JP6705865B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置及びその作製方法に関する。
近年、リチウム二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池などの、蓄電装置の開発
が行われている。
蓄電装置用の電極は、集電体の一表面に活物質を形成することにより作製される。負極活
物質としては、例えば炭素またはシリコンなど、キャリアとなるイオン（以下、キャリア
イオンと示す。）の吸蔵及び放出が可能な材料が用いられる。例えば、シリコンまたはリ
ンがドープされたシリコンは、炭素に比べ、約４倍のキャリアイオンを吸蔵することが可
能であるため、理論容量が大きく、蓄電装置の大容量化という点において優れている。
しかしながら、キャリアイオンの吸蔵量が増えると、充放電サイクルにおけるキャリアイ
オンの吸蔵放出に伴う体積の変化が大きく、集電体及びシリコンの密着性が低下してしま
い、充放電により電池特性が劣化してしまうという問題がある。そこで、集電体上に、シ
リコンからなる層を形成し、該シリコンからなる層上にグラファイトからなる層を設ける
ことで、シリコンからなる層の膨張収縮による電池特性の劣化を低減している（特許文献
１参照）。
また、シリコンは炭素と比較して電気伝導性が低いため、シリコン粒子の表面をグラファ
イトで被覆し、当該シリコン粒子を含む活物質層を集電体上に形成することで、活物質層
の抵抗率を低減した負極を作製している。
一方、近年、半導体装置において、導電性を有する電子部材としてグラフェンを用いるこ
とが検討されている。グラフェンとは、二重結合（グラファイト結合またはｓｐ２結合と
もいう。）を有する１原子層の炭素分子のシートのことをいう。
グラフェンは化学的に安定であり、且つ電気特性が良好であるため、半導体装置に含まれ
るトランジスタのチャネル領域、ビア、配線等への応用に期待されている。また、リチウ
ムイオンバッテリ用の電極材料の導電性を高めるために、粒子状の活物質にグラファイト
またはグラフェンを被覆している（特許文献２参照）。
また、複数の突起が設けられた正極及び負極を用いることで大容量化を図った蓄電装置に
おいて、充放電による電極の体積膨張により、電極の間に設けられるセパレータにかかる
圧力を低減するため、正極及び負極のそれぞれ突起の先端に絶縁体を設けている（特許文
献３乃至５参照）。
特開２００１−２８３８３４号公報 特開２０１１−２９１８４号公報 特開２０１０−２１９０３０号公報 特開２０１０−２３９１２２号公報 特開２０１０−２１９３９２号公報
しかしながら、集電体上に設けられたシリコンからなる層をグラファイトからなる層で覆
う場合、グラファイトからなる層の厚さがサブミクロンからミクロンと厚くなってしまい
、電解質及びシリコンからなる層の間でのキャリアイオンの移動量が低減してしまう。一
方、グラファイトを被覆したシリコン粒子を含む活物質層は、活物質層に含まれるシリコ
ン含有量が低減してしまう。これらの結果、シリコン及びキャリアイオンの反応量が低下
してしまい、充放電容量の低下の原因となると共に、蓄電装置の急速充放電が困難である
。
また、粒子状の活物質をグラフェンで被覆しても、度重なる充放電により生じる体積の膨
張及び収縮、並びにそれに伴う粒子状の活物質の微粉化を抑制することは困難であった。
そこで、本発明の一態様は、充放電容量が大きく、急速充放電が可能であり、且つ充放電
による電池特性の劣化が少ない蓄電装置を提供する。
本発明の一態様は、共通部と、共通部から突出する複数の突起と、共通部及び複数の突起
上に設けられたグラフェンと、を有し、少なくとも複数の突起は活物質として機能し、複
数の突起の軸は揃っている負極を有することを特徴とする蓄電装置である。
なお、横断面形状において、複数の突起の先端部分より、共通部と接する複数の突起の根
元部分の断面積が大きくてもよい。また、縦断面形状において、複数の突起の先端部分よ
り、共通部と接する複数の突起の根元部分の幅が長くてもよい。
本発明の一態様は、集電体と、集電体上に設けられる活物質層とを有し、活物質層は、集
電体から突出する複数の突起と、該複数の突起上に設けられたグラフェンとを有し、複数
の突起の軸は揃っている負極を有することを特徴とする蓄電装置である。なお、集電体及
び複数の突起の間に、共通部を有してもよい。
なお、複数の突起の先端部分より、集電体と接する複数の突起の根元部分の断面積が大き
くてもよい。また、縦断面形状において、複数の突起の先端部分より、集電体と接する複
数の突起の根元部分の幅が長くてもよい。
本発明の一態様は、共通部と、共通部から突出する複数の突起と、共通部及び複数の突起
上に設けられたグラフェンと、を有し、少なくとも複数の突起は活物質として機能し、複
数の突起の上面形状が並進対称性を有することを特徴とする蓄電装置である。
なお、横断面形状において、複数の突起の先端部分より、共通部と接する複数の突起の根
元部分の断面積が大きくてもよい。また、縦断面形状において、複数の突起の先端部分よ
り、共通部と接する複数の突起の根元部分の幅が長くてもよい。
本発明の一態様は、集電体と、集電体上に設けられる活物質層とを有し、活物質層は、集
電体から突出する複数の突起と、該複数の突起上に設けられたグラフェンとを有し、複数
の突起の上面形状が並進対称性を有することを特徴とする蓄電装置である。なお、集電体
及び複数の突起の間に、共通部を有してもよい。
なお、複数の突起の先端部分より、集電体と接する複数の突起の根元部分の断面積が大き
くてもよい。また、縦断面形状において、複数の突起の先端部分より、集電体と接する複
数の突起の根元部分の幅が長くてもよい。
上記電極において、共通部とは、集電体の全面を覆い、且つ複数の突起と同様の材料によ
り形成される領域である。また、複数の突起の軸とは、突起の頂点（または上面の中心）
と、突起が共通部または集電体と接する面の中心とを通る直線をいう。すなわち、突起の
長手方向における中心を通る直線をいう。なお、複数の突起の軸が揃っているとは、複数
の突起それぞれの当該直線が略一致することをいい、代表的には、複数の突起それぞれの
当該直線でなす角度が１０度以下、好ましくは５度以下である。以上のように、複数の突
起とは、エッチング工程により形成した構造体を指し、任意の方向にランダムに伸長した
ウィスカー状の構造体とは異なる。
共通部及び複数の突起はシリコンで形成されてもよい。または、共通部及び複数の突起は
、リンまたはボロン等の導電性を付与する不純物が添加されたシリコンで形成されてもよ
い。共通部及び複数の突起は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、若しくは非晶質シリコ
ンで形成されてもよい。または、共通部が単結晶シリコン若しくは多結晶シリコンで形成
され、複数の突起が非晶質シリコンで形成されてもよい。または、共通部及び複数の突起
の一部が単結晶シリコン若しくは多結晶シリコンで形成され、複数の突起の他部が非晶質
シリコンで形成されてもよい。
複数の突起は、柱状、錐体状、板状、またはパイプ状であってもよい。
複数の突起の先端とグラフェンの間に、保護層を有していてもよい。
グラフェンは複数の突起の表面を覆ってもよい。また、グラフェンは、単層のグラフェン
及び多層グラフェンを含む。また、グラフェンは、２ａｔｏｍｉｃ％以上１１ａｔｏｍｉ
ｃ％以下、好ましくは３ａｔｏｍｉｃ％以上１０ａｔｏｍｉｃ％以下の酸素を含んでもよ
い。
また、上記負極のグラフェン上に、スペーサとして機能する絶縁層を有してもよい。
負極のグラフェン上に設けられる絶縁層は、ドット状、矩形状、格子状等の上面形状を有
し、一または複数の突起の先端上に設けられる。また、負極のグラフェン上に設けられる
絶縁層は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド、ポリアミド等の
有機材料、ガラスペースト、ガラスフリット、ガラスリボン等の低融点ガラスで形成され
ることが好ましい。なお、負極のグラフェン上に設けられる絶縁層に、電解質の溶質が含
まれていてもよい。また、負極のグラフェン上に設けられる絶縁層の厚さは、１μｍ以上
１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上７μｍ以下とすることが好ましい。
本発明の一態様は、シリコン基板上にマスクを形成した後、シリコン基板の一部をエッチ
ングして、共通部と、共通部から突出される複数の突起とを形成し、共通部および複数の
突起上にグラフェンを形成することを特徴とする電極の作製方法である。
本発明の一態様は、集電体上にシリコン層を形成し、シリコン層上にマスクを形成した後
、シリコン層の一部をエッチングして、集電体から突出する複数の突起を形成し、少なく
とも前記複数の突起上にグラフェンを形成することを特徴とする電極の作製方法である。
本発明の一態様は、シリコン基板上にマスクを形成した後、シリコン基板の一部をエッチ
ングして、共通部と、共通部から突出される複数の突起とを形成し、さらに酸素プラズマ
処理などによって、マスクを後退させて新たなマスクを形成した後、少なくとも共通部か
ら突出される複数の突起の一部をエッチングして、共通部と、横断面形状において複数の
突起の先端部分より共通部と接する複数の突起の根元部分の断面積が大きい複数の突起と
、を形成し、さらに共通部および当該複数の突起上にグラフェンを形成することを特徴と
する負極の作製方法である。
本発明の一態様は、集電体上にシリコン層を形成し、シリコン層上にマスクを形成した後
、シリコン層の一部をエッチングして、集電体から突出する複数の突起を形成し、さらに
マスクをレジストスリミングなどによって後退させて新たなマスクを形成した後、少なく
とも集電体から突出する複数の突起の一部をエッチングして、横断面形状において複数の
突起の先端部分より集電体と接する複数の突起の根元部分の断面積が大きい複数の突起と
、を形成し、さらに集電体および当該複数の突起上にグラフェンを形成することを特徴と
する負極の作製方法である。
本発明の一態様は、シリコン基板上にマスクを形成した後、シリコン基板の一部をエッチ
ングして、共通部と、共通部から突出される複数の突起とを形成し、共通部および複数の
突起上にグラフェンを形成し、グラフェン上にスペーサとして機能する絶縁層を設けるこ
とを特徴とする負極の作製方法である。
本発明の一態様は、集電体上にシリコン層を形成し、シリコン層上にマスクを形成した後
、シリコン層の一部をエッチングして、集電体から突出する複数の突起を形成し、少なく
とも前記複数の突起上にグラフェンを形成し、グラフェン上にスペーサとして機能する絶
縁層を設けることを特徴とする負極の作製方法である。
電極の活物質は、共通部、及び共通部から突出する複数の突起を有する。また、複数の突
起の軸が揃っており、さらに共通部に対して垂直方向に突出しているため、電極において
突起の密度を高めることが可能であり、活物質の表面積を増加させることができる。また
、複数の突起の間には隙間が設けられており、さらに活物質上にグラフェンが設けられる
ことで、充電により活物質が膨張しても、突起同士の接触を低減することが可能であると
共に、活物質が剥離しても、活物質の崩落を防ぐことができる。また、複数の突起は並進
対称性を有し、負極において均一性高く形成されているため、正極及び負極においての局
所的な反応が低減し、キャリアイオン及び活物質の反応が正極及び負極の間で均一に生じ
る。これらにより、当該負極を蓄電装置に用いた場合、高速な充放電が可能となると共に
、充放電による活物質の崩壊及び剥離を抑制できる。すなわち、高充放電サイクル特性が
さらに向上した蓄電装置を作製することができる。
また、本発明の一態様において、複数の突起は、横断面形状において、複数の突起の先端
部分より、集電体または共通部と接する複数の突起の根元部分の断面積が大きい形状であ
る。つまり、当該複数の突起は、先端部分よりも根元部分が太い形状をしている。そのた
め、機械的強度が向上し、さらに充放電反応による活物質の膨張及び収縮に対しても、微
粉化及び剥離などの劣化を抑制することができる。さらに、先端部分よりも根元部分が太
い形状である複数の突起を負極に用いて、電池のセル組みを行った場合において、たとえ
複数の突起の先端部分が、セパレータなどと接触して折れてしまっても、複数の突起の根
元部分は強度が強いため残りやすい。そのため、電池のセル組みによる歩留まりを向上さ
せることができる。
また、蓄電装置において、活物質表面が電解質と接触することにより、電解質及び活物質
が反応し、活物質の表面に被膜が形成される。当該被膜は（ＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ））と呼ばれ、活物質と電解質の反応を緩和し、
安定化させるために必要であると考えられている。しかしながら、当該被膜が厚くなると
、キャリアイオンが活物質に吸蔵されにくくなり、活物質と電解質間のキャリアイオン伝
導性の低下などの問題がある。そこで、活物質をグラフェンで被覆することで、当該被膜
の膜厚の増加を抑制することが可能であり、キャリアイオン伝導性の低下を抑制すること
ができる。
シリコンは炭素と比較すると電気伝導性が低く、また充放電による非晶質化によりさらに
電気伝導性が低下するため、シリコンを活物質とする負極は抵抗率が高くなる。しかしな
がら、グラフェンは導電性が高いため、シリコンをグラフェンで被覆することで、キャリ
アイオンが通過する場であるグラフェンにおいて電子の移動を十分速くすることができる
。また、グラフェンは厚さの薄いシート状であるため、複数の突起をグラフェンで覆うこ
とで、活物質層に含まれるシリコン量をより多くすることが可能であると共に、キャリア
イオンの移動がグラファイトより容易となる。これらの結果、キャリアイオンの伝導性を
高めることができ、活物質であるシリコン及びキャリアイオンの反応性を高めることが可
能であり、キャリアイオンが活物質に吸蔵されやすくなる。このため、当該負極を用いた
蓄電装置において、急速充放電が可能となる。
また、負極のグラフェン上にスペーサとして機能する絶縁層を有すると、負極及び正極の
間にセパレータを設ける必要がなく、負極及び正極の間隔を狭くすることができる。この
結果、負極及び正極の間のキャリアイオンの移動量を高めることができる。
本発明の一態様により、複数の突起を有する活物質と、該活物質上に設けられるグラフェ
ンを少なくとも有することで、充放電容量が高く、急速充放電が可能であり、且つ充放電
による劣化が少ない蓄電装置を提供することができる。
また、本発明の一態様により、複数の突起を有する活物質と、該活物質上に設けられるグ
ラフェンを有し、横断面形状において、複数の突起の先端部分より、集電体または共通部
と接する複数の突起の根元部分の断面積が大きい形状であることで、充放電容量が高く、
急速充放電が可能であり、且つ充放電による劣化が少ない蓄電装置を提供することができ
る。
負極を説明する図である。 負極が有する突起の形状を説明する図である。 負極を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極を説明する図である。 負極が有する突起の形状を説明する図である。 負極を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極を説明する図である。 スペーサの形状を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 負極を説明する図である。 負極の作製方法を説明する図である。 正極を説明する図である。 正極を説明する図である。 蓄電装置を説明する図である。 電子機器を説明する図である。 電子機器を説明する図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、
以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、充放電による劣化が少なく、高充放電サイクル特性を有する蓄電装置
の負極の構造及びその作製方法について、図１乃至図６を用いて説明する。
図１（Ａ）は負極２０６の断面図である。負極２０６が、活物質として機能する構造であ
る。
なお、活物質とは、キャリアイオンの吸蔵及び放出に関わる物質を指す。活物質層は、活
物質の他に、導電助剤、バインダー、グラフェン等のいずれか一以上を有する。よって、
活物質と活物質層は区別される。
また、キャリアイオンとしてリチウムイオンを用いる二次電池をリチウム二次電池という
。また、リチウムイオンの代わりに用いることが可能なキャリアイオンとしては、ナトリ
ウム、カリウム等のアルカリ金属イオン、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のア
ルカリ土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオン等がある。
ここで、負極２０６の詳細な構造について、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）を用いて説明する
。なお、負極２０６の代表形態を、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）において、それぞれ負極２
０６ａ、２０６ｂとして説明する。
図１（Ｂ）は、負極２０６ａの拡大断面図である。負極２０６ａは、活物質２０２、及び
活物質２０２上に設けられるグラフェン２０４を有する。また、活物質２０２は、共通部
２０２ａ、及び共通部２０２ａから突出する複数の突起２０２ｂを有する。グラフェン２
０４は、活物質２０２の少なくとも一部を覆っている。また、活物質２０２の共通部２０
２ａ及び複数の突起２０２ｂの表面を覆っていてもよい。
活物質２０２としては、キャリアであるイオンの吸蔵及び放出が可能なシリコン、ゲルマ
ニウム、スズ、アルミニウム等のいずれか一以上を用いる。なお、充放電の理論容量が高
いため、活物質２０２としてシリコンを用いることが好ましい。または、リン、ボロン等
の一導電型を付与する不純物元素が添加されたシリコンを用いてもよい。リン、ボロン等
の一導電型を付与する不純物元素が添加されたシリコンは、導電性が高くなるため、負極
の導電率を高めることができる。このため、活物質２０２としてシリコンを用いた負極を
有する蓄電装置より、さらに放電容量を高めることができる。
共通部２０２ａは、複数の突起２０２ｂの下地層として機能する。また、共通部２０２ａ
は連続した層であり、共通部２０２ａ及び複数の突起２０２ｂは接している。
突起２０２ｂは、円柱状２２１（図２（Ａ）参照。）または角柱状等の柱状、円錐状２２
２（図２（Ｂ）参照。）または角錐状等の錐体状、板状２２３（図２（Ｃ）参照。）、パ
イプ状２２４（図２（Ｄ）参照）。）等の形状を適宜有することができる。なお、突起２
０２ｂの頂部または稜は湾曲していてもよい。図１（Ｂ）においては、突起２０２ｂとし
て円柱状の突起を用いて示す。
本実施の形態に示す電極の上面形状について、図３を用いて説明する。
図３（Ａ）は、共通部２０２ａと、共通部２０２ａから突出する複数の突起２０２ｂの上
面図である。ここでは、上面形状が円形である複数の突起２０２ｂが配置されている。図
３（Ｂ）は、図３（Ａ）を方向ａに移動したときの上面図である。図３（Ａ）及び図３（
Ｂ）おいて、複数の突起２０２ｂの位置が同一である。すなわち、図３（Ａ）に示す複数
の突起２０２ｂは並進対称性を有する。なお、ここでは、図３（Ａ）において、方向ａに
移動したが、方向ｂ、方向ｃにそれぞれ移動しても、図３（Ｂ）と同様の配置となる。
また、複数の突起２０２ｂにおいて、破線２０５で示す対称性の単位において、突起２０
２ｂが占める割合は、２５％以上６０％以下が好ましい。すなわち、対称性の単位の空隙
率は４０％以上７５％以下であることが好ましい。対称性の単位において、突起２０２ｂ
の占める割合を２５％以上とすると、負極における充放電の理論容量を約１０００ｍＡｈ
／ｇ以上とすることができる。一方、６０％以下とすることで、充放電容量を最大（すな
わち、理論容量）とし隣り合う突起が膨張しても突起同士が接触せず、突起の崩壊を防ぐ
ことができる。この結果、高い充放電容量を達成すると共に、充放電による負極の劣化を
低減することができる。
また、図３（Ｃ）は、共通部２０２ａと、共通部２０２ａから突出する複数の突起の上面
図である。ここでは、上面形状が円形である突起２０２ｂと、上面形状が正方形である突
起２０２ｃが交互に配置されている。図３（Ｄ）は、突起２０２ｂ、２０２ｃを方向ｂに
移動したときの上面図である。図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）の上面図において、突起２０２
ｂ、２０２ｃの配置が同一である。すなわち、図３（Ｃ）に示す複数の突起２０２ｂ、２
０２ｃは並進対称性を有する。
複数の突起を、並進対称性を有するように配置することで、複数の突起それぞれの電子伝
導性のばらつきを低減することができる。このため、正極及び負極においての局所的な反
応が低減され、キャリアイオン及び活物質の反応が均一に生じ、拡散過電圧（濃度過電圧
）を防ぐと共に、電池特性の信頼性を高めることができる。
共通部２０２ａ及び複数の突起２０２ｂは適宜、単結晶構造または多結晶構造とすること
ができる。または、共通部２０２ａを単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起２０
２ｂを非晶質構造とすることができる。または、共通部２０２ａ及び複数の突起２０２ｂ
の一部を単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起２０２ｂの他部を非晶質構造とす
ることができる。なお、当該複数の突起２０２ｂの一部は少なくとも共通部２０２ａと接
する領域を含む。
なお、共通部２０２ａ及び複数の突起２０２ｂの界面は明確でない。このため、活物質２
０２において、複数の突起２０２ｂの間に形成される谷のうち最も深い谷の底を含み、且
つ活物質２０２において、突起２０２ｂが形成される面と平行な面を、共通部２０２ａ及
び複数の突起２０２ｂの界面２３３として定義する。
また、複数の突起２０２ｂの長手方向は、揃っている。すなわち、複数の突起２０２ｂの
軸２３１が揃っている。さらに好ましくは、複数の突起２０２ｂのそれぞれの形状が略同
一である。このような構造とすることで、活物質の体積を制御することが可能である。な
お、突起の軸２３１とは、突起の頂点（または上面の中心）と、突起が共通部と接する面
の中心とを通る直線をいう。すなわち、突起の長手方向における中心を通る直線をいう。
なお、複数の突起の軸が揃っているとは、複数の突起それぞれの軸が略一致することをい
い、代表的には、複数の突起それぞれの軸でなす角度が１０度以下、好ましくは５度以下
である。
なお、複数の突起２０２ｂが共通部２０２ａから伸張している方向を長手方向と呼び、長
手方向に切断した断面形状を縦断面形状と呼ぶ。また、複数の突起２０２ｂの長手方向と
略垂直な面において切断した断面形状を横断面形状と呼ぶ。
複数の突起２０２ｂについて、横断面形状における幅は、０．１μｍ以上１μｍ以下、好
ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。また、複数の突起２０２ｂの高さは、複
数の突起の幅の５倍以上１００倍以下、好ましくは１０倍以上５０倍以下であり、代表的
には０．５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下である。
複数の突起２０２ｂの横断面形状における幅を、０．１μｍ以上とすることで、充放電容
量を高めることが可能であり、１μｍ以下とすることで、充放電において複数の突起が膨
張及び収縮しても、崩壊することを抑制することができる。また、複数の突起２０２ｂの
高さを、０．５μｍ以上とすることで、充放電容量を高めることが可能であり、１００μ
ｍ以下とすることで、充放電において突起が膨張及び収縮しても、崩壊することを抑制す
ることができる。
なお、複数の突起２０２ｂにおける「高さ」とは、縦断面形状において、複数の突起２０
２ｂの頂点（または上面の中心）を通る軸に沿う方向の該頂点と共通部２０２ａの間隔を
いう。
また、複数の突起２０２ｂはそれぞれ、一定の間隔を空けて共通部２０２ａ上に設けられ
る。複数の突起２０２ｂの間隔は、複数の突起２０２ｂの幅の１．２９倍以上２倍以下と
することが好ましい。この結果、当該負極を用いた蓄電装置の充電により突起２０２ｂの
体積が膨張しても、突起２０２ｂ同士が接触せず、突起２０２ｂの崩壊を妨げることがで
きると共に、蓄電装置の充放電容量の低下を妨げることができる。
グラフェン２０４は、導電助剤として機能する。また、グラフェン２０４は、活物質とし
て機能する場合もある。
グラフェン２０４は、単層グラフェンまたは多層グラフェンを含む。グラフェン２０４は
、長さが数μｍのシート状である。
単層グラフェンは、ｓｐ２結合を有する１原子層の炭素分子のシートのことをいい、極め
て厚さが薄い。また、炭素で構成される六員環が平面方向に広がっており、一部に、七員
環、八員環、九員環、十員環等の、六員環の一部の炭素−炭素結合が切断された多員環が
形成される。
なお、多員環は、炭素及び酸素で構成される場合がある。または、炭素で構成される多員
環の炭素に酸素が結合する場合がある。このような多員環は、六員環の一部の炭素−炭素
結合が切断され、結合が切断された炭素に酸素が結合して形成される。このため、当該炭
素及び酸素の結合の内部には、イオンの移動が可能な通路として機能する間隙を有する。
すなわち、グラフェンに含まれる酸素の割合が多いほど、イオンの移動が可能な通路であ
る間隙の割合が増加する。
なお、グラフェン２０４に酸素が含まれる場合、酸素の割合は全体の２ａｔｏｍｉｃ％以
上１１ａｔｏｍｉｃ％以下、好ましくは３ａｔｏｍｉｃ％以上１０ａｔｏｍｉｃ％以下で
ある。酸素の割合が低い程、グラフェンの導電性を高めることができる。また、酸素の割
合を高める程、グラフェンにおいてイオンの通路となる間隙をより多く形成することがで
きる。
グラフェン２０４が多層グラフェンの場合、複数の単層グラフェンで構成され、代表的に
は、単層グラフェンが２層以上１００層以下で構成されるため、極めて厚さが薄い。単層
グラフェンが酸素を有することで、グラフェンの層間距離は０．３４ｎｍより大きく０．
５ｎｍ以下、好ましくは０．３８ｎｍ以上０．４２ｎｍ以下、更に好ましくは０．３９ｎ
ｍ以上０．４１ｎｍ以下となる。通常のグラファイトは、単層グラフェンの層間距離が０
．３４ｎｍであり、グラフェン２０４の方が層間距離が長いため、単層グラフェンの表面
と平行な方向におけるイオンの移動が容易となる。また、酸素を含み、多員環が構成され
る単層グラフェンまたは多層グラフェンで構成され、所々に間隙を有する。このため、グ
ラフェン２０４が多層グラフェンの場合、単層グラフェンの表面と平行な方向、即ち単層
グラフェン同士の隙間と共に、グラフェンの表面に対する垂直方向、即ち単層グラフェン
それぞれに設けられる間隙をイオンが移動することが可能である。
負極の活物質として、シリコンを用いることで、グラファイトを活物質として用いた場合
と比較して、理論容量が大きいため、蓄電装置の小型化に有利である。
また、負極２０６の活物質２０２において共通部２０２ａから複数の突起２０２ｂが突出
しているため、板状の活物質に比べて表面積が広い。また、複数の突起の軸が揃っており
、さらに共通部に対して垂直方向に突出しているため、負極において突起の密度を高める
ことが可能であり、表面積をより増加させることができる。また、複数の突起の間には隙
間が設けられており、さらに、活物質上にグラフェンが設けられるため、充電により活物
質が膨張しても、突起同士の接触を低減することが可能である。さらに、活物質が剥離し
てもグラフェンにより、活物質の崩落を防ぐことができる。また、複数の突起は並進対称
性を有し、負極において均一性高く形成されているため、正極及び負極においての局所的
な反応が低減し、キャリアイオン及び活物質の反応が正極及び負極の間で均一に生じる。
これらのため、負極２０６を蓄電装置に用いた場合、高速な充放電が可能となると共に、
充放電による活物質の崩壊及び剥離を抑制でき、サイクル特性がさらに向上した蓄電装置
を作製することができる。さらには、突起の形状が略一致することで、局所的な充放電を
低減すると共に、活物質の重量を制御することが可能である。また、突起の高さが揃って
いると、電池の作製工程時において局所的な荷重を防ぐことが可能であり、歩留まりを高
めることができる。これらのため、電池の仕様を制御しやすい。
また、蓄電装置において、活物質２０２表面が電解質と接触することにより、電解質及び
活物質が反応し、活物質の表面に被膜が形成される。当該被膜はＳＥＩと呼ばれ、活物質
と電解質の反応を緩和し、安定化させるために必要であると考えられている。しかしなが
ら、当該被膜が厚くなると、キャリアイオンが活物質に吸蔵されにくくなり、活物質と電
解質間のキャリアイオン伝導性の低下などの問題がある。
活物質２０２をグラフェン２０４で被覆することで、当該被膜の膜厚の増加を抑制するこ
とが可能であり、キャリアイオン伝導性の低下を抑制することができる。
また、グラフェンは導電性が高いため、シリコンをグラフェンで被覆することで、グラフ
ェンにおいて電子の移動を十分速くすることができる。また、グラフェンは厚さの薄いシ
ート状であるため、複数の突起上にグラフェンを設けることで、活物質層に含まれる活物
質量をより多くすることが可能であると共に、キャリアイオンの移動がグラファイトより
容易となる。これらの結果、キャリアイオンの伝導性を高めることができ、活物質である
シリコン及びキャリアイオンの反応性を高めることが可能であり、キャリアイオンが活物
質に吸蔵されやすくなる。このため、当該負極を用いた蓄電装置において、急速充放電が
可能である。
なお、活物質２０２とグラフェン２０４の間に、酸化シリコン層を有してもよい。活物質
２０２上に酸化シリコン層を設けることで、蓄電装置の充電時に酸化シリコン中にキャリ
アであるイオンが挿入される。この結果、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｎａ４ＳｉＯ４、Ｋ４ＳｉＯ
４等のアルカリ金属シリケート、Ｃａ２ＳｉＯ４、Ｓｒ２ＳｉＯ４、Ｂａ２ＳｉＯ４等の
アルカリ土類金属シリケート、Ｂｅ２ＳｉＯ４、Ｍｇ２ＳｉＯ４等のシリケート化合物が
形成される。これらのシリケート化合物は、キャリアイオンの移動パスとして機能する。
また、酸化シリコン層を有することで、活物質２０２の膨張を抑制することができる。こ
れらのため、充放電容量を維持しつつ、活物質２０２の崩壊を抑えることができる。なお
、充電の後、放電しても、酸化シリコン層において形成されたシリケート化合物から、キ
ャリアイオンとなる金属イオンは全て放出されず、一部残存するため、酸化シリコン層は
、酸化シリコン及びシリケート化合物の混合層となる。
また、当該酸化シリコン層の厚さを２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましい。酸化
シリコン層の厚さを２ｎｍ以上とすることで、充放電による活物質２０２の膨張を緩和す
ることができる。また、酸化シリコン層の厚さ１０ｎｍ以下であると、キャリアとなるイ
オンの移動が容易であり、放電容量の低下を妨げることができる。酸化シリコン層を活物
質２０２上に設けることで、充放電における活物質２０２の膨張及び収縮を緩和し、活物
質２０２の崩壊を抑制することができる。
また、図１（Ｃ）に示す負極２０６ｂのように、活物質２０２に含まれる複数の突起２０
２ｂの頂部及びグラフェン２０４の間に、保護層２０７を設けてもよい。このとき、複数
の突起２０２ｂの側面はグラフェン２０４と接する。
保護層２０７は、導電層、半導体層、または絶縁層を適宜用いることができる。保護層２
０７の厚さは１００ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。なお、活物質２０２と比較してエ
ッチング速度の遅い材料を用いて保護層２０７を形成することで、保護層２０７が複数の
突起をエッチングにより形成する際のハードマスクとして機能し、複数の突起の高さのば
らつきを低減することができる。
次に、負極２０６の作製方法について図４を用いて説明する。ここでは、負極２０６の一
形態として、図１（Ｂ）に示す負極２０６ａを用いて説明する。
図４（Ａ）に示すように、シリコン基板２００上にマスク２０８ａ〜２０８ｅを形成する
。
シリコン基板２００は、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板を用いる。なお、
シリコン基板は、リンが添加されたｎ型シリコン基板、ボロンが添加されたｐ型シリコン
基板を用いることで、集電体を設けずとも、活物質を負極として用いることができる。
マスク２０８ａ〜２０８ｅは、フォトリソグラフィ工程により形成することができる。ま
た、マスク２０８ａ〜２０８ｅは、インクジェット法、印刷法等を用いて形成することが
できる。
次に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、シリコン基板２００を選択的にエッチングし
て、図４（Ｂ）に示すように、活物質２０２を形成する。シリコン基板のエッチング方法
としては、ドライエッチング法、ウエットエッチング法を適宜用いることができる。なお
、深堀りエッチング法であるボッシュ法を用いることで、高さの高い突起を形成すること
ができる。
例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型
プラズマ）装置を用い、エッチングガスとして塩素、臭化水素、及び酸素を用いて、ｎ型
のシリコン基板をエッチングすることで、活物質２０２を形成することができる。なお、
ここでは、共通部２０２ａが残存するように、エッチング時間を調整する。また、エッチ
ングガスの流量比は適宜調整すればよいが、エッチングガスの流量比の一例として、塩素
、臭化水素、及び酸素それぞれの流量比を１０：１５：３とすることができる。
本実施の形態に示すように、マスクを用いてシリコン基板をエッチングすることで、軸が
揃っている複数の突起を形成することができる。さらには、形状が略一致している複数の
突起を形成することができる。
次に、活物質２０２上にグラフェン２０４を形成することで、図４（Ｃ）に示すように、
負極２０６ａを作製することができる。
グラフェン２０４の形成方法としては、活物質２０２上にニッケル、鉄、金、銅またはそ
れらを含む合金を核として形成した後、メタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲
気で核からグラフェンを成長させる気相法がある。また、酸化グラフェンを含む分散液を
用いて、活物質２０２の表面に酸化グラフェンを設けた後、酸化グラフェンを還元し、グ
ラフェンとする液相法がある。
酸化グラフェンを含む分散液を得る方法としては、酸化グラフェンを溶媒に分散させる方
法、溶媒中でグラファイトを酸化した後、酸化グラファイトを酸化グラフェンに分離して
、酸化グラフェンを含む分散液を形成する方法等がある。ここでは、グラファイトを酸化
した後、酸化グラファイトを酸化グラフェンに分離して形成した酸化グラフェンを含む分
散液を用いて、活物質２０２上にグラフェン２０４を形成する方法について、説明する。
本実施の形態では、Ｈｕｍｍｅｒｓ法と呼ばれる酸化法を用いて酸化グラフェンを形成す
る。Ｈｕｍｍｅｒｓ法は、グラファイト粉末に過マンガン酸カリウムの硫酸溶液等を加え
て酸化反応させて酸化グラファイトを含む混合液を形成する。酸化グラファイトは、グラ
ファイトの炭素の酸化により、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシ
ル基等の官能基を有する。このため、複数のグラフェンの層間距離がグラファイトと比較
して長い。次に、酸化グラファイトを含む混合液に超音波振動を加えることで、層間距離
の長い酸化グラファイトを劈開し、酸化グラフェンを分離することができると共に、酸化
グラフェンを含む分散液を形成することができる。なお、Ｈｕｍｍｅｒｓ法以外の酸化グ
ラフェンの形成方法を適宜用いることができる。
なお、酸化グラフェンは、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基
等を有する。なお、これらの置換基は極性が高いため、極性を有する液体中において異な
る酸化グラフェン同士は分散しやすく、特に、カルボニル基を有する酸化グラフェンは極
性を有する液体中において水素が電離するため、酸化グラフェンはイオン化し、異なる酸
化グラフェン同士がより分散しやすい。このため、極性を有する液体においては、均一に
酸化グラフェンが分散すると共に、後の工程において、活物質２０２の表面に均一な割合
で酸化グラフェンを設けることができる。
酸化グラフェンを含む分散液に活物質２０２を浸し、活物質２０２上に酸化グラフェンを
設ける方法としては、塗布法、スピンコート法、ディップ法、スプレー法、電気泳動法等
がある。また、これらの方法を複数組み合わせてもよい。なお、電気泳動法を用いると、
イオン化した酸化グラフェンを電気的に活物質まで移動させることができるため、複数の
突起と接しない共通部の表面にまで酸化グラフェンを設けることが可能である。このため
、複数の突起の高さが高い場合でも、共通部及び複数の突起の表面に均一に酸化グラフェ
ン設けることができる。
活物質２０２上に設けられた酸化グラフェンを還元する方法としては、真空中、空気中、
あるいは不活性ガス（窒素あるいは希ガス等）中等の雰囲気で、１５０℃以上、好ましく
は２００℃以上の温度、活物質２０２が耐えうる温度以下で加熱する方法がある。加熱す
る温度が高い程、また、加熱する時間が長いほど、酸化グラフェンが還元されやすく、純
度の高い（すなわち、炭素以外の元素の濃度の低い）グラフェンが得られる。または、還
元性溶液に浸し、酸化グラフェンを還元する方法がある。
なお、Ｈｕｍｍｅｒｓ法では、グラファイトを硫酸で処理するため、酸化グラフェンには
、スルホン基等も結合しているが、この分解（脱離）は、２００℃以上３００℃以下、好
ましくは２００℃以上２５０℃以下で行われる。したがって、加熱により酸化グラフェン
を還元する方法において、酸化グラフェンの還元を２００℃以上で行うことが好ましい。
上記還元処理において、隣接するグラフェン同士が結合し、より巨大な網目状あるはシー
ト状となる。また、当該還元処理において、酸素の脱離により、グラフェン内には間隙が
形成される。更には、グラフェン同士が基体の表面に対して、平行に重なり合う。この結
果、グラフェンの層間及びグラフェン内の間隙においてイオンの移動が可能なグラフェン
が形成される。
本実施の形態により、図１（Ｂ）に示す負極２０６ａを形成することができる。
なお、シリコン基板２００上に保護層を形成し、当該保護層上にマスク２０８ａ〜２０８
ｅを形成し、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、分離された保護層２０７（図１（
Ｃ）参照。）を形成した後、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅ及び分離された保護層を用い
てシリコン基板２００を選択的にエッチングすることで、図１（Ｃ）に示す負極２０６ｂ
を形成することができる。このとき、複数の突起２０２ｂの高さが高い場合、即ちエッチ
ング時間が長い場合、エッチング工程においてマスクの厚さが徐々に薄くなり、一部のマ
スクが除去され、シリコン基板２００が露出されてしまう。この結果、突起の高さにばら
つきが生じるが、分離された保護層２０７をハードマスクとして用いることで、シリコン
基板２００の露出を妨げることが可能であり、突起の高さのばらつきを低減することがで
きる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なる構造の負極及びその作製方法について、図５及
び図６を用いて説明する。本実施の形態で説明する負極は、実施の形態１と比較して、集
電体を有する点が異なる。
図５（Ａ）は負極２１６の断面図である。負極２１６は、集電体２１１上に活物質層２１
５が設けられる。
ここで、負極２１６の詳細な構造について、図５（Ｂ）乃至図５（Ｄ）を用いて説明する
。ここでは、負極２１６に含まれる活物質層２１５の代表形態を、図５（Ｂ）乃至図５（
Ｄ）において、それぞれ活物質層２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとして説明する。
図５（Ｂ）は、集電体２１１及び活物質層２１５ａの拡大断面図である。集電体２１１上
に活物質層２１５ａが設けられる。また、活物質層２１５ａは、活物質２１２及び活物質
２１２上に設けられるグラフェン２１４を有する。また、活物質２１２は、共通部２１２
ａ、及び共通部２１２ａから突出する複数の突起２１２ｂを有する。また、複数の突起２
１２ｂの長手方向は、揃っている。すなわち、複数の突起２１２ｂの軸２４１が揃ってい
る。なお、突起の軸２４１とは、突起の頂点（または上面の中心）と、突起が共通部と接
する面の中心とを通る直線をいう。すなわち、突起の長手方向における中心を通る直線を
いう。
また、集電体２１１としてシリサイドを形成する金属材料を用いる場合、集電体２１１に
おいて、活物質２１２と接する側にシリサイド層が形成される場合がある。集電体２１１
にシリサイドを形成する金属材料を用いると、チタンシリサイド、ジルコニウムシリサイ
ド、ハフニウムシリサイド、バナジウムシリサイド、ニオブシリサイド、タンタルシリサ
イド、クロムシリサイド、モリブデンシリサイド、コバルシリサイド、ニッケルシリサイ
ド等がシリサイド層として形成される。
集電体２１１は、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、アルミニウム、銅、チタン等に代表
される金属、及びこれらの合金など、導電性の高い材料を用いることができる。なお、集
電体２１１として、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱
性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることが好ましい。また、集電
体２１１として、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。
シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハ
フニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバル
ト、ニッケル等がある。
集電体２１１は、箔状、板状（シート状）、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメ
タル状等の形状を適宜用いることができる。
活物質２１２は、実施の形態１に示す活物質２０２と同様の材料を適宜用いることができ
る。
共通部２１２ａは、実施の形態１に示す共通部２０２ａと同様に、複数の突起２１２ｂの
下地層として機能し、集電体２１１上に連続している層である。また、共通部２１２ａ及
び複数の突起２１２ｂは接している。
複数の突起２１２ｂは、実施の形態１に示す複数の突起２０２ｂの形状を適宜用いること
ができる。
共通部２１２ａ及び複数の突起２１２ｂは適宜、単結晶構造、多結晶構造、または非晶質
構造とすることができる。また、微結晶構造等、これらの中間に位置する結晶構造とする
ことができる。さらに、共通部２１２ａを単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起
２１２ｂを非晶質構造とすることができる。または、共通部２１２ａ及び複数の突起２１
２ｂの一部を単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起２１２ｂの他部を非晶質構造
とすることができる。なお、当該複数の突起２１２ｂの一部は少なくとも共通部２１２ａ
と接する領域を含む。
複数の突起２１２ｂの幅及び高さは、実施の形態１に示す突起２０２ｂと同様にすること
ができる。
グラフェン２１４は、実施の形態１に示すグラフェン２０４を適宜用いることができる。
なお、図５（Ｃ）の活物質層２１５ｂに示すように、共通部を有さず、集電体２１１上に
分離された複数の突起２１２ｂが設けられ、集電体２１１及び複数の突起２１２ｂ上にグ
ラフェン２１４が形成されてもよい。複数の突起２１２ｂの軸２５１が揃っている。ここ
での突起２１２ｂの軸２５１とは、突起の頂点（または上面の中心）と、突起２１２ｂが
集電体２１１と接する面の中心とを通る直線をいう。すなわち、突起の長手方向における
中心を通る直線をいう。
グラフェン２１４は集電体２１１の一部と接するため、グラフェン２１４において電子が
流れやすくなり、キャリアイオン及び活物質の反応性を高めることができる。
また、図５（Ｄ）に示す活物質層２１５ｃのように、複数の突起２１２ｂの先端及びグラ
フェン２１４の間に保護層２１７を設けてもよい。保護層２１７は、実施の形態１に示す
保護層２０７と同様の材料を適宜用いることができる。ここでは、図５（Ｂ）に示す活物
質２１２を用いて説明したが、図５（Ｃ）に示す活物質に保護層２１７を設けてもよい。
本実施の形態に示す負極は、集電体２１１を支持体として、活物質層を設けることができ
る。このため、集電体２１１が箔状、網状等の可撓性を有する場合、可撓性を有する負極
を作製することができる。
次に、負極２１６の作製方法について図６を用いて説明する。ここでは、活物質層２１５
の一形態として、図５（Ｂ）に示す活物質層２１５ａを用いて説明する。
図６（Ａ）に示すように、集電体２１１上にシリコン層２１０を形成する。次に、シリコ
ン層２１０に、実施の形態１と同様に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを形成する。
シリコン層２１０は、ＣＶＤ法、スパッタリング法等を適宜用いて形成することができる
。シリコン層２１０としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または非晶質シリコン
を用いて形成する。なお、シリコン層２１０は、リンが添加されたｎ型シリコン層、ボロ
ンが添加されたｐ型シリコン層としてもよい。
次に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、シリコン層２１０を選択的にエッチングして
、図６（Ｂ）に示すように、活物質２１２を形成する。シリコン層２１０のエッチング方
法としては、ドライエッチング法、ウエットエッチング法を適宜用いることができる。な
お、ドライエッチング法でも、ボッシュ法を用いることで、高さの高い突起を形成するこ
とができる。
次に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを除去した後、活物質２１２上に、グラフェン２１４を
形成することで、集電体２１１上に活物質層２１５ａを有する負極２１６を作製すること
ができる。
グラフェン２１４は、実施の形態１に示すグラフェン２０４と同様に形成することができ
る。
なお、図６（Ｂ）において、共通部２１２ａをエッチングし、集電体２１１を露出させる
ことで、図５（Ｃ）に示す活物質層２１５ｂを有する負極を作製することができる。
また、シリコン層２１０上に保護層を形成し、当該保護層上にマスク２０８ａ〜２０８ｅ
を形成し、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、分離された保護層２１７（図５（Ｃ
）参照。）を形成した後、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅ及び分離された保護層２１７を
用いてシリコン層２１０を選択的にエッチングすることで、図５（Ｄ）に示すような活物
質層２１５ｃを有する負極を形成することができる。このとき、複数の突起２１２ｂの高
さが高い場合、即ちエッチング時間が長い場合、エッチング工程においてマスクの厚さが
徐々に薄くなり、一部のマスクが除去され、シリコン層２１０が露出されてしまう。この
結果、突起の高さにばらつきが生じるが、分離された保護層２１７をハードマスクとして
用いることで、シリコン層２１０の露出を妨げることが可能であり、突起の高さのばらつ
きを低減することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２と異なる負極の構造及びその作製方法
について、図７乃至図１１を用いて説明する。
図７（Ａ）は負極２６６の断面図である。負極２６６が、活物質として機能する構造であ
る。
ここで、負極２６６の詳細な構造について、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）を用いて説明する
。なお、負極２６６の代表形態を、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）において、それぞれ負極２
６６ａ、２６６ｂとして説明する。
図７（Ｂ）は、負極２６６ａの拡大断面図である。負極２６６ａは、活物質２６２、及び
活物質２６２上に設けられるグラフェン２６４を有する。また、活物質２６２は、共通部
２６２ａ、及び共通部２６２ａから突出する複数の突起２６２ｂを有する。グラフェン２
６４は、活物質２６２の少なくとも一部を覆っている。また、活物質２６２の共通部２６
２ａ及び複数の突起２６２ｂの表面を覆っていてもよい。
活物質２６２としては、実施の形態１に示す活物質２０２に列挙する材料の一以上を用い
る。
共通部２６２ａは、複数の突起２６２ｂの下地層として機能する。また、共通部２６２ａ
は連続した層であり、共通部２６２ａ及び複数の突起２６２ｂは接している。
突起２６２ｂは、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示すように、縦断面形状において、突起
２６２ｂの先端部分より、共通部２６２ａと接する突起２６２ｂの根元部分の幅が大きい
形状である。また、突起２６２ｂは円柱状２８１（図８（Ａ）参照。）または角柱状等の
柱状、円錐状２８２（図８（Ｂ）参照。）または角錐状等の錐体状、板状２８３（図８（
Ｃ）参照。）、パイプ状２８４（図８（Ｄ）参照）。）等の形状を適宜有することができ
る。なお、突起２６２ｂの頂部または稜は湾曲していてもよい。図７（Ｂ）においては、
突起２６２ｂとして円柱状の突起を用いて示す。
このように、複数の突起は、縦断面形状において、突起２６２ｂの先端部分より、共通部
２６２ａと接する突起２６２ｂの根元部分の幅が大きい形状である。つまり、当該複数の
突起は、先端部分よりも根元部分が太い形状をしている。そのため、機械的強度が向上し
、さらに充放電反応による活物質の膨張及び収縮に対しても、微粉化及び剥離などの劣化
を抑制することができる。さらに、先端部分よりも根元部分が太い形状である複数の突起
を負極に用いて、電池のセル組みを行った場合において、たとえ複数の突起の先端部分が
、セパレータなどと接触して折れてしまっても、複数の突起の根元部分は強度が強いため
残りやすい。そのため、電池のセル組みによる歩留まりを向上させることができる。
本実施の形態に示す電極の上面形状について、図９を用いて説明する。
図９（Ａ）は、共通部２６２ａと、共通部２６２ａから突出する複数の突起２６２ｂの上
面図である。ここでは、上面形状が円形である複数の突起２６２ｂが配置されている。ま
た、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示すように、縦断面形状において、突起２６２ｂの先
端部分より、共通部２６２ａと接する突起２６２ｂの根元部分の幅が大きい形状であるた
め、上面形状において、突起２６２ｂは、異なる２つの円形で表される。なお、本実施の
形態においては、上面形状において２つの異なる断面積からなる円形によって示される突
起２６２ｂを示したが、これに限られるものではなく、２つ以上の異なる断面積からなる
円形で示される突起を用いてもよい。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）を方向ａに移動したとき
の上面図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）おいて、複数の突起２６２ｂの位置が同一で
ある。すなわち、図９（Ａ）に示す複数の突起２６２ｂは並進対称性を有する。なお、こ
こでは、図９（Ａ）において、方向ａに移動したが、方向ｂ、方向ｃにそれぞれ移動して
も、図９（Ｂ）と同様の配置となる。
また、複数の突起２６２ｂにおいて、破線２６９で示す対称性の単位において、突起２６
２ｂが占める割合は、２５％以上６０％以下が好ましい。すなわち、対称性の単位の空隙
率は４０％以上７５％以下であることが好ましい。対称性の単位において、突起２６２ｂ
の占める割合を２５％以上とすると、負極における充放電の理論容量を約１０００ｍＡｈ
／ｇ以上とすることができる。一方、６０％以下とすることで、充放電容量を最大（すな
わち、理論容量）とし、隣り合う突起が膨張しても突起同士が接触せず、突起の崩壊を防
ぐことができる。この結果、高い充放電容量を達成すると共に、充放電による負極の劣化
を低減することができる。
また、図９（Ｃ）は、共通部２６２ａと、共通部２６２ａから突出する複数の突起の上面
図である。ここでは、上面形状が円形である突起２６２ｂと、上面形状が正方形である突
起２６２ｃが交互に配置されている。図９（Ｄ）は、突起２６２ｂ、２６２ｃを方向ｂに
移動したときの上面図である。図９（Ｃ）及び図９（Ｄ）の上面図において、突起２６２
ｂ、２６２ｃの配置が同一である。すなわち、図９（Ｃ）に示す複数の突起２６２ｂ、２
６２ｃは並進対称性を有する。
複数の突起を、並進対称性を有するように配置することで、複数の突起それぞれの電子伝
導性のばらつきを低減することができる。このため、正極及び負極においての局所的な反
応が低減され、キャリアイオン及び活物質の反応が均一に生じ、拡散過電圧（濃度過電圧
）を防ぐと共に、電池特性の信頼性を高めることができる。
共通部２６２ａ及び複数の突起２６２ｂは適宜、単結晶構造または多結晶構造とすること
ができる。または、共通部２６２ａを単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起２６
２ｂを非晶質構造とすることができる。または、共通部２６２ａ及び複数の突起２６２ｂ
の一部を単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起２６２ｂの他部を非晶質構造とす
ることができる。なお、当該複数の突起２６２ｂの一部とは少なくとも共通部２６２ａと
接する領域を含む。
なお、共通部２６２ａ及び複数の突起２６２ｂの界面は明確でない。このため、活物質２
６２において、複数の突起２６２ｂの間に形成される谷のうち最も深い谷の底を含み、且
つ活物質２６２において、突起２６２ｂが形成される面と平行な面を、共通部２６２ａ及
び複数の突起２６２ｂの界面２３３として定義する。
また、複数の突起２６２ｂの長手方向は、揃っている。すなわち、複数の突起２６２ｂの
軸２３１が揃っている。さらに好ましくは、複数の突起２６２ｂのそれぞれの形状が略同
一である。このような構造とすることで、活物質の体積を制御することが可能である。な
お、突起の軸２３１とは、突起の頂点（または上面の中心）と、突起が共通部と接する面
の中心とを通る直線をいう。すなわち、突起の長手方向における中心を通る直線をいう。
なお、複数の突起の軸が揃っているとは、複数の突起それぞれの軸が略一致することをい
い、代表的には、複数の突起それぞれの軸でなす角度が１０度以下、好ましくは５度以下
である。
なお、複数の突起２６２ｂが共通部２６２ａから伸張している方向を長手方向と呼び、長
手方向に切断した断面形状を縦断面形状と呼ぶ。また、複数の突起２６２ｂの長手方向と
略垂直な面において切断した断面形状を横断面形状と呼ぶ。
複数の突起２６２ｂについて、根元部分における横断面形状の幅は、０．１μｍ以上１μ
ｍ以下、好ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。また、複数の突起２６２ｂの
高さは、複数の突起２６２ｂの根元部分の幅の５倍以上１００倍以下、好ましくは１０倍
以上５０倍以下であり、代表的には０．５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは１μｍ以
上５０μｍ以下である。
複数の突起２６２ｂの根元部分における横断面形状の幅を、０．１μｍ以上とすることで
、充放電容量を高めることが可能であり、１μｍ以下とすることで、充放電において突起
が膨張しても、崩壊することを抑制することができる。また、複数の突起２６２ｂの高さ
を、０．５μｍ以上とすることで、充放電容量を高めることが可能であり、１００μｍ以
下とすることで、充放電において突起が膨張しても、崩壊することを抑制することができ
る。
なお、複数の突起２６２ｂにおける「高さ」とは、縦断面形状において、複数の突起２６
２ｂの頂点（または上面の中心）を通る軸に沿う方向の該頂点と共通部２６２ａの間隔を
いう。
また、複数の突起２６２ｂはそれぞれ、一定の間隔を空けて共通部２６２ａ上に設けられ
る。複数の突起２６２ｂの間隔は、複数の突起２６２ｂの根元部分の幅の１．２９倍以上
２倍以下とすることが好ましい。この結果、当該負極を用いた蓄電装置の充電により複数
の突起２６２ｂの体積が膨張しても、複数の突起２６２ｂ同士が接触せず、複数の突起２
６２ｂの崩壊を妨げることができると共に、蓄電装置の充放電容量の低下を妨げることが
できる。
グラフェン２６４は、導電助剤として機能する。また、グラフェン２６４は、活物質とし
て機能する場合もある。グラフェン２６４としては、実施の形態１に示すグラフェン２０
４を適宜用いることができる。
また、負極２６６の活物質２６２において共通部２６２ａから複数の突起２６２ｂが突出
しているため、板状の活物質に比べて表面積が広い。また、複数の突起の軸が揃っており
、さらに共通部に対して垂直方向に突出しているため、負極において突起の密度を高める
ことが可能であり、より表面積を増加させることができる。また、複数の突起の間には隙
間が設けられており、さらに、活物質をグラフェンが覆うため、充電により活物質が膨張
しても、突起同士の接触を低減することが可能である。さらに、活物質が剥離してもグラ
フェンにより、活物質の崩落を防ぐことができる。また、複数の突起は並進対称性を有し
、負極において均一性高く形成されているため、正極及び負極においての局所的な反応が
低減し、キャリアイオン及び活物質の反応が正極及び負極の間で均一に生じる。これらの
ため、負極２６６を蓄電装置に用いた場合、高速な充放電が可能となると共に、充放電に
よる活物質の崩壊及び剥離を抑制でき、サイクル特性がさらに向上した蓄電装置を作製す
ることができる。さらには、突起の形状が略一致することで、局所的な充放電を低減する
と共に、活物質の重量を制御することが可能である。また、突起の高さが揃っていると、
電池の作製工程時において局所的な荷重を防ぐことが可能であり、歩留まりを高めること
ができる。これらのため、電池の仕様を制御しやすい。
また、蓄電装置において、活物質２６２表面が電解質と接触することにより、電解質及び
活物質が反応し、活物質の表面に被膜が形成される。当該被膜はＳＥＩと呼ばれ、活物質
と電解質の反応を緩和し、安定化させるために必要であると考えられている。しかしなが
ら、当該被膜が厚くなると、キャリアイオンが活物質に吸蔵されにくくなり、活物質と電
解質間のキャリアイオン伝導性の低下などの問題がある。
活物質２６２をグラフェン２６４で被覆することで、当該被膜の膜厚の増加を抑制するこ
とが可能であり、キャリアイオン伝導性の低下を抑制することができる。
また、グラフェンは導電性が高いため、シリコンをグラフェンで被覆することで、グラフ
ェンにおいて電子の移動を十分速くすることができる。また、グラフェンは厚さの薄いシ
ート状であるため、複数の突起をグラフェンで覆うことで、活物質層に含まれる活物質量
をより多くすることが可能であると共に、キャリアイオンの移動がグラファイトより容易
となる。これらの結果、キャリアイオンの伝導性を高めることができ、活物質であるシリ
コン及びキャリアイオンの反応性を高めることが可能であり、キャリアイオンが活物質に
吸蔵されやすくなる。このため、当該負極を用いた蓄電装置において、急速充放電が可能
である。
なお、実施の形態１に示す活物質２０２及びグラフェン２０４の間と同様に、活物質２６
２とグラフェン２６４の間に、酸化シリコン層を有してもよい。このとき、複数の突起２
６２ｂの側面はグラフェン２６４と接する。
また、図７（Ｃ）に示す負極２６６ｂのように、活物質２６２に含まれる複数の突起２６
２ｂの頂部及びグラフェン２６４の間に、保護層２７７を設けてもよい。
保護層２７７は、実施の形態１に示す保護層２０７と同様に形成することができる。
次に、負極２６６の作製方法について図１０及び図１１を用いて説明する。ここでは、負
極２６６の一形態として、図７（Ｂ）に示す負極２６６ａを用いて説明する。
図１０（Ａ）に示すように、シリコン基板２６０上にマスク２６８ａ〜２６８ｅを形成す
る。
シリコン基板２６０は、実施の形態１に示すシリコン基板２００を適宜用いることができ
る。
マスク２６８ａ〜２６８ｅは、実施の形態１に示すマスク２０８ａ〜２０８ｅと同様に形
成することができる。
次に、マスク２６８ａ〜２６８ｅを用いて、シリコン基板２６０を選択的にエッチングし
て、図１０（Ｂ）に示すように、活物質２６１を形成する。シリコン基板２６０のエッチ
ング方法は、シリコン基板２００のエッチング方法を適宜用いることができる。
次に、酸素プラズマ処理などによってマスク２６８ａ〜２６８ｅを後退させ、図１０（Ｃ
）に示すようにマスク２６８ｆ〜２６８ｊを形成する。
次に、マスク２６８ｆ〜２６８ｊを用いて、活物質２６１を選択的にエッチングして、図
１１（Ａ）に示すように、共通部２６２ａ及び複数の突起２６２ｂを有する活物質２６２
を形成することができる。なお、ここでは、共通部２６２ａが残存すると共に、縦断面形
状において、突起２６２ｂの先端部分より、共通部２６２ａと接する突起２６２ｂの根元
部分の幅が大きい形状となるように、エッチング時間を調整する。活物質２６１のエッチ
ング方法は、上記シリコン基板２６０のエッチングと同様に行うことができる。
本実施の形態に示すように、マスクを用いてシリコン基板をエッチングすることで、軸が
揃っている複数の突起を形成することができる。さらには、形状が略一致している複数の
突起を形成することができる。
次に、マスク２６８ｆ〜２６８ｊを除去した後に、活物質２６２上にグラフェン２６４を
形成することで、図１１（Ｂ）に示すように、負極２６６ａを作製することができる。
グラフェン２６４の形成方法としては、実施の形態１に示すグラフェン２０４の形成方法
を適宜用いることができる。
本実施の形態により、図７（Ｂ）に示す負極２６６ａを形成することができる。
なお、シリコン基板２６０上に保護層を形成し、当該保護層上にマスク２６８ａ〜２６８
ｅを形成し、当該マスク２６８ａ〜２６８ｅを用いて、分離された保護層を形成した後、
当該マスク２６８ａ〜２６８ｅ及び分離された保護層を用いてシリコン基板２６０を選択
的にエッチングし、その後酸素プラズマ処理などによってマスク２６８ａ〜２６８ｅを後
退させて、新たなマスク２６８ｆ〜２６８ｊおよび保護層２６７（図７（Ｃ）参照。）を
形成し、当該マスク２６８ｆ〜２６８ｊ及び分離された保護層２６７を用いて、さらに選
択的にエッチングすることで、図７（Ｃ）に示す負極２６６ｂを形成することができる。
このとき、複数の突起２６２ｂの高さが高い場合、即ちエッチング時間が長い場合、エッ
チング工程においてマスクの厚さが徐々に薄くなり、一部のマスクが除去され、シリコン
基板２６０が露出されてしまう。この結果、突起の高さにばらつきが生じるが、分離され
た保護層２６７をハードマスクとして用いることで、シリコン基板２６０の露出を妨げる
ことが可能であり、突起の高さのばらつきを低減することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３と異なる構造の負極及びその作製方法
について、図１２乃至図１４を用いて説明する。本実施の形態で説明する負極は、実施の
形態１及び実施の形態３と比較して、集電体を有する点が異なる。また、実施の形態２と
比較して、突起の形状が異なる。
図１２（Ａ）は負極２７６の断面図である。負極２７６は、集電体２７１上に活物質層２
７５が設けられる。
ここで、負極２７６の詳細な構造について、図１２（Ｂ）乃至図１２（Ｄ）を用いて説明
する。ここでは、負極２７６に含まれる活物質層２７５の代表形態を、図１２（Ｂ）乃至
図１２（Ｄ）において、それぞれ活物質層２７５ａ、２７５ｂ、２７５ｃとして説明する
。
図１２（Ｂ）は、集電体２７１及び活物質層２７５ａの拡大断面図である。集電体２７１
上に活物質層２７５ａが設けられる。また、活物質層２７５ａは、活物質２７２及び活物
質２７２上に設けられるグラフェン２７４を有する。また、活物質２７２は、共通部２７
２ａ、及び共通部２７２ａから突出する複数の突起２７２ｂを有する。また、複数の突起
２７２ｂの長手方向は、揃っている。すなわち、複数の突起２７２ｂの軸２４１が揃って
いる。
複数の突起２７２ｂは、図１２（Ｂ）乃至図１２（Ｄ）に示すように、縦断面形状におい
て、複数の突起２７２ｂの先端部分より、共通部または集電体と接する複数の突起２７２
ｂの根元部分の幅が大きい形状である。
このように、複数の突起は、縦断面形状において、突起２７２ｂの先端部分より、共通部
または集電体と接する突起２７２ｂの根元部分の幅が大きい形状である。つまり、当該複
数の突起は、先端部分よりも根元部分が太い形状をしている。そのため、機械的強度が向
上し、さらに充放電反応による活物質の膨張及び収縮に対しても、微粉化及び剥離などの
劣化を抑制することができる。さらに、先端部分よりも根元部分が太い形状である複数の
突起を負極に用いて、電池のセル組みを行った場合において、たとえ複数の突起の先端部
分が、セパレータなどと接触して折れてしまっても、複数の突起の根元部分は強度が強い
ため残りやすい。そのため、電池のセル組みによる歩留まりを向上させることができる。
集電体２７１は、実施の形態２に示す集電体２１１を適宜用いることができる。
活物質２７２は、実施の形態１に示す活物質２０２と同様の材料を適宜用いることができ
る。
共通部２７２ａは、実施の形態３に示す共通部２６２ａと同様に、複数の突起２７２ｂの
下地層として機能し、集電体２７１上に連続している層である。また、共通部２７２ａ及
び複数の突起２７２ｂは接している。
複数の突起２７２ｂは、実施の形態３に示す複数の突起２６２ｂの形状を適宜用いること
ができる。
共通部２７２ａ及び複数の突起２７２ｂは適宜、単結晶構造、多結晶構造、または非晶質
構造とすることができる。また、微結晶構造等、これらの中間に位置する結晶構造とする
ことができる。さらに、共通部２７２ａを単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起
２７２ｂを非晶質構造とすることができる。または、共通部２７２ａ及び複数の突起２７
２ｂの一部を単結晶構造または多結晶構造とし、複数の突起２７２ｂの他部を非晶質構造
とすることができる。なお、当該複数の突起２７２ｂの一部とは少なくとも共通部２７２
ａと接する領域を含む。
複数の突起２７２ｂの幅及び高さは、実施の形態３に示す突起２６２ｂと同様にすること
ができる。
グラフェン２７４は、実施の形態３に示すグラフェン２６４と同様の構造を適宜用いるこ
とができる。
なお、図１２（Ｃ）の活物質層２７５ｂに示すように、共通部を有さず、集電体２７１上
に分離された複数の突起２７２ｂが設けられ、集電体２７１及び複数の突起２７２ｂ上に
グラフェン２７４が形成されてもよい。複数の突起２７２ｂの軸２５１が揃っている。
グラフェン２７４は集電体２７１の一部と接するため、グラフェン２７４において電子が
流れやすくなり、キャリアイオン及び活物質の反応性を高めることができる。
また、図１２（Ｄ）に示す活物質層２７５ｃのように、複数の突起２７２ｂの先端及びグ
ラフェン２７４の間に保護層２７７を設けてもよい。保護層２７７は、実施の形態１に示
す保護層２０７と同様の材料を適宜用いることができる。ここでは、図１２（Ｂ）に示す
活物質２７２を用いて説明したが、図１２（Ｃ）に示す活物質に保護層２７７を設けても
よい。
本実施の形態に示す負極は、集電体２７１を支持体として、活物質層を設けることができ
る。このため、集電体２７１が箔状、網状等の可撓性を有する場合、可撓性を有する負極
を作製することができる。
次に、負極２７６の作製方法について図１３及び図１４を用いて説明する。ここでは、活
物質層２７５の一形態として、図１２（Ｂ）に示す活物質層２７５ａを用いて説明する。
図１３（Ａ）に示すように、集電体２７１上に、実施の形態２と同様にシリコン層２７０
を形成する。次に、シリコン層２７０に、実施の形態１と同様に、マスク２６８ａ〜２６
８ｅを形成する。
次に、マスク２６８ａ〜２６８ｅを用いて、シリコン層２７０を選択的にエッチングして
、図１３（Ｂ）に示すように、活物質２８０を形成する。シリコン層２７０のエッチング
方法としては、実施の形態１に示すエッチング法を適宜用いることができる。
次に、酸素プラズマ処理などによってマスク２６８ａ〜２６８ｅを後退させ、図１３（Ｃ
）に示すようにマスク２６８ｆ〜２６８ｊを形成する。
次に、マスク２６８ｆ〜２６８ｊを用いて、活物質２８０を選択的にエッチングして、図
１４（Ａ）に示すように、共通部２７２ａ及び複数の突起２７２ｂを有する活物質２７２
を形成することができる。なお、ここでは、共通部２７２ａが残存すると共に、縦断面形
状において、突起２７２ｂの先端部分より、共通部２７２ａと接する突起２７２ｂの根元
部分の幅が大きい形状となるように、エッチング時間を調整する。活物質２８０のエッチ
ング方法は、上記シリコン層２７０のエッチングと同様に行うことができる。
次に、マスク２６８ｆ〜２６８ｊを除去した後に、活物質２７２上にグラフェン２７４を
形成することで、図１４（Ｂ）に示すように、集電体２７１上に活物質層２７５ａを有す
る負極を作製することができる。
グラフェン２７４は、実施の形態１に示すグラフェン２０４と同様に形成することができ
る。
なお、図１４（Ａ）において、共通部２７２ａをエッチングし、集電体２７１を露出させ
ることで、図１２（Ｃ）に示す活物質層２７５ｂを有する負極を作製することができる。
また、シリコン層２７０上に保護層を形成し、当該保護層上にマスク２６８ａ〜２６８ｅ
を形成し、当該マスク２６８ａ〜２６８ｅを用いて、分離された保護層を形成した後、当
該マスク２６８ａ〜２６８ｅ及び分離された保護層を用いてシリコン層２７０を選択的に
エッチングし、その後酸素プラズマ処理などによってマスク２６８ａ〜２６８ｅを後退さ
せて、新たなマスク２６８ｆ〜２６８ｊおよび保護層２７７（図１２（Ｄ）参照。）を形
成し、当該マスク２６８ｆ〜２６８ｊ及び分離された保護層２７７を用いて、さらに選択
的にエッチングすることで、図１２（Ｄ）に示す負極を形成することができる。このとき
、複数の突起２７２ｂの高さが高い場合、即ちエッチング時間が長い場合、エッチング工
程においてマスクの厚さが徐々に薄くなり、一部のマスクが除去され、シリコン層２７０
が露出されてしまう。この結果、突起の高さにばらつきが生じるが、分離された保護層２
７７をハードマスクとして用いることで、シリコン層２７０の露出を妨げることが可能で
あり、突起の高さのばらつきを低減することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態４とは異なる負極の構造及びその作製方
法について、図１５乃至図１７を用いて説明する。なお、本実施の形態では、実施の形態
１を用いて説明するが、適宜実施の形態３に本実施の形態を適用してもよい。
図１５（Ａ）は負極２０６の断面図である。負極２０６が、活物質として機能する構造で
ある。また、負極２０６上にスペーサとして機能する絶縁層（以下、スペーサ２０９と示
す。）を有する。
ここで、負極２０６の詳細な構造について、図１５（Ｂ）及び図１５（Ｃ）を用いて説明
する。なお、負極２０６の代表形態を、図１５（Ｂ）及び図１５（Ｃ）において、それぞ
れ負極２０６ａ、２０６ｂとして説明する。
図１５（Ｂ）は、負極２０６ａ及びスペーサ２０９の拡大断面図である。負極２０６ａは
、活物質２０２、及び活物質２０２上に設けられるグラフェン２０４を有する。また、活
物質２０２は、共通部２０２ａ、及び共通部２０２ａから突出する複数の突起２０２ｂを
有する。また、負極２０６ａのグラフェン２０４上にスペーサ２０９を有する。
スペーサ２０９は、絶縁性を有し、且つ電解質と反応しない材料を用いて形成する。代表
的には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド、ポリアミド等の有
機材料、ガラスペースト、ガラスフリット、ガラスリボン等の低融点ガラスの材料等を用
いることができる。なお、上記絶縁性を有し、且つ電解質と反応しない材料に、後に説明
する電解質の溶質を混合させてもよい。この結果、スペーサ２０９は固体電解質としても
機能する。
スペーサ２０９の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上７μｍ以下と
することが好ましい。この結果、従来の蓄電装置のように、正極及び負極の間に厚さ数十
μｍのセパレータを設けた場合と比較して、正極及び負極の間隔を狭めることが可能であ
り、正極及び負極の間のキャリアイオンの移動距離を短くできる。このため、正極及び負
極の接触を防ぐと共に、蓄電装置内に含まれるキャリアイオンを充放電に有効活用できる
。
スペーサ２０９の形状について、図１６を用いて説明する。図１６は負極２０６の上面図
である。スペーサ２０９の代表形態を、図１６（Ａ）乃至図１６（Ｃ）において、それぞ
れスペーサ２０９ａ〜２０９ｃとして説明する。また、図１６において、複数の突起２０
２ｂを破線で示し、スペーサ２０９ａ〜２０９ｃを実線で示す。
図１６（Ａ）は、突起２０２ｂそれぞれに一つのスペーサ２０９ａが設けられる負極２０
６の上面図である。ここでは、スペーサ２０９ａの形状を円形としているが、適宜多角形
としてもよい。
図１６（Ｂ）は、突起２０２ｂ上に矩形状のスペーサ２０９ｂが設けられる負極２０６の
上面図である。ここでは、複数の突起２０２ｂを直線上でまたぐように一つのスペーサ２
０９ｂが設けられる。なお、ここでは、スペーサ２０９ｂの側面は直線状であるが、曲線
状であってもよい。
図１６（Ｃ）は、突起２０２ｂ上に格子状のスペーサ２０９ｃが設けられる負極２０６の
上面図である。ここでは、複数の突起２０２ｂの先端上に一つのスペーサ２０９ｃが設け
られる。
なお、スペーサ２０９は、図１６の形状に限定されず、一部開口部を有していればよく、
円または多角形の閉ループ状でもよい。
スペーサ２０９を負極２０６上に設けることで、後に形成する蓄電装置において、セパレ
ータが不要である。この結果、蓄電装置の部品数を削減することが可能であり、コストを
削減できる。
また、図１５（Ｃ）に示す負極２０６ｂのように、活物質２０２に含まれる複数の突起２
０２ｂの頂部及びグラフェン２０４の間に、保護層２０７を設けてもよい。
次に、負極２０６の作製方法について図１７を用いて説明する。ここでは、負極２０６の
一形態として、図１５（Ｂ）に示す負極２０６ａを用いて説明する。
図１７（Ａ）に示すように、実施の形態１と同様に、シリコン基板２００上にマスク２０
８ａ〜２０８ｅを形成する。
次に、実施の形態１と同様に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、シリコン基板２００
を選択的にエッチングして、図１７（Ｂ）に示すように、活物質２０２を形成する。
次に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを除去した後に、実施の形態１と同様に、活物質２０２
上にグラフェン２０４を形成することで、図１７（Ｃ）に示すように、負極２０６ａを作
製することができる。
次に、グラフェン２０４上にスペーサ２０９を形成する（図１７（Ｃ）参照。）。スペー
サ２０９は、印刷法、インクジェット法等を用いて、選択的にスペーサ２０９の材料を含
む組成物を突起上に設けた後、加熱することで、スペーサ２０９の材料を含む組成物の溶
媒を気化させ、スペーサ２０９を形成することができる。または、スペーサ２０９の材料
を含む組成物に突起の先端のみを浸漬した後、加熱することで、スペーサ２０９の材料を
含む組成物の溶媒を気化させ、スペーサ２０９を形成することができる。
本実施の形態により、図１５（Ｂ）に示す負極２０６ａを形成することができる。
なお、シリコン基板２００上に保護層を形成し、当該保護層上にマスク２０８ａ〜２０８
ｅを形成し、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、分離された保護層２０７（図１５
（Ｃ）参照。）を形成した後、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅ及び分離された保護層を用
いてシリコン基板２００を選択的にエッチングする。この後、グラフェン２０４及びスペ
ーサ２０９を形成することで、図１５（Ｃ）に示す負極２０６ｂを形成することができる
。このとき、複数の突起２０２ｂの高さが高い場合、即ちエッチング時間が長い場合、エ
ッチング工程においてマスクの厚さが徐々に薄くなり、一部のマスクが除去され、シリコ
ン基板２００が露出されてしまう。この結果、突起の高さにばらつきが生じるが、分離さ
れた保護層２０７をハードマスクとして用いることで、シリコン基板２００の露出を妨げ
ることが可能であり、突起の高さのばらつきを低減することができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態５と異なる構造の負極及びその作製方法
について、図１８及び図１９を用いて説明する。本実施の形態で説明する負極は、実施の
形態５と比較して、集電体を有する点が異なる。なお、本実施の形態では、実施の形態２
を用いて説明するが、適宜実施の形態４に本実施の形態を適用してもよい。
図１８（Ａ）は負極２１６の断面図である。負極２１６は、集電体２１１上に活物質層２
１５が設けられる。また、負極２１６上にスペーサとして機能する絶縁層（以下、スペー
サ２１９と示す。）を有する。
ここで、負極２１６の詳細な構造について、図１８（Ｂ）乃至図１８（Ｄ）を用いて説明
する。ここでは、負極２１６に含まれる活物質層２１５の代表形態を、図１８（Ｂ）乃至
図１８（Ｄ）において、それぞれ活物質層２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとして説明する
。
図１８（Ｂ）は、集電体２１１、活物質層２１５ａ及びスペーサ２１９の拡大断面図であ
る。集電体２１１上に活物質層２１５ａが設けられる。また、活物質層２１５ａのグラフ
ェン２１４上にスペーサ２１９を有する。
スペーサ２１９は、実施の形態５に示すスペーサ２０９と同様の材料を適宜用いることが
できる。
なお、図１８（Ｃ）の活物質層２１５ｂに示すように、共通部を有さず、集電体２１１上
に分離された複数の突起２１２ｂが設けられ、集電体２１１及び複数の突起２１２ｂ上に
グラフェン２１４が形成されてもよい。
グラフェン２１４は集電体２１１の一部と接するため、グラフェン２１４において電子が
流れやすくなり、キャリアイオン及び活物質の反応性を高めることができる。
また、図１８（Ｄ）に示す活物質層２１５ｃのように、複数の突起２１２ｂの先端及びグ
ラフェン２１４の間に保護層２１７を設けてもよい。
次に、負極２１６の作製方法について図１９を用いて説明する。ここでは、活物質層２１
５の一形態として、図１８（Ｂ）に示す活物質層２１５ａを用いて説明する。
図１９（Ａ）に示すように、実施の形態２と同様に、集電体２１１上にシリコン層２１０
を形成する。次に、シリコン層２１０に、実施の形態２と同様に、マスク２０８ａ〜２０
８ｅを形成する。
次に、実施の形態１と同様に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、シリコン層２１０を
選択的にエッチングして、図１９（Ｂ）に示すように、活物質２１２を形成する。
次に、実施の形態１と同様に、マスク２０８ａ〜２０８ｅを除去した後に、活物質２１２
上に、グラフェン２１４を形成する。
グラフェン２１４は、実施の形態５に示すグラフェン２０４と同様に形成することができ
る。
次に、グラフェン２１４上にスペーサ２１９を形成する（図１９（Ｃ）参照。）。
スペーサ２１９は、実施の形態５に示すスペーサ２０９と同様に形成することができる。
以上の工程により、集電体２１１上に活物質層２１５ａを有する負極２１６、及びスペー
サ２１９を作製することができる。
なお、図１９（Ｂ）において、共通部２１２ａをエッチングし、集電体２１１を露出させ
ることで、図１８（Ｃ）に示す活物質層２１５ｂを有する負極を作製することができる。
また、シリコン層２１０上に保護層を形成し、当該保護層上にマスク２０８ａ〜２０８ｅ
を形成し、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅを用いて、分離された保護層２１７（図１８（
Ｃ）参照。）を形成した後、当該マスク２０８ａ〜２０８ｅ及び分離された保護層を用い
てシリコン層２１０を選択的にエッチングする。この後、グラフェン２１４及びスペーサ
２１９を形成することで、図１８（Ｄ）に示すような活物質層２１５ｃを有する負極を作
製することができる。このとき、複数の突起２１２ｂの高さが高い場合、即ちエッチング
時間が長い場合、エッチング工程においてマスクの厚さが徐々に薄くなり、一部のマスク
が除去され、シリコン層２１０が露出されてしまう。この結果、突起の高さにばらつきが
生じるが、分離された保護層２１７をハードマスクとして用いることで、シリコン層２１
０の露出を妨げることが可能であり、突起の高さのばらつきを低減することができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、蓄電装置の構造及び作製方法について説明する。
はじめに、正極及びその作製方法について説明する。
図２０（Ａ）は正極３１１の断面図である。正極３１１は、正極集電体３０７上に正極活
物質層３０９が形成される。
正極集電体３０７は、白金、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス等の導電性の高い材
料を用いることができる。また、正極集電体３０７は、箔状、板状、網状等の形状を適宜
用いることができる。
正極活物質層３０９は、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等
のリチウム化合物、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ５、ＭｎＯ２等を材料として用いることができる
。
または、オリビン型構造のリチウム含有複合酸化物（一般式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、Ｆｅ，
Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉの一以上）を用いることができる。一般式ＬｉＭＰＯ４の代表例として
は、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＦｅａＮ
ｉｂＰＯ４、ＬｉＦｅａＣｏｂＰＯ４、ＬｉＦｅａＭｎｂＰＯ４、ＬｉＮｉａＣｏｂＰＯ
４、ＬｉＮｉａＭｎｂＰＯ４（ａ＋ｂは１以下、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＬｉＦｅｃ
ＮｉｄＣｏｅＰＯ４、ＬｉＦｅｃＮｉｄＭｎｅＰＯ４、ＬｉＮｉｃＣｏｄＭｎｅＰＯ４（
ｃ＋ｄ＋ｅは１以下、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、０＜ｅ＜１）、ＬｉＦｅｆＮｉｇＣｏｈ
ＭｎｉＰＯ４（ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉは１以下、０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、０＜ｈ＜１、０＜ｉ
＜１）等のリチウム化合物を材料として用いることができる。
または、一般式Ｌｉ２ＭＳｉＯ４（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉの一以上）等のリチウ
ム含有複合酸化物を用いることができる。一般式Ｌｉ２ＭＳｉＯ４の代表例としては、Ｌ
ｉ２ＦｅＳｉＯ４、Ｌｉ２ＮｉＳｉＯ４、Ｌｉ２ＣｏＳｉＯ４、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４、Ｌ
ｉ２ＦｅｋＮｉｌＳｉＯ４、Ｌｉ２ＦｅｋＣｏｌＳｉＯ４、Ｌｉ２ＦｅｋＭｎｌＳｉＯ４
、Ｌｉ２ＮｉｋＣｏｌＳｉＯ４、Ｌｉ２ＮｉｋＭｎｌＳｉＯ４（ｋ＋ｌは１以下、０＜ｋ
＜１、０＜ｌ＜１）、Ｌｉ２ＦｅｍＮｉｎＣｏｑＳｉＯ４、Ｌｉ２ＦｅｍＮｉｎＭｎｑＳ
ｉＯ４、Ｌｉ２ＮｉｍＣｏｎＭｎｑＳｉＯ４（ｍ＋ｎ＋ｑは１以下、０＜ｍ＜１、０＜ｎ
＜１、０＜ｑ＜１）、Ｌｉ２ＦｅｒＮｉｓＣｏｔＭｎｕＳｉＯ４（ｒ＋ｓ＋ｔ＋ｕは１以
下、０＜ｒ＜１、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜１、０＜ｕ＜１）等のリチウム化合物を材料とし
て用いることができる。
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属
イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、正極活物質層３０９とし
て、上記リチウム化合物及びリチウム含有複合酸化物において、リチウムの代わりに、ア
ルカリ金属（例えば、ナトリウムやカリウム等）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウム等）、ベリリウム、またはマグネシウムを用いてもよい。
図２０（Ｂ）は、正極活物質層３０９の平面図である。正極活物質層３０９は、キャリア
イオンの吸蔵放出が可能な粒子状の正極活物質３２１と、当該正極活物質３２１の複数を
覆いつつ、当該正極活物質３２１が内部に詰められたグラフェン３２３とを有する。複数
の正極活物質３２１の表面を異なるグラフェン３２３が覆う。また、一部において、正極
活物質３２１が露出していてもよい。なお、グラフェン３２３は、実施の形態１に示すグ
ラフェン２０４を適宜用いることができる。
正極活物質３２１の粒径は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。なお、正極活物質
３２１内を電子が移動するため、正極活物質３２１の粒径はより小さい方が好ましい。
また、正極活物質層３０９はグラフェン３２３を有することで、正極活物質３２１の表面
にグラファイト層が被覆されていなくとも十分な特性が得られるが、グラファイト層が被
覆されている正極活物質及びグラフェン３２３を共に用いると、電子が正極活物質間をホ
ッピングし、電流が流れるためより好ましい。
図２０（Ｃ）は、図２０（Ｂ）の正極活物質層３０９の一部における断面図である。正極
活物質層３０９は、正極活物質３２１、及び該正極活物質３２１を覆うグラフェン３２３
を有する。グラフェン３２３は断面図においては線状で観察される。同一のグラフェンま
たは複数のグラフェンにより、複数の正極活物質を内包する。即ち、同一のグラフェンま
たは複数のグラフェンの間に、複数の正極活物質が内在する。なお、グラフェンは袋状に
なっており、該内部において、複数の正極活物質を内包する場合がある。また、グラフェ
ンに覆われず、一部に正極活物質が露出している場合がある。
正極活物質層３０９の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ以下の間で所望の厚さを選択する
。なお、クラックや剥離が生じないように、正極活物質層３０９の厚さを適宜調整するこ
とが好ましい。
なお、正極活物質層３０９には、グラフェンの体積の０．１倍以上１０倍以下のアセチレ
ンブラック粒子や１次元の拡がりを有するカーボン粒子（カーボンナノファイバー等）、
公知のバインダーを有してもよい。
なお、正極活物質においては、キャリアとなるイオンの吸蔵により体積が膨張する材料が
ある。このため、充放電により、正極活物質層が脆くなり、正極活物質層の一部が崩落し
てしまい、この結果蓄電装置の信頼性が低下する。しかしながら、正極活物質の周辺をグ
ラフェン３２３で覆うことで、正極活物質が充放電により体積が増減しても、正極活物質
の分散や正極活物質層の崩落を妨げることが可能である。即ち、グラフェンは、充放電に
ともない正極活物質の体積が増減しても、正極活物質同士の結合を維持する機能を有する
。
また、グラフェン３２３は、複数の正極活物質と接しており、導電助剤としても機能する
。また、キャリアイオンの吸蔵放出が可能な正極活物質３２１を保持する機能を有する。
このため、正極活物質層にバインダーを混合する必要が無く、正極活物質層当たりの正極
活物質量を増加させることが可能であり、蓄電装置の放電容量を高めることができる。
次に、正極活物質層３０９の作製方法について説明する。
粒子状の正極活物質及び酸化グラフェンを含むスラリーを形成する。次に、正極集電体上
に、当該スラリーを塗布した後、実施の形態１に示すグラフェンの作製方法と同様に、還
元雰囲気での加熱により還元処理を行って、正極活物質を焼成すると共に、酸化グラフェ
ンに含まれる酸素を脱離させ、グラフェンに間隙を形成する。なお、酸化グラフェンに含
まれる酸素は全て還元されず、一部の酸素はグラフェンに残存する。以上の工程により、
正極集電体３０７上に正極活物質層３０９を形成することができる。この結果、正極活物
質層の導電性が高まる。
酸化グラフェンは酸素を含むため、極性溶媒中では負に帯電する。この結果、酸化グラフ
ェンは互いに分散する。このため、スラリーに含まれる正極活物質が凝集しにくくなり、
焼成による正極活物質の粒径の増大を低減することができる。このため、正極活物質内の
電子の移動が容易となり、正極活物質層の導電性を高めることができる。
なお、図２１に示すように、正極３１１の表面にスペーサ３３１を設けてもよい。図２１
（Ａ）はスペーサを有する正極の斜視図であり、図２１（Ａ）の一点波線Ａ−Ｂの断面図
を図２１（Ｂ）に示す。
図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）に示すように、正極３１１は、正極集電体３０７上に正極
活物質層３０９が設けられる。また、正極活物質層３０９上にスペーサ３３１が設けられ
る。
スペーサ３３１は、絶縁性を有し、且つ電解質と反応しない材料を用いて形成することが
可能であり、代表的には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド、
ポリアミド、の有機材料、ガラスペースト、ガラスフリット、ガラスリボン等の低融点ガ
ラスを用いることができる。スペーサ３３１を正極３１１上に設けることで、後に形成す
る蓄電装置において、セパレータが不要である。この結果、蓄電装置の部品数を削減する
ことが可能であり、コストを削減できる。
スペーサ３３１は、平面形状を格子状、円または多角形の閉ループ状等の、一部の正極活
物質層３０９を露出させる形状とすることが好ましい。この結果、正極及び負極の接触を
防ぐと共に、正極及び負極の間のキャリアイオンの移動を促すことができる。
スペーサ３３１の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下、好ましくは２μｍ以上３μｍとするこ
とが好ましい。この結果、従来の蓄電装置のように、正極及び負極の間に厚さ数十μｍの
セパレータを設けた場合と比較して、正極及び負極の間隔を狭めることが可能であり、正
極及び負極の間のキャリアイオンの移動距離を短くできる。このため、蓄電装置内に含ま
れるキャリアイオンを充放電に有効活用できる。
スペーサ３３１は、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて形成することができる。
次に、蓄電装置の構造及び作製方法について説明する。
本実施の形態の蓄電装置の代表例であるリチウム二次電池の一形態について図２２を用い
て説明する。ここでは、リチウム二次電池の断面構造について、以下に説明する。
図２２は、リチウム二次電池の断面図である。
リチウム二次電池４００は、負極集電体４０７及び負極活物質層４０９で構成される負極
４１１と、正極集電体４０１及び正極活物質層４０３で構成される正極４０５と、負極４
１１及び正極４０５で挟持されるセパレータ４１３とで構成される。なお、セパレータ４
１３中には電解質４１５が含まれる。また、負極集電体４０７は外部端子４１９と接続し
、正極集電体４０１は外部端子４１７と接続する。外部端子４１９の端部はガスケット４
２１に埋没されている。即ち、外部端子４１７、４１９は、ガスケット４２１によって絶
縁されている。
負極４１１は、実施の形態１に示す負極２０６、実施の形態２に示す負極２１６、実施の
形態３に示す負極２６６、または実施の形態４に示す負極２７６を適宜用いて形成すれば
よい。
正極集電体４０１及び正極活物質層４０３はそれぞれ、本実施の形態に示す正極集電体３
０７及び正極活物質層３０９を適宜用いることができる。
セパレータ４１３は、絶縁性の多孔体を用いる。セパレータ４１３の代表例としては、セ
ルロース（紙）、ポリエチレン、ポリプロピレン等がある。
なお、正極４０５として、図２１に示すように、正極活物質層上にスペーサを有する正極
を用いる場合は、セパレータ４１３を設けなくともよい。
電解質４１５の溶質は、キャリアイオンを有する材料を用いる。電解質の溶質の代表例と
しては、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２
）２Ｎ等のリチウム塩がある。
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属
イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、電解質４１５の溶質とし
て、上記リチウム塩において、リチウムの代わりに、アルカリ金属（例えば、ナトリウム
やカリウム等）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等
）、ベリリウム、またはマグネシウムを用いてもよい。
また、電解質４１５の溶媒としては、キャリアイオンの移送が可能な材料を用いる。電解
質４１５の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代
表例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート
、ジエチルカーボネート、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テ
トラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。また、電解
質４１５の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性を含めた安全性が
高まる。また、リチウム二次電池４００の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される
高分子材料の代表例としては、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポ
リエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等がある。また、
電解質４１５の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体（常温溶融塩）を一つ
または複数用いることで、蓄電装置の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇して
も、蓄電装置の破裂や発火などを防ぐことができる。
また、電解質４１５として、Ｌｉ３ＰＯ４等の固体電解質を用いることができる。なお、
電解質４１５として固体電解質を用いる場合は、セパレータ４１３は不要である。
外部端子４１７、４１９は、ステンレス鋼板、アルミニウム板などの金属部材を適宜用い
ることができる。
なお、本実施の形態では、リチウム二次電池４００として、コイン型リチウム二次電池を
示したが、封止型リチウム二次電池、円筒型リチウム二次電池、角型リチウム二次電池等
様々な形状のリチウム二次電池とすることができる。また、正極、負極、及びセパレータ
が複数積層された構造、正極、負極、及びセパレータが捲回された構造であってもよい。
次に、本実施の形態に示すリチウム二次電池４００の作製方法について説明する。
実施の形態１及び本実施の形態に示す作製方法により、適宜正極４０５及び負極４１１を
作製する。
次に、正極４０５、セパレータ４１３、及び負極４１１を電解質４１５に含浸させる。次
に、外部端子４１７に、正極４０５、セパレータ４１３、ガスケット４２１、負極４１１
、及び外部端子４１９の順に積層し、「コインかしめ機」で外部端子４１７及び外部端子
４１９をかしめてコイン型のリチウム二次電池を作製することができる。
なお、外部端子４１７及び正極４０５の間、または外部端子４１９及び負極４１１の間に
、スペーサ、及びワッシャを入れて、外部端子４１７及び正極４０５の接続、並びに外部
端子４１９及び負極４１１の接続をより高めてもよい。
（実施の形態８）
本発明の一態様に係る蓄電装置は、電力により駆動する様々な電気機器の電源として用い
ることができる。
本発明の一態様に係る蓄電装置を用いた電気機器の具体例として、表示装置、照明装置、
デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖ
ｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する
画像再生装置、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デ
ジタルスチルカメラなどのカメラ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗
濯機、エアコンディショナーなどの空調設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫
、ＤＮＡ保存用冷凍庫、透析装置などが挙げられる。また、蓄電装置からの電力を用いて
電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体
として、例えば、電気自動車、内燃機関と電動機を併せ持った複合型自動車（ハイブリッ
ドカー）、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車などが挙げられる。
なお、上記電気機器は、消費電力の殆ど全てを賄うための蓄電装置（主電源と呼ぶ）とし
て、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。或いは、上記電気機器は、上
記主電源や商用電源からの電力の供給が停止した場合に、電気機器への電力の供給を行う
ことができる蓄電装置（無停電電源と呼ぶ）として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用
いることができる。或いは、上記電気機器は、上記主電源や商用電源からの電気機器への
電力の供給と並行して、電気機器への電力の供給を行うための蓄電装置（補助電源と呼ぶ
）として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。
図２３に、上記電気機器の具体的な構成を示す。図２３において、表示装置５０００は、
本発明の一態様に係る蓄電装置５００４を用いた電気機器の一例である。具体的に、表示
装置５０００は、ＴＶ放送受信用の表示装置に相当し、筐体５００１、表示部５００２、
スピーカー部５００３、蓄電装置５００４等を有する。本発明の一態様に係る蓄電装置５
００４は、筐体５００１の内部に設けられている。表示装置５０００は、商用電源から電
力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５００４に蓄積された電力を用いることもで
きる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の
一態様に係る蓄電装置５００４を無停電電源として用いることで、表示装置５０００の利
用が可能となる。
表示部５００２には、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光
装置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉ
ｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）などの、半導体表示装置を用いることができる。
なお、表示装置には、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など
、全ての情報表示用表示装置が含まれる。
図２３において、据え付け型の照明装置５１００は、本発明の一態様に係る蓄電装置５１
０３を用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置５１００は、筐体５１０１、光
源５１０２、蓄電装置５１０３等を有する。図２３では、蓄電装置５１０３が、筐体５１
０１及び光源５１０２が据え付けられた天井５１０４の内部に設けられている場合を例示
しているが、蓄電装置５１０３は、筐体５１０１の内部に設けられていても良い。照明装
置５１００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５１０３に蓄
積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が
受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置５１０３を無停電電源として用いる
ことで、照明装置５１００の利用が可能となる。
なお、図２３では天井５１０４に設けられた据え付け型の照明装置５１００を例示してい
るが、本発明の一態様に係る蓄電装置は、天井５１０４以外、例えば側壁５１０５、床５
１０６、窓５１０７等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上
型の照明装置などに用いることもできる。
また、光源５１０２には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができ
る。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤや有機ＥＬ素子などの発光
素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。
図２３において、室内機５２００及び室外機５２０４を有するエアコンディショナーは、
本発明の一態様に係る蓄電装置５２０３を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内
機５２００は、筐体５２０１、送風口５２０２、蓄電装置５２０３等を有する。図２３で
は、蓄電装置５２０３が、室内機５２００に設けられている場合を例示しているが、蓄電
装置５２０３は室外機５２０４に設けられていても良い。或いは、室内機５２００と室外
機５２０４の両方に、蓄電装置５２０３が設けられていても良い。エアコンディショナー
は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５２０３に蓄積された電
力を用いることもできる。特に、室内機５２００と室外機５２０４の両方に蓄電装置５２
０３が設けられている場合、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時で
も、本発明の一態様に係る蓄電装置５２０３を無停電電源として用いることで、エアコン
ディショナーの利用が可能となる。
なお、図２３では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを
例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有する一体型のエアコン
ディショナーに、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることもできる。
図２３において、電気冷凍冷蔵庫５３００は、本発明の一態様に係る蓄電装置５３０４を
用いた電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫５３００は、筐体５３０１、冷
蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３、蓄電装置５３０４等を有する。図２３では、蓄
電装置５３０４が、筐体５３０１の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫５３００は、
商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５３０４に蓄積された電力を
用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時
でも、本発明の一態様に係る蓄電装置５３０４を無停電電源として用いることで、電気冷
凍冷蔵庫５３００の利用が可能となる。
なお、上述した電気機器のうち、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器などの電気
機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助
するための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることで、電気機器の
使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。
また、電気機器が使用されない時間帯、特に、商用電源の供給元が供給可能な総電力量の
うち、実際に使用される電力量の割合（電力使用率と呼ぶ）が低い時間帯において、蓄電
装置に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑える
ことができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫５３００の場合、気温が低く、冷蔵室用扉５３０
２、冷凍室用扉５３０３の開閉が行われない夜間において、蓄電装置５３０４に電力を蓄
える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３の開閉が行わ
れる昼間において、蓄電装置５３０４を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率
を低く抑えることができる。
次に、電気機器の一例である携帯情報端末について、図２４を用いて説明する。
図２４（Ａ）及び図２４（Ｂ）は２つ折り可能なタブレット型端末である。図２４（Ａ）
は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部
９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モー
ド切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８、を有する。
表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示され
た操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３
１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域
がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部９６３
１ａの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部９６
３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示
画面として用いることができる。
また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部
をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード
表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで
表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。
また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタ
ッチ入力することもできる。
また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示または横表示などの表示の向きを
切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えス
イッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光
の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光セン
サだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を
内蔵させてもよい。
また、図２４（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示し
ているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示
の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネル
としてもよい。
図２４（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６
３３、充放電制御回路９６３４、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有
する。なお、図２４（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５
、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示しており、バッテリー９６３５は
、上記実施の形態で説明した蓄電装置を有している。
なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態に
することができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐
久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
また、この他にも図２４（Ａ）及び図２４（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な情
報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻など
を表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入
力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有するこ
とができる。
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、
表示部、または映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、
筐体９６３０の一面または二面に設けることによって効率的なバッテリー９６３５の充電
を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、本発
明の一態様に係る蓄電装置を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
また、図２４（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、及び動作について図２４（Ｃ
）にブロック図を示し説明する。図２４（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６
３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、
表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６
、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図２４（Ｂ）に示す充放電制御回
路９６３４に対応する箇所となる。
まず、外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する
。太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣ
ＤＣコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に
太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ
９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示
部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリ
ー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
なお、太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、
圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバ
ッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送
受信して充電する無接点電力電送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構
成としてもよい。
また、上記実施の形態で説明した蓄電装置を具備していれば、図２４に示した電気機器に
特に限定されないことは言うまでもない。
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

Claims (9)

  1. 共通部、及び前記共通部から突出される複数の突起と、
    前記共通部及び前記複数の突起上に設けられたグラフェンと、
    を有する負極を有し、
    前記共通部及び前記複数の突起は、活物質であり、
    前記複数の突起は、円柱状又は角柱状であり、前記円柱状の突起と前記角柱状の突起が交互に配置され、且つ前記突起の先端から根本部分に向かって、断面形状の幅が段階的に太くなる領域を有するパイプ状であり、
    前記複数の突起それぞれの軸の方向は揃っており、
    前記複数の突起の間隔は、前記突起の根元部分の幅の１．２９倍以上２倍以下であることを特徴とする蓄電装置。
  2. 集電体と、
    前記集電体から突出される複数の突起と、
    前記集電体及び複数の突起上に設けられたグラフェンと、
    を有する負極を有し、
    前記複数の突起は、活物質であり、
    前記複数の突起は、円柱状又は角柱状であり、前記円柱状の突起と前記角柱状の突起が交互に配置され、且つ前記突起の先端から根本部分に向かって、断面形状の幅が段階的に太くなる領域を有するパイプ状であり、
    前記複数の突起それぞれの軸の方向は揃っており、
    前記複数の突起の間隔は、前記突起の根元部分の幅の１．２９倍以上２倍以下であることを特徴とする蓄電装置。
  3. 集電体と、
    前記集電体上に設けられる共通部と、
    前記共通部から突出される複数の突起と、
    前記共通部及び前記複数の突起上に設けられたグラフェンと、
    を有する負極を有し、
    前記共通部及び前記複数の突起は、活物質であり、
    前記複数の突起は、円柱状又は角柱状であり、前記円柱状の突起と前記角柱状の突起が交互に配置され、且つ前記突起の先端から根本部分に向かって、断面形状の幅が段階的に太くなる領域を有するパイプ状であり、
    前記複数の突起それぞれの軸の方向は揃っており、
    前記複数の突起の間隔は、前記突起の根元部分の幅の１．２９倍以上２倍以下であることを特徴とする蓄電装置。
  4. 共通部、及び前記共通部から突出される複数の突起と、
    前記共通部及び前記複数の突起上に設けられたグラフェンと、
    を有する負極を有し、
    前記共通部及び前記複数の突起は、活物質であり、
    前記複数の突起は、円柱状又は角柱状であり、前記円柱状の突起と前記角柱状の突起が交互に配置され、且つ前記突起の先端から根本部分に向かって、断面形状の幅が段階的に太くなる領域を有するパイプ状であり、
    前記負極の上面図において、前記複数の突起は、並進対称性を有するように配置されており、
    前記複数の突起の間隔は、前記突起の根元部分の幅の１．２９倍以上２倍以下であることを特徴とする蓄電装置。
  5. 集電体と、
    前記集電体から突出される複数の突起と、
    前記集電体及び複数の突起上に設けられたグラフェンと、
    を有する負極を有し、
    前記複数の突起は、活物質であり、
    前記複数の突起は、円柱状又は角柱状であり、前記円柱状の突起と前記角柱状の突起が交互に配置され、且つ前記突起の先端から根本部分に向かって、断面形状の幅が段階的に太くなる領域を有するパイプ状であり、
    前記負極の上面図において、前記複数の突起は、並進対称性を有するように配置されており、
    前記複数の突起の間隔は、前記突起の根元部分の幅の１．２９倍以上２倍以下であることを特徴とする蓄電装置。
  6. 集電体と、
    前記集電体上に設けられる共通部と、
    前記共通部から突出される複数の突起と、
    前記共通部及び前記複数の突起上に設けられたグラフェンと、
    を有する負極を有し、
    前記共通部及び前記複数の突起は、活物質であり、
    前記複数の突起は、円柱状又は角柱状であり、前記円柱状の突起と前記角柱状の突起が交互に配置され、且つ前記突起の先端から根本部分に向かって、断面形状の幅が段階的に太くなる領域を有するパイプ状であり、
    前記負極の上面図において、前記複数の突起は、並進対称性を有するように配置されており、
    前記複数の突起の間隔は、前記突起の根元部分の幅の１．２９倍以上２倍以下であることを特徴とする蓄電装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
    前記共通部または前記複数の突起は、シリコンで形成されることを特徴とする蓄電装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
    前記複数の突起の先端と前記グラフェンの間に、保護層を有することを特徴とする蓄電装置。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
    前記突起の先端のグラフェン上に絶縁層を有することを特徴とする蓄電装置。
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