓋部62と、を有する。本体部61と蓋部62の間には、絶縁ゴムなどの絶縁体で形成されるシール部材としてのOリング65が設けられ、本体部61と蓋部62との電気的接続が防止される。
電極20は、ケース60の本体部61の底板61a上に成膜され、ホール伝達部材30は、電極20上に成膜され、電極10は、ホール伝達部材30上に成膜される。電極10、電極20、及びホール伝達部材30の各膜は、成膜時にメタルマスクを用いる方法、または、メタルマスクを用いずに、成膜後にリソグラフィ及びエッチングを行う方法で形成される。電極10は、リード線、ワイヤ、または導電性ペースト等の通電部70を介して、ケース60の蓋部62と電気的に接続される。これにより、負極として機能する電極20は、本体部61と電気的に接続され、正極として機能する電極10は、蓋部62と電気的に接続される。ケース60の本体部61及び蓋部62が電子基板51の回路と電気的に接続されることで、二次電池100は、電子機器50の電源または補助電源として機能する。
このように、二次電池100は、電極10、電極20、及びホール伝達部材30がスパッタリングにより形成されるスパッタ膜または蒸着により形成される蒸着膜であるため、小型であり、電子機器50の電子基板51に設置し電源または補助電源として使用することができる。また、二次電池100は、充放電時に電極10、電極20、及びホール伝達部材30が化学変化することがないため、従来のリチウムイオン二次電池のような電池の膨張及び収縮が生じず、小さいチップ状の形状を維持することができる。さらに、電極10、電極20、及びホール伝達部材30はケース60内に収容されるため、電子機器50の熱による二次電池100の劣化や、電子機器50が水没した際の漏電が防止される。
なお、電極10は、通電部70を介してケース60の本体部61の側壁部61bと電気的に接続されてもよい。この場合は、例えば本体部61の底板61aと側壁部61bとの間に絶縁体で形成されるOリングを設け、底板61aと側壁部61bとの電気的接続を防止すればよい。
また、ケース60は、例えばシリカ等の絶縁材料で形成されてもよい。この場合は、例えば、ケース60に貫通孔を形成し、貫通孔に通電部70を設けることで、電極10及び電極20をケース60の外部と電気的に接続すればよい。
また、図3に示すように、電極10、電極20、及びホール伝達部材30をシリカ等の絶縁材料で形成された別の部材40上に予め成膜してユニット化し、それをケース60内に収容してもよい。具体的には、二次電池100は、部材40がケース60の本体部61の底板61a上に搭載され、ケース60内に収容される。電極20は、部材40の貫通孔40aに設けられる通電部70を介して本体部61と電気的に接続されればよい。なお、部材40は、導電性材料で形成されてもよい。この場合は、部材40の貫通孔40a及び通電部70が不要となる。
また、二次電池100は、ケース60を介さずに電子機器50の電子基板51に設けられてもよい。つまり、二次電池100は、部材40を介して電子機器50の電子基板51に設けられても、直接電子機器50の電子基板51に設けられてもよい。
また、二次電池100は、図3に示すように、電極10及び電極20と電気的に接続されるワイヤレス給電用のコイル80をさらに備え、コイル80を介して電力が充電可能であってもよい。これにより、二次電池100が電子機器50の電子基板51に設置された状態であっても、非接触で二次電池100を充電できる。特に、二次電池100がペースメーカーの主電源として使用される場合では、二次電池100が電池切れになる前にワイヤレス給電により充電できる。これにより、ペースメーカーの主電源としての二次電池100は、二次電池であるために充電可能であり、かつ、ワイヤレス給電により体外から充電可能であるため、従来行っていた手術による電池交換が不要となり、半永久的に使用できる。
[電極10について]
電極10は、例えば酸化ニッケルを含む。電極10は、例えばアンチモン等によりpドープされる。これにより、電極10はp型半導体として機能し、電極10にはホールが形成される。酸化ニッケルは、金属イオンに対するホールの量が、マンガン、コバルト、鉄等の一般的な正極材料の中で最も多いことを、ホール測定により確認している。よって、電極10は、酸化ニッケルを含むことでホールが多くなり、二次電池100の性能が向上する。
電極10は、例えば酸化ニッケルを含む。電極10は、例えばアンチモン等によりpドープされる。これにより、電極10はp型半導体として機能し、電極10にはホールが形成される。酸化ニッケルは、金属イオンに対するホールの量が、マンガン、コバルト、鉄等の一般的な正極材料の中で最も多いことを、ホール測定により確認している。よって、電極10は、酸化ニッケルを含むことでホールが多くなり、二次電池100の性能が向上する。
電極10に酸化ニッケルを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。
・ターゲット:酸化ニッケル
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:1.2×10-5Pa
・DC電力:100W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):40mm
・処理時間:140分
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:1.2×10-5Pa
・DC電力:100W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):40mm
・処理時間:140分
酸化ニッケルは溶解性が低く、ウェットエッチングによりパターニングを行うことが難しい。そのため、メタルマスクを用いずにパターニングを行う場合は、成膜後にリソグラフィ及びドライエッチングを行う。
[電極20について]
電極20は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含む。シリコンは、例えば、SiOxa(xa<2)である。グラフェンは、層数が10層以下のナノレベルの層である。グラフェンを含む電極20を成膜する際には、グラフェンの一部が凝集してグラファイトが形成される。グラフェンには、カーボンナノチューブが含有されてもよい。また、電極20は、各種天然黒鉛、人造黒鉛、シリコン系複合材料(シリサイド)、酸化シリコン系材料、チタン合金系材料、及び各種合金組成材料を単独または混合で含んでもよい。
電極20は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含む。シリコンは、例えば、SiOxa(xa<2)である。グラフェンは、層数が10層以下のナノレベルの層である。グラフェンを含む電極20を成膜する際には、グラフェンの一部が凝集してグラファイトが形成される。グラフェンには、カーボンナノチューブが含有されてもよい。また、電極20は、各種天然黒鉛、人造黒鉛、シリコン系複合材料(シリサイド)、酸化シリコン系材料、チタン合金系材料、及び各種合金組成材料を単独または混合で含んでもよい。
電極20は、例えば酸化リン、硫黄酸化物、またはヒ素等によりnドープされる。酸化リンや硫黄酸化物のドープは、例えば高せん断力分散機による添加分散によって行われる。これにより、電極20はn型半導体として機能し、電極10において発生するイオンやホール、電子を吸蔵及び放出可能となる。なお、電極20には、他の金属元素がドープされてもよい。例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属や、銅、チタン、亜鉛等の遷移金属がドープされてもよい。
シリコン及びグラフェンは、発熱体として機能しにくいため、二次電池100の内部短絡が生じた場合でも発熱しにくく、二次電池100の安全性及び寿命を向上させることができる。特に、電極20は、シリコン及びグラフェンの混合物を含むことで、ホールの吸蔵効率を向上させることができると同時に電子蓄積層を設けることができる。
電極20にnドープされたn型シリコンを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。
・ターゲット:n型シリコン
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:1.7×10-5Pa
・DC電力:60W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):40mm
・処理時間:60分
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:1.7×10-5Pa
・DC電力:60W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):40mm
・処理時間:60分
また、電極20にグラフェンを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。
・ターゲット:グラフェン
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:5.4×10-6Pa
・DC電力:70W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):40mm
・処理時間:80分
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:5.4×10-6Pa
・DC電力:70W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):40mm
・処理時間:80分
また、電極20にシリコン及びグラフェンを含む混合物を適用する場合は、その混合物をターゲットとしてスパッタリングを行う。
[ホール伝達部材30について]
ホール伝達部材30は、誘電体、好ましくは強誘電体を含む。誘電体として、例えばニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含む。ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、10Vといった高電位でも使用することができることを実験で確認している。また、ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、他の誘電体よりもコストが安い。よって、ホール伝達部材30は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことで、二次電池100を高電位で使用することができ、さらに、二次電池100のコストが安くなる。なお、ホール伝達部材30は、その他、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスナトリウム等の誘電体を含んでもよい。
ホール伝達部材30は、誘電体、好ましくは強誘電体を含む。誘電体として、例えばニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含む。ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、10Vといった高電位でも使用することができることを実験で確認している。また、ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、他の誘電体よりもコストが安い。よって、ホール伝達部材30は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことで、二次電池100を高電位で使用することができ、さらに、二次電池100のコストが安くなる。なお、ホール伝達部材30は、その他、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスナトリウム等の誘電体を含んでもよい。
ホール伝達部材30により、電極10と電極20の間でホールが輸送されるとともに、電極10と電極20の物理的接触が防止される。よって、ホール伝達部材30として、例えばシリカ等の絶縁体やエポキシ樹脂等のポリマーを用いると、電極10と電極20の間でホールが移動できず、二次電池100が作動しない。また、ホール伝達部材30として、ラジカルを有するアクリル樹脂を用いた場合、初期の特性は得られるが酸化還元反応により二次電池100の劣化が進み、寿命が短いことも確認している。ホール伝達部材30は、一層もしくは二層以上で形成される。
ホール伝達部材30にニオブ酸リチウムを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。
・ターゲット:ニオブ酸リチウム
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:1.8×10-5Pa
・DC電力:60W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):50mm
・処理時間:50分
・放電ガス:アルゴンガス
・ガス流量:30sccm
・ガス圧力:1.8×10-5Pa
・DC電力:60W
・ターゲットと基板の間の距離(TS距離):50mm
・処理時間:50分
また、ホール伝達部材30に窒化シリコンを適用する場合は、例えば、基板温度300℃、真空チャンバ内の圧力1.4×10-5PaでプラズマCVD処理を行う。
[実施例]
以下に、本発明の第1実施形態に係る二次電池100の実施例を説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
以下に、本発明の第1実施形態に係る二次電池100の実施例を説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
(比較例)
まずは、従来のリチウムイオン二次電池を比較に挙げる。
まずは、従来のリチウムイオン二次電池を比較に挙げる。
住友スリーエム株式会社製ニッケルマンガンコバルト酸リチウムBC−618、株式会社クレハ製PVDF#1320(固形分12重量部のN−メチルピロリドン(NMP)溶液)、および、アセチレンブラックを重量比率3:1:0.09で、さらなるN−メチルピロリドン(NMP)とともに双腕式練合機にて攪拌し、正極電極材を作製した。厚さ13.3μmのアルミニウム箔に正極電極材を塗布して乾燥させた後、総厚が155μmとなるように圧延し、その後、特定の大きさに切り出して正極の電極を形成した。
一方、人造黒鉛、日本ゼオン株式会社製のスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子結着剤BM−400B(固形分40重量部)、および、カルボキシメチルセルロース(Carboxymethylcellulose:CMC)を重量比率100:2.5:1で適量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、負極電極材を作製した。厚さ10μmの銅箔に負極電極材を塗布して乾燥させた後、総厚が180μmとなるように圧延し、その後、特定な大きさに切り出して負極の電極を形成した。
厚さ20μmのポリプロピレン微多孔フィルムをセパレータとして正極および負極のそれぞれの電極で挟持して積層構成し、所定の大きさで切断して電槽缶内に挿入した。エチレンカーボネート(Ethylene Carbonate:EC)、ジメチルカーボネート(Dimethyl Carbonate:DMC)およびメチルエチルカーボネート(Methyl Ethyl Carbonate:MEC)を混合した混合溶媒にLiPF6を1M溶解させた電解液をドライエア環境下で電槽缶に注入して一定期間放置した後、0.1Cに相当する電流で20分程度予備充電を行った後で封口し、積層型リチウムイオン二次電池を作製した。なお、その後、常温環境下で一定期間エージング放置した。
(実施例)
次に、本発明の第1実施形態に係る二次電池100について説明する。
次に、本発明の第1実施形態に係る二次電池100について説明する。
n型シリコンのスパッタリングターゲット、ニオブ酸リチウムを含むスパッタリングターゲット、及び酸化ニッケルを含むスパッタリングターゲットを成膜に用いる。
これらのスパッタリングターゲットを各々スパッタリング装置に取り付け、まず、上記の条件でスパッタリングによりn型シリコンを含む電極20を成膜した。次に、上記の条件でスパッタリングによりニオブ酸リチウムを含むホール伝達部材30を成膜した。そして、上記の条件でスパッタリングにより酸化ニッケルを含む電極10を成膜した。n型シリコン:ニオブ酸リチウム:酸化ニッケルの成膜容積比は5:3:10とした。
上記のように作製した実施例および比較例の電池を、以下に示す方法にて評価した。
(電池初期容量評価)
比較例の仕様電位範囲1V−3.8Vにおける1C放電容量を100として二次電池の容量比較性能評価を行った。また、電池の形状は、今回、角型電池缶を用い、積層電池とした。さらに、10C/1Cの放電容量比を測定した。これによって、高出力性能を評価する。同様に10C/1C充電容量比を測定した。これによって入力性能、急速充電性を評価する。
比較例の仕様電位範囲1V−3.8Vにおける1C放電容量を100として二次電池の容量比較性能評価を行った。また、電池の形状は、今回、角型電池缶を用い、積層電池とした。さらに、10C/1Cの放電容量比を測定した。これによって、高出力性能を評価する。同様に10C/1C充電容量比を測定した。これによって入力性能、急速充電性を評価する。
(釘刺試験)
満充電した二次電池に対して、2.7mm径の鉄製丸釘を常温環境下で5mm/秒の速度で貫通させた時の発熱状態及び外観を観測した。下記表1に結果を示す。表1では、二次電池の温度及び外観の変化が生じなかった二次電池を「OK」と示し、二次電池の温度及び外観の変化が生じた二次電池を「NG」と示している。
満充電した二次電池に対して、2.7mm径の鉄製丸釘を常温環境下で5mm/秒の速度で貫通させた時の発熱状態及び外観を観測した。下記表1に結果を示す。表1では、二次電池の温度及び外観の変化が生じなかった二次電池を「OK」と示し、二次電池の温度及び外観の変化が生じた二次電池を「NG」と示している。
(過充電試験)
充電率200%を電流維持し、15分以上外観に変化が生じるか否かを判定した。下記表1に結果を示す。表1では、異常を起こさなかった二次電池を「OK」と示し、変化(膨れまたは破裂等)が生じた二次電池を「NG」と示している。
充電率200%を電流維持し、15分以上外観に変化が生じるか否かを判定した。下記表1に結果を示す。表1では、異常を起こさなかった二次電池を「OK」と示し、変化(膨れまたは破裂等)が生じた二次電池を「NG」と示している。
(常温寿命特性)
実施例及び比較例の二次電池を仕様電位範囲1V−3.8V仕様の場合、25℃で1C/3.8Vで充電した後、1C/1V放電を3000サイクル及び1万サイクル実施し、初回目の容量に対して容量低下を比較した。
実施例及び比較例の二次電池を仕様電位範囲1V−3.8V仕様の場合、25℃で1C/3.8Vで充電した後、1C/1V放電を3000サイクル及び1万サイクル実施し、初回目の容量に対して容量低下を比較した。
(評価結果)
表1に上述した評価結果を示す。
表1に上述した評価結果を示す。
このように、高レート充電でも二次電池100は充電可能となるため、急速充電ができることが示される。また、高レートでの放電特性も良いことから高出力を得られることも示される。
<第2実施形態>
図4,5を参照して、本発明の第2実施形態に係る二次電池200について説明する。図4,5は、二次電池200の断面図である。以下では、上記第1実施形態と異なる点を中心に説明し、図中、上記第1実施形態で説明した構成と同一の構成または相当する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図4,5を参照して、本発明の第2実施形態に係る二次電池200について説明する。図4,5は、二次電池200の断面図である。以下では、上記第1実施形態と異なる点を中心に説明し、図中、上記第1実施形態で説明した構成と同一の構成または相当する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
上記第1実施形態では、電極10、電極20、及びホール伝達部材30は、平面状に成膜される。これに対して、本第2実施形態では、電極10及び電極20の各膜は、櫛歯状に形成され、ホール伝達部材30を介して互いに対向する。
図4に示すように、具体的には、電極10、電極20、及びホール伝達部材30は基材90上に形成され、電極10及び電極20の各膜は、基材90と垂直に延びる基部10a,20aと、基部10a,20aから基材90と平行に延びる複数の櫛歯部10b,20bと、を有し、電極10及び電極20のそれぞれの櫛歯部10b,20bは、互い違いに配置される。ホール伝達部材30は、電極10と電極20の間に連続して形成される。具体的には、ホール伝達部材30は、隣接する電極10の櫛歯部10bと電極20の櫛歯部20bの間に形成され基材90と平行に延びる複数の層状部30aと、隣接する層状部30a同士をつなぐ接続部30bと、基材90に最も近い層状部30aと基材90を接続する基材接続部30cと、を有する。ホール伝達部材30により、電極10と電極20との電気的接続が防止される。基材90は、例えばシリカ等の絶縁体である。電極10及び電極20は、例えば銀等の導電性ペースト91,92及びリード線93,94により、外部の電気回路と電気的に接続される。
電極10、電極20、及びホール伝達部材30は、例えばメタルマスクを用いて、スパッタリングにより各膜を基材90側から順に積層させることで成膜される。これに代わり、リソグラフィ及びエッチングを利用して成膜してもよい。具体的には、金型を用いてスパッタリングにより電極20を成膜し、リソグラフィにより電極20上にレジストを成膜し、スパッタリングによりレジスト上に電極10を成膜したのち、エッチングによりレジストを除去し、スパッタリングにより電極20と電極10の間にホール伝達部材30を成膜してもよい。
このように、二次電池200は、電極10と電極20とが互いに対向する櫛歯状であるため、単位容積当たりの電極面積が増加し、二次電池200は高い出入力性能及び高容量を有する。また、電極10、電極20、及びホール伝達部材30はスパッタ膜または蒸着膜であるため、電極10及び電極20の基部10a,20aの長さ及び櫛歯部10b,20bの数の変更が容易であり、二次電池200の容量を容易に変更することができる。
なお、基材90は、例えばnドープされたn型シリコン等の導電体で形成されてもよい。この場合は、例えば図5に示すように、ホール伝達部材30によって電極10が基材90と電気的に接触しないように成膜されればよい。
また、二次電池200は、第2実施形態に係る二次電池100と同様に、電子機器50の電子基板51に設けられて電子機器50の電源または補助電源として機能してもよい。つまり、基材90が電子基板51であってもよい。また、二次電池200を、二次電池100と同様にケース60内に収容してもよい。つまり、基材90がケース60の本体部61の底板61a、または部材40であってもよい。
また、電極10、電極20、及びホール伝達部材30は、蒸着により形成されてもよい。
以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、および効果をまとめて説明する。
二次電池100,200は、p型半導体として機能する電極10と、n型半導体として機能する電極20と、電極10と電極20の間に設けられるホール伝達部材30と、を備え、電極10は、スパッタ膜または蒸着膜であり、電極20は、シリコン、グラフェン、及びグラファイトの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、ホール伝達部材30は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜である。
この構成では、二次電池100,200はイオンではなくホールの移動により作動するため、高い出入力性能及び高容量を有する。また、電極10、電極20、及びホール伝達部材30はスパッタ膜または蒸着膜であるため、二次電池100,200を小型化できる。
電極10は、酸化ニッケルを含む。
この構成では、酸化ニッケルは、金属イオンに対するホールの量が一般的な正極材料の中で最も多いため、二次電池100の性能が向上する。
ホール伝達部材30は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことを特徴とする。
この構成では、ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、10Vといった高電位でも使用することができ、また、他の誘電体よりもコストが安いため、二次電池100を高電位で使用することができ、さらに、二次電池100のコストが安くなる。
二次電池100,200は、電子機器50の電子基板51に設けられて電子機器50の電源または補助電源として機能する。
この構成では、二次電池100,200は小型であるため、二次電池100,200を電子基板51に設置し、電源または補助電源として使用することができる。
電極10、電極20、及びホール伝達部材30の各膜は、ケース60内に形成されて電子基板51に設けられる。
この構成では、電極10、電極20、及びホール伝達部材30はケース60内に収容されるため、電子機器50の熱による二次電池100,200の劣化や、電子機器50が水没した際の漏電が防止される。
二次電池100,200は、電極10及び電極20と電気的に接続されるワイヤレス給電用のコイル80をさらに備え、コイル80を介して電力が充電可能である。
この構成では、二次電池100,200はワイヤレス給電用のコイル80を備えるため、二次電池100,200が電子機器50の電子基板51に設置された状態であっても、非接触で二次電池100,200を充電できる。
二次電池200は、電極10及び電極20の各膜は、櫛歯状に形成され、ホール伝達部材30を介して互いに対向する。
二次電池200は、電極10、電極20、及びホール伝達部材30は基材90上に形成され、電極10及び電極20の各膜は、基材90と垂直に延びる基部10a、20aと、基部10a、20aから基材90と平行に延びる複数の櫛歯部10b、20bと、を有し、電極10及び電極20のそれぞれの櫛歯部10b、20bは、互い違いに配置され、ホール伝達部材30は、電極10と電極20の間に連続して形成される。
この構成では、電極10と電極20とが互いに対向する櫛歯状であるため、単位容積当たりの電極面積が増加し、二次電池200は高い出入力性能及び高容量を有する。また、電極10、電極20、及びホール伝達部材30はスパッタ膜または蒸着膜であるため、電極10及び電極20の基部10a、20aの長さ及び櫛歯部10b、20bの数の変更が容易であり、二次電池200の容量を容易に変更することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
10・・・電極(第一電極)、10a・・・基部、10b・・・櫛歯部、20・・・電極(第二電極)、20a・・・基部、20b・・・櫛歯部、30・・・ホール伝達部材、50・・・電子機器、51・・・電子基板、60・・・ケース、80・・・コイル、90・・・基材、100,200・・・二次電池
Claims (8)
- p型半導体として機能する第一電極と、
n型半導体として機能する第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極の間に設けられるホール伝達部材と、を備え、
前記第一電極は、スパッタ膜または蒸着膜であり、
前記第二電極は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、
前記ホール伝達部材は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜であることを特徴とする二次電池。 - 請求項1に記載の二次電池であって、
前記第一電極は、酸化ニッケルを含むことを特徴とする二次電池。 - 請求項1または2に記載の二次電池であって、
前記ホール伝達部材は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことを特徴とする二次電池。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の二次電池であって、
前記二次電池は、電子機器の電子基板に設けられて電子機器の電源または補助電源として機能することを特徴とする二次電池。 - 請求項4に記載の二次電池であって、
前記第一電極、前記第二電極、及び前記ホール伝達部材の各膜は、ケース内に形成されて前記電子基板に設けられることを特徴とする二次電池。 - 請求項4または5に記載の二次電池であって、
前記第一電極及び前記第二電極と電気的に接続されるワイヤレス給電用のコイルをさらに備え、前記コイルを介して電力が充電可能であることを特徴とする二次電池。 - 請求項1から6のいずれか一つに記載の二次電池であって、
前記第一電極及び前記第二電極の各膜は、櫛歯状に形成され、前記ホール伝達部材を介して互いに対向することを特徴とする二次電池。 - 請求項7に記載の二次電池であって、
前記第一電極、前記第二電極、及び前記ホール伝達部材は基材上に形成され、
前記第一電極及び前記第二電極の各膜は、前記基材と垂直に延びる基部と、前記基部から前記基材と平行に延びる複数の櫛歯部と、を有し、
前記第一電極及び前記第二電極のそれぞれの櫛歯部は、互い違いに配置され、
前記ホール伝達部材は、前記第一電極と前記第二電極の間に連続して形成されることを特徴とする二次電池。
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