JP6502494B2 - 電池、及びその充放電方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電池、及びその充放電方法に関する。
紫外線照射による金属酸化物の光励起構造変化を利用した電池（以下、量子電池）が、本出願の出願人により開発されている（特許文献１、２）。特許文献１、２に開示された量子電池は、リチウムイオン電池の容量を大きく超える技術として、期待されている。特許文献１、２の二次電池は、基板上に、第１電極、ｎ型金属酸化物半導体層、充電層、ｐ型半導体層、及び第２電極が積層された構成を有している。
国際公開第２０１２／０４６３２５号 国際公開第２０１３／０６５０９３号
このような量子電池は、薄膜化した電池を実現するため、平行平板構造を有している。すなわち、充電層が第１電極と第２電極との間に配置され、第１電極と第２電極とが充電層の全面に形成されている。充放電特性をコントロールするためは、酸化物半導体層と充電層の成分や厚さを調整する必要がある。したがって、酸化物半導体層及び充電層の成分と厚さが決められると、充放電特性の調整が難しいという問題点がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、所望の特性を有する電池を提供することができる。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層の表面上において、前記第２電極層が設けられている領域は、前記第２電極層が設けられていない領域によって挟まれているものである。
上記の電池では、前記充電層の表面における任意の一方向において、前記第２電極層が設けられている領域と前記第２電極層が設けられていない領域が、交互に配置されていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層は、前記エネルギー順位で電子を捕獲し、前記充電層の表面における任意の一方向において、前記第２電極層が設けられている領域と前記第２電極層が設けられていない領域が、交互に配置されるものである。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層は、前記エネルギー順位で電子を捕獲し、前記充電層の表面において、前記第２電極層が設けられている領域の少なくとも一部が、前記第２電極層が設けられていない領域の間に配置され、前記充電層の表面において、前記第２電極層が設けられていない領域の少なくとも一部が、前記第２電極層が設けられている領域の間に配置されているものである。
上記の電池では、前記充電層の表面上において、前記第１電極層、及び前記第２電極層の少なくとも一方が複数のパターンに分割して形成されていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層の表面上において、前記第１電極層及び前記第２電極層の少なくとも一方が局部的に形成されているものである。
上記の電池では、充電層を介した平面視において、前記第１電極層のパターンと前記第２電極層のパターンとが重複する重複領域と、重複しない非重複領域とが交互に設けられていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間の充電電圧が印可される充電層と、を備え、前記第２電極層が互いに分離して形成された複数の電極層パターンを備え、充電時において、前記複数の電極パターンのそれぞれに充電電圧が供給され、放電時において、前記複数の電極パターンのうちの一部に負荷が接続されるものである。
上記の電池において、前記充電層は、自然エネルギー発電で発生した電力によって充電されていてもよい。
上記の電池において、前記充電層は、モータの回生エネルギーによって充電され、前記充電層に充電された電力は、前記モータの電力源となっていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池の充放電方法は、第１電極層と、第２電極層と、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間の充電電圧が印可される充電層と、を備えた電池の充放電方法であって、前記第２電極層が互いに分離して形成された複数のパターンを備え、前記複数のパターンのそれぞれに充電電圧が供給されることで充電が行われ、前記複数のパターンのうちの一部に負荷が接続されることで放電が行われるものである。
本発明によれば、所望の特性を有する電池、及びその充放電方法を提供することができる。
量子電池の基本構成を示す斜視図である。 量子電池の基本構成を示す断面図である。 電子の沁み出し現象の確認実験に使用した電池の平面模式図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である。 本実施の形態にかかる量子電池の構成を模式的に示す斜視図である。 本実施の形態にかかる量子電池の構成を模式的に示す断面図である。 図９の点線部分を示す模式図である。 パターン幅Ｗ及びパターン間距離Ｌと放電特性の関係を示すグラフである。 充電入力に対する応答性を示す図である。 配置例１にかかる量子電池の構成を示す斜視図である。 配置例１にかかる量子電池の構成を示す平面図である。 配置例１にかかる量子電池の構成を示す断面図である。 配置例２にかかる量子電池の構成を示す斜視図である。 配置例２にかかる量子電池の構成を示す平面図である。 配置例２にかかる量子電池の構成を示す断面図である。 配置例３にかかる量子電池の構成を示す斜視図である。 配置例３にかかる量子電池の構成を示す平面図である。 配置例３にかかる量子電池の構成を示す断面図である。 量子電池を用いた回生システムを簡易的に示す図である。 回生システムにおける充電カーブを示す図である。 回生システムにおけるモータ起動時の放電カーブを示す図である。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（Ａ）量子電池について
以下に説明する各実施形態の電池は、量子電池の技術を適用したものである。そこで、各実施形態の説明に先立ち、量子電池について簡単に説明する。
量子電池は、金属酸化物半導体の光励起構造変化を利用した酸化物半導体二次電池である。量子電池は、バンドギャップ中に新たなエネルギー順位を形成して、電子を捕獲する動作原理に基づく電池（二次電池）である。
量子電池は、全固体型の物理二次電池であり、単独で電池として機能する。量子電池の構成の一例は、図１、及び図２に表される。なお、図１は、平行平板構造型の量子電池１１の構成を示す斜視図であり、図２は、平面図である。なお、図１、２では、正極端子及び負極端子等の端子部材、外装部材や被覆部材などの実装部材を省略して図示している。
量子電池１１は、充電層３と第１電極層６と第２電極層７とを備えている。第１電極層６と第２電極層７との間に充電層３が配置されている。したがって、第１電極層６と第２電極層７との間に発生する充電電圧が、充電層３に印加される。充電層３は、充電動作で電子を蓄積（捕獲）し、放電動作で蓄積した電子を放出する。充電層３は、充電がなされていない状態で、電子を保持（蓄電）している層である。充電層３は、光励起構造変化技術が適用されて形成されている。
ここで、光励起構造変化は、例えば、国際公開第２００８／０５３５６１号に記載されている。光励起構造変化とは、光の照射により励起された物質の原子間距離が変化する現象である。例えば、酸化スズ等非晶質の金属酸化物であるｎ型金属酸化物半導体が光励起構造変化を生ずる性質を有している。光励起構造変化現象により、ｎ型金属酸化物半導体のバンドギャップ内に新たなエネルギー準位が形成される。量子電池１１は、これらのエネルギー順位に電子を捕獲させることで充電し、捕獲した電子を放出させることで放電するものである。
充電層３は、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成されている。充電層３には、絶縁被覆されたｎ型金属酸化物半導体の微粒子が充填されている。ｎ型金属酸化物半導体が紫外線照射によって光励起構造変化を起し、充電層３が電子を蓄えることができるように変化している。充電層３は、絶縁被覆されたｎ型金属酸化物半導体の微粒子を複数含んでいる。
第１電極層６は、例えば、負極層であり、第１電極１とｎ型金属酸化物半導体層２とを備えている。ｎ型金属酸化物半導体層２は、第１電極１と充電層３との間に配置されている。したがって、ｎ型金属酸化物半導体層２の一方の面が第１電極１と接触し、他方の面が充電層３と接触している。
第２電極層７は、例えば、正極層であり、第２電極５とｐ型金属酸化物半導体層４とを備えている。ｐ型金属酸化物半導体層４は、第２電極５と充電層３との間に配置されている。したがって、ｐ型金属酸化物半導体層４の一方の面が充電層３と接触し、他方の面が第２電極５と接触する。ｐ型金属酸化物半導体層４は、第２電極５から充電層３への電子の注入を防止するために設けられている。
第１電極１と第２電極５は、導電性の材料から形成されていればよく、例えば金属電極として、アルミニウム（Ａｌ）を含む銀（Ａｇ）合金膜等がある。
ｎ型金属酸化物半導体層２には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。
充電層３中のｎ型金属酸化物半導体の絶縁被覆が不十分な場合に、ｎ型金属酸化物半導体が第１電極層１に直接接してしまう。この場合、再結合により電子がｎ型金属酸化物半導体に注入されてしまうおそれがある。ｎ型金属酸化物半導体層２は、第１電極層１からの電子の注入を防ぐために設けられている。図１に示したようにｎ型金属酸化物半導体層２は第１電極層１と充電層３との間に形成されている。ｎ型金属酸化物半導体層２は省略することも可能である。
充電層３上に形成したｐ型金属酸化物半導体層４は、上部の第２電極層５からの電子の注入を防止するために設けられている。ｐ型金属酸化物半導体層４の材料としては、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、銅アルミ酸化物（ＣｕＡｌＯ２）等が使用可能である。
なお、上記の説明では、第１電極層６は、第１電極１とｎ型金属酸化物半導体層２との２層構造としたが、第１電極層６の構成は、この２層構造に限定されるものではない。例えば、第１電極層６は第１電極１のみの単層構造であってもよい。同様に、第２電極層７の構成についても、ｐ型金属酸化物半導体層４、及び第２電極５の２層構造に限定されるものではない。第２電極層７は、例えば、第２電極５のみの単層構造であってもよい。すなわち、第１電極層６、及び第２電極層７は、金属電極のみから構成されていてもよい。
（Ｂ）電子の沁み出し現象
図１、図２に示すような量子電池において、充電時には、第１電極層６と第２電極層７との間に挟まれた充電層３のみ電子が貯まると考えられていた。すなわち、第２電極層７の直下の領域のみにおいて、充電層３に電池が蓄積されると考えられていた。しかしながら、本件特許出願の発明者らの実験によって、第２電極層７の直下が満たされると、第２電極層７の直下の外側にも電子が沁み出す現象が捉えられた。すなわち、第２電極層７の直下の外側にも電子が沁み出していき、蓄積されることが明らかとなった。
以下、本件特許出願の発明者らによって見出された、電子の沁み出し現象について説明する。電子の沁み出し現象を発見するために、図３のような量子電池１０が用いられた。なお、図３は、充電層３上の第２電極層７のパターン形状を模式的に示すＸＹ平面図である。
図３では、矩形パターンの第２電極層７がアレイ状に配列されている。すなわち、複数の第２電極層７が、Ｘ方向、及びＹ方向に沿って配列されている。隣接する第２電極層７の矩形パターンの間には、第２電極層７が設けられていない領域となっている。なお、第１電極層６（図３においては不図示）については、充電層３のほぼ全面に形成されているとする。
ここで、充電電圧を印加した第２電極層７のパターンをパターン７ａとする。すなわち、パターン７ａ以外のパターンについては、充電電圧を印加していない。そして、パターン７ａの充電時、及び自然放電時の各パターンの電圧を測定した。
パターン７ａを充電するにつれて、パターン７ａの近傍にあるパターン７ｂの電圧が充電していく。すなわち、充電電圧を印加していないパターン７ｂについても、充電層３内に蓄積された電子に基づいて、電圧が発生する。さらに、パターン７ａの充電停止後には、パターン７ａは自然放電により電圧が減少するのに対して、パターン７ｂは電圧が上昇する。この実験から、充電箇所からその周辺に電子が沁み出していることが分かる。
図４〜図７は、量子電池１０において、電子の沁み出し現象を説明するためのモデル図である。図４〜図７では、第１電極層６が充電層３の全面に形成され、第２電極層７が充電層３の一部に形成されている構成となっている。ここで、充電層３を介して、第１電極層６と第２電極層７が重複する領域を重複領域１８とし、重複しない領域を非重複領域１９とする。
まず、図４に示すように、量子電池１０を充電するために、第１電極層６と第２電極層７とに電源３１を接続して、充電電圧を発生させる。第１電極層６と第２電極層７との間の充電電圧は、充電層３に印加される。量子電池１０の充電時には、第２電極層７の直下から電子（図中のｅ）が貯まり出す。すなわち、重複領域１８に電子が蓄積されていく。そして、重複領域１８が電子で十分に満たされると、図５に示すように、第２電極層７の直下の外側にも電子が入り始める。すなわち、重複領域１８から、非重複領域１９に電子が拡散していくことになる。
その後、図６に示すように、ポテンシャルが一定になるまで充電層３中に電子が拡散する。すなわち、充電層３中の電子の密度が均一になる。これにより、重複領域１８と非重複領域１９の電子密度がほぼ同じになる。放電時には、図７に示すように、まず、第２電極層７の直下の電子が抜けていき、第２電極層７の直下の外側からも徐々に電子が抜けていく。すなわち、放電を開始すると、重複領域１８の電子密度が非重複領域１９よりも低くなる。
これまでは、第２電極層７の直下にのみ電子が貯まると考えられていたため、量子電池の構造を、第１電極層６と第２電極層７とを充電層３のほぼ全面に形成する平行平板構造としていた。しかしながら、電子の沁み出し現象を利用すると、局部的に電極層を設けることが可能になる。なぜなら、局部的に電極層を形成しても、充電層３の容積が同じであれば、同じ電力容量が得られるからである。すなわち、１００％充電すると、非重複領域１９の電子密度が重複領域１８の電子密度とほぼ同じになる。よって、第１電極層６と第２電極層７とを平行平板構造としなくても、電池としての基本性能を維持できるので、第１電極層６と第２電極層７の配置に自由度が増すため、新機能を付加することが可能になる。
（Ｃ）電極層配置
上記のように、充電時には、電極の重複領域から電極の非重複領域に向けて電子が沁み出していく現象が明らかになった。このような沁み出し現象を利用することで、電極層の形状、及び配置の自由度が増し、新たな機能を付加した設計が可能になる。
例えば、充電層３を介して、第１電極層６と第２電極層７とが重複する重複領域１８では、応答速度が速く、重複しない非重複領域１９では、応答速度が遅くなる。したがって、重複領域１８と非重複領域１９の面積を調整することで、放電特性を調整することができる。この点について、図８〜図１１を用いて説明する。
図８は、量子電池１０の構成を模式的に示す斜視図である。図９は、図８に示す量子電池１０の断面図である。図１０は、図９の点線部を模式的に示す図である。図１１は、第２電極層７のパターン幅Ｗ、及びパターン間距離Ｌに対する放電特性を模式的に示すグラフである。図１１では、横軸が時間、縦軸が出力電力を示している。
まず、図８、及び図９に示すように、第２電極層７が短冊状になっている量子電池１０を考える。図８、及び図９では、第２電極層７のパターン１７がＹ方向を長手方向とする矩形状になっている。そして、複数のパターン１７がＸ方向に並んで配置されている。１つのパターン１７のＸ方向における幅をＷとし、隣接するパターン１７間のパターン間距離をＬとする。なお、第１電極層６は、充電層３の下面の全面に形成されている。以下の説明では、Ｘ方向とＺ方向のアスペクト比が非常に大きいため、Ｚ方向については無視している。
図８では、充電層３の表面（つまりＸＹ平面）上において、第２電極層７が設けられていない領域が第２電極層が設けられている領域に挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
上記したように、沁み出し現象によって、非重複領域１９にも電子が蓄積される。したがって、図９の模式図に示すように、非重複領域１９が電池として機能する。図４〜図７を用いて説明したように、パターン１７の重複領域１８から電子が抜けた後、非重複領域１９の電子が抜けていく。よって、重複領域１８では、応答が速く、非重複領域１９では応答が遅くなる。図１０に示すように、重複領域１８では応答速度が速い電池Ｂ２が存在し、非重複領域１９には応答速度の遅い電池Ｂ１、Ｂ３が存在することにある。換言すると、応答速度の速い電池Ｂ２と、応答速度の遅い電池Ｂ１，Ｂ３とが混在した量子電池１０を実現することができる。パターン幅Ｗとパターン間距離Ｌを調整することで、応答速度を変えることができる。
例えば、パターン幅Ｗが大きく、パターン間距離Ｌが小さい場合、重複領域１８の面積が大きく、非重複領域１９の面積が小さくなる。この場合の放電特性は、図１１のＡに示すようになり、瞬時に大きな電力を得ることができる。このような特性は、起動電力が必要なモータ駆動等に適している。
一方、パターン幅Ｗが小さく、パターン間距離Ｌが大きい場合、重複領域１８の面積が小さく、非重複領域１９の面積が大きくなる。この場合の放電特性は、図１１のＢに示すようになる。出力電力は小さくなり、量子電池１０は、時間をかけて緩やかに放電する。なお、充電層３の面積が同じであれば、パターン幅Ｗ、及びパターン間距離Ｌによらず、電力容量は同じとなるはずである。すなわち、図１１において、電力Ｐを時間ｔで積分した値は、ＡとＢとで等しくなる。したがって、図１１のＢの場合、瞬時に取り出す電力は制限され、高負荷であっても一定の電力で長時間の放電が可能になる。このような特性は、長時間利用されるアプリケーションに適している。
以上のように、電極層の形状、大きさ、配置によって充放電特性を調整することができる。重複面積１８の面積を大きくするほど、応答速度を速くすることができる。充電層３に対して局部的に電極層を形成した局部電極構造として、電極層のレイアウトを変更することで、充放電特性を最適化することができる。
局部電極構造とした場合、応答速度の速い電池と遅い電池が混在する。このため、自然エネルギー発電のように激しく変動する電力源に対応することができる。例えば、太陽光発電、風力発電、潮力発電等の再生可能エネルギーによって充電する場合、充電入力の変動が大きくなってしまう。本実施の形態に係る量子電池では、応答の遅いリチウムイオン電池等と比べて、少ない損失で無駄のない充電が可能である。
図１２に変動電力源の場合の充電特性を示す。図１２では、横軸が時間、縦軸が電力を示している。また、図１２では、Ａが充電入力、Ｂが本実施の形態にかかる量子電池１０の充電電力、Ｃが比較例としてのリチウムイオン電池の充電電力を示している。
図１２に示すように、充電入力Ａが変動する場合、量子電池１０は、リチウムイオン電池に比べて、充電入力に対する応答が速くなる。すなわち、局部的に電極層を形成した量子電池は、応答の速い電池を有しているため、充電入力の変動に追従して、充電電力Ｂが変化する。したがって、充電入力Ａが変動した場合、量子電池１０の充電電力Ｂは、リチウムイオン電池の充電電力Ｃよりも、高くなる。
このように、本実施形態にかかる量子電池１０は、充電特性を維持することができる。さらに、上記の量子電池１０をシート状に形成して、積層することで、容積効率向上とコストダウンを実現することができる。
（Ｄ）電極層のレイアウト
（Ｄ−１）配置例１
次に、電極層の配置例１について、図１３〜図１５を用いて説明する。図１３は、配置例１にかかる量子電池１０の構成を示す斜視図である。図１４は、量子電池１０のパターン配置を模式的に示す平面図である。図１５は、パターン配置を模式的に示す断面図である。配置例１では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７が交差するように配置されている。すなわち、パターン１６とパターン１７とがクロスメッシュ構造となっている。
具体的には、第１電極層６のパターン１６は、Ｘ方向を長手方向とした矩形パターンになっている。そして、複数のパターン１６がＹ方向に並んで配置されている。一方、第２電極層７のパターン１７は、Ｙ方向を長手方向とした矩形パターンになっている。そして、複数のパターン１７がＸ方向に並んで配置されている。充電層３の上面にパターン１７が形成され、下面にパターン１６が形成されている。充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられていない領域の両側に第２電極層７が配置されている。
換言すると、充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられている領域は、第２電極層７が設けられていない領域によって挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
充電層３の表面上において、第１電極層６が設けられている領域は、第２電極層６が設けられていない領域によって挟まれている。Ｙ方向において、第１電極層６が設けられていない領域と第１電極層６が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられている領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられていない領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられている領域の間に配置されている。
ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７が交差する部分が重複領域１８となる。そして、重複領域１８の外側が非重複領域１９となる。重複領域１８が非重複領域１９で囲まれた構成となる。非重複領域１９は、パターン１７のみが形成された箇所と、パターン１６のみが形成された箇所と、パターン１６、パターン１７のいずれもが形成されていない箇所を含んでいる。
隣接する重複領域１８の間の領域は、非重複領域１９となる。より詳細には、重複領域１８からＸ方向にずれた箇所は、パターン１６が存在し、かつパターン１７が存在していない非重複領域１９となる。重複領域１８からＹ方向にずれた箇所は、パターン１６が存在せず、かつパターン１７が存在する非重複領域１９となる。このように、ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７とが重複する重複領域１８と、重複しない非重複領域１９とが交互に配置されている。
充電時には、重複領域１８から電子が貯まり出し、その後、図１４の矢印のように、非重複領域１９に拡がっていく。配置例１では電極層がクロスメッシュ構造となっているため、重複領域１８からの電子の拡がりは均一になる。すなわち、電子は重複領域１８から均一に広がっていく。また、放電時にも、同様に、電子が均一に抜けていく。
（Ｄ−２）配置例２
電極層の配置例２について、図１６〜図１８を用いて説明する。図１６は、配置例２にかかる量子電池１０の構成を示す斜視図である。図１７は、配置例２のパターン配置を模式的に示す平面図である。図１８は、量子電池１０の配置例２を模式的に示す断面図である。配置例２では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７とが重複するように配置されている。
配置例２では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７が平行に設けられ、重複するように配置されている。すなわち、ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７とが同じ位置となって、対面する同一対面構造となっている。充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられていない領域の両側に第２電極層７が配置されている。Ｘ方向において、重複領域１８と、非重複領域１９とが交互に配置されている構造となっている。
充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられている領域は、第２電極層７が設けられていない領域によって挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
充電層３の表面上において、第１電極層６が設けられている領域は、第２電極層６が設けられていない領域によって挟まれている。Ｘ方向において、第１電極層６が設けられていない領域と第１電極層６が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられている領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられていない領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられている領域の間に配置されている。
配置例２では、パターン１６とパターン１７は、Ｙ方向を長手方向とする矩形パターンとなっている。パターン１６とパターン１７は同じ大きさになっている。ＸＹ平面において、パターン１６とパターン１７は、同じ位置に配置されている。したがって、パターン１７の直下には、パターン１６が存在する。換言すると、パターン１６の全面積は、重複領域１８の面積と一致する。したがって、配置例１と配置例２とで、パターン１６とパターン１７のパターン面積が同じとした場合、配置例２では、配置例１に比べて重複領域１８の面積が大きくなる。
重複領域１８の面積が大きいため、電極層間の電子の貯まりは速くなる。一方、非重複領域１９には、パターン１６、又はパターン１７が存在していないため、電子の拡がりペースが遅くなる。すなわち、重複領域１８から非重複領域１９への電子の拡散速度が遅くなる。
（Ｄ−３）配置例３
電極層の配置例３について、図１９〜図２１を用いて説明する。図１９は、配置例３にかかる量子電池１０の構成を示す斜視図である。図２０は、量子電池１０の配置例３を模式的に示す平面図である。図２１は、量子電池１０の配置例３を模式的に示す断面図である。
配置例３では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７が平行に設けられ、重複しないように配置されている。すなわち、ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７とが互い違いに配置された互い違い構造となっている。充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられていない領域の両側に第２電極層７が配置されている。
換言すると、充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられている領域は、第２電極層７が設けられていない領域によって挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
充電層３の表面上において、第１電極層６が設けられている領域は、第２電極層６が設けられていない領域によって挟まれている。Ｘ方向において、第１電極層６が設けられていない領域と第１電極層６が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられている領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられていない領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられている領域の間に配置されている。
配置例３では、パターン１６とパターン１７は、Ｙ方向を長手方向とする矩形パターンとなっている。パターン１６とパターン１７は同じ大きさになっている。ＸＹ平面において、パターン１６とパターン１７は、互い違いに配置されている。ＸＹ平面視において、隣接する２つのパターン１６の間に、パターン１７が配置される。換言すると、Ｘ方向において、パターン１６とパターン１７とが交互に配置される。
したがって、パターン１７の直下には、パターン１６が存在しない。換言すると、パターン１６の全面積は、パターン１７と重なっていない。配置例３では、重複領域１８が存在しなくなる。
重複領域１８が存在せずに、非重複領域１９のみが存在している。したがって、配置例３において、充電時は、緩やかに電子が貯まる。また、放電時は、緩やかに電子が抜けていく。
このように、電極層のパターン１６、１７の形状、大きさ、配置などの自由度が増したことで、所望の充放電特性を得ることができる。より具体的には、パターン１６、１７の形状、大きさ、配置などを調整することで、重複領域１８と非重複領域１９の面積比を所望の値とすることができる。よって、適切な充放電特性を得ることができるように、パターンレイアウトを設計する。もちろん、パターン１６、１７のレイアウトは、配置例１〜３に限定されるものではない。
なお、配置例１〜配置例３の構成を組み合わせることも可能である。例えば、短冊状のパターン１６とパターン１７を平行に形成するとともに、パターン１６の一部のみがパターン１７と重複するようにしてもよい。具体的には、パターン１６の半ピッチずらして、パターン１７を形成するようにしてもよい。あるいは、充電層３上に、Ｘ方向を長手方向とするパターン１６とＹ方向を長手方向とするパターン１７を形成するようにしてもよい。
なお、配置例１〜配置例３では、Ｘ方向又はＹ方向において、電極層が設けられていない領域と電極層が設けられている領域が交互に配置されていたが、交互に配置されている方向は特に限定されるものではない。すなわち、充電層３の表面における任意の一方向において、電極層が設けられている領域と電極層が設けられていない領域が、交互に配置されていればよい。
また、第１電極層６と第２電極層７の一方が充電層３に対して局部的に形成されていれば、他方は充電層３のほぼ全面に形成されていてもよい。
さらに、充電時と放電時とで、使用するパターン１６、及びパターン１７を変えるようにしてもよい。例えば、充電時には、パターン１６、及びパターン１７の全てに充電電圧を印加する。これにより、高速充電を行うことができる。一方、放電時には、複数のパターン１６のうちの一部のパターン１６のみを負荷等に接続する。これにより、瞬時に取り出す電力を制限することができ、長時間の放電が可能になる。
このように、本実施の形態では、第１電極層６と第２電極層７の少なくとも一方が、互いに分離して形成された複数の電極層パターンを備えている。そして、充電時において、前記複数の電極パターンのそれぞれに充電電圧が供給され、放電時において、前記複数の電極パターンのうちの一部に負荷が接続される。このような充放電方法を用いることで、適切に充放電を制御することができる。
このように、電極層を複数のパターンに分割して形成することで、重複領域１８の面積を充電時と放電時とで異ならせることができる。例えば、充電時の重複領域１８の面積よりも、放電時の重複領域１８の面積を小さくすることができる。あるいは、充電時の重複領域１８の面積よりも、放電時の重複領域１８の面積を大きくすることができる。第１電極層６又は第２電極層７を複数のパターンに分割することで、所望の充放電特性を得ることができる。
なお、配置例１〜配置例３では、第１電極層６、及び第２電極層７をそれぞれ複数のパターン１６、パターン１７に分割して形成したが、一方の電極層は、一体のパターンであってもよい。例えば、第１電極層６又は第２電極層７を充電層３のほぼ全体に形成してもよい。あるいは、充電層３に対して局部的に第１電極層６、又は電極層７を形成するように、所定の形状の一体パターンで第１電極層６、又は電極層７を形成してもよい。第１電極層６、及び第２電極層７の少なくとも一方が複数のパターンに分割して形成されていればよい。こうすることで、充電時と放電時とで、重複領域１８の面積を変えることができる。すなわち、充電時と放電時とで、重複領域１８と非重複領域１９との面積比を変えることできる。よって、充電特性、及び放電特性をそれぞれ最適化することができる。
（Ｅ）回生システムへの応用
上記したように、量子電池１０は、変動する電力源による充電に対応することができる充電特性を有している。さらに、量子電池１０は、瞬時に大きな起動電力を得ることができる放電特性を有している。このような、充電特性と放電特性を組み合わせた量子電池１０は、図２２に示すような回生システムに応用可能である。
図２２に示す回生システムでは、動力源となるモータ３２と、モータ３２の電力源となる量子電池１０が接続されている。モータ３２は、量子電池１０から供給される電力によって動作する。そして、モータ３２が減速する際の運動エネルギー（回生エネルギー）を用いて、量子電池１０が充電される。
このような回生システムにおける充電電力を図２３に示す。図２３に示すように、回生システムでは充電電力が一定ではなく、変動する。例えば、モータ３２が減速する時のみ、回生エネルギーが発生する。このような場合でも量子電池１０を用いることで、無駄なく蓄電することができる。
また、回生システムにおけるモータ３２の起動時に放電電力を図２４に示す。モータ３２の起動時には、大きな起動電力が必要となる。このような場合であっても、量子電池１０は瞬時に大きな電力の放出が可能になる。よって、モータ３２を速やかに起動することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。
この出願は、２０１５年７月２日に出願された日本出願特願２０１５−１３３３５１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１ 第１電極
２ ｎ型金属酸化物半導体層
３ 充電層
４ ｐ型金属酸化物半導体層
５ 第２電極
６ 第１電極層
７ 第２電極層
１０ 量子電池
１６ パターン
１７ パターン
１８ 重複領域
１９ 非重複領域
３１ 電源
３２ モータ

Claims (6)

  1. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印可される充電層と、を備え、
    前記第１電極層、及び前記第２電極層のそれぞれが、互いに分離して形成された複数のパターンを備え、
    前記充電層を介した平面視において、
    前記第１電極層の前記パターンのそれぞれが第１の方向を長手方向としており、
    前記第２電極層の前記パターンのそれぞれが第１の方向と交差する第２の方向を長手方向としており、
    充電時において、前記複数のパターンのそれぞれに充電電圧が供給され、
    放電時において、前記複数のパターンのうちの一部に負荷が接続される電池。
  2. 前記充電層は、自然エネルギー発電で発生した電力によって充電される請求項１に記載の電池。
  3. 前記充電層は、モータの回生エネルギーによって充電され、前記充電層に充電された電力は、前記モータの電力源となる請求項１に記載の電池。
  4. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印可される充電層と、を備えた
    電池の充放電方法であって、
    前記第１電極層、及び前記第２電極層のそれぞれが、互いに分離して形成された複数の電極層パターンを備え、
    前記充電層を介した平面視において、
    前記第１電極層の複数の前記電極層パターンが第１の方向に沿って形成され、
    前記第２電極層の複数の前記電極層パターンが第１の方向と交差する第２の方向に沿って形成され、
    前記複数のパターンのそれぞれに充電電圧が供給されることで充電が行われ、
    前記複数のパターンのうちの一部に負荷が接続されることで放電が行われる電池の充放電方法。
  5. 前記充電層は、自然エネルギー発電で発生した電力によって充電される請求項４に記載の充放電方法。
  6. 前記充電層は、モータの回生エネルギーによって充電され、前記充電層に充電された電力は、前記モータの電力源となる請求項４に記載の充放電方法。
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