JP7235292B2 - 蓄電デバイス - Google Patents
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Description
本発明は高容量で、廉価な微細加工誘電体を用いた蓄電デバイス及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明の上記の課題は以下の手段により解決された。
<1>
電極を2極有し、この電極間に板状結晶構造スメクタイト系粘土膜を有する蓄電デバイス。
<2>
電気伝導性を有する集電体の両方あるいは片方の粘土膜に接続する面に金属酸化被膜を形成することを特徴とする<1>記載の蓄電デバイス。
<3>
板状結晶構造スメクタイト系粘土膜がベントナイトまたはスメクタイトの層間イオンがナトリウムイオン、リチウムイオン、トリメチルステアリルアンモニウムイオンから選ばれたことを特徴とする<1>および<2>記載の蓄電デバイス。
<4>
上下電極間にセパレータを有する<1>~<3>のいずれか1に記載の蓄電デバイス。
本発明の蓄電デバイスの電極はリードとオーミックコンタクト可能な電気伝導性を有する。
図1に示すように、蓄電デバイス1は、上部電極2と下部電極4とその間の粘土誘電体3とを有している。粘土誘電体3は板状結晶構造をなしている上述のケイ酸塩化合物またはスメクタイト系粘土鉱物をいう。スメクタイト系粘土鉱物には、モンモリロナイト、ヘクトライト、スチブンサイト、サポナイトが含まれる。薄膜もしくは粉末の粘土鉱物を挟み込んだ上部電極2および下部電極4には金属集電体が用いられる。上部電極2と下部電極4とは粘土誘電体3と接触していれば良い。
誘電体の厚さは0.01~1mmが好ましいが、これに制限されるものではない。
この蓄電デバイスは、粘土の微細構造により蓄電する。
本発明において板状結晶構造スメクタイトとは、例えば厚さ1nm程度で幅/厚さのアスペクト比が好ましくは、20~2000、より好ましくは約30~300の平板状の粘土結晶をいう。代表的なスメクタイト系製品(クニミネ工業製)のアスペクト比を<表1>に示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じ、粘土誘電体に種々の添加成分を任意成分として配合することができる。
セパレータ11は、上部電極8と下部電極9間で誘電体10、12を隔離し、上下電極の接触と電流の短絡を防止しつつ、金属イオンや電子を通過させるものである。このセパレータ11の種類は特に制限がなく。例えば、オレフィン系樹脂、PDF系樹脂、PAN系樹脂、PMMA系樹脂などからなるものがある。具体的には、ポリアクリロニトリル樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、アクリル樹脂及びウレタン系樹脂、ポリエチレンやポリプロピレンなどよりなる合成樹脂性の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されているものや、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構成でもよい。
図1に示したように、上部電極2厚さ0.1mm×面積S(mm2)および下部電極IV厚さ0.1mm×面積S+2(mm2)の上に、下記粘土の水分散液を塗工して自然乾燥させた(塗布粘土の含水率10質量%)。この上部電極2と下部電極4とへさらに上記と同様の粘土水分散液をバインダーとして塗布し空隙なく挟みこんだものを同様に自然乾燥させ粘土誘電体3(厚さd=0.07mm)とし、蓄電デバイス1を形成した。電極2、4からなる集電体5としてSUS430を使用した。電極2、4の厚さはそれぞれ0.1mmである。
粘土水分散液は、粘土鉱物のクニピアF(商品名、クニミネ工業社製)(実施例1)、スメクトンST(商品名、クニミネ工業社製)(実施例2)、スメクトンSA(商品名、クニミネ工業社製)(実施例3)、スメクトンSWN(商品名、クニミネ工業社製)(実施例4)を用いた。
クニピアFはモンモリロナイトを主成分とする天然物であるベントナイトを精製した粘土鉱物である(層間にNaイオンをインターカレート)。スメクトンSTは、スチブンサイトを主成分とした合成粘土である(層間にNaイオンをインターカレート)。スメクトンSAはサポナイトを主成分とした合成粘土である(層間にNaイオンをインターカレート)。スメクトンSWNはヘクトライトを主成分とした合成粘土である(層間にNaイオンをインターカレート)。各々の実施例で使用した粘土の陽イオン交換容量CEC[meq/100g]を表2に示す。
図2に示したように、蓄電デバイスのインピーダンスZ[Ω]及び位相角θをLCRメータ:HIOKI-3522-50 LCR Hi TESTER(日置電機株式会社製)を用いてlevel 100mVで測定し、比誘電率を計測した。
実施例2は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=450mm2、SUS430を電極5として使用し、スメクトンSTを誘電体として使用した。
実施例3は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=450mm2、SUS430を電極5として使用し、スメクトンSAを集電体として使用した。
実施例4は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=450mm2、SUS430を電極5として使用し、スメクトンSWNを集電体として使用した。
<集電体を変えた蓄電デバイスの比誘電率の計測>
実施例5~8は、上記蓄電デバイスの作製において、集電体金属をアルミニウムまたは真鍮に変え、クニピアFまたはスメクトンSTを誘電体として使用した。
実施例5は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=95mm2、d=0.01mmとし、粘土誘電体3にクニピアF、電極に真鍮を電極5として使用した。
実施例6は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=95mm2、d=0.01mmとし、粘土誘電体3にスメクトンST、真鍮を電極5として使用した。
実施例7は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=95mm2、d=0.01mmとし、粘土誘電体3にクニピアF、電極にアルミニウムを電極5として使用した。
実施例8は、上記蓄電デバイスの作製方法において、S=95mm2、d=0.01mmとし、粘土誘電体3にスメクトンST、電極にアルミニウムを電極5として使用した。
上記蓄電デバイスの作製方法において、S=95mm2、d=0.3mmとし、誘電体3の代わりに、既存の誘電体として最も高い性能を示すと言われているチタン酸バリウム粉末(平均粒径100nm純度99.9%)を用い、電極に真鍮にした以外は実施例1と同様にして蓄電デバイスを作製した。
実施例10は、上記簡易蓄電デバイスの作製方法において、SUSを集電体として使用し、クニビス110(クニミネ工業製)を誘電体として使用した。クニビス110は、クニピアFの層間イオンをナトリウムイオンからトリメチルステアリルアンモニウムイオン置き換えられた有機修飾スメクタイト系粘土である。
実施例11、実施例12
図3に示したように、上部電極8および下部電極9の上に、粘土分散液を塗工して上部誘電体10および下部誘電体12とした。上部誘電体10と下部誘電体12の間に粘土分散液を含侵させた粘土含侵セパレータ11を挟みこみ、蓄電デバイス6を形成した。
実施例11は、上記蓄電デバイス6の作製方法において、誘電体としてクニピアF、電極にSUS430を電極7として使用した。
実施例12は、上記蓄電デバイス6の作製方法において、誘電体としてスメクトンST、電極にSUS430を電極5として使用した。
<電極表面に化成処理を施した蓄電デバイスの比誘電率の計測>
実施例13は、上記蓄電デバイス2の作製方法において、S=95mm2 d=0.01mmとし、誘電体としてクニピアF、上部誘電体10および下部誘電体12に接触する電極7の面をアノード酸化化成した(Al-Al2O3)を電極7として使用した。アノード酸化化成によって得られたAl2O3酸化被膜は約40nmである。
実施例14は、上記蓄電デバイス2の作製方法において、S=95mm2 d=0.01mmとし、誘電体としてスメクトンST、上部誘電体10および下部誘電体12に接触する電極7の面をアノード酸化化成した(Al-Al2O3)を電極7として使用した。アノード酸化化成によって得られたAl2O3酸化被膜は約40nmである。
2 上部電極
3 粘土誘電体
4 下部電極
5 集電体
6 蓄電デバイス
7 電極
8 上部電極
9 下部電極
10上部誘電体
11粘土含侵セパレータ
12下部誘電体
Claims (5)
- 電極を2極有し、この電極間に、含水率5~15質量%の板状結晶構造スメクタイト系粘土膜を誘電体として有する蓄電デバイス。
(ただし、アルミニウム電池を除く。) - 電気伝導性を有する集電体の両方あるいは片方の粘土膜に接続する面に金属酸化被膜を形成することを特徴とする請求項1記載の蓄電デバイス。
- 板状結晶構造スメクタイト系粘土膜がベントナイトまたはスメクタイトの層間イオンがナトリウムイオン、リチウムイオン、トリメチルステアリルアンモニウムイオンから選ばれたことを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電デバイス。
- 上下電極間にセパレータを有する請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
- 前記板状結晶構造スメクタイト系粘土膜が、サポナイト及びヘクトライトの少なくともいずれか一方を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
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