JP4473541B2 - 光充電可能な二次電池及び電気化学キャパシタ - Google Patents
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Description
本発明の二次電池及び電気化学キャパシタにおいては、その充放電反応の少なくとも一部あるいは電極の一部において電極材料と電解液との界面での電子移動反応すなわち電気化学的酸化還元反応(ファラデー反応)によって充放電が行われる。
factor)とは電極の見かけの投影面積に対する電極材料が実際にもつ表面積の比を意味し、これは、比が電極材料の比表面積S(m2/g)と該電極材料の電極基板上の担持量M(g/m2)の積で表わされる。本発明で用いる半導体の表面粗さ係数は、300以上であることが好ましい。
これらの色素の中でも、化学的、光化学的安定性が良好であるという点で錯体色素、特にルテニウム錯体や金属フタロシアニン誘導体が好適である。
結晶性二酸化チタンナノ粒子(昭和電工社製、ルチル、アナターゼ混合型、平均粒径20nm)を超純水とイソプロピルアルコールを用いて十分に洗浄した後、tert−ブチルアルコール(純度99.5%以上)とアセトニトリル(純度99.5%以上)の95:5の混合溶媒(質量比95:5)100mlに30gを撹拌分散し、この分散液に粒径5nmの二酸化チタン粒子を水とエチルアルコールの混合溶媒(質量比50:50)に分散した酸性のゾル液(濃度8質量%)を10質量添加し、得られた混合分散液を自転/公転併用式のミキシングコンディショナーを使って均一に混合し、粘性のペーストを調製した。次にこのチタニアペーストを、ITO膜を片面に被覆した透明導電性のポリエチレンナフタレート(ITO−PEN)フィルム(厚み125μm、表面抵抗10Ω/□)のITO面にドクターブレード法によって塗布し、40℃で20分乾燥し、多孔性の二酸化チタン粒子層をn型半導体層としてITO−PEN集電体上に形成した。粒子層の膜厚みは8μm、表面粗さ係数は950、空孔率は70%であった。
対極層として膜厚200nmの白金膜を片面に被覆したPENフィルム(厚さ125μm)を、電解液層として臭化リチウムを0.1M、臭素を0.01M含む乾燥プロピレンカーボネート溶液からなる酸化還元電解液を用い、多孔性ポリプロピレンフィルム(厚さ20μm、空孔率70%)からなるセパレータを、上記の光電極層と対極層の間に挿入して、両極を挟み、両極間に上記の電解液を注入した。次いで、両極のエッジ部に挿入したホットメルト型のシール用フィルムを用いて両極を熱圧着によってシールした。このようにして、厚み約300μm、光電極の有効受光面積16cm2のフレキシブルなフィルム型の光充電型二次電池Aを作製した。
各実施例で得た光充電型の二次電池ならびに電気化学キャパシタの充放電実験を次のように実施し、性能を評価した。電池の光電極と対極を結ぶ外部回路を開き、開回路とした条件で、500Wのキセノン灯とAir Mass 1.5(AM1.5)フィルターを用いる人工太陽光源(ソラーシミュレーター)を使って、100mW/cm2の光量の白色光を、キャパシタの光電極側に照射した。この照射の間、電極の光起電力を測った結果、光電極が光照射によって対極に対して負の起電力(−0.4〜−0.7V以上)を生じていることが確認された。すなわちこの光照射によって、光電極を構成する電極活物質が還元され、電池が充電された。光照射を継続し光電極の電圧が飽和したのを確認して、光照射を止め充電を終了した。
表1の結果から、いずれの構成の光充電池も光充電能力があることが分るが、可視光を吸収しない二酸化チタン単独を感光物質として正極に用いた光充電池Aでは紫外光のみによる充電のために能力が極めて小さい。一方、400nm以上の可視光に吸収を持つ化合物半導体(CdS)を正極に用いる系、色素増感半導体を用いる系ではいずれも十分な充放電機能が発揮されている。これらの光充電池は、光照射の光量の増加によってより高い放電容量を与え、10回以上の繰り返しの光充電と放電のサイクルを行うことができることが確かめられた。
2 光電極層
3 対極層
4 透明集電体
5 集電体
Claims (13)
- イオン性電解質層を中間層として、その両側に光電極層及び対極層を積層して一体化した光電池において、光電極層が少なくとも波長400nm以上の可視光を吸収しうる光感応性半導体とこの半導体に電気的に結合して酸化還元反応を行う固体状電極活物質との組合せにより構成され、上記の半導体の光吸収により酸化還元反応に基づく充電が進行することを特徴とする光充電可能な二次電池。
- イオン性電解質層を中間層として、その両側に光電極層及び対極層を積層して一体化した光電池において、光電極層が少なくとも波長400nm以上の可視光を吸収しうる光感応性半導体とこの半導体に電気的に結合して酸化還元反応を行う固体状電極活物質との組合せにより構成され、上記の半導体の光吸収により酸化還元反応に基づく充電が進行することを特徴とする光充電可能な電気化学キャパシタ。
- イオン性電解質層が光電極の固体状電極活物質と電子授受を行う酸化還元剤を含有する請求項1記載の光充電可能な二次電池。
- 固体状電極活物質が、半導体と接触してイオンの可逆的な導入及び放出によって酸化還元を行う固体状電極活物質である請求項1又は2記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 固体状電極活物質がリチウムイオンの可逆的な導入及び放出によって酸化還元反応を行う請求項4記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 固体電極活物質が、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化鉄、リン酸鉄、リン酸バナジウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン及び酸化ニッケルの中から選ばれた化合物を主体としたものである請求項1ないし5のいずれかに記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 光感応性半導体が、その表面に色素吸着層を有する色素増感半導体である請求項1ないし6のいずれかに記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 光感応性半導体がn型半導体である請求項1ないし7のいずれかに記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- n型半導体が、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ及び酸化タングステンの中から選ばれる酸化物を主体とする請求項8記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 光感応性半導体が、表面粗さ係数300以上をもつ多孔性形状を有する請求項1ないし9のいずれかに記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 光電極層が炭素材料を含む請求項1ないし10のいずれかに記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 対極層に酸化還元を行う電極活物質が担持されている請求項1ないし11のいずれかに記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
- 光電極層が光学的に透明な導電性電極を集電体としてその集電体上に光感応性半導体を担持して構成されている請求項1ないし11記載の光充電可能な二次電池又は電気化学キャパシタ。
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