JP6498945B2 - 蓄電装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、雷及び大気電流の蓄電を可能とする蓄電装置及びその製造方法に関する。
キャパシタは本来静電容量により電荷（電気エネルギー）を蓄えたり、放電したりする電子部品であり、パソコンや携帯電話等々のモバイル電子機器において電源の安定性、バックアップ回路、カップリング素子、ノイズフィルター等の役割を演じ、電子機器にとって不可欠の部品である。近年、携帯電話や超小型記憶装置などの高機能ＩＴ製品及び電気自動車用バッテリが急速に進化し、より一層小型で、大容量かつメモリ等の高機能を持つキャパシタの需要が高まっている。特に地球温暖化防止のためグリーンイノベーション（低炭素化）に合致した製品が求められている。
キャパシタの用途による分類では、高電圧電力回路用と電子回路用に大別される。このうち、高電圧電力回路用の大容量コンデンサとしては、電気二重層コンデンサが注目され、最近電気貯蔵用として期待されている。具体的にはハイブリッド自動車や電気自動車の電源、コピー機の急速立ち上げ用電源や無停電電源装置、さらには鉄道用電車電源等があり、起動力約２％の確保までの実績がある。
キャパシタを用いた蓄電体は１ｐＦから数十ｍＦまで広範囲に電子・電気機器の主要構成部品として利用されている。蓄電容量Ｃ（Ｆ）はＣ＝Ｑ／Ｖ＝εＡ／ｄ（Ｑ（Ｑ）：電荷、Ｖ（Ｖ）：電圧、ε：誘電率、Ａ（ｍ２）：電極面積、ｄ（ｍ）：電極間距離）で与えられるので、電極面積が大きく電極間距離が小さいほど高電荷容量が得られる。しかしながら、電子・電気機器の軽薄短小化や、要求される蓄電容量の観点から、電極面積Ａを大きくし電極間距離ｄを小さくして極大容量にすることや、電極面積Ａを小さくし電極間距離ｄを大きくして極小容量にすることは現在困難である。
蓄電体に関して、本発明者は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｖを表面抽出除去させたＳｉ−（Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ）合金、ＴｉＯ２被覆Ｔｉ−Ｎｉ−Ｓｉ系非晶質合金において電荷が直流、交流にかかわらず蓄積できることを発見した。Ｓｉ−（Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ）合金については非特許文献１，２、３に、ＴｉＯ２被覆Ｔｉ−Ｎｉ−Ｓｉ系非晶質合金については非特許文献４，５に示されている。
また、物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）により膜厚１０ｎｍ以下の誘電率２１０〜２４０を持つぺロブスカイトＳｒ２Ｎｂ３Ｏ１０、Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０のナノシート薄膜コンデンサ素子の研究が報告されている（非特許文献６）が、電極間距離が大きく、セラミックスのため電極材との接合が容易でなく接触抵抗は高い。また、化学電解液中でのＭｎＯ２被覆ナノポーラスＡｕ系非晶質合金セパレータにおいて１，１６０Ｆ／ｃｍ３の高比容量が報告されている（非特許文献７）が、これも従来の電気化学電池の応用である。
更に最近、電圧１．５Ｖ，電力５００Ｗｈ／Ｌ、出力密度８ｋＷ／Ｌ、サイクル寿命１０万回、動作温度範囲−２５℃〜＋８５℃の物理的二次電池が日本のメーカーから開発された（非特許文献８）が、これは半導体のバンドギャップ中に電子捕獲準位を形成し、この準位に電位を充填するか空にするかにより充放電を行うものであり、電圧は１．５Ｖに制限される。
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株式会社日本マイクロニクス、二次電池battenice、http://www.mjc.co.jp/product/index3.html
ところで、地球は地上５０ｋｍに亘り上層をプラス、地上をマイナスとする宇宙線による「地球コンデンサ」を形成し、無尽蔵の電気エネルギーを永久保存している。大気の電圧は１００Ｖ／ｍの勾配で上がってゆく。低気圧の来襲や火山噴火時の火山雷は絶縁破壊による目で観察できる確かな証拠例である。この雷の放電電圧は２ＭＶ〜２００ＭＶ、電流は１ｋＡ〜２００ｋＡ、落雷時間は１ｍｓ〜０．５ｓであり、落雷電力は平均約９００ＧＷ、総積算電力は２５０ｋＷｈである。この地球コンデンサの無尽蔵の電気エネルギーを利用することは２０世紀以来多くの人達が考えてきたことである。
また、落雷時以外の雨天時、快晴時でも３００Ｃ／ｋｍ２年以下の大気電流が存在し、大気電流は雷電流より５倍〜６０倍大きいことが報告されている（Ｃｈａｌｍｅｒｓ，１９６７）。大気電流についても、快晴の日でも採取可能なので個人・家庭用の電気エネルギー源として期待できる。
ちなみに日本全土での２００２年〜２００８年までの雷検知回数は２０万回〜１００万回／年（電力中研）で１回あたりの落雷電量は１０ｋＷｈ〜５００ｋＷｈなので、少ない年で２ＧＷｈ、多い年で５００ＧＷｈが概算できる。一方、大気電流は雷電流の５倍〜６０倍の量なので、１０ＧＷ〜３０ＴＷｈと計算できる。日本の総発電量は約１，０３０ＴＷｈ／年なので、０．００１％〜３％となる。
雷電流を蓄電するためには、高電圧、高電流、短時間に耐えられる耐電圧、耐電流、短時間蓄電の３条件を満たす必要がある。また、大気電流を蓄電するためには、雷電流よりも障壁は低いものの、やはり雷電流と同様の３条件を満たす必要がある。
しかしながら、従来の蓄電体は、化学的イオン移動を利用しており応答性は遅く耐電圧も４Ｖ程度であり、上記３条件を十分満たす蓄電体はこれまで存在していない。このように、従来の蓄電体では、雷及び大気電流を効率よく蓄電することは困難であった。
上記課題を鑑み、本発明は、上述した本発明者による研究を更に発展させ、自然エネルギーである雷及び大気電流を効率よく蓄電可能な蓄電装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、雷及び大気電流を誘導可能な誘雷針と、誘雷針を介して雷及び大気電流を蓄電する物理的蓄電能を有する固体電子蓄電体とを備え、前記固体電子蓄電体が、雷及び大気電流を分流する複数の電気分布定数型キャパシタから構成され、前記各電気分布定数型キャパシタが、凹部が表面に形成された絶縁層と、前記絶縁層を挟持する一対の電極とを備え、前記凹部は、前記絶縁層の表面に均一に分布され、前記凹部の密度は、前記絶縁層の表面の面積１ｃｍ ２ 当たり、１０ １０ 個以上であることを特徴とする蓄電装置が提供される。固体電子蓄電体は、１ｋＦ／ｃｍ３以上の巨大蓄電能を有し、雷及び大気電流を０．５ｓ以下の瞬時に蓄電する。固体電子蓄電体は、雷及び大気電流を分流する１，０００個以上の電気分布定数型キャパシタから構成される。
また、本発明の一態様において、前記凹部は、２０ｎｍ以下の開口径と０．５ｎｍ〜３ｎｍ程度の深さとを有し、前記絶縁層は１００ＴΩ以下の電気抵抗を有する。絶縁層は、１００ＭＰａ以上の金属又は合金の結晶体又は非晶質層を被覆している。絶縁層の凹部が形成された表面が集積ナノ構造であり、ナノコンデンサの並列集積体を構成する。絶縁層は、酸素欠陥を持つ非晶質相や有機重合ポリマーから構成される。絶縁層は１ｋＶ以上の耐電圧性を有する。固体電子蓄電体は、−２６９℃〜６００℃で作動可能である。固体電子蓄電体は、方形、折り畳状、巻尺状又は捩巻状に構成されていてもよい。
また、本発明の一態様において、誘雷針の少なくとも先端の材質が、クロム被覆黄銅、アルミニウム又はステンレス鋼からなる。誘雷針と各電気分布定数型キャパシタとの間にそれぞれ接続され、０．４Ｖ以下の閾値電圧をそれぞれ有する複数の逆流防止ダイオードを更に備える。
本発明の他の態様によれば、表面に均一に分布するように凹部が形成された絶縁層であって、前記凹部の密度は、前記絶縁層の表面の面積１ｃｍ ２ 当たり、１０ １０ 個以上である前記絶縁層を形成する工程と、絶縁層を一対の電極で挟持することにより電気分布定数型キャパシタを作製する工程と、電気分布定数型キャパシタを複数個並列接続することにより、雷及び大気電流を蓄電する物理的蓄電能を有する固体電子蓄電体を作製する工程とを含むことを特徴とする蓄電装置の製造方法が提供される。
また、本発明の他の態様において、絶縁層を形成する工程は、フッ素含有溶液中又は過塩素酸中の陽極酸化法を用いて、表面に凹部が形成された酸化膜を形成してもよい。或いは、絶縁層を形成する工程は、スパッタリングにより、表面に凹部が形成された有機重合ポリマーからなる絶縁層を形成してもよい。
本発明によれば、自然エネルギーである雷及び大気電流を効率よく蓄電可能な蓄電装置及びその製造方法を提供することができる。したがって、省エネルギー、新エネルギー、ＣＯ２の削減に大きく貢献することができる。また、中規模雷を利用した蓄電は大規模雷の発生抑制作用もあるので、災害防止、環境保護にも貢献することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
＜蓄電装置の構成＞
本発明の実施形態に係る蓄電装置は、図１に示すように、雷及び大気電流を誘導可能な誘雷針１と、誘雷針１を介して雷及び大気電流を蓄電する物理的蓄電能を有する固体電子蓄電体２とを備える。ここで、「物理的蓄電能」とは、電気化学的なイオン移動ではなく、物理的な電子自体の移動、貯蔵を利用して蓄電する性能を意味する。
本発明の実施形態に係る蓄電装置は、図１に示すように、雷及び大気電流を誘導可能な誘雷針１と、誘雷針１を介して雷及び大気電流を蓄電する物理的蓄電能を有する固体電子蓄電体２とを備える。ここで、「物理的蓄電能」とは、電気化学的なイオン移動ではなく、物理的な電子自体の移動、貯蔵を利用して蓄電する性能を意味する。
誘雷針１の形状は特に限定されず、例えば従来の避雷針と同様の形状が採用可能である。誘雷針１の少なくとも先端部分には、クロム被覆黄銅、アルミニウム（Ａｌ）及びステンレス鋼等の誘雷効果が大きい物質を用いることが好ましい。これらの物質を用いることにより、雷及び大気電流を落雷時以外の雨天時、快晴時にも効率よく誘電することができる。
誘雷針１の材質は、雷及び大気電流の極性に応じて適宜選択可能である。クロム被覆黄銅やＡｌは負に帯電するので、大型の正極性落電や冬場の蓄電用に適している。一方、ステンレス鋼は正に帯電するので、夏場の負極性落電や大気電流蓄電用に適している。そのため、大型の正極性落電や冬場の落雷に対してはクロム被覆黄銅やＡｌからなる誘雷針１を、夏場の負極性落電や大気電流蓄電にはステンレス鋼からなる誘雷針１を選択的に用いることにより、極性の異なる雷電流や大気電流を効果的に蓄電できる。
誘雷針１は地球上の任意の場所に設置される。また、大気の電圧は１００Ｖ／ｍの勾配で上がってゆくので、高い山地での蓄電は雷蓄電以外でも効果的である。特に水蒸気や雲がかかりやすい山岳地帯や海上は湿度が５０％以上になり蓄電の極めて良好な条件となる。
固体電子蓄電体２は、例えば１ｋＦ／ｃｍ３〜１０ｋＦ／ｃｍ３の巨大蓄電能を有し、雷及び大気電流の高電流に耐えうる耐電流特性を有する。なお、固体電子蓄電体２の蓄電能は、１０ｋＦ／ｃｍ３以上であってもよい。また、固体電子蓄電体２は、１ｍｓ〜０．５ｓ程度、より好ましくは１ｍｓ以下の瞬時に雷及び大気電流を蓄電する。
固体電子蓄電体２は、雷及び大気電流を分流して蓄電する複数個（ｎ個）の分流固体電子蓄電体（電気分布定数型キャパシタ（ＥＤＣＣ、Electric Distributed Constant Capacitor））２１、２２、２３、・・・、２ｎを有する。電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎの個数ｎは、例えば１，０００個〜１０万個であり、所望の耐電流特性等に応じて適宜選択可能である。各電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎは、逆流防止ダイオード（ＶＦ効果ダイオード）Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・、Ｄｎを介して誘雷針１に並列に接続されている。
逆流防止ダイオードＤ１〜Ｄｎは、各電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎに蓄電した雷及び大気電流の逆流を防止する。具体的には、雷撃は雲から地面に向ってストリーマーの伸びる前駆放電と、これが地面に近づいた瞬間、同じ経路を戻って地表から雲に向って上昇する帰還電撃から成り立っている。誘雷針１に逆流防止ダイオードＤ１〜Ｄｎを装着することにより、帰還電撃による蓄電体からの放電を防止することができる。蓄電時には順方向電圧（閾値電圧）Ｖｆが小さい方が良いので、逆流防止ダイオードＤ１〜Ｄｎの閾値電圧Ｖｆは０．４Ｖ以下であることが好ましく、１Ｖ以下であることがより好ましい。
電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎのそれぞれは、図２（ａ）に模式的に示すように、基体１０と、基体１０の両面を被覆する絶縁層１１、１２と、基体１０及び絶縁層１１、１２を挟持した一対の電極１３、１４を有する。なお、図２（ａ）では、絶縁層１１、１２が基体１０の両面を被覆しているが、絶縁層１１、１２のうちいずれか一方がなく、基体１０の片面のみを被覆する構造であってもよい。その場合、基体１０と、絶縁層１１、１２がない側の電極１３、１４とが直接接合されている。
基体１０としては、金属又は合金の結晶体又は非晶質（アモルファス）、樹脂等が使用可能であり、１００ＭＰａ以上の強靱な材料であることが好ましい。金属又は合金の材料としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スズ（Ｓｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）が挙げられる。これらの材料うち、陽極酸化法により酸化後に堅固で高抵抗の酸化膜を形成可能であり、酸化膜の表面に後述するようなサブナノメートル又はナノメートル寸法の凹部が形成可能であり、且つ安価であるため、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂの単体金属又は合金が好ましい。
絶縁層１１、１２の厚さは２００ｎｍ〜２０μｍ程度である。また、絶縁層１１、１２の電気抵抗は０．１ｋΩ〜１００ＴΩ程度、好ましくは１ｋΩ〜１００ＴΩ程度であり、電気抵抗は０．１ｋΩより小さくなるほど蓄電しにくくなり、１００ＴΩより大きくなるほど放電性が悪化する。
絶縁層１１、１２の耐電圧性は、雷及び大気電流の高電圧に耐えるべく、例えば１ｋＶ以上であり、１０ｋＶ以上であることがより好ましく、１００ｋＶ以上であることがより好ましい。但し１００ｋＶ以上の個数の少ない大規模雷は地上に逃がし蓄電させない方が良い。中規模雷からの蓄電は大規模雷の発生抑制作用もあるので、蓄電には中小規模の雷及び大気電流蓄電を対象とする。
絶縁層１１、１２の材料としては、酸素欠陥を持つ非晶質相の酸化物や有機重合ポリマー等が採用可能である。酸素欠陥を持つ酸化物としては例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）が挙げられる。また、絶縁層１１、１２は互いに同じ種類であってもよく、一方が酸化物で他方が有機重合ポリマー等の異なる種類であってもよい。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に模式的に示すように、絶縁層１１、１２の電極１３、１４と対向する側の表面には、サブナノメートル又はナノメートル寸法の開口径を有する多数の凹部１１ａ、１２ａが自己組織的に形成されている。凹部１１ａ、１２ａは、絶縁層１１、１２表面に均一に分布していることが好ましい。凹部１１ａ、１２ａの密度は、絶縁層１１、１２表面の面積１ｃｍ２当たり、１０１０個以上とすることが好ましく、１０１４個以上とすることがより好ましい。図３は、後述する実施例の試料番号２の絶縁層（酸化チタン膜）表面を走査型顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した写真を示す。
各凹部１１ａ、１２ａは、サブナノメートル又はナノメートル寸法の開口径を有することにより、電極１３、１４との間で電気二重層的に電荷を蓄積する微少なコンデンサ（ナノコンデンサ）として機能する。このため、絶縁層１１、１２の表面全体が集積ナノ構造（セル）を有し、ナノコンデンサの並列集積体を構成する。本発明の実施形態において、「集積ナノ構造」とは、多様な機能性を有するナノメートル寸法構造の一次元ドット、ワイヤー、二次元平面、三次元立体を各種の方法で規則的に集合させた組織体を意味する。
電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎのそれぞれは、図４に示すように、絶縁層１１、１２表面全体で並列接続されたナノコンデンサＣを有する分布定数回路となり、単位面積当たりの蓄電電荷量を極力大きくすることができる。ナノコンデンサＣの並列接合数は絶縁層１１、１２及び電極１３、１４の面積に比例するので、極小から極大まで蓄電電荷量の調整が可能となる。
図２（ｂ）に示すように、凹部１１ａ、１２ａの開口径ｄ１及び深さｄ２は、絶縁層１１、１２の構成元素の種類とその組成、及び形成方法等を調整することにより適宜選択可能である。凹部１１ａ、１２ａの開口径ｄ１は５０ｎｍ程度以下が好ましく、２０ｎｍ程度以下がより好ましい。凹部１１ａ、１２ａの開口径ｄ１は、例えば０．５ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。凹部１１ａ、１２ａの開口径ｄ１が小さいほど、凹部１１ａ、１２ａで構成されるナノコンデンサの電気容量が上昇する傾向があるため、電気容量を大きくする観点からは、凹部１１ａ、１２ａの開口径ｄ１は小さいほど好ましい。なお、凹部１１ａ、１２ａの開口径ｄ１の値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用いて観察される数〜数十の微細孔の平均細孔径の平均値として算出するものとする。
凹部１１ａ、１２ａの深さｄ２は例えばアスペクト比ｄ２／ｄ１が電子同士の反発回避の観点から０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましく、更には０．５ｎｍ〜３ｎｍ程度が好ましい。なお、凹部１１ａ、１２ａがナノチューブのように絶縁層１１、１２を貫通すると電荷のリークが起き蓄電効果は消失するため、凹部１１ａ、１２ａが絶縁層１１、１２を貫通しないように深さｄ２が調整される。
電極１３、１４としては、凹部１１、１２の凸部酸化物と接着する必要のため、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、ステンレス鋼及びモリブデン（Ｍｏ）等の導電性材料が使用可能であり、互いに同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。例えば電極１３が正極であり、電極１４が負極である。
固体電子蓄電体２の形状としては、種々の形状が採用可能であり、用途に応じて適宜選択可能である。例えば、各電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎを２次元的に敷き詰めた方形であってもよい。また、図５（ａ）〜図５（ｃ）に実線で模式的に示すように、各電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎを積み上げていく方式（折り畳状）、２次元的に巻き上げる方式（巻尺状）、３次元的に螺旋巻きする方式（捩巻状）であってもよい。
また、本発明の実施形態に係る蓄電装置は、極低温（例えば−２６９℃）から６００℃迄作動可能である。したがって、砂漠地帯や山岳地帯の過酷な環境下でも使用可能である。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る蓄電装置によれば、極微小サイズの集積ナノ構造を用いることにより、１ｋＦ／ｃｍ３〜１０ｋＦ／ｃｍ３程度の物理的な巨大蓄電能を達成でき、−２６９℃程度の極低温から６００℃迄作動可能な次世代の蓄電体を実現することができる。この蓄電体を電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎとして１，０００個〜１０万個程度並列接続して固体電子蓄電体２を構成することにより、雷又は大気電流の高電流を分流して蓄電することができ、１０ｋＶ程度までの耐電圧特性、１００ｋＡ程度の耐電流性、１ｍｓ以下程度の瞬時の蓄電性を達成することができる。
また、固体電子蓄電体２は固体系のため、衝撃、地震等での破損の可能性はなく、その上従来の二次電池と異なり電気化学反応を伴わない物理的蓄電能を有するため、充放電回数の制限がないこと、温度条件の厳しい山岳、砂漠環境下や耐食性を必要とする海面、海水中でも利用できるなどの利点を持っており、発電所縮小や送電線廃止にも有用である。
＜蓄電装置の製造方法＞
次に、図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照しながら、本発明の実施形態に係る蓄電装置の製造方法の一例を説明する。なお、以下で説明する製造方法はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
次に、図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照しながら、本発明の実施形態に係る蓄電装置の製造方法の一例を説明する。なお、以下で説明する製造方法はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
まず、アルゴン（Ａｒ）雰囲気下、所定の組成にアーク溶解した合金インゴットから、Ｈｅ大気圧下の単ロール液体急冷法等により、図６（ａ）に示すように、アモルファス合金等からなる基体１０を作製する。
次に、図６（ｂ）に模式的に示すように、原子状溶解除去法（デアロイング法）により、基体１０を酸性溶液に浸漬させて電気化学的に卑な金属元素（例えばＮｉ）を溶解せしめ、原子半径サイズの原子孔１１ｂ、１２ｂを形成する。この工程により、後述する陽極酸化がしやすくなる。
次に、図６（ｃ）に示すように、フッ素含有溶液中又は過塩素酸中の陽極酸化法を用いて、基体１０の両面に、サブナノメートル又はナノメートル寸法の多数の凹部１１ａ、１２ａを均一に表面に有する絶縁層（酸化膜）１１、１２を形成する。絶縁層１１、１２表面の凹部１１ａ、１２ａの開口径及び深さは、構成元素の種類とその組成及び処理時間等により調整することができる。なお、凹部１１ａ、１２ａの開口径が５０ｎｍ程度の場合、図６（ｂ）に示したデアロイング法による原子孔１１ｂ、１２ｂは略消失するが、凹部１１ａ、１２ａの開口径が小さい（例えば５ｎｍ以下）ときには、デアロイング法による原子孔１１ｂ、１２ｂが表面に残存する。
なお、絶縁層１１、１２として有機重合ポリマーを被覆する場合には、金属又は合金等の基体１０上に低電圧低温スパッタリングにより、有機重合ポリマーを表面に凹部１１ａ、１２ａが形成されるように被覆すればよい。その場合の凹部１１ａ、１２ａの開口径及び深さは、スパッタリングの雰囲気、圧力、基体温度、時間等は適宜調整可能である。
次に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ， Micrometer Electro Mechanical System）法、スポット溶接又はファイバレーザ等を用いて、図２（ａ）に示すように絶縁層１１、１２と電極１３、１４とを接着することにより、各電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎが作製される。このようにして、必要な個数ｎの電気分布定数型キャパシタ２１〜２ｎを作製し、逆流防止ダイオードＤ１〜Ｄｎを介して誘雷針１に接続することにより、図１に示した蓄電装置が完成する。
本発明の実施形態に係る蓄電装置の製造方法によれば、フッ素含有溶液中若しくは過塩素酸中の陽極酸化法、又は低電圧低温スパッタリングにより、表面にサブナノメートル又はナノメートル寸法の開口径の凹部１１ａ、１２ａが均一に形成された絶縁層１１、１２を形成することができ、本発明の実施形態に係る蓄電装置を実現可能となる。
＜実施例＞
次に、本発明の実施形態に係る蓄電装置の固体電子蓄電体２の実施例を説明する。なお、本発明が適用される材料は、以下の実施例の材料に限定されるものではない。
次に、本発明の実施形態に係る蓄電装置の固体電子蓄電体２の実施例を説明する。なお、本発明が適用される材料は、以下の実施例の材料に限定されるものではない。
試料番号１、２、４〜６の試料として、Ａｒ雰囲気下、各種組成にアーク溶解した合金インゴットから冷却速度１０６ｍ／ｓ以下、Ｈｅ大気圧下の単ロール液体急冷法（超急冷凝固法）にて急冷した後、裁断機で裁断し、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍのリボン状試料（基体）を作製した。試料番号３の試料として、Ａｒ雰囲気下、所定の組成にアーク溶解した合金インゴットから冷却速度１０６ｍ／ｓ以下、Ｈｅ大気圧下の双ロール液体急冷法（超急冷凝固法）にて急冷した後、幅１ｍｍ、厚さ５０μｍのリボン状試料（基体）を作製した。
試料番号７〜９として、各種結晶金属又は結晶合金を用いて、電気溶解法によりリボン状試料（基体）を作製した。試料番号１０として、エポキシ樹脂を用いて、金型圧縮ＳＭＣ（Sheet Molding Compound）プレス法により試料を作製した。試料番号１１として、ガラス繊維強化エポキシ樹脂を用いて、繊維骨材多重積層ハンドレイアップ法によりリボン状試料（基体）を作製した。
これらのうち、試料番号１〜９のリボン状試料（基体）については、電気分解法（陽極酸化）を用いて、基体の両面を被覆する酸化膜を形成した。電気分解法においては、事前に常温の１Ｎ ＨＣｌで１日のデアロイング処理を行い、試料番号１，２，５についてはＮｉ、試料番号３についてはＮｂ、試料番号４についてはＡｌ、Ｎｉ、試料番号６についてはＣｕ、Ｆｅ、試料番号７についてはＡｌを除去した。試料番号２については、絶縁層１１をＴｉＯ１．８９、絶縁層１２をポリエチレンポリマーで被覆する。
また、試料番号１０のリボン状試料（基体）については、レーザアブレーション(ＭＡＰＬＥ、Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation)法を用いて、エチレン酢酸ビニルコポリマからなる絶縁層１１、１２を堆積した。試料番号１１のリボン状試料（基体）については、エアロゾル蒸着プレイ堆積（ＥＳＤＵＳ,Evaporative Spray Deposition using Ultradilute Solution）法を用いて、加硫シリコンゴムからなる絶縁層を堆積した。
表１は、試料番号１〜１１のリボン状試料の母相（基体）の組成、基体の製造方法、基体を被覆する絶縁層、絶縁層表面の凹部の開口径の寸法、絶縁層の電気抵抗、電気容量を示す。
表２は、試料番号１〜１１の絶縁層の製造方法（凹部の形成方法）、製造条件を示す。
これらの試料のうち、試料番号１、７、１０の試料を用いて６６０万Ｖインパルス電圧発生装置（ニチコン社製）（表３において試験装置「Ａ」と示す）、４０万Ｖ直撃雷電流試験装置（ニチコン社製）（表３において試験装置「Ｂ」と示す）に対する人工雷電流蓄電実験を行った。その結果を表３に示す。
表３から、試料番号１、７、１０の試料のそれぞれが人工雷電流を効率よく蓄電できているのが分かる。特に、比較的長い放電時間で実験した試料番号７の試料では蓄電量が大きくなっている。
また、図７に、絶縁層１１、１２の平均凹部１１ａ、１２ａ寸法と直列回路における電気容量との関係を示す。実験値のうち、試料番号７、試料番号４のプロットは実施例の試料であり、その他のプロットは別途作製した試料である。図７から、凹部の開口部の寸法の減少に伴い、直列回路における電気容量は放物線的に上昇することが分かる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
本発明の蓄電装置は雷蓄電のみならず、メガソーラー、風力発電等の再生可能エネルギー発電力の蓄電に使え、その効果としては送電線を必要としない大電力貯蔵システムとして、不安定さを払拭することで現在の電力買い取り制度の問題を一挙に解決できる。更には雷蓄電のみならず、ＡＤ変換を必要とするが系統電力や再生可能エネルギー電力の大規模蓄電池として、その超急速放電（蓄電）能力により、各家庭用設置を含むＥＶ用急速給電（充電）システム、及びＥＶ用大容量蓄電池として、新たなＥＶ利用社会を創出することができる。
１・・・蓄電装置
２・・・固体電子蓄電体
２１〜２ｎ・・・分流固体電子蓄電体（電気分布定数型キャパシタ（ＥＤＣＣ））
１０・・・基体
１１、１２・・・絶縁層
１１ａ、１２ａ・・・凹部
１３、１４・・・電極
２・・・固体電子蓄電体
２１〜２ｎ・・・分流固体電子蓄電体（電気分布定数型キャパシタ（ＥＤＣＣ））
１０・・・基体
１１、１２・・・絶縁層
１１ａ、１２ａ・・・凹部
１３、１４・・・電極
Claims (16)
- 雷及び大気電流を誘導可能な誘雷針と、
前記誘雷針を介して雷及び大気電流を蓄電する物理的蓄電能を有する固体電子蓄電体
とを備え、
前記固体電子蓄電体が、雷及び大気電流を分流する複数の電気分布定数型キャパシタから構成され、
前記各電気分布定数型キャパシタが、
凹部が表面に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を挟持する一対の電極と
を備え、
前記凹部は、前記絶縁層の表面に均一に分布され、前記凹部の密度は、前記絶縁層の表面の面積１ｃｍ ２ 当たり、１０ １０ 個以上であることを特徴とする蓄電装置。 - 前記固体電子蓄電体が、１ｋＦ／ｃｍ３以上の巨大蓄電能を有し、雷及び大気電流を０．５ｓ以下の瞬時に蓄電することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記固体電子蓄電体が、１，０００個以上の前記電気分布定数型キャパシタから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
- 前記凹部は、２０ｎｍ以下の開口径と０．５ｎｍ〜３ｎｍ程度の深さとを有し、前記絶縁層は１００ＴΩ以下の電気抵抗を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記絶縁層が、１００ＭＰａ以上の金属又は合金の結晶体又は非晶質層を被覆していることを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。
- 前記凹部が形成された表面が集積ナノ構造であり、ナノコンデンサの並列集積体を構成することを特徴とする請求項４又は５に記載の蓄電装置。
- 前記絶縁層が酸素欠陥を持つ非晶質相からなることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記絶縁層が有機重合ポリマーからなることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記絶縁層が１ｋＶ以上の耐電圧性を有することを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記固体電子蓄電体が、−２６９℃〜６００℃で作動可能であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記固体電子蓄電体が、方形、折り畳状、巻尺状又は捩巻状に構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記誘雷針の少なくとも先端の材質が、クロム被覆黄銅、アルミニウム又はステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 前記誘雷針と前記各電気分布定数型キャパシタとの間にそれぞれ接続され、０．４Ｖ以下の閾値電圧をそれぞれ有する複数の逆流防止ダイオードを更に備えることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 表面に均一に分布するように凹部が形成された絶縁層であって、前記凹部の密度は、前記絶縁層の表面の面積１ｃｍ ２ 当たり、１０ １０ 個以上である前記絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を一対の電極で挟持することにより電気分布定数型キャパシタを作製する工程と、
前記電気分布定数型キャパシタを複数個並列接続することにより、雷及び大気電流を蓄電する物理的蓄電能を有する固体電子蓄電体を作製する工程
とを含むことを特徴とする蓄電装置の製造方法。 - 前記絶縁層を形成する工程は、フッ素含有溶液中又は過塩素酸中の陽極酸化法を用いて、前記表面に凹部が形成された酸化膜を形成することを特徴とする請求項１４に記載の蓄電装置の製造方法。
- 前記絶縁層を形成する工程は、スパッタリングにより、前記表面に凹部が形成された有機重合ポリマーからなる前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項１４に記載の蓄電装置の製造方法。
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