JP6705923B2 - 蓄電装置及び蓄電システム - Google Patents
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Description
ポジション・オブ・マター)を含む。)、及び方法(プロセス。単純方法及び生産方法を
含む。)に関する。特に本発明の一態様は、蓄電装置、蓄電システム、半導体装置、表示
装置、発光装置、若しくはその他の電気機器、又はそれらの製造方法及び駆動方法に関す
る。特に本発明の一態様は、酸化物半導体を有する蓄電装置、蓄電システム、半導体装置
、表示装置、発光装置、若しくはその他の電気機器、又はそれらの製造方法及び駆動方法
に関する。また、特に本発明の一態様は、蓄電装置及びその充電方法に関する。
池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であ
るリチウムイオン二次電池は、携帯電話やスマートフォン、ノート型パーソナルコンピュ
ータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ等の電気機器、あるいは医療
機器、ハイブリッド車(HEV)、電気自動車(EV)、又はプラグインハイブリッド車
(PHEV)等の次世代クリーンエネルギー自動車など、半導体産業の発展に伴い急速に
その需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なも
のとなっている。
ン二次電池は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)やリン酸鉄リチウム(LiFePO
4)などの活物質を含む正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からな
る負極と、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、LiBF4
やLiPF6等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成され
る。
正極−負極間を移動し、正極負極の活物質にリチウムイオンが挿入脱離することにより行
われる。
入脱離量により決定される。一方、負極では電解液の分解反応などが生じるため、SEI
(Solid Electrolyte Interphase)とよばれる被膜の形成
などにリチウムが消費され、電池の容量が減少していくこともある。
と相殺することができる。しかし、電解液の酸化電位に対し正極の電位は十分に高いもの
ではないため、正極における酸化反応の反応量よりも負極における還元反応の反応量が多
い。
チウムの挿入脱離量に比べ負極でのリチウムの挿入脱離量が少ない。従って、正極と負極
とでリチウムの挿入脱離量が不均衡となるため、蓄電装置の容量が低下してしまう。
オンの挿入脱離量の不均衡を調整又は修正して、蓄電装置の容量の低下を抑制する又は容
量を補填することを課題の一とする。
る。
課題とする。
る場合がある。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないもの
とする。なお、上記に掲げる課題に含まれていない課題であっても、明細書、図面又は特
許請求の範囲等の記載から自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面又は特許請求の
範囲等などの記載から、課題として抽出することができる。
電解液が分解されることで解消しうる。例えば、正極活物質をリン酸鉄リチウム(LiF
ePO4)とした場合、リチウムの反応電位は約3.5Vであるため終止電圧は4Vとす
れば十分であるが、あえて終止電圧を4.5Vまで上げることで正極での電解液の分解が
発生する。このようにして、正極での電解液の分解量と負極での電解液の分解量とを均等
にすることで、正極及び負極の容量のバランスを均等にし、電池の容量の低下を抑制する
ことができる。
うおそれがある。
上げて保持し、一定程度の容量を充電するための充電動作を行うことで電池の容量を増加
させることに想到した。例えば正極活物質をリン酸鉄リチウム(LiFePO4)とした
場合、通常は4.0V以下で十分に充電することができる。このため、通常充電により蓄
積される電池の容量が、出荷時の容量からある規定量減少した場合に、電解液の分解が生
じる高電圧を印加して、その電荷量の減少した分を補うように追加の充電を行う。これに
より、正極の抵抗の増加を抑制しつつ電池の容量の回復を図ることができる。
とを有する蓄電装置において、定電流充電を行った後、電解液の分解の生じない第1の電
圧(ある規定量の電解液の分解の生じにくい電圧)を用いた定電圧充電により、充電電流
が規定の下限電流値以下となるまで充電を行い、定電圧充電の後、蓄電装置の抵抗が規定
の抵抗値に達するまで、電解液の分解が生じる第2の電圧によって追加の充電を行う蓄電
装置の充電方法である。なお、第2の電圧は、第1の電圧よりも高く、具体的には、少な
くとも1V以上高い電圧値とする。
、メモリとを有する蓄電装置において、定電流充電を行った後、電解液の分解の生じにく
い電圧(第1の電圧)を用いた定電圧充電により、充電電流が規定の下限電流値以下とな
るまで充電を行い、定電圧充電した後の前記蓄電装置の容量が、メモリに記憶された前記
蓄電装置の出荷時の容量よりも規定の容量分低いとき、蓄電装置の抵抗が規定の抵抗値に
達するまで、電解液の分解が生じる電圧によって追加の充電を行う蓄電装置の充電方法で
ある。
を有する蓄電体と、蓄電体の出荷時の容量を記憶したメモリと、回路と、を有し、回路は
、充電後の前記蓄電体の容量と、メモリに記憶された蓄電体の出荷時の容量とを比較し、
充電後の蓄電体の容量が蓄電体の出荷時の容量よりも低いとき、蓄電体の抵抗が規定の抵
抗値に達するまで、電解液の分解が生じる電圧によって追加の充電を行うように制御する
機能を有する蓄電装置である。
.5nm以下の多層グラフェンであるとよい。
ャネル形成領域に用いたトランジスタを有するとよい。また、回路は、酸化物半導体膜を
チャネル形成領域に用いたトランジスタを有するとよい。特に、酸化物半導体膜をチャネ
ル形成領域に用いたトランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流は、100zA以
下であるとよい。
第1の容量値データを取得し、第1の容量値データとメモリに記憶されている値とを比較
した後、蓄電体に第2の充電を行う充電方法であり、第2の充電は、蓄電体の抵抗が所定
の抵抗になるまで第1の充電よりも高い電圧で行う充電方法である。なお、この充電方法
において、メモリに記憶されている値は、蓄電体の出荷時の容量値である。また、この充
電方法において、第1の充電は、蓄電体の電解液の分解が生じない電圧の範囲内とし、第
1の充電よりも高い電圧は、蓄電体の電解液の分解が生じる電圧の範囲内とする。
と、第1の充電が終わった後、第1の充電の条件を第2の充電の条件に切り替える回路と
を有し、切り替える回路は、第1の充電後の容量値を検出してメモリに記憶されたある容
量値と比較する回路と、比較した後、第1の充電よりも高い電圧で行う第2の充電を開始
する回路と、第2の充電が、蓄電池の抵抗値を検出して所定の抵抗値になる時点で終了さ
せる回路とを有する蓄電装置である。なお、この蓄電装置において、メモリに記憶されて
いる値は、蓄電体の出荷時の容量値である。また、この蓄電装置において、第1の充電は
、蓄電体の電解液の分解が生じない電圧の範囲内とし、第1の充電よりも高い電圧は、蓄
電体の電解液の分解が生じる電圧の範囲内とする。
導体装置を提供することができる。または、透明な半導体層を用いた半導体装置を提供す
ることができる。または、信頼性の高い半導体層を用いた半導体装置を提供することがで
きる。
は、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す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。
構成要素の大きさは、個々に説明の明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、
必ずしも各構成要素はその大きさに限定されず、また各構成要素間での相対的な大きさに
限定されない。
であって工程の順番や積層の順番などを示すものではない。また、本明細書等において発
明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また
、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さ
ない場合がある。
せずに目減りすることがあるが、理解を容易にするため、図面においては省略して示すこ
とがある。
は「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極
」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外し
ない。
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である
。
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため
、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断す
ることが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数考えられる場合には、その端子の
接続先を特定の箇所に限定する必要はない。従って、能動素子(トランジスタ、ダイオー
ドなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、
その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。又は、ある回路について、少なく
とも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つま
り、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断
することが可能な場合がある。従って、ある回路について、機能を特定しなくても、接続
先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成す
ることが可能である。又は、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定す
れば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可
能である。
あるが、この場合、電極は正極及び負極のうち少なくともいずれか一方を示すものとする
。
ば、容量1Ahの電池を1Aで充電する場合の充電レートは1Cである。また、放電レー
トCとは、二次電池を放電する際の速さを表す。例えば、容量1Ahの電池を1Aで放電
する場合の放電レートは1Cである。
きる。
本発明の一態様に係る蓄電装置の充放電方法及びそのシステムについて、図1及び図2を
用いて説明する。
本発明の一態様に係る蓄電装置は、正極と、負極と、電解液とを有する蓄電体を有する。
特に、正極には少なくとも二相共存反応をする活物質を用いるとよい。
相が共存して進行する反応である。この二相共存反応により、充放電中に電位平坦領域(
プラトー領域)が生じると考えられている。
期の電圧変化が急峻となる。
4)やスピネル型のリチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)を用いることができる。
放電特性を、図23に示す。充電曲線及び放電曲線のいずれも、電位変化において電位平
坦領域(プラトー領域)が確認できる。
性の一部の定性的な表現であり、定量的な議論には及ぶべきものではない。
領域)を有するとは、充放電容量(mAh/g)の値に依らず電圧が一定又は概略一定で
あることをいう。電圧が概略一定であるとは、充放電容量の変化量が10mAh/gに対
して、電圧の変化の絶対値が5mV以内であることをいう。
電の末期の電圧変化が急峻となるため好ましい。
次に、本発明の一態様に係る蓄電装置の充電方法について、図1及び図2を用いて説明す
る。
置の充電を開始する(ステップS050)と、第1の電圧を用いた充電を行う(ステップ
S051)。第1の電圧とは、電解液の分解がほとんど生じない電圧である。ただし、第
1の電圧の範囲においても、電解液中の不純物の反応や熱的な揺らぎ等により、微量に分
解は生じ得る。しかし、分解電位を超えた、電解液の分解の生じる電圧下では、対数的に
電流値が増加する。従って、電解液の分解の生じない電圧とは、厳密に分解の生じない電
圧のみを指す場合に限らず、電解液の分解の生じる電位と比較して、ほとんど電流の流れ
ない電圧を指す趣旨である。
好ましい。CCCV充電を用いた場合は高い容量まで充電することができ、例えば定電流
充電(CC充電)よりも高い容量まで充電することができるためである。ただし充電方法
はこれに限られず、定電流充電、定電圧充電、パルス充電、あるいはその他の充電方法に
より充電を行ってもよい。
する下限電流値以下か否かを判定することによって決定することができる。例えば電流値
が0.01C以下となった場合に充電を終了する。
(ステップS052)。
、ユーザーが最初に使用する前の容量である。なお、蓄電装置の製造後、蓄電装置をエー
ジング処理する場合には、エージング処理後の容量である。
により最大限に充電し得る容量(最大容量)である。当該容量は、蓄電装置の出荷前の充
電により形成される負極の不可逆容量に相当する容量を含んでもよい。なお、この出荷前
に形成される負極の不可逆容量に相当する容量分を、あらかじめ本発明の一態様に係る追
加の充電により充電しておくとよい。
せておくとよい。メモリについては後述するが、不揮発性のRAMを用いるとよい。また
は、マスクROM等の読み出し専用のメモリを用いてもよい。また、メモリは、本発明の
一態様に係る充電方法を制御するための機能を有する回路内に設けてもよい。
大容量)に対する差分を求めればよい。例えば、ステップS051における充電後の蓄電
装置の容量が、蓄電装置の出荷時の容量よりも規定の容量分低いか否かを求める。
、規定の容量を超えない場合には、蓄電装置の充電を終了とする(ステップS056)。
の差が、規定の容量を超える場合には、蓄電装置に対して追加の充電を行うため、ステッ
プS053に移行する。
。
3)。蓄電装置の抵抗値、すなわち正極の抵抗値がすでに十分高い場合には、正極が劣化
してこれ以上の充電は困難であるため、充電は行わずに終了する(ステップS056)。
充電を行うために、ステップS054へ移行する。
測定することで算出することができる。
う。正極に二相共存反応をする活物質としてリン酸鉄リチウムを用いる場合、電解液の分
解が生じる電圧として4.0V(vs.Li/Li+)よりも大きい電圧を用いるとよい
。好ましくは4.3V(vs.Li/Li+)以上、より好ましくは4.6V(vs.L
i/Li+)以上である。ただし、高電圧にすると正極の抵抗値が増大するため、目的に
応じて追加の充電の際に電圧は、電解液の分解が生じる電圧の範囲において適宜設定すれ
ばよい。
期間)に限って行う。このため、蓄電装置にタイマカウンタ等の期間の計測手段を設けて
おくことが好ましい。
るか否かの判定を行う(ステップS055)。蓄電装置の抵抗値が規定の抵抗値に達して
いない場合には、ステップS054に戻り、再び高電圧を用いた追加の充電を行う。一方
、蓄電装置の抵抗値が規定の抵抗値に達している場合には、充電は終了する(ステップS
056)。
様に行う。
とで、蓄電装置の抵抗値の大幅な増大を防止しつつ、追加の充電を行うことができる。
変化を示す模式図である。充電の対象である蓄電装置には、二相共存反応する活物質を正
極に用いる。横軸に充電容量を示し、縦軸に電圧を示す。
CC充電の末期では電圧が急激に上昇する。CC充電の終止電圧をV1とすると、電圧が
V1に達した後は、電圧をV1の定電圧としたCV充電に切り換える。このときの充電容
量をC1とすると、さらにCV充電によって、充電容量はC2まで増加する。
装置の電解液の分解が生じることのない範囲である。
行う。追加の充電を行うことによって、蓄電装置の充電容量は、C2よりも高いC3まで
増大させることができる。ここで、追加の充電により増大した容量C3は、蓄電装置の出
荷時の容量(最大容量)を上限とするものである。
本発明の一態様に係る蓄電体を充放電する蓄電装置の一例を、図3乃至図5を用いて説明
する。
路203と、負荷204と、電源205と、スイッチ206と、スイッチ207と、スイ
ッチ208と、クーロンカウンタ209と、抵抗210と、コンバータ211とを用いる
。なお、各構成要素を同一の装置に設けることにより、接続点数などを減らすこともでき
る。例えば、蓄電体201と回路203とを同一の装置に設けてもよい。あるいは、蓄電
体201とコンバータ202と回路203とを同一の装置に設けてもよい。
共存反応をする活物質を用いた蓄電体201を用いるとよい。
体201の充放電の際の電流値を制御することができる機能を有する。
コンバータは、例えばスイッチングレギュレータ及び制御回路を有する。スイッチングレ
ギュレータは、例えばインダクタ、スイッチを有する。昇降圧型コンバータは、例えば制
御回路によりスイッチを制御することにより、入力電圧の昇圧又は降圧を切り換えること
ができ、昇圧又は降圧された電圧の値を制御することができる。これにより、任意の定電
圧を蓄電体201に出力することができ、また定電流充電や定電圧充電を行うことができ
る。なお、これに限定されず、制御回路の代わりに回路203によりスイッチングレギュ
レータのスイッチを制御してもよい。昇降圧型コンバータとしては、例えばSEPIC(
Single Ended Primary Inductor Converter)
型コンバータ又はZeta型コンバータ等を用いることができる。
5から電力が供給される。
り、コンバータ202の出力電圧の値を制御することができる機能を有する。なお、回路
203を制御回路としてもよい。または、回路203をマイクロコンピュータ、マイクロ
プロセッサ(MPUともいう)、マイクロコントロールユニット(MCUともいう)、フ
ィールド プログラマブル ゲート アレイ(FPGAともいう)、中央演算装置(CP
Uともいう)、若しくはバッテリマネジメントユニット(BMUともいう)としてもよい
。
メモリを有しているとよい。ただし、メモリは回路203内に必ずしも設ける必要はなく
、別途蓄電装置が有していてもよい。
には、蓄電体201又は電源205から電力が供給される。なお、回路203には、負荷
204から制御信号が入力されてもよい。負荷204にパワーゲートを設け、パワーゲー
トにより負荷204を構成する回路に対する電力の供給を制御してもよい。なお、回路2
03は、必ずしも負荷204に接続されていなくてもよい。
、これに限定されず、例えば給電装置などを用いて非接触で電力を供給することができる
装置を用いてもよい。
02との導通を制御することができる機能を有する。スイッチ206は、コンバータ20
2の制御回路又は回路203により制御してもよい。
する。スイッチ207は、コンバータ202の制御回路又は回路203により制御しても
よい。
を有する。スイッチ208は、コンバータ202の制御回路又は回路203により制御し
てもよい。
オードなどを用いることができる。
209は、抵抗210に流れる電流値を検出することで、蓄電体201の容量(電荷量)
を検出する。検出された蓄電体201の容量は、蓄電体201に対して上述した追加の充
電を行うか否かの判定の情報として用いることができる。クーロンカウンタ209につい
ては、後に詳述する。
れる。また、クーロンカウンタ209により検出した蓄電体201の容量に係る情報を、
回路203に送信する。
に設けられていてもよい。また、抵抗210やクーロンカウンタ209は蓄電装置が必ず
しも有する必要はなく、蓄電装置を充電するための充電器などが有していてもよい。
いて説明する。
に、回路203等で制御することにより、スイッチ207をオフ状態にし、スイッチ20
6及びスイッチ208をオン状態にする。これにより、蓄電体201の正極と電源205
とをコンバータ202を介して電気的に接続する。これにより、電源205からコンバー
タ202を介して蓄電体201に電流が流れ、蓄電体201が充電される。蓄電装置に入
力する電圧及び電流は、コンバータ202等を用いて適宜調整することができる。
電体201の抵抗値を確認する。抵抗値の測定は、図4(B)に示すように、コンバータ
202を用いて所定の電流を蓄電体201に流し、そのときの蓄電体201の電圧降下を
コンバータ211により測定することで算出すればよい。
V1aをコンバータ211により測定する。さらに、コンバータ202により所定の電流
I2を蓄電体201に流し、このときの電圧V2aをコンバータ211により測定する。
蓄電体201の抵抗をRとすると、以上の測定により、R=(V1a−V2a)/(I1
−I2)の関係から抵抗を算出することができる。
する。また、蓄電体201の抵抗の算出は、回路203を用いて演算すればよい。
の他の方法により抵抗値の測定を行ってもよい。
、スイッチ208をオフ状態にし、スイッチ206及びスイッチ207をオン状態にする
。これにより、蓄電体201の正極及び負極と負荷204とを電気的に接続し、蓄電体2
01から負荷204に電流が流れる。
体201を必ずしも用いる必要はない。電源205から負荷204へ電力の供給を行って
もよい。なお、この場合には、負荷204への電力供給を行うと同時に、蓄電体201へ
の充電を行うこともできる。
回路203の例について図6を用いて説明する。
回路203は、プロセッサ710、バスブリッジ711、RAM(Random Acc
ess Memory)712、メモリインターフェース713、コントローラ720、
割り込みコントローラ721、I/Oインターフェース(入出力インターフェース)72
2、及びパワーゲートユニット730を有する。
ース746、I/Oポート750、コンパレータ751、I/Oインターフェース752
、バスライン761、バスライン762、バスライン763、及びデータバスライン76
4を有する。さらに、回路203は、外部装置との接続部として少なくとも接続端子77
0乃至接続端子776を有する。なお、各接続端子770乃至接続端子776は、1つの
端子又は複数の端子でなる端子群を表す。また、水晶振動子743を有する発振子742
が、接続端子772、及び接続端子773を介して回路203に接続されている。
1乃至バスライン763、及びデータバスライン764に接続されている。
であり、例えばランダムアクセスメモリが用いられる。メモリ712は、プロセッサ71
0が実行する命令、命令の実行に必要なデータ、及びプロセッサ710の処理によるデー
タを記憶する装置である。プロセッサ710が処理する命令により、メモリ712へのデ
ータの書き込み、読み出しが行われる。
。そのため、メモリ712は電源が供給されていない状態でもデータを保持することがで
きるメモリで構成することが好ましい。
ロセッサ710が処理する命令により、メモリインターフェース713を介して、接続端
子776に接続される外部記憶装置へのデータの書き込み及び読み出しが行われる。
、単に「MCLK」ともよぶ。)を生成する回路であり、RC発振器などを有する。MC
LKはコントローラ720及び割り込みコントローラ721にも出力される。
御、クロック生成回路715、水晶発振回路741の制御などを行うことができる。
スク不可能な割り込み信号NMIがコントローラ720に入力される。コントローラ72
0にマスク不可能な割り込み信号NMIが入力されると、コントローラ720は直ちにプ
ロセッサ710にマスク不可能な割り込み信号NMI2を出力し、プロセッサ710に割
り込み処理を実行させる。
力される。割り込みコントローラ721には、周辺回路からの割り込み信号(T0IRQ
、P0IRQ、C0IRQ)も、バス(761乃至764)を経由せずに入力される。
込みコントローラ721は割り込み信号を検出すると、その割り込み要求が有効であるか
否かを判定する。有効な割り込み要求であれば、コントローラ720に割り込み信号IR
Qを出力する。
ン761及びデータバスライン764に接続されている。
み信号INT2を出力し、プロセッサ710に割り込み処理を実行させる。
ーラ720に入力される場合がある。コントローラ720は、割り込み信号T0IRQが
入力されると、プロセッサ710にマスク不可能な割り込み信号NMI2を出力し、プロ
セッサ710に割り込み処理を実行させる。
ントローラ721のレジスタ786は、I/Oインターフェース722に設けられている
。
マー回路745、I/Oポート750及びコンパレータ751を有する。これらの周辺回
路は一例であり、回路203が使用される電気機器に応じて、必要な回路を設けることが
できる。
以下、単に「TCLK」ともよぶ。)を用いて、時間を計測することができる機能を有す
る。また、タイマー回路745は、決められた時間間隔で、割り込み信号T0IRQを、
コントローラ720及び割り込みコントローラ721に出力する。タイマー回路745は
、I/Oインターフェース746を介して、バスライン761及びデータバスライン76
4に接続されている。
を数MHz程度(例えば、8MHz)とし、TCLKは、数十kHz程度(例えば、32
kHz)とする。クロック生成回路740は、回路203に内蔵された水晶発振回路74
1と、接続端子772及び接続端子773に接続された発振子742を有する。発振子7
42の振動子として、水晶振動子743が用いられている。なお、CR発振器などでクロ
ック生成回路740を構成することで、クロック生成回路740の全てのモジュールを回
路203に内蔵することが可能である。
うためのインターフェースであり、デジタル信号の入出力インターフェースである。これ
により、回路203にデータ信号を入力することができる。例えば、I/Oポート750
は、入力されたデジタル信号に応じて、割り込み信号P0IRQを割り込みコントローラ
721に出力する。なお、接続端子774を複数設けてもよい。
電流)と基準信号の電位(又は電流)との大小を比較でき、値が0又は1のデジタル信号
を生成することができる。さらに、コンパレータ751は、このデジタル信号に応じて、
割り込み信号C0IRQを生成することができる。割り込み信号C0IRQは、割り込み
コントローラ721に出力される。
してバスライン761及びデータバスライン764に接続されている。ここでは、I/O
ポート750、コンパレータ751各々のI/Oインターフェースに共有することができ
る回路があるため、1つのI/Oインターフェース752で構成しているが、I/Oポー
ト750、コンパレータ751のI/Oインターフェースを別々に設けることもできる。
マー回路745のレジスタ787はI/Oインターフェース746に設けられ、I/Oポ
ート750のレジスタ783及びコンパレータ751のレジスタ784は、それぞれ、I
/Oインターフェース752に設けられている。
る。パワーゲートユニット730により、動作に必要な回路のみに電力供給を行うことで
、回路203全体の消費電力を低くすることができる。
ット703、ユニット704の回路は、パワーゲートユニット730を介して、接続端子
771に接続されている。接続端子771は、例えば図3に示す蓄電体201に接続され
る。なお、接続端子771と蓄電体201の間にコンバータを設けてもよい。
ーフェース746を含み、ユニット702は、I/Oポート750、コンパレータ751
、及びI/Oインターフェース752を含み、ユニット703は、割り込みコントローラ
721、及びI/Oインターフェース722を含み、ユニット704は、プロセッサ71
0、メモリ712、バスブリッジ711、及びメモリインターフェース713を含む。
ニット730は、ユニット701乃至704への電源電圧の供給を遮断するためのスイッ
チ731及びスイッチ732を有する。このときの電源電圧としては、例えば蓄電体20
1の電源電圧などを用いることができる。
具体的には、コントローラ720は、プロセッサ710の要求によりパワーゲートユニッ
ト730が有するスイッチの一部又は全部をオフ状態とする信号を出力する(電力供給の
停止)。また、コントローラ720は、マスク不可能な割り込み信号NMI、又はタイマ
ー回路745からの割り込み信号T0IRQをトリガーにして、パワーゲートユニット7
30が有するスイッチをオン状態とする信号を出力する(電力供給の開始)。
イッチ732)を設ける構成を示しているが、これに限定されず、電源遮断に必要な数の
スイッチを設ければよい。
にスイッチ731を設け、ユニット702乃至704に対する電力供給を独立して制御す
ることができるようにスイッチ732を設けているが、このような電力供給経路に限定さ
れるものではない。例えば、スイッチ732とは別のスイッチを設けて、メモリ712の
電力供給を独立して制御することができるようにしてもよい。また、1つの回路に対して
、複数のスイッチを設けてもよい。
771から電源電圧が供給される。また、ノイズの影響を少なくするため、クロック生成
回路715の発振回路、水晶発振回路741には、それぞれ、電源電圧の電源回路と異な
る外部の電源回路から電源電位が供給される。
コントローラ720及びパワーゲートユニット730などを備えることにより、回路20
3を3種類の動作モードで動作させることが可能である。第1の動作モードは、通常動作
モードであり、回路203の全ての回路がアクティブな状態である。ここでは、第1の動
作モードを「Activeモード」とよぶ。
モードである。第2の動作モードでは、コントローラ720、並びにタイマー回路745
とその関連回路(水晶発振回路741、I/Oインターフェース746)がアクティブで
ある。第3の動作モードでは、コントローラ720のみがアクティブである。ここでは、
第2の動作モードを「Noff1モード」と呼び、第3の動作モードを「Noff2モー
ド」とよぶことにする。Noff1モードでは、コントローラ720と周辺回路の一部(
タイマー動作に必要な回路)が動作し、Noff2モードでは、コントローラ720のみ
が動作している。
らず、電源が常時供給される。クロック生成回路715及び水晶発振回路741を非アク
ティブにするには、コントローラ720から又は外部からイネーブル信号を入力し、クロ
ック生成回路715及び水晶発振回路741の発振を停止させることにより行われる。
が遮断されるため、I/Oポート750、I/Oインターフェース752は非Activ
eになるが、接続端子774に接続されている外部機器を正常に動作させるために、I/
Oポート750、I/Oインターフェース752の一部には電力が供給される。具体的に
は、I/Oポート750の出力バッファ、I/Oポート750用のレジスタ783である
。
いる状態の他、Activeモード(通常動作モード)での主要な機能が停止している状
態や、Activeモードよりも省電力で動作している状態を含む。
場合に、プロセッサ710の要求によりパワーゲートユニット730が有するスイッチの
一部又は全部をオフ状態とする信号を出力し、Noff1、Noff2モードに切り換え
、不要な回路ブロックに対する電力の供給を停止させることもできる。
さらに、各回路ブロックに適用可能なレジスタの構成例について図7を参照して説明する
。
図7(A)に示すレジスタは、記憶回路651と、記憶回路652と、セレクタ653と
、を有する。
力される。記憶回路651は、クロック信号CLKに従って入力されるデータ信号Dのデ
ータを保持し、データ信号Qとして出力することができる機能を有する。記憶回路651
としては、例えばバッファレジスタや、汎用レジスタなどのレジスタを構成することがで
きる。又は、記憶回路651としては、SRAM(Static Random Acc
ess Memory)などからなるキャッシュメモリを設けることもできる。これらの
レジスタやキャッシュメモリは記憶回路652にデータを退避させることができる。
入力される。書き込み制御信号WE、読み出し制御信号RDなどは、例えば端子を介して
入力されてもよい。
憶し、読み出し制御信号RDに従って、記憶されたデータをデータ信号として出力するこ
とができる機能を有する。
ら出力されるデータ信号を選択して、記憶回路651に入力する。
能を有する。トランジスタ631のソース及びドレインの一方は、記憶回路651の出力
端子に接続されている。さらに、トランジスタ631のバックゲートには、電源電位が供
給される。トランジスタ631は、書き込み制御信号WEに従って記憶回路651から出
力されるデータ信号の保持を制御することができる機能を有する。
フ電流の低いトランジスタとしては、例えばシリコンよりもバンドギャップの広い酸化物
半導体を含むチャネル形成領域を有し、該チャネル形成領域が実質的にi型であるトラン
ジスタを適用することができる。
限り減らすことにより、上記酸化物半導体を含むトランジスタを作製することができる。
このとき、チャネル形成領域において、二次イオン質量分析法(SIMS(Second
ary Ion Mass Spectrometry))の測定値でドナー不純物とい
われる水素の量を1×1019/cm3以下、好ましくは1×1018/cm3以下に低
減することが好ましい。トランジスタ631のオフ電流は、25℃でチャネル幅1μmあ
たり1×10−19A(100zA)以下である。より好ましくは1×10−22A(1
00yA)以下である。トランジスタのオフ電流は、低ければ低いほどよいが、トランジ
スタのオフ電流の下限値は、約1×10−30A/μmであると見積もられる。
金属酸化物、又はIn−Ga−Zn系金属酸化物などを適用することができる。
接続され、他方には低電源電位VSSが供給される。容量素子632は、記憶するデータ
信号のデータに基づく電荷を保持することができる機能を有する。トランジスタ631の
オフ電流が非常に低いため、電源電圧の供給が停止しても容量素子632の電荷は保持さ
れ、データが保持される。
及びドレインの一方には高電源電位VDDが供給され、ゲートには、読み出し制御信号R
Dが入力される。
及びドレインの一方は、トランジスタ633のソース及びドレインの他方に接続されてお
り、ゲートには、読み出し制御信号RDが入力される。
及びドレインの一方は、トランジスタ634のソース及びドレインの他方に接続されてお
り、ソース及びドレインの他方には、低電源電位VSSが供給される。
されている。また、インバータ636の出力端子は、セレクタ653の入力端子に接続さ
れる。
低電源電位VSSが供給される。容量素子637は、インバータ636に入力されるデー
タ信号のデータに基づく電荷を保持することができる機能を有する。
RAM)又はPCM(Phase Change Memory)ともいう)、抵抗変
化型メモリ(ReRAM(Resistive RAM)ともいう)、磁気抵抗型メモリ
(MRAM(Magnetoresistive RAM)ともいう)などを用いて記憶
回路652を構成してもよい。例えば、MRAMとしては磁気トンネル接合素子(MTJ
(Magnetic Tunnel Junction)素子ともいう)を用いたMRA
Mを適用することができる。
次に、図7(A)に示すレジスタの駆動方法例について説明する。
CLKは、レジスタに供給された状態である。このとき、セレクタ653は、データ信号
Dのデータを記憶回路651に出力する。記憶回路651は、クロック信号CLKに従っ
て入力されたデータ信号Dのデータを保持する。このとき、読み出し制御信号RDにより
トランジスタ633がオン状態になり、トランジスタ634がオフ状態になる。
ルスに従って、トランジスタ631がオン状態になり、記憶回路652にデータ信号Dの
データが記憶され、トランジスタ631がオフ状態になる。その後レジスタに対するクロ
ック信号CLKの供給を停止させ、さらにその後レジスタに対するリセット信号RSTの
供給を停止させる。なお、トランジスタ631がオン状態のとき、トランジスタ631の
バックゲートに正電源電位を供給してもよい。このとき、読み出し制御信号RDによりト
ランジスタ633がオン状態になり、トランジスタ634がオフ状態になる。
、記憶回路652のトランジスタ631のオフ電流が低いため、記憶されたデータが保持
される。なお、高電源電位VDDの代わりに接地電位GNDを供給することにより、電源
電圧の供給を停止するとみなすこともできる。例えば、接地電位は、図7(A)に示す端
子を介して供給される。なお、トランジスタ631がオフ状態のとき、トランジスタ63
1のバックゲートに負電源電位を供給してトランジスタ631のオフ状態を維持してもよ
い。
供給を再開させ、その後クロック信号CLKの供給を再開させ、さらにその後リセット信
号RSTの供給を再開させる。このとき、クロック信号CLKが供給される配線を高電源
電位VDDにしておき、その後クロック信号CLKの供給を再開させる。さらに、読み出
し制御信号RDのパルスに従ってトランジスタ633がオフ状態になり、トランジスタ6
34がオン状態になり、記憶回路652に記憶された値のデータ信号がセレクタ653に
出力される。セレクタ653は、読み出し制御信号RDのパルスに従って上記データ信号
を記憶回路651に出力する。これにより、電源停止期間の直前の状態に記憶回路651
を復帰させることができる。
ンジスタ633、トランジスタ634、インバータ636、容量素子637が無く、セレ
クタ654を有する構成である。図7(A)に示すレジスタと同じ部分については、図7
(A)に示すレジスタの説明を適宜援用する。
子に接続される。
SS又は記憶回路651から出力されるデータ信号を選択して、記憶回路652に入力す
る。
レジスタに供給された状態である。このとき、セレクタ653は、データ信号Dのデータ
を記憶回路651に出力する。記憶回路651は、クロック信号CLKに従って入力され
たデータ信号Dのデータを保持する。また、書き込み制御信号WE2に従いセレクタ65
4は、低電源電位VSSを記憶回路652に出力する。記憶回路652では、書き込み制
御信号WEのパルスに従いトランジスタ631がオン状態になり、記憶回路652に低電
源電位VSSがデータとして記憶される。
従いセレクタ654により、低電源電位VSSの供給の代わりに記憶回路651の出力端
子とトランジスタ631のソース及びドレインの一方が導通状態になる。さらに、書き込
み制御信号WEのパルスに従いトランジスタ631がオン状態になり、記憶回路652に
データ信号Dのデータが記憶され、トランジスタ631がオフ状態になる。このとき、デ
ータ信号Dの電位が高電源電位VDDと同じ値のときのみ、記憶回路652のデータが書
き換わる。さらに、レジスタに対するクロック信号CLKの供給を停止させ、レジスタに
対するリセット信号RSTの供給を停止させる。なお、トランジスタ631がオン状態の
とき、トランジスタ631のバックゲートに正電源電位を供給してもよい。
、記憶回路652において、トランジスタ631のオフ電流が低いため、データの値が保
持される。なお、高電源電位VDDの代わりに接地電位GNDを供給することにより、電
源電圧の供給を停止させるとみなすこともできる。なお、マルチプレクサにより、トラン
ジスタ631がオフ状態のとき、トランジスタ631のバックゲートに負電源電位を供給
してトランジスタのオフ状態を維持してもよい。
供給を再開し、その後クロック信号CLKの供給を再開させ、さらにその後リセット信号
RSTの供給を再開させる。このとき、クロック信号CLKが供給される配線を高電源電
位VDDにしておき、その後クロック信号CLKの供給を再開させる。セレクタ653は
、読み出し制御信号RDのパルスに従って記憶回路652の記憶されたデータに応じた値
のデータ信号を記憶回路651に出力する。これにより、電源停止期間の直前の状態に記
憶回路651を復帰させることができる。
あるデータの書き込みを無くすことができるため、動作を速くすることができる。
f1、Noff2モードへ移行する際は、電源遮断に先立って、レジスタ784乃至78
7の記憶回路651のデータは記憶回路652に書き込まれ、記憶回路651のデータを
初期値にリセットし、電源が遮断される。
84乃至787に電力供給が再開されると、まず記憶回路651のデータが初期値にリセ
ットされる。そして、記憶回路652のデータが記憶回路651に書き込まれる。
787で保持されているため、回路203を低消費電力モードからActiveモードへ
直ちに復帰させることが可能になる。よって、回路203の消費電力を低減させることが
できる。
本発明の一態様に適用可能なメモリの例について説明する。該メモリは、例えば図6に示
すメモリ712に適用することもできる。また、酸化物膜を用いたトランジスタを有する
メモリは、蓄電装置の出荷時の容量(最大容量)を記憶させるためのメモリに適用するこ
ともできる。
ここでは、インバータの回路を応用したフリップフロップで構成するメモリである、SR
AM(Static Random Access Memory)について説明する。
Random Access Memory)とは異なり、リフレッシュ動作が不要で
ある。そのため、データの保持時の消費電力を抑えることができる。また、容量素子を用
いないため、高速動作の求められる用途に好適である。
8には一つのメモリセルのみを示すが、当該メモリセルを複数配置したメモリセルアレイ
に適用しても構わない。
スタTr3eと、トランジスタTr4eと、トランジスタTr5eと、トランジスタTr
6eと、を有する。トランジスタTr1e及びトランジスタTr2eはpチャネル型トラ
ンジスタであり、トランジスタTr3e及びトランジスタTr4eはnチャネル型トラン
ジスタである。トランジスタTr1eのゲートは、トランジスタTr2eのドレイン、ト
ランジスタTr3eのゲート、トランジスタTr4eのドレイン、並びにトランジスタT
r6eのソース及びドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタTr1eのソー
スには高電源電位VDDが与えられる。トランジスタTr1eのドレインは、トランジス
タTr2eのゲート、トランジスタTr3eのドレイン及びトランジスタTr5eのソー
ス及びドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタTr2eのソースには高電源
電位VDDが与えられる。トランジスタTr3eのソースには接地電位GNDが与えられ
る。トランジスタTr3eのバックゲートはバックゲート線BGLに電気的に接続される
。トランジスタTr4eのソースには接地電位GNDが与えられる。トランジスタTr4
eのバックゲートはバックゲート線BGLに電気的に接続される。トランジスタTr5e
のゲートはワード線WLに電気的に接続される。トランジスタTr5eのソース及びドレ
インの他方はビット線BLBに電気的に接続される。トランジスタTr6eのゲートはワ
ード線WLに電気的に接続される。トランジスタTr6eのソース及びドレインの他方は
ビット線BLに電気的に接続される。
スタを適用した例を示す。ただし、トランジスタTr5e及びトランジスタTr6eは、
nチャネル型トランジスタに限定されず、pチャネル型トランジスタを適用することもで
きる。その場合、後に示す書き込み、保持及び読み出しの方法も適宜変更すればよい。
ランジスタTr2e及びトランジスタTr4eを有するインバータとをリング接続するこ
とで、フリップフロップが構成される。
よい。ただし、pチャネル型トランジスタは、シリコンを用いたトランジスタに限定され
ない。また、nチャネル型トランジスタとしては、後述する酸化物膜を用いたトランジス
タを用いればよい。
ランジスタを適用する。当該トランジスタは、オフ電流が極めて小さいため、貫通電流も
極めて小さくなる。
タに代えて、nチャネル型トランジスタを適用することもできる。トランジスタTr1e
及びトランジスタTr2eとしてnチャネル型トランジスタを用いる場合、デプレッショ
ン型トランジスタを適用すればよい。
電位を印加する。
Bを接地電位GNDとする。次に、ワード線WLにトランジスタTr5e、トランジスタ
Tr6eのしきい値電圧に高電源電位VDDを加えた電位以上の電位(VH)を印加する
。
圧未満とすることで、フリップフロップに書き込んだデータ1が保持される。SRAMの
場合、データの保持で流れる電流はトランジスタのリーク電流のみとなる。ここで、SR
AMを構成するトランジスタの一部に上記オフ電流の低いトランジスタを適用することに
より、データ保持のための待機電力を小さくすることができる。
次に、ワード線WLにVHを印加することで、ビット線BLは高電源電位VDDのまま変
化しないが、ビット線BLBはトランジスタTr5e及びトランジスタTr3eを介して
放電し、接地電位GNDとなる。このビット線BLとビット線BLBとの電位差をセンス
アンプ(図示せず)にて増幅することにより保持されたデータ1を読み出すことができる
。
を高電源電位VDDとし、その後にワード線WLにVHを印加すればよい。次に、ワード
線WLの電位をトランジスタTr5e、トランジスタTr6eのしきい値電圧未満とする
ことで、フリップフロップに書き込んだデータ0が保持される。読み出し時は、あらかじ
めビット線BL及びビット線BLBを高電源電位VDDとし、ワード線WLにVHを印加
することで、ビット線BLBは高電源電位VDDのまま変化しないが、ビット線BLはト
ランジスタTr6e及びトランジスタTr4eを介して放電し、接地電位GNDとなる。
このビット線BLとビット線BLBとの電位差をセンスアンプにて増幅することにより保
持されたデータ0を読み出すことができる。
本発明の一態様に係る酸化物膜を用いたトランジスタは、オフ電流を極めて小さくするこ
とができる。すなわち、当該トランジスタを介した電荷のリークが起こりにくい電気特性
を有する。以下では、このような電気特性を有するトランジスタを適用した、既知の記憶
素子を有すると比べ、機能的に優れた記憶素子を有するメモリとして、DOSRAM(D
ynamic Oxide Semiconductor Random Access
Memory)について説明する。DOSRAMとは、上記オフ電流の低いトランジス
タを、メモリセルの選択トランジスタ(スイッチング素子としてのトランジスタ)に用い
たメモリを指す。
セルアレイを示す回路図である。図9(B)はメモリセルの回路図である。
ード線1052と、容量線1053と、センスアンプ1054と、をそれぞれ複数有する
。
050はビット線1051及びワード線1052の交点に付き一つずつ配置される。ビッ
ト線1051はセンスアンプ1054と接続され、ビット線1051の電位をデータとし
て読み出す機能を有する。
と、を有する。また、トランジスタ1055のゲートはワード線1052と電気的に接続
される。トランジスタ1055のソースはビット線1051と電気的に接続される。トラ
ンジスタ1055のドレインはキャパシタ1056の一端と電気的に接続される。キャパ
シタ1056の他端は容量線1053に電気的に接続される。
ルを複数含む、メモリセルアレイ(メモリセルアレイ3400a乃至メモリセルアレイ3
400n(nは2以上の整数))を複数層有し、下部にメモリセルアレイ3400a乃至
メモリセルアレイ3400nを動作させるために必要な論理回路3004を有する。
経つと徐々に低減していく。当初V0からV1まで充電された電圧は、時間が経過すると
data1を読み出す限界点であるVAまで低減する。この期間を保持期間T_1とする
。すなわち、2値メモリセルの場合、保持期間T_1の間にリフレッシュをする必要があ
る。
保持された電圧の時間変化が大きいため、保持期間T_1が短くなる。従って、頻繁にリ
フレッシュをする必要がある。リフレッシュの頻度が高まると、メモリの消費電力が高ま
ってしまう。
を極めて長くすることができる。すなわち、リフレッシュの頻度を少なくすることが可能
となるため、消費電力を低減することができる。例えば、オフ電流が1×10−21Aか
ら1×10−25Aであるトランジスタ1055でメモリセルを構成すると、電力を供給
せずに数日間から数十年間に渡ってデータを保持することが可能となる。
ことができる。
次に、図8及び図10に示すメモリとは異なるメモリとして、NOSRAM(Non−v
olatile Oxide Semiconductor Random Acces
s Memory)について説明する。NOSRAMとは、上記オフ電流の低いトランジ
スタを、メモリセルの選択トランジスタ(スイッチング素子としてのトランジスタ)に用
い、シリコン材料などを用いたトランジスタをメモリセルの出力トランジスタに用いたメ
モリを指す。
(B)は図11(A)に示すメモリセルの電気特性を示す図である。
キャパシタ1073とを有する。ここで、トランジスタ1071のゲートはワード線10
76と電気的に接続される。トランジスタ1071のソースはソース線1074と電気的
に接続される。トランジスタ1071のドレインはトランジスタ1072のゲート及びキ
ャパシタ1073の一端と電気的に接続され、この部分をノード1079とする。トラン
ジスタ1072のソースはソース線1075と電気的に接続される。トランジスタ107
2のドレインはドレイン線1077と電気的に接続される。キャパシタ1073の他端は
容量線1078と電気的に接続される。
見かけ上のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図11(B)は
容量線1078の電圧VCLと、トランジスタ1072を流れるドレイン電流Id_2と
の関係を説明する図である。
えば、ソース線1074の電位を高電源電位VDDとする。このとき、ワード線1076
の電位をトランジスタ1071のしきい値電圧Vthに高電源電位VDDを加えた電位以
上とすることで、ノード1079の電位をHIGHにすることができる。また、ワード線
1076の電位をトランジスタ1071のしきい値電圧Vth以下とすることで、ノード
1079の電位をLOWにすることができる。
Hで示したVCL−Id_2カーブのいずれかの電気特性となる。すなわち、LOWでは
、VCL=0VにてId_2が小さいため、データ0となる。また、HIGHでは、VC
L=0VにてId_2が大きいため、データ1となる。このようにして、データを記憶す
ることができる。
保持時間を長くすることができる。トランジスタ1072を用いることにより、データを
読み出す際にデータが失われないため、繰り返しデータを読み出すことができる。
ここでは、蓄電装置の充放電容量(クーロン量)を算出し、読み出すことのできるクーロ
ンカウンタについて説明する。
抗250、増幅回路251、電圧電流変換回路252及び積分回路253を有する。クー
ロンカウンタは、抵抗250を流れる電流Isから、被検出対象である蓄電体201から
出力された電荷量を検出する機能を備える。蓄電体201は、高電位側の端子254及び
低電位用の端子255に接続されている。
る。電流Isが流れることにより、抵抗250の両端には電圧Vs(=Is×Rs)が発
生する。増幅回路251の非反転入力端子と反転入力端子間には電圧Vsが入力される。
増幅回路251は、電圧Vsを増幅して、電圧Vaを生成する機能を有する。電圧Vaは
、電圧Vsに比例する電圧である。
有する回路である。ここでは、電圧電流変換回路252は電圧Vaを電流Icに変換する
。電流Icは、電圧Vaに比例する電流である。
る機能を有する回路である。積分回路253は、トランジスタ256、トランジスタ25
7、容量素子258及びコンパレータ259を有する。
2の出力との接続を制御するスイッチの機能を有する。トランジスタ256のオン、オフ
はそのゲートに入力される信号CONにより制御される。
間を接続するスイッチの機能を有する。そのため、トランジスタ257は、ノード260
の電圧Vcをリセットするリセット回路として機能することができる。トランジスタ25
7のオン、オフは、そのゲートに入力される信号SETにより制御される。トランジスタ
257がオン状態である期間は、ノード260はノード261に接続されるため、その電
圧Vcは一定電位となり、トランジスタ257などによる電圧降下を無視する場合は、基
準電圧VREF3と等しくなる。
応じて形成すればよい。
ランジスタ256をオンすることにより、電流Icが電圧電流変換回路252からノード
260に入力され、容量素子258が充電される(サンプル動作)。トランジスタ257
をオフすることにより、ノード260が電気的に浮遊状態とされ、容量素子258におい
て電荷量Qcが保持される(ホールド動作)。
量Qcは電流Icに比例するため、ノード260からの出力信号(電圧Vc)、または電
圧Vcに応じた信号から、抵抗250を流れた電荷量に関するデータを得ることができる
。よって、これらの信号から、蓄電体201の充電容量又は残容量を算出することができ
る。
力される。コンパレータ259の非反転入力端子は、ノード260(容量素子258の端
子)に接続され、同反転入力端子には、電位VREF1が入力される。コンパレータ25
9は、電圧Vcが基準電圧よりも高ければハイレベルの信号OUTを出力し、低ければ、
ローレベルの信号OUTを出力する。
が好ましい。ヒステリシスコンパレータを用いることにより、ノイズの影響により出力信
号OUTの電位の切り替えが頻繁に起こることを抑制することができる。
ンパレータ259が用いられているが、これに限定されない。例えば、このようなアナロ
グ回路としてアナログ−デジタル変換回路、増幅回路等を用いることができる。
されるものではない。例えば、ノード260の電圧Vcを信号として出力させることがで
きる。この場合、ノード260に増幅回路を接続し、増幅回路で増幅された電圧を出力信
号として取り出せばよい。
ることができる。特に、蓄電体の正極に二相共存反応をする活物質を用いた場合、電位変
化にプラトーな領域を有するため、蓄電体の電圧を測定しても容量を算出することができ
ない。このため、充電容量を測定することのできる上述のクーロンカウンタが適している
。
上記制御回路やメモリ、クーロンカウンタなどの半導体装置の構造例について説明する。
まず、半導体装置に適用可能なトランジスタの構造例について説明する。
構造として、例えば、以下に説明するボトムゲート構造のスタガ型やプレーナ型などを用
いることができる。また、トランジスタはチャネル形成領域が1つ形成されるシングルゲ
ート構造でも、2つ形成されるダブルゲート構造若しくは3つ形成されるトリプルゲート
構造などのマルチゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶
縁膜を介して配置された2つのゲート電極を有する構造(本明細書においては、これをデ
ュアルゲート構造という)でもよい。
図13に、ボトムゲート型トランジスタの一種であるボトムゲートトップコンタクト構造
のトランジスタ421の構成例を示す。図13(A)は、トランジスタ421の平面図で
あり、図13(B)は、図13(A)中の一点鎖線A1−A2における断面図であり、図
13(C)は、図13(A)中の一点鎖線B1−B2における断面図である。
、ゲート電極401上に設けられたゲート絶縁膜402と、ゲート絶縁膜402を介して
ゲート電極401と重畳する酸化物膜404と、酸化物膜404と接して設けられたソー
ス電極405a及びドレイン電極405bと、を有する。また、ソース電極405a及び
ドレイン電極405bを覆い、酸化物膜404と接するように絶縁膜406が設けられて
いる。なお、基板400は、他の素子が形成された被素子形成基板であってもよい。
域にn型化領域403を有していてもよい。
図14(A)に、トップゲート構造のトランジスタ422を示す。
縁膜408上に設けられた酸化物膜404と、酸化物膜404に接して設けられたソース
電極405a及びドレイン電極405bと、酸化物膜404、ソース電極405a及びド
レイン電極405b上に設けられたゲート絶縁膜409と、ゲート絶縁膜409を介して
酸化物膜404と重畳するゲート電極410と、を有する。
域にn型化領域403を有していてもよい。
図14(B)に、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された2つのゲー
ト電極を有する、デュアルゲート構造のトランジスタ423を示す。
、ゲート電極401上に設けられたゲート絶縁膜402と、ゲート絶縁膜402を介して
ゲート電極401と重畳する酸化物膜404と、酸化物膜404と接して設けられたソー
ス電極405a及びドレイン電極405bと、ソース電極405a及びドレイン電極40
5bを覆い、酸化物膜404と接するゲート絶縁膜409と、ゲート絶縁膜409を介し
て酸化物膜404と重畳するゲート電極410と、を有する。
域にn型化領域403を有していてもよい。
トランジスタの各構成要素について説明する。
ゲート電極401及びゲート電極410としては、例えばAl、Cr、Cu、Ta、Ti
、Mo、Wなどを有する層を用いることができる。
、Ti、Mo、Wなどを有する層を用いることができる。
ゲート絶縁膜402、絶縁膜406、ゲート絶縁膜409としては、例えば酸化シリコン
膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化
アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、又は酸化窒化アルミニウム膜を用いることができ
る。
さらに、酸化物膜404に適用可能な材料について説明する。
酸化物膜404としては、例えばIn系金属酸化物、Zn系金属酸化物、In−Zn系金
属酸化物、又はIn−Ga−Zn系金属酸化物などの膜を適用することができる。
他の金属元素を含む金属酸化物を用いてもよい。上記他の金属元素としては、例えばガリ
ウムよりも多くの酸素原子と結合が可能な金属元素を用いればよく、例えばチタン、ジル
コニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、及び錫のいずれか一つ又は複数の元素を用いれば
よい。また、上記他の金属元素としては、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム
、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム
、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、及びルテチウムのいずれか一つ又は複数の元
素を用いればよい。これらの金属元素は、スタビライザーとしての機能を有する。なお、
これらの金属元素の添加量は、金属酸化物が半導体として機能することが可能な量である
。ガリウムよりも多くの酸素原子と結合が可能な金属元素を用い、さらには金属酸化物中
に酸素を供給することにより、金属酸化物中の酸素欠陥を少なくすることができる。
Mass Spectrometry)において、2×1020atoms/cm3以
下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019at
oms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下とすること
ができる。
満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018at
oms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とすること
ができる。
満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018at
oms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とすること
ができる。
3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018
atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする
ことができる。
on Spectroscopy)分析によるm/zが2(水素分子など)である気体分
子(原子)、m/zが18である気体分子(原子)、m/zが28である気体分子(原子
)及びm/zが44である気体分子(原子)の放出量が、それぞれ1×1019個/cm
3以下、好ましくは1×1018個/cm3以下であることが好ましい。
導体と酸化物とを含む酸化物積層とすることによって、水素、水分等の不純物又は酸化物
半導体に接する絶縁膜からの不純物が、酸化物半導体膜中に入り込むことによってキャリ
アの形成を抑制することができる。
低くすることができる。よって、上記オフ電流の低いトランジスタとして上記酸化物積層
膜を用いたトランジスタを用いることができる。
ことができる。
蓄電装置の一例として、以下にリチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池につ
いて説明する。
まず、蓄電装置の正極について、図15を用いて説明する。
はスパッタリング法等により形成された正極活物質層6002などにより構成される。図
15(A)においては、シート状(又は帯状)の正極集電体6001の両面に正極活物質
層6002を設けた例を示しているが、これに限られず、正極活物質層6002は、正極
集電体6001の一方の面にのみ設けてもよい。また、図15(A)においては、正極活
物質層6002は、正極集電体6001上の全域に設けているが、これに限られず、正極
集電体6001の一部に設けても良い。例えば、正極集電体6001と正極タブとが接続
する部分には、正極活物質層6002を設けない構成とするとよい。
等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高く、リチウム等のキャリアイオンと合金化
しない材料を用いることができる。また、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
できる。また、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。正極集電体6001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。正極集電体60
01は、厚みが10μm以上30μm以下のものを用いるとよい。
002は、粒状の正極活物質6003と、導電助剤としてのグラフェン6004と、バイ
ンダ6005(結着剤)とを含む。
ブラック、グラファイト(黒鉛)粒子、カーボンナノチューブなどを用いることができる
が、ここでは一例として、グラフェン6004を用いた正極活物質層6002について説
明する。
により粉砕、造粒及び分級した、平均粒径や粒径分布を有する二次粒子からなる粒状の正
極活物質である。このため、図15(B)においては、正極活物質6003を模式的に球
で示しているが、この形状に限られるものではない。
な材料であればよい。
)、Co(II)、Ni(II)の一以上))を用いることができる。一般式LiMPO
4の代表例としては、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO
4、LiFeaNibPO4、LiFeaCobPO4、LiFeaMnbPO4、Li
NiaCobPO4、LiNiaMnbPO4(a+bは1以下、0<a<1、0<b<
1)、LiFecNidCoePO4、LiFecNidMnePO4、LiNicCo
dMnePO4(c+d+eは1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiF
efNigCohMniPO4(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正極活物質として用いることができる。
I)、Ni(II)の一以上、0≦j≦2)等の複合酸化物を用いることができる。一般
式Li(2−j)MSiO4の代表例としては、Li(2−j)FeSiO4、Li(2
−j)NiSiO4、Li(2−j)CoSiO4、Li(2−j)MnSiO4、Li
(2−j)FekNilSiO4、Li(2−j)FekColSiO4、Li(2−j
)FekMnlSiO4、Li(2−j)NikColSiO4、Li(2−j)Nik
MnlSiO4(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、Li(2−j)FemN
inCoqSiO4、Li(2−j)FemNinMnqSiO4、Li(2−j)Ni
mConMnqSiO4(m+n+qは1以下、0<m<1、0<n<1、0<q<1)
、Li(2−j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+uは1以下、0<r
<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等の化合物を正極活物質として用いること
ができる。
O2、LiMnO2、Li2MnO3、LiNi0.8Co0.2O2等のNiCo系(
一般式は、LiNixCo1−xO2(0<x<1))、LiNi0.5Mn0.5O2
等のNiMn系(一般式は、LiNixMn1−xO2(0<x<1))、LiNi1/
3Mn1/3Co1/3O2等のNiMnCo系(NMCともいう。一般式は、LiNi
xMnyCo1−x−yO2(x>0、y>0、x+y<1))などのリチウム含有材料
を用いることができる。
ピネル型の結晶構造を有する活物質等、その他種々の化合物を用いることができる。
イオンの場合、正極活物質6003として、上記化合物や酸化物において、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、ベリリウム、マグネシウム等)を用いてもよ
い。
ることで、電極の導電性を向上させることができる。正極活物質6003への炭素層の被
覆は、正極活物質の焼成時にグルコース等の炭水化物を混合することで形成することがで
きる。
フェンに還元処理を行うことによって形成することができる。
の多層グラフェンを含むものである。単層グラフェンとは、π結合を有する1原子層の炭
素分子のシートのことをいう。また、酸化グラフェンとは、上記グラフェンが酸化された
化合物のことをいう。なお、酸化グラフェンを還元してグラフェンを形成する場合、酸化
グラフェンに含まれる酸素は全て脱離されずに、一部の酸素はグラフェンに残存する。グ
ラフェンに酸素が含まれる場合、酸素の割合は、XPSで測定した場合にグラフェン全体
の2atomic%以上20atomic%以下、好ましくは3atomic%以上15
atomic%以下である。
を有することで、グラフェンの層間距離は0.34nm以上0.5nm以下、好ましくは
0.38nm以上0.42nm以下、さらに好ましくは0.39nm以上0.41nm以
下である。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、本
発明の一態様に係る蓄電装置に用いるグラフェンの方が、その層間距離が長いため、多層
グラフェンの層間におけるキャリアイオンの移動が容易となる。
きる。
素水等を加えて酸化反応させて酸化グラファイトを含む分散液を作製する。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が結合する。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くなり、層間の分離による薄片化が容易となる。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、層間距離が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とともに、酸化グラフェンを含む分散液を作製するこ
とができる。そして、酸化グラフェンを含む分散液から溶媒を取り除くことで、粉末状の
酸化グラフェンを得ることができる。
法に限られず、例えば硝酸、塩素酸カリウム、硝酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム等
を使用するHummers法、又はHummers法以外の酸化グラフェンの作製方法を
適宜用いてもよい。
は熱プラズマの照射や、物理的応力の付加により行ってもよい。
基等を有する。酸化グラフェンはNMP(N−メチルピロリドン、1−メチル−2−ピロ
リドン、N−メチル−2−ピロリドンなどともいう。)に代表される極性溶媒の中におい
ては、官能基中の酸素がマイナスに帯電するため、NMPと相互作用する一方で異なる酸
化グラフェンどうしとは反発し、凝集しにくい。このため、極性溶媒中においては、酸化
グラフェンが均一に分散しやすい。
m以上100μm以下、好ましくは800nm以上20μm以下とするとよい。
003は、複数のグラフェン6004によって被覆されている。一枚のシート状のグラフ
ェン6004は、複数の粒状の正極活物質6003と接続する。特に、グラフェン600
4がシート状であるため、粒状の正極活物質6003の表面の一部を包むように面接触す
ることができる。正極活物質と点接触するアセチレンブラック等の粒状の導電助剤と異な
り、グラフェン6004は接触抵抗の低い面接触を可能とするものであるから、導電助剤
の量を増加させることなく、粒状の正極活物質6003とグラフェン6004との電気伝
導性を向上させることができる。
形成に、極性溶媒中での分散性が極めて高い酸化グラフェンを用いるためである。均一に
分散した酸化グラフェンを含有する分散媒から溶媒を揮発除去し、酸化グラフェンを還元
してグラフェンとするため、正極活物質層6002に残留するグラフェン6004は部分
的に重なり合い、互いに面接触する程度に分散していることで電気伝導の経路を形成して
いる。
に配置されるように形成されている。また、グラフェン6004は炭素分子の単層又はこ
れらの積層で構成される極めて薄い膜(シート)であるため、個々の粒状の正極活物質6
003の表面をなぞるようにその表面の一部を覆って接触しており、正極活物質6003
と接していない部分は複数の粒状の正極活物質6003の間で撓み、皺となり、あるいは
引き延ばされて張った状態を呈する。
成している。このため正極活物質6003どうしの電気伝導の経路が維持されている。以
上のことから、酸化グラフェンを原料とし、溶媒などと混ぜてペーストとした後に還元し
たグラフェンを導電助剤として用いることで、高い電気伝導性を有する正極活物質層60
02を形成することができる。
添加量を増加させなくてもよいため、正極活物質6003の正極活物質層6002におけ
る比率を増加させることができる。これにより、二次電池の放電容量を増加させることが
できる。
m以上500nm以下のものを用いるとよい。この粒状の正極活物質6003の複数と面
接触するために、グラフェン6004は一辺の長さが50nm以上100μm以下、好ま
しくは800nm以上20μm以下であると好ましい。
ニリデン(PVDF)の他、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロ
ライド、エチレンプロピレンジエンポリマー、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニト
リル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリ
エチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。
ン6004及びバインダを、正極活物質層6002の総量に対して、それぞれ正極活物質
を90wt%以上94wt%以下、グラフェンを1wt%以上5wt%以下、バインダを
1wt%以上5wt%以下の割合で含有することが好ましい。
次に、蓄電装置の負極について、図16を用いて説明する。
はスパッタリング法等により形成された負極活物質層6102などにより構成される。図
16(A)においては、シート状(又は帯状)の負極集電体6101の両面に負極活物質
層6102を設けた例を示しているが、これに限られず、負極活物質層6102は、負極
集電体6101の一方の面にのみ設けてもよい。また、図16(A)においては、負極活
物質層6102は、負極集電体6101上の全域に設けているが、これに限られず、負極
集電体6101の一部に設けても良い。例えば、負極集電体6101と負極タブとが接続
する部分には、負極活物質層6102を設けない構成とするとよい。
これらの合金など、導電性の高く、リチウム等のキャリアイオンと合金化しない材料を用
いることができる。また、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。負極集電体6101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。負極
集電体6101は、厚みが10μm以上30μm以下のものを用いるとよい。
は負極活物質層6102に、負極活物質6103とバインダ6105(結着剤)を有する
例を示すが、これに限られず、少なくとも負極活物質6103を有していればよい。
あれば、特に限定されない。負極活物質6103の材料としては、リチウム金属の他、蓄
電分野に一般的な炭素材である黒鉛を用いることができる。黒鉛は、低結晶性炭素として
軟質炭素や硬質炭素等が挙げられ、高結晶性炭素として、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分
解炭素、液晶ピッチ系炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、液晶ピッチ
、石油又は石炭系コークス等が挙げられる。
応により充放電反応を行うことが可能な合金系材料を用いることができる。キャリアイオ
ンがリチウムイオンである場合、合金系材料としては、例えば、Mg、Ca、Al、Si
、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Ag、Au、Zn、Cd、Hg及びIn等のう
ちの少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような金属は黒鉛に対して容
量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200mAh/gと飛躍的に高い。このため、
負極活物質6103にシリコンを用いることが好ましい。
限られず、負極活物質6103の形状としては、例えば板状、棒状、円柱状、粉状、鱗片
状等任意の形状とすることができる。また、板状の表面に凹凸形状を有するものや、表面
に微細な凹凸形状を有するもの、多孔質形状を有するものなど立体形状を有するものであ
ってもよい。
剤(図示せず)や結着剤6105を添加して、負極ペーストを作製し、負極集電体610
1上に塗布して乾燥させればよい。
ては、スパッタリング法により負極活物質層6102表面にリチウム層を形成してもよい
。また、負極活物質層6102の表面にリチウム箔を設けることで、負極活物質層610
2にリチウムをプレドープすることもできる。
。例えば、負極活物質6103をシリコンとした場合、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いため、負極集電体6101と負極活物質層
6102との密着性が低下し、充放電により電池特性が劣化してしまう。そこで、シリコ
ンを含む負極活物質6103の表面にグラフェンを形成すると、充放電サイクルにおいて
、シリコンの体積が変化したとしても、負極集電体6101と負極活物質層6102との
密着性の低下を抑制することができ、電池特性の劣化が低減されるため好ましい。
フェンを還元することによって形成することができる。該酸化グラフェンは、上述した酸
化グラフェンを用いることができる。
において電解液の分解等により形成される皮膜(SEIとも呼ばれる)は、その形成時に
消費された電荷量を放出することができず、不可逆容量を形成する。これに対し、酸化物
等の被膜6104をあらかじめ負極活物質6103の表面に設けておくことで、不可逆容
量の発生を抑制又は防止することができる。
ム、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、クロム、アルミ
ニウム若しくはシリコンのいずれか一の酸化膜、又はこれら元素のいずれか一とリチウム
とを含む酸化膜を用いることができる。このような被膜6104は、従来の電解液の分解
生成物により負極表面に形成される被膜に比べ、十分緻密な膜である。
性を示す。このため、酸化ニオブ膜は負極活物質と電解液との電気化学的な分解反応を阻
害する。一方で、酸化ニオブのリチウム拡散係数は10−9cm2/secであり、高い
リチウムイオン伝導性を有する。このため、リチウムイオンを透過させることが可能であ
る。
とができる。ゾル−ゲル法とは、金属アルコキシドや金属塩等からなる溶液を、加水分解
反応・重縮合反応により流動性を失ったゲルとし、このゲルを焼成して薄膜を形成する方
法である。ゾル−ゲル法は液相から薄膜を形成する方法であるから、原料を分子レベルで
均質に混合することができる。このため、溶媒の段階の金属酸化膜の原料に、黒鉛等の負
極活物質を加えることで、容易にゲル中に活物質を分散させることができる。このように
して、負極活物質6103の表面に被膜6104を形成することができる。
置の容量の低下を防止することができる。
蓄電装置に用いる電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましく、例えば、エ
チレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート
、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレ
ロラクトン、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチ
ルメチルカーボネート(EMC)、ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル、1,3−ジオ
キサン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド、ジ
エチルエーテル、メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフ
ラン、スルホラン、スルトン等の1種、又はこれらのうちの2種以上を任意の組み合わせ
及び比率で用いることができる。
全性が高まる。また、蓄電装置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、シリコーンゲル、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。
又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。
、例えばLiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiAlCl4、Li
SCN、LiBr、LiI、Li2SO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl1
2、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2
F5SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C4F9SO2)(CF3SO2
)、LiN(C2F5SO2)2等のリチウム塩を一種、又はこれらのうちの二種以上を
任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。
蓄電装置のセパレータには、セルロースや、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(P
E)、ポリブテン、ナイロン、ポリエステル、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポ
リフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン等の多孔性絶縁体を用いることができる。
また、ガラス繊維等の不織布や、ガラス繊維と高分子繊維を複合した隔膜を用いてもよい
。
次に、非水系二次電池の構造について、図17及び図18を用いて説明する。
図17(A)は、コイン型(単層偏平型)のリチウムイオン二次電池の外観図であり、部
分的にその断面構造を併せて示した図である。
952とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット953で絶縁シールされている。
正極954は、正極集電体955と、これと接するように設けられた正極活物質層956
により形成される。また、負極957は、負極集電体958と、これに接するように設け
られた負極活物質層959により形成される。正極活物質層956と負極活物質層959
との間には、セパレータ960と、電解液(図示せず)とを有する。
955上に正極活物質層956を有する。
ることができる。
ム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えば、ステンレ
ス鋼等)を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミ
ニウム等を被覆することが好ましい。正極缶951は正極954と、負極缶952は負極
957とそれぞれ電気的に接続する。
に示すように、正極缶951を下にして正極954、セパレータ960、負極957、負
極缶952をこの順で積層し、正極缶951と負極缶952とをガスケット953を介し
て圧着してコイン型の二次電池950を製造する。
次に、薄型の二次電池の一例について、図17(B)を参照して説明する。図17(B)
では、説明の便宜上、部分的にその内部構造を露出して記載している。
を有する正極973と、負極集電体974及び負極活物質層975を有する負極976と
、セパレータ977と、電解液(図示せず)と、外装体978と、を有する。外装体97
8内に設けられた正極973と負極976との間にセパレータ977が設置されている。
また、外装体978内は、電解液で満たされている。なお、図17(B)においては、正
極973、負極976、セパレータ977をそれぞれ一枚ずつ用いているが、これらを交
互に積層した積層型の二次電池としてもよい。
ることができる。
74は、外部との電気的接触を得る端子(タブ)の役割も兼ねている。そのため、正極集
電体971及び負極集電体974の一部は、外装体978から外側に露出するように配置
される。
ン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、アルミニウ
ム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上
に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設
けた三層構造の積層フィルムを用いることができる。このような三層構造とすることで、
電解液や気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解液性を有する。
次に、円筒型の二次電池の一例について、図18を参照して説明する。円筒型の二次電池
980は図18(A)に示すように、上面に正極キャップ(電池蓋)981を有し、側面
及び底面に電池缶(外装缶)982を有している。これら正極キャップと電池缶(外装缶
)982とは、ガスケット(絶縁パッキン)990によって絶縁されている。
缶982の内側には、帯状の正極984と負極986とがセパレータ985を間に挟んで
捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に
捲回されている。電池缶982は、一端が閉じられ、他端が開いている。
金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えば、ステンレス鋼等)を用い
ることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆
することが好ましい。電池缶982の内側において、正極、負極及びセパレータが捲回さ
れた電池素子は、対向する一対の絶縁板988、989により挟まれている。
る。電解液には、上述した電解質及び溶媒を用いることができる。
物質層を形成する。正極984には正極端子(正極集電リード)983が接続され、負極
986には負極端子(負極集電リード)987が接続される。正極端子983及び負極端
子987は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子983
は安全弁機構992に、負極端子987は電池缶982の底にそれぞれ抵抗溶接される。
安全弁機構992は、PTC(Positive Temperature Coeff
icient)素子991を介して正極キャップ981と電気的に接続されている。安全
弁機構992は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ981と正
極984との電気的な接続を切断するものである。また、PTC素子991は温度が上昇
した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常
発熱を防止するものである。PTC素子には、チタン酸バリウム(BaTiO3)系半導
体セラミックス等を用いることができる。
次に、角型の二次電池の一例について、図17(C)を参照して説明する。図17(C)
に示す捲回体993は、負極994と、正極995と、セパレータ996と、を有する。
捲回体993は、セパレータ996を挟んで負極994と、正極995とが重なり合って
積層され、該積層シートを捲回したものである。この捲回体993を角型の封止缶などで
覆うことにより角型の二次電池が形成される。なお、負極994、正極995及びセパレ
ータ996からなる積層の積層数は、必要な容量と素子体積に応じて適宜設計すればよい
。
タブ(図示せず)に接続され、正極995は端子997及び端子998の他方を介して正
極タブ(図示せず)に接続される。その他、安全弁機構等の周辺構造は、円筒型の二次電
池に準ずる。
び角型の二次電池を示したが、その他様々な形状の二次電池を用いることができる。また
、正極と負極とセパレータとが複数積層された構造や、正極と負極とセパレータとが捲回
された構造であってもよい。
次に、電気回路等を有する蓄電装置について説明する。
図19(A)及び(B)に示す蓄電装置6600は、電池缶6604の内部に捲回体66
01を収納したものである。捲回体6601は、端子6602及び端子6603を有し、
電池缶6604の内部で電解液に含浸される。端子6603は電池缶6604に接し、端
子6602は、絶縁材などを用いることにより電池缶6604から絶縁する構成としても
よい。電池缶6604は、例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることが
できる。
9(C)及び(D)は、蓄電装置6600に、電気回路等を設けた回路基板6606、ア
ンテナ6609、アンテナ6610、ラベル6608を設けた例を示す図である。
しては、例えばプリント基板(PCB)を用いることができる。プリント基板を回路基板
6606として用いた場合、プリント基板上に抵抗素子、コンデンサ等の容量素子、コイ
ル(インダクタ)、半導体集積回路(IC)などの電子部品を実装し結線して電気回路6
607を形成することができる。電子部品としてはこれらの他に、サーミスタ等の温度検
出素子、ヒューズ、フィルタ、水晶発振器、EMC対策部品等、種々の部品を実装するこ
とができる。
などに用いたトランジスタを有する回路を用いることができる。これにより、電気回路6
607の消費電力を大幅に低減することが可能となる。
充電監視回路、過放電監視回路、過電流に対する保護回路等として機能させることができ
る。電気回路6607には、例えば図3に示す回路203を設けることができる。なお、
蓄電装置6600に図3に示すコンバータ202を設けてもよい。
09、アンテナ6610、及び電気回路6607に接続される。図19(C)及び(D)
においては5つの端子を示しているが、これに限らず、任意の端子数とすればよい。端子
6605を用いて蓄電装置6600の充放電を行う他、蓄電装置6600を搭載する電気
機器との信号の授受を行うことができる。
の授受を行うために用いることができる。アンテナ6609及びアンテナ6610の一方
又は双方を上述した電気回路6607に電気的に接続することで、電気回路6607によ
り外部との電力の授受又は信号の授受を制御することができる。あるいは、アンテナ66
09及びアンテナ6610の一方又は双方を端子6605に電気的に接続することで、蓄
電装置6600を搭載する電気機器の制御回路により外部との電力の授受又は信号の授受
を制御することもできる。
るが、アンテナは複数種設けてもよく、あるいはアンテナを設けない構成としてもよい。
状である場合を示すが、これに限られず、例えば線状、平板状であってもよい。また、平
面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、EHアンテナ、磁界アンテナ、誘電体ア
ンテナ等のアンテナを用いてもよい。
などともいう)には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電波方式等を用いることができる。
により、アンテナ6609により受電する電力量を上げることができる。
を有する。層6611は、例えば捲回体6601による電界又は磁界の遮蔽を防止するこ
とができる機能を有する。この場合、層6611には、例えば磁性体を用いることができ
る。あるいは、層6611を遮蔽層としてもよい。
は異なる用途として用いることができる。例えば、蓄電装置6600を搭載する電気機器
がアンテナを有さない機器である場合、アンテナ6609及びアンテナ6610を用いて
電気機器への無線通信を実現することができる。
本発明の一態様に係る蓄電装置は、様々な電気機器の電源として用いることができる。
ここで電気機器とは、電気の力によって作用する部分を含む工業製品をいう。電気機器は
、家電等の民生用に限られず、業務用、産業用、軍事用等、種々の用途のものを広くこの
範疇とする。
本発明の一態様に係る蓄電装置を用いた電気機器としては、例えば、テレビやモニタ等の
表示装置、照明装置、デスクトップ型やノート型等のパーソナルコンピュータ、ワードプ
ロセッサ、DVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体に
記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、CD(Compact Disc)
プレーヤやデジタルオーディオプレーヤ等の携帯型又は据置型の音響再生機器、携帯型又
は据置型のラジオ受信機、テープレコーダやICレコーダ(ボイスレコーダ)等の録音再
生機器、ヘッドホンステレオ、ステレオ、リモートコントローラ、置き時計や壁掛け時計
等の時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話機、自動車電話、携帯型又は据
置型のゲーム機、歩数計、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、マイ
クロフォン等の音声入力機器、スチルカメラやビデオカメラ等の写真機、玩具、電気シェ
ーバ、電動歯ブラシ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃
除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、加湿器や除湿器やエアコンディショナ等の空気調和
設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電
気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、懐中電灯、電動工具、煙感知器、補聴器、心臓ペー
スメーカ、携帯型X線撮影装置、放射線測定器、電気マッサージ器や透析装置等の健康機
器や医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ガスメータや水道メータ等の
計量器、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、自動販売機、自動券売機、現金自
動支払機(CD。Cash Dispenserの略)や現金自動預金支払機(ATM。
AutoMated Teller Machineの略)、デジタルサイネージ(電子
看板)、産業用ロボット、無線用中継局、携帯電話の基地局、電力貯蔵システム、電力の
平準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。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(輸送体)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(EV)、内燃機関と電動機
を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)、これ
らのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、農業機械、電動アシスト自転車を含む原動
機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、電動カート、小型又は大型船舶、潜水艦、固定翼
機や回転翼機等の航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが
挙げられる。
に係る蓄電装置を用いることができる。また、上記電気機器は、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無停電電源と
して、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。あるいは上記電気機器は、
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ができる。
上述した電気機器は、個々に蓄電装置を搭載する場合に限らず、複数の電気機器と蓄電装
置とこれらの電力系を制御する制御装置とを有線又は無線で接続した電力系のネットワー
ク(電力網)を形成してもよい。電力系のネットワークを制御装置により制御することに
よって、ネットワーク全体における電力の使用効率を向上させることができる。
S(家庭内エネルギー管理システム。Home Energy Management
Systemの略)の例を示す。このようなシステムによって、家全体の電力消費量を容
易に把握することが可能になる。また、複数の家電機器の運転を遠隔操作することができ
る。また、センサや制御装置を用いて家電機器を自動制御する場合には、電力の節約にも
貢献することができる。
1に接続される。分電盤8003は、引込み線8002から供給される商用電力である交
流電力を、複数の家電機器それぞれに供給するものである。制御装置8004は分電盤8
003と接続されるとともに、複数の家電機器や蓄電システム8005、太陽光発電シス
テム8006等と接続される。また制御装置8004は、住宅8000の屋外などに駐車
され、分電盤8003とは独立した電気自動車8012とも接続することができる。
ものであり、ネットワークに接続された複数の家電機器を制御するものである。
1を経由して、管理サーバ8013と接続することができる。管理サーバ8013は、使
用者の電力の使用状況を受信してデータベースを構築することができ、当該データベース
に基づき、種々のサービスを使用者に提供することができる。また、管理サーバ8013
は、例えば時間帯に応じた電力の料金情報を使用者に随時提供することができ、当該情報
に基づいて、制御装置8004は住宅8000内における最適な使用形態を設定すること
もできる。
空気調和設備8009、電気冷蔵庫8010であるが、勿論これに限られず、上述した電
気機器など住宅内に設置可能なあらゆる電気機器を指す。
minescence)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 Device)、PDP(Pl
asma Display Panel)、FED(Field Emission D
isplay)などの半導体表示装置が組み込まれ、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、情報表示用表示装置として機能するものが含まれる。
、人工光源としては、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、LED(Light Emi
tting Diode)や有機EL素子などの発光素子を用いることができる。図20
(A)に示す照明装置8008は天井に設置されたものであるが、この他、壁面、床、窓
等に設けられた据付け型であってもよく、卓上型であってもよい。
を有する。図20(A)では、一例としてエアコンディショナを示す。エアコンディショ
ナは、圧縮機や蒸発器を一体とした室内機と、凝縮器を内蔵した室外機(図示せず)を備
えるものや、これらを一体としたもの等で構成される。
下で凍らせる目的の冷凍庫を含む。圧縮器により圧縮したパイプ内の冷媒が気化する際に
熱を奪うことにより、庫内を冷却するものである。
ずに、蓄電システム8005の電力や商用電源からの電力を利用してもよい。家電機器が
蓄電装置を内部に有する場合には、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられな
い場合であっても、蓄電装置を無停電電源として用いることで、当該家電機器の利用が可
能となる。
を設けることができる。電力検出手段により検出した情報を制御装置8004に送信する
ことによって、使用者が家全体の電力使用量を把握することができる他、該情報に基づい
て、制御装置8004が複数の家電機器への電力の配分を設定し、住宅8000内におい
て効率的なあるいは経済的な電力の使用を行うことができる。
商用電源から蓄電システム8005に充電することができる。また、太陽光発電システム
8006によって、日中に蓄電システム8005に充電することができる。なお、充電す
る対象は、蓄電システム8005に限られず、制御装置8004に接続された電気自動車
8012に搭載された蓄電装置でもよく、複数の家電機器が有する蓄電装置であってもよ
い。
て使用することで、住宅8000内において効率的なあるいは経済的な電力の使用を行う
ことができる。
したがこれに限らず、スマートメーター等の制御機能や通信機能を組み合わせた都市規模
、国家規模の電力網(スマートグリッドという)を構築することもできる。また、工場や
事業所の規模で、エネルギー供給源と消費施設を構成単位とするマイクログリッドを構築
することもできる。
次に、電気機器の一例として移動体の例について、図20(B)及び(C)を用いて説明
する。本発明の一態様に係る蓄電装置を、移動体の制御用の蓄電装置に用いることができ
る。
充放電の可能な蓄電装置8024が搭載されている。蓄電装置8024の電力は、電子制
御ユニット8025(ECUともいう。Electronic Control Uni
tの略)により出力が調整されて、インバータユニット8026を介して走行モータユニ
ット8027に供給される。インバータユニット8026は、蓄電装置8024から入力
された直流電力を3相交流電力に変換するとともに、変換した交流電力の電圧、電流及び
周波数を調整して走行モータユニット8027に出力することができる。
作動し、走行モータユニット8027で生じたトルクが出力軸8028及び駆動軸802
9を介して後輪(駆動輪)8030に伝達される。これに追従して前輪8023も併せて
稼働することで、電気自動車8020を駆動走行させることができる。
電気自動車8020の各部位における物理量が適宜監視される。
理装置である。電子制御ユニット8025は、電気自動車8020の加速、減速、停止等
の操作情報、走行環境や各ユニットの温度情報、制御情報、蓄電装置の充電状態(SOC
)などの入力情報に基づき、インバータユニット8026や走行モータユニット8027
、蓄電装置8024に制御信号を出力する。当該メモリには、各種のデータやプログラム
が格納される。
関とを組み合わせて用いることができる。
されないことは言うまでもない。
等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図20(C)に
、地上設置型の充電装置8021から電気自動車8020に搭載された蓄電装置8024
に、ケーブル8022を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法
やコネクタの規格等はCHAdeMO(登録商標)やコンボ等の所定の方式で適宜行えば
よい。充電装置8021は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭
の電源であってもよい。例えば、図20(B)に示す、蓄電装置8024と接続する接続
プラグ8031を充電装置8021と電気的に接続させるプラグイン技術によって、外部
からの電力供給により電気自動車8020に搭載された蓄電装置8024を充電すること
ができる。充電は、AC/DCコンバータ等の変換装置を介して、一定の電圧値を有する
直流定電圧に変換して行うことができる。
給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を
組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給
電の方式を利用して、移動体どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、移動体の外
装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に蓄電装置8024の充電を行ってもよい。この
ような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
蓄電装置に充電することができる。
サイクル特性が良好となり、利便性を向上させることができる。また、蓄電装置8024
の特性の向上により、蓄電装置8024自体を小型軽量化できれば、車両の軽量化に寄与
するため、燃費を向上させることができる。また、移動体に搭載した蓄電装置8024が
比較的大容量であることから、屋内等の電力供給源として用いることもできる。この場合
、電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。
さらに、電気機器の一例として携帯情報端末の例について、図21を用いて説明する。
端末8040は、一例として、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、イ
ンターネット通信、コンピュータゲーム等の種々のアプリケーションの実行が可能である
。携帯情報端末8040は、筐体8041の正面に表示部8042、カメラ8045、マ
イクロフォン8046、スピーカ8047を有し、筐体8041の左側面には操作用のボ
タン8043、底面には接続端子8048を有する。
表示パネルとして、有機発光素子(OLED)に代表される発光素子を各画素に備えた発
光装置、液晶表示装置、電気泳動方式や電子粉流体方式等により表示を行う電子ペーパ、
DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plas
ma Display Panel)、FED(Field Emission Dis
play)、SED(Surface Conduction Electron−em
itter Display)、LED(Light Emitting Diode)
ディスプレイ、カーボンナノチューブディスプレイ、ナノ結晶ディスプレイ、量子ドット
ディスプレイ等が用いることができる。
た例であるが、これに限らず、表示部8042を携帯情報端末8040の背面に設けても
よいし、折り畳み型の携帯情報端末として、二以上の表示部を設けてもよい。
チパネルが入力手段として設けられている。これにより、表示部8042に表示されたア
イコン8044を指示手段により簡単に操作することができる。また、タッチパネルの配
置により携帯情報端末8040にキーボードを配置する領域が不要となるため、広い領域
に表示部を配置することができる。また、指やスタイラスで情報の入力が可能となること
から、ユーザフレンドリなインターフェースを実現することができる。タッチパネルとし
ては、抵抗膜方式、静電容量方式、赤外線方式、電磁誘導方式、表面弾性波方式等、種々
の方式を採用することができるが、本発明に係る表示部8042は湾曲するものであるた
め、特に抵抗膜方式、静電容量方式を用いることが好ましい。また、このようなタッチパ
ネルは、上述の表示モジュール又は表示パネルと一体として組み合わされた、いわゆるイ
ンセル方式のものであってもよい。
い。この場合、例えば、表示部8042に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで
、本人認証を行うことができる。また、表示部8042に近赤外光を発光するバックライ
ト又は近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像する
こともできる。
チパネルとキーボードの双方を設けてもよい。
、ボタン8043をホームボタンとし、ボタン8043を押すことで表示部8042にホ
ーム画面を表示する構成としてもよい。また、ボタン8043を所定の時間押し続けるこ
とで、携帯情報端末8040の主電源をオフするようにしてもよい。また、スリープモー
ドの状態に移行している場合、ボタン8043を押すことで、スリープモード状態から復
帰させるようにしてもよい。その他、押し続ける期間や、他のボタンと同時に押す等によ
り、種々の機能を起動させるスイッチとして用いることができる。
8047の音量の調整等を行う機能を持たせてもよい。スピーカ8047からは、オペレ
ーティングシステム(OS)の起動音等特定の処理時に設定した音、音楽再生アプリケー
ションソフトからの音楽等各種アプリケーションにおいて実行される音ファイルによる音
、電子メールの着信音等様々な音を出力する。なお、図示しないが、スピーカ8047と
ともに、あるいはスピーカ8047に替えて、ヘッドフォン、イヤフォン、ヘッドセット
等の装置に音を出力するためのコネクタを設けてもよい。
左側面にボタン8043を2つ設けた携帯情報端末8040を図示しているが、勿論、ボ
タン8043の数や配置位置等はこれに限定されず、適宜設計することができる。
5により取得した画像を表示部8042に表示させることができる。
ボタン8043の他、カメラ8045や携帯情報端末8040に内蔵されたセンサ等を用
いて使用者の動作(ジェスチャー)を認識させて操作を行うこともできる(ジェスチャー
入力という)。あるいは、マイクロフォン8046を用いて、使用者の音声を認識させて
操作を行うこともできる(音声入力という)。このように、人間の自然な振る舞いにより
電気機器に入力を行うNUI(Natural User Interface)技術を
実装することで、携帯情報端末8040の操作性をさらに向上させることができる。
である。例えば、携帯情報端末8040に外部メモリドライブするために、接続端子80
48を用いることができる。外部メモリドライブとして、例えば外付けHDD(ハードデ
ィスクドライブ)やフラッシュメモリドライブ、DVD(Digital Versat
ile Disk)ドライブやDVD−R(DVD−Recordable)ドライブ、
DVD−RW(DVD−ReWritable)ドライブ、CD(Compact Di
sc)ドライブ、CD−R(Compact Disc Recordable)ドライ
ブ、CD−RW(Compact Disc ReWritable)ドライブ、MO(
Magneto− Optical Disc)ドライブ、FDD(Floppy Di
sk Drive)、又は他の不揮発性のソリッドステートドライブ(Solid St
ate Drive:SSD)デバイスなどの記録メディアドライブが挙げられる。また
、携帯情報端末8040は表示部8042上にタッチパネルを有しているが、これに替え
て筐体8041上にキーボードを設けてもよく、またキーボードを外付けしてもよい。
ているが、接続端子8048の数や配置位置等はこれに限定されず、適宜設計することが
できる。
端末8040は、筐体8041の表面に太陽電池8049とカメラ8050を有し、また
、充放電制御回路8051、蓄電装置8052、DCDCコンバータ8053等を有する
。なお、図21(B)では充放電制御回路8051の一例として蓄電装置8052、DC
DCコンバータ8053を有する構成について示しており、蓄電装置8052には、上記
実施の形態で説明した本発明の一態様に係る蓄電装置を用いる。
ッチパネル、又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8049は
、筐体8041の片面又は両面に設けることができる。携帯情報端末8040に太陽電池
8049を搭載させることで、屋外などの電力の供給手段がない場所においても、携帯情
報端末8040の蓄電装置8052の充電を行うことができる。
非晶質シリコン又はこれらの積層からなるシリコン系の太陽電池や、InGaAs系、G
aAs系、CIS系、Cu2ZnSnS4、CdTe−CdS系の太陽電池、有機色素を
用いた色素増感太陽電池、導電性ポリマーやフラーレン等を用いた有機薄膜太陽電池、p
in構造におけるi層中にシリコン等による量子ドット構造を形成した量子ドット型太陽
電池等を用いることができる。
、図21(C)に示すブロック図を用いて説明する。
、コンバータ8057、スイッチ8054、スイッチ8055、スイッチ8056、表示
部8042について示しており、蓄電装置8052、DCDCコンバータ8053、コン
バータ8057、スイッチ8054、スイッチ8055、スイッチ8056が、図21(
B)に示す充放電制御回路8051に対応する箇所となる。
な電圧とするために、DCDCコンバータ8053で昇圧又は降圧される。そして、表示
部8042の動作に太陽電池8049からの電力が用いられる際には、スイッチ8054
をオンにし、コンバータ8057で表示部8042に必要な電圧に昇圧又は降圧する。ま
た、表示部8042での表示を行わない際には、スイッチ8054をオフにし、スイッチ
8055をオンにして蓄電装置8052の充電を行う。
(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を用いて蓄電装置
8052の充電を行ってもよい。また、携帯情報端末8040の蓄電装置8052への充
電方法はこれに限られず、例えば上述した接続端子8048と電源とを接続して充電を行
ってもよい。また、無線で電力を送受信して充電する非接触電力伝送モジュールを用いて
もよく、以上の充電方法を組み合わせてもよい。
表示部8042の左上(破線枠内)に表示される。これにより、使用者は、蓄電装置80
52の充電状態を把握することができ、これに応じて携帯情報端末8040を節電モード
と選択することもできる。使用者が省電力モードを選択する場合には、例えば上述したボ
タン8043やアイコン8044を操作し、携帯情報端末8040に搭載される表示モジ
ュール又は表示パネルや、CPU等の演算装置、メモリ等の構成部品を省電力モードに切
り換えることができる。具体的には、これらの構成部品のそれぞれにおいて、任意の機能
の使用頻度を低減し、停止させる。省電力モードでは、また、充電状態に応じて設定によ
って自動的に省電力モードに切り替わる構成とすることもできる。また、携帯情報端末8
040に光センサ等の検出手段を設け、携帯情報端末8040の使用時における外光の光
量を検出して表示輝度を最適化することで、蓄電装置8052の電力の消費を抑えること
ができる。
2の左上(破線枠内)にそれを示す画像等の表示を行ってもよい。
されないことは言うまでもない。
さらに、電気機器の一例として蓄電システムの例について、図22を用いて説明する。こ
こで説明する蓄電システム8100は、上述した蓄電システム8005として家庭で用い
ることができる。また、ここでは一例として家庭用の蓄電システムについて説明するが、
これに限られず、業務用として又はその他の用途で用いることができる。
するためのプラグ8101を有する。また、蓄電システム8100は、家庭内に設けられ
た分電盤8104と電気的に接続する。
ていてもよい。表示パネルはタッチスクリーンを有していてもよい。また、表示パネルの
他、主電源のオンオフを行うためのスイッチや蓄電システムの操作を行うためのスイッチ
等を有していてもよい。
は別に、例えば室内の壁に操作スイッチを設けてもよい。あるいは、蓄電システム810
0と家庭内に設けられたパーソナルコンピュータ、サーバ等と接続し、間接的に蓄電シス
テム8100を操作してもよい。さらに、スマートフォン等の情報端末機やインターネッ
ト等を用いて蓄電システム8100を遠隔操作してもよい。これらの場合、蓄電システム
8100とその他の機器とは有線により又は無線により通信を行う機構を、蓄電システム
8100に設ければよい。
8100は、複数の蓄電装置群8106とBMU(Battery Managemen
t Unit)8107とPCS(Power Conditioning Syste
m)8108とを有する。
統電源8103からの電力を、蓄電装置群8106に蓄電することができる。複数の蓄電
装置群8106のそれぞれは、BMU8107と電気的に接続されている。
び制御し、また蓄電装置8105を保護する機能を有する。具体的には、BMU8107
は、蓄電装置群8106が有する複数の蓄電装置8105のセル電圧、セル温度データ収
集、過充電及び過放電の監視、過電流の監視、セルバランサ制御、電池劣化状態の管理、
電池残量((充電率)State Of Charge:SOC)の算出演算、駆動用蓄
電装置の冷却ファンの制御、又は故障検出の制御等を行う。なお、これらの機能の一部又
は全部は上述のように、蓄電装置8105内に含めてもよく、あるいは蓄電装置群ごとに
当該機能を付与してもよい。また、BMU8107はPCS8108と電気的に接続する
。
ジスタを用いた電子回路を有するとよい。この場合、BMU8107の消費電力を大幅に
低減することが可能となる。
−交流変換を行う。例えば、PCS8108は、インバータや、系統電源8103の異常
を検出して動作を停止する系統連系保護装置などを有する。蓄電システム8100の充電
時には、例えば系統電源8103の交流の電力を直流に変換してBMU8107へ送電し
、蓄電システム8100の放電時には、蓄電装置群8106に蓄えられた電力を屋内など
の負荷に交流に変換して供給する。なお、蓄電システム8100から負荷への電力の供給
は、図22(A)に示すように分電盤8104を介してもよく、あるいは蓄電システム8
100と負荷とを有線又は無線により直接行ってもよい。
屋外に設置した太陽発電システムから電力を供給してもよいし、電気自動車に搭載した蓄
電システムから供給してもよい。
用いて蓄電装置を作製し、その充放電特性を評価した。
蓄電装置には、表面に炭素層が形成されたLiFePO4を用いた。LiFePO4は、
固相法を用いて作製した材料である。表面に炭素層が形成されたLiFePO4の作製で
は、ドライルーム環境下(露点−70℃以上−55℃以下)において、原料としてLi2
CO3:FeC2O4・2H2O:NH4H2PO4=2:1:1のモル比となるように
原料を秤量した。
ミルであり、500mlのジルコニアポットと、直径3mm、300gのジルコニアボー
ルを用い、総量150gの上記原料を回転数300rpmで2時間処理を行った。混合・
粉砕には、溶媒として250mlのアセトン(関東化学株式会社製、全体に対して0.0
068%の水を含む)を用いた。
間以下の乾燥を行った。その後、上記ドライルーム環境下で真空乾燥機を用いて0.1M
Paの真空中で、80℃で2時間の乾燥を行った。
5l/minである。
焼成した試料とグルコースを、ボールミルを用いて混合・粉砕した。ここでは、上記混合
・粉砕の工程と同じ装置、方法を用いて混合・粉砕を行った。
2時間以下の乾燥を行った。その後、上記ドライルーム環境下で真空乾燥機を用いて0.
1MPaの真空中で、80℃で2時間乾燥を行った。
った。この解砕工程は、上述した原料の混合・粉砕と同一の条件で行ったが、回転数20
0rpm、処理時間を30分とした点において異なる。
2時間以下の乾燥を行った。
5℃の温度で2時間乾燥を行った。
FePO4の一次粒子の径は、50nm以上300nm以下であり、二次粒子の径は、2
μm以下であった。
正極を作製するために、まず表面に炭素層が形成されたLiFePO4とNMP(N−メ
チル−ピロリドン)を混練機により2000rpmで3分間攪拌・混合を行った。次に、
超音波振動を3分間加え、混練機により2000rpmで1分間攪拌・混合を行う工程を
5回繰り返し行った。
・混合を8回行った。その後、結着剤としてPVDF(呉羽化学株式会社製)を加え混練
機により2000rpmでの2分間の攪拌・混合を1回行った。さらに、NMPを添加し
て2000rpmで2分間の攪拌・混合を行う工程を、試料が塗工に適した粘度になるま
で繰り返し行った。
4:0.6:8(単位:wt%)とした。
KMO4と、硫酸と混合しグラファイトを酸化させ、さらに塩酸で洗浄した後、水に分散
させ超音波洗浄機を用いてグラファイトの一部を剥離した。その後塩酸を除去し、減圧下
でエバポレータ、エタノールを用いて水分を除去した。さらに、得られた試料をダンシン
グミルで粉砕し乾燥させることにより、酸化グラフェンを作製した。
を用いて厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗工した。このとき、塗工装置の塗工部と塗
工面との間隔を230μmとし、塗工の速度を10mm/secとした。
。さらに、減圧雰囲気下で170℃の温度で10時間加熱し、再度プレスを行い、得られ
た電極の一部を打ち抜くことにより正極を作製した。
スを行った。正極において、活物質層の厚さは、58μmであり、電極密度は、1.82
g/cm3であり、LiFePO4の担持量は約9.7mg/cm2であり、単極理論容
量は約1.6mAh/cm2である。
(呉羽化学社製)と、を混練機により2000rpmで5分間攪拌・混合を行った。なお
、MCMBに対するPVDFの重量比を10wt%(重量パーセント)とした。
工に適した粘度になるまで繰り返し行った。
を用いて厚さ18μmの銅箔上に塗工した。このとき、塗工装置の塗工部と塗工面との間
隔を230μmとし、塗工の速度を10mm/secとした。
。さらに減圧雰囲気下で170℃の温度で10時間加熱し、再度プレスを行い、得られた
電極の一部を打ち抜くことにより負極を作製した。なお、プレス機のロールの温度を12
0℃とし、正極の厚さが20%減少する条件でプレスを行った。なお、負極において、活
物質層の厚さは89μmであり、電極密度は1.42g/cm3であり、MCMBの担持
量は約11.4mg/cm2であり、単極理論容量は約4.2mAh/cm2である。
層が形成されたMCMBの作製では、シリコンエトキシドと、塩酸と、トルエンを加え、
撹拌してSi(OEt)4トルエン溶液を作製した。このとき、後に生成される酸化珪素
の割合がMCMBに対して1wt%(重量パーセント)になるようにシリコンエトキシド
の量を決定した。この溶液の配合比は、Si(OEt)4を3.14×10―4mol、
1Nの塩酸を2.91×10―4mol、トルエンを2mlとした。
9μmのMCMBを添加して撹拌した。この後、湿気環境において、70℃で3時間溶液
を保持した。
の後、凝集した活物質粒子の解砕を乳鉢で行うことにより、酸化珪素層が形成されたMC
MBを作製した。
以上のようにして作製した正極及び負極を用いて、CR2032タイプ(直径20mm、
高さ3.2mm)のコイン型セルを作製した。このとき、セパレータには、厚さ25μm
のポリプロピレンを用いた。また、電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジエチ
ルカーボネート(DEC)とを体積比で3:7の割合で混合し、混合した溶液に六フッ化
リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解した電解液を用いた。
SCAT−3100)を用い、環境温度を25℃、充放電レートを0.2C(34mA/
g)、上限電圧を4.0V、下限電圧2.0Vとして、充放電試験を行った。
(V)を示す。充電容量及び放電容量は、ともに120mAh/gを上回る値となった。
また、図23の充放電結果から明らかなように、リン酸鉄リチウムを正極活物質に用いた
蓄電装置を作製することにより、その充電特性は充電中に平坦な領域(プラトー領域)を
有するとともに、充電の末期において、電圧変化が急峻となることが確認できた。
用いた場合における、高電圧印加時の電流値の変化を測定した。
て行った。正極には、配合比(重量%)を、炭素層を被覆したリン酸鉄リチウム:アセチ
レンブラック:PVDF=85:8:7とした電極を用いた。膜厚は75μm、担持量は
9.8mg/cm2、単極理論容量は1.67mAh/cm2である。また負極には、配
合比(重量%)を、黒鉛:アセチレンブラック:PVDF=93:2:5とした電極を用
いた。膜厚は120μm、担持量は12mg/cm2、単極理論容量は4.46mAh/
cm2である。
、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比で1:1
の割合で混合し、混合した溶液に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リッ
トルの濃度で溶解した電解液を用いた。測定の環境温度は60℃とした。
定電圧充電(CV充電)時における、電流値の電圧依存性を示す図である。横軸に時間(
単位:秒)、縦軸に電流値(単位:mA)を示す。
圧保持時に流れる電流値は0.01mA以下と低かった。しかし、定電圧を4.1V以上
に上げた場合、電流値は増加し、4.6Vでは0.12mA程度の高い電流値となった。
従って、電圧を上げるほど電流値は増加する傾向が確認された。
(単位:mA/g)との関係を示す。電圧が4.0V程度まではセルに流れる電流値は微
量であるが、電圧を増加させるとセルに流れる電流値は指数関数的に増大することが確認
された。なお、このような電流値は電圧に依存することから、電流値の増大はセル内の電
気化学的な反応によるものと考えられる。
することによって、電池に電流を流して追加の充電を行うことができることが確認できた
。例えば、正極活物質にリン酸鉄リチウムを用いる場合、通常のCCCV充電における定
電圧は4.0V以下で十分であるが、例えば4.6V等の高電圧を用いて追加的に充電を
行うことで、さらに充電を行うことができる。
202 コンバータ
203 回路
204 負荷
205 電源
206 スイッチ
207 スイッチ
208 スイッチ
209 クーロンカウンタ
210 抵抗
211 コンバータ
250 抵抗
251 増幅回路
252 電圧電流変換回路
253 積分回路
254 端子
255 端子
256 トランジスタ
257 トランジスタ
258 容量素子
259 コンパレータ
260 ノード
261 ノード
400 基板
401 ゲート電極
402 ゲート絶縁膜
403 n型化領域
404 酸化物膜
405a ソース電極
405b ドレイン電極
406 絶縁膜
408 絶縁膜
409 ゲート絶縁膜
410 ゲート電極
421 トランジスタ
422 トランジスタ
423 トランジスタ
631 トランジスタ
632 容量素子
633 トランジスタ
634 トランジスタ
635 トランジスタ
636 インバータ
637 容量素子
651 記憶回路
652 記憶回路
653 セレクタ
654 セレクタ
701 ユニット
702 ユニット
703 ユニット
704 ユニット
710 プロセッサ
711 バスブリッジ
712 メモリ
713 メモリインターフェース
715 クロック生成回路
720 コントローラ
721 コントローラ
722 I/Oインターフェース
730 パワーゲートユニット
731 スイッチ
732 スイッチ
740 クロック生成回路
741 水晶発振回路
742 発振子
743 水晶振動子
745 タイマー回路
746 I/Oインターフェース
750 I/Oポート
751 コンパレータ
752 I/Oインターフェース
761 バスライン
762 バスライン
763 バスライン
764 データバスライン
770 接続端子
771 接続端子
772 接続端子
773 接続端子
774 接続端子
775 接続端子
776 接続端子
780 レジスタ
783 レジスタ
784 レジスタ
785 レジスタ
786 レジスタ
787 レジスタ
950 二次電池
951 正極缶
952 負極缶
953 ガスケット
954 正極
955 正極集電体
956 正極活物質層
957 負極
958 負極集電体
959 負極活物質層
960 セパレータ
970 二次電池
971 正極集電体
972 正極活物質層
973 正極
974 負極集電体
975 負極活物質層
976 負極
977 セパレータ
978 外装体
980 二次電池
981 正極キャップ
982 電池缶
983 正極端子
984 正極
985 セパレータ
986 負極
987 負極端子
988 絶縁板
989 絶縁板
991 PTC素子
992 安全弁機構
993 捲回体
994 負極
995 正極
996 セパレータ
997 端子
998 端子
6000 正極
6001 正極集電体
6002 正極活物質層
6003 正極活物質
6004 グラフェン
6005 バインダ
6100 負極
6101 負極集電体
6102 負極活物質層
6103 負極活物質
6104 被膜
6105 バインダ
6600 蓄電装置
6601 捲回体
6602 端子
6603 端子
6604 電池缶
6605 端子
6606 回路基板
6607 電気回路
6608 ラベル
6609 アンテナ
6610 アンテナ
6611 層
8000 住宅
8001 電力系統
8002 引込み線
8003 分電盤
8004 制御装置
8005 蓄電システム
8006 太陽光発電システム
8007 表示装置
8008 照明装置
8009 空気調和設備
8010 電気冷蔵庫
8011 インターネット
8012 電気自動車
8013 管理サーバ
8020 電気自動車
8021 充電装置
8022 ケーブル
8023 前輪
8024 蓄電装置
8025 電子制御ユニット
8026 インバータユニット
8027 走行モータユニット
8028 出力軸
8029 駆動軸
8030 後輪(駆動輪)
8031 接続プラグ
8040 携帯情報端末
8041 筐体
8042 表示部
8043 ボタン
8044 アイコン
8045 カメラ
8046 マイクロフォン
8047 スピーカ
8048 接続端子
8049 太陽電池
8050 カメラ
8051 充放電制御回路
8052 蓄電装置
8053 DCDCコンバータ
8054 スイッチ
8055 スイッチ
8056 スイッチ
8057 コンバータ
8100 蓄電システム
8101 プラグ
8102 表示パネル
8103 系統電源
8104 分電盤
8105 蓄電装置
8106 蓄電装置群
8107 BMU
8108 PCU
Claims (6)
- 蓄電体と、メモリとを有する蓄電装置であって、
前記蓄電体は、二相共存反応をする活物質を用いた正極と、負極と、電解液と、を有し、
前記蓄電体に対して、第1の充電と、前記第1の充電の後に第2の充電を行う機能を有し、
前記第1の充電とは、
定電流充電を行った後、第一の電圧を用いた定電圧充電により、充電電流が下限電流値以下となるまで充電を行うことであり、
前記第2の充電とは、
前記定電圧充電した後の前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量よりも規定の容量分低いとき、前記蓄電体の抵抗が規定の抵抗値に達するか、前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量に達するまで、前記第一の電圧よりも高い第二の電圧によって充電を行うことであり、
前記第二の電圧は、前記正極側において前記電解液の溶媒の分解の生じる電圧である蓄電装置。 - 蓄電体と、メモリとを有する蓄電装置であって、
前記蓄電体は、二相共存反応をする活物質を用いた正極と、負極と、電解液と、を有し、
前記蓄電体に対して、第1の充電と、前記第1の充電の後に第2の充電を行う回路を有し、
前記第1の充電とは、
定電流充電を行った後、第一の電圧を用いた定電圧充電により、充電電流が下限電流値以下となるまで充電を行うことであり、
前記第2の充電とは、
前記定電圧充電した後の前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量よりも規定の容量分低いとき、前記蓄電体の抵抗が規定の抵抗値に達するか、前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量に達するまで、前記第一の電圧よりも高い第二の電圧によって充電を行うことであり、
前記第二の電圧は、前記正極側において前記電解液の溶媒の分解の生じる電圧である蓄電装置。 - 請求項1または2において、
前記第一の電圧は、前記正極側において前記電解液の溶媒の分解の生じない電圧である蓄電装置。 - 蓄電体と、メモリとを有する蓄電システムであって、
前記蓄電体は、二相共存反応をする活物質を用いた正極と、負極と、電解液と、を有し、
前記蓄電体に対して、第1の充電と、前記第1の充電の後に第2の充電を行う機能を有し、
前記第1の充電とは、
定電流充電を行った後、第一の電圧を用いた定電圧充電により、充電電流が下限電流値以下となるまで充電を行うことであり、
前記第2の充電とは、
前記定電圧充電した後の前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量よりも規定の容量分低いとき、前記蓄電体の抵抗が規定の抵抗値に達するか、前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量に達するまで、前記第一の電圧よりも高い第二の電圧によって充電を行うことであり、
前記第二の電圧は、前記正極側において前記電解液の溶媒の分解の生じる電圧である蓄電システム。 - 蓄電体と、メモリとを有する蓄電システムであって、
前記蓄電体は、二相共存反応をする活物質を用いた正極と、負極と、電解液と、を有し、
前記蓄電体に対して、第1の充電と、前記第1の充電の後に第2の充電を行う回路を有し、
前記第1の充電とは、
定電流充電を行った後、第一の電圧を用いた定電圧充電により、充電電流が下限電流値以下となるまで充電を行うことであり、
前記第2の充電とは、
前記定電圧充電した後の前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量よりも規定の容量分低いとき、前記蓄電体の抵抗が規定の抵抗値に達するか、前記蓄電体の容量が、前記メモリに記憶された前記蓄電体の出荷時の容量に達するまで、前記第一の電圧よりも高い第二の電圧によって充電を行うことであり、
前記第二の電圧は、前記正極側において前記電解液の溶媒の分解の生じる電圧である蓄電システム。 - 請求項4または5において、
前記第一の電圧は、前記正極側において前記電解液の溶媒の分解の生じない電圧である蓄電システム。
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