JPWO2015141107A1 - 電池 - Google Patents

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Abstract

本発明によれば、優れた電池を提供することができる。本発明の実施の形態にかかる電池は、第１電極層（６）と、第２電極層（７）と、第１電極層（６）と第２電極層（７）との間の充電電圧が印加される充電層（３）を備えるものである。充電層（３）は、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲することができる。例えば、電池は、充電体（３）が立体的に形成されている構成を有している。

Description

本発明は、電池に関する。
紫外線照射による金属酸化物の光励起構造変化を利用した電池（以下、量子電池）が、本出願の出願人により開発されている（特許文献１、２）。特許文献１、２に開示された量子電池は、リチウムイオン電池の容量を大きく超える技術として、期待されている。特許文献１、２の二次電池は、基板上に、第１電極、ｎ型金属酸化物半導体層、充電層、ｐ型半導体層、及び第２電極が積層された構成を有している。
国際公開ＷＯ２０１２／０４６３２５号明細書 国際公開ＷＯ２０１３／０６５０９３号明細書
このような量子電池は、薄膜化した電池を実現するため、平行平板構造を有している。すなわち、充電層が第１電極と第２電極との間に配置され、第１電極と第２電極とが充電層の全面に形成されている。したがって、容積効率や電池容量の向上や、軽量化を図ることが困難である。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、優れた電池を提供することができる。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、前記第１電極層、及び前記第２電極層の少なくとも一方において、前記充電体に接する面が曲面となっているものである。
上記の電池において、前記充電体が球状、又は円柱状になっていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、前記第１電極層、及び前記第２電極層の少なくとも一方が、前記充電体内に配置されているものである。
上記の電池において、前記充電体が円柱状に設けられ、前記充電体の内部に前記第１電極層が配置され、前記充電体の外周面に前記第２電極層が配置されていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、前記充電体が立体的に形成されているものである。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、前記充電体の前記第１電極層が設けられた面に前記第２電極層が設けられているものである。
上記の電池において、前記第２電極層が複数設けられ、前記充電体を介して、前記第１電極層と対向する第２電極層がさらに設けられていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、前記充電体の表面に沿った平面視において、前記第１電極層と異なる位置に前記第２電極層が設けられているものである。
上記の電池において、前記充電体の前記第１電極層が形成された面に、前記第２電極層が形成されていてもよい。
上記の電池において、前記充電体の前記第１電極層が形成された面と反対側の面に、前記第２電極層が形成されていてもよい。
本発明の一態様にかかる電池は、第１の単位電池と、前記第１の単位電池と並列又は直列に接続された第２の単位電池を備えた電池であって、前記第１の単位電池が上記の電池であり、前記第２の単位電池が、第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電層を有しているものである。
上記の電池において、前記第１の単位電池が上記の電池であり、前記第２の単位電池が平行平板型の単位電池であるものである。
本発明の一態様にかかる電池は、前記第１の単位電池、及び前記第２の単位電池がそれぞれ上記の電池であり、前記第１の単位電池と前記第２の単位電池が積層されているものである。
本発明によれば、優れた電池を提供することができる。
量子電池の基本構成を示す斜視図である。 量子電池の基本構成を示す断面図である。 電子の沁み出し現象の確認実験に使用した電池の平面模式図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である。 電子の沁み出し現象を説明するための図である 電子の沁み出し現象を説明するための図である 構成例１にかかる量子電池を示す斜視図である。 構成例１にかかる量子電池を示す断面図である。 構成例１にかかる量子電池を示す平面図である。 構成例２にかかる量子電池を示す斜視図である。 構成例２にかかる量子電池を示す断面図である。 構成例２にかかる量子電池を示す平面図である。 構成例３にかかる量子電池を示す斜視図である。 構成例３にかかる量子電池を示す断面図である。 構成例３にかかる量子電池を示す平面図である。 構成例４にかかる量子電池を示す断面図である。 構成例５にかかる量子電池を示す斜視図である。 構成例６にかかる量子電池を示す斜視図である。 量子電池ユニットの積層構造１を示す断面図である。 量子電池ユニットの積層構造２を示す断面図である。 量子電池ユニットの積層構造３を示す断面図である。 量子電池ユニットの積層構造４を示す断面図である。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（Ａ）量子電池について
以下に説明する各実施形態の電池は、量子電池の技術を適用したものである。そこで、各実施形態の説明に先立ち、量子電池について簡単に説明する。
量子電池は、金属酸化物の光励起構造変化を利用して、バンドギャップ中に新たなエネルギー順位を形成して、電子を捕獲する動作原理に基づく電池（二次電池）をいう。
量子電池は、全固体型の電池であり、単独で電池として機能する。量子電池の構成の一例は、図１、及び図２に表される。なお、図１は、平行平板構造型の量子電池１１の構成を示す斜視図であり、図２は、平面図である。なお、図１、２では、正極端子及び負極端子等の端子部材、外装部材や被覆部材などの実装部材を省略して図示している。
量子電池１１は、充電体（充電層）３と第１電極層６と第２電極層７とを備えている。第１電極層６と第２電極層７との間に充電体３が配置されている。したがって、第１電極層６と第２電極層７との間に発生する充電電圧が、充電体３に印加される。充電体３は、充電動作で電子を蓄積（捕獲）し、放電動作で蓄積した電子を放出する。充電体３は、充電がなされていない状態で、電子を保持（蓄電）している層である。充電体３は、光励起構造変化技術が適用されて形成されている。
ここで、光励起構造変化は、例えば、国際公開ＷＯ／２００８／０５３５６１に記載されており、その出願の発明者（本願の発明者でもある）である中澤明氏が見出した現象（技術）である。すなわち、中澤氏は、所定値以上のバンドギャップを持つ半導体であって透光性をもつ金属酸化物が絶縁被覆された状態で有効な励起エネルギーを与えられると、バンドギャップ内に電子不在のエネルギー順位が多数発生することを見出した。量子電池１１は、これらのエネルギー順位に電子を捕獲させることで充電し、捕獲した電子を放出させることで放電するものである。
充電体３は、絶縁被覆で覆われたｎ型金属酸化物半導体の微粒子が、第２電極層７に対して薄膜状に付着され、ｎ型金属酸化物半導体が紫外線照射によって光励起構造変化を起し、電子を蓄えることができるように変化したものである。充電体３は、絶縁被覆で覆われたｎ型金属酸化物半導体の微粒子を複数含んでいる。
第１電極層６は、例えば、負極層であり、第１電極１とｎ型金属酸化物半導体層２とを備えている。ｎ型金属酸化物半導体層２は、第１電極１と充電体３との間に配置されている。したがって、ｎ型金属酸化物半導体層２の一方の面が第１電極１と接触し、他方の面が充電体３と接触している。
充電体３中において、ｎ型金属酸化物半導体の微粒子を被覆する絶縁被膜が必ずしも均一な被膜となるとは限らない。被膜が形成されない場合、充電体３中のｎ型金属酸化物半導体が露出してしまう構成となる。ｎ型金属酸化物半導体層２は、充電層中のｎ型金属酸化物半導体と第１電極１とを絶縁する絶縁層としての機能を有し、充電容量などの性能の向上のために設けられている。さらに、ｎ型金属酸化物半導体層２は、素子の特性のばらつきが少なく製造ラインでの安定性及び歩留まりの向上に効果的な構造である。
第２電極層７は、例えば、正極層であり、第２電極５とｐ型金属酸化物半導体層４とを備えている。Ｐ型金属酸化物半導体層４は、第２電極５と充電体３との間に配置されている。したがって、Ｐ型金属酸化物半導体層４の一方の面が充電体３と接触し、他方の面が第２電極５と接触する。Ｐ型金属酸化物半導体層４は、第２電極５から充電体３への電子の注入を防止するために設けられている。
第１電極１と第２電極５は、導電性の材料から形成されていればよく、例えば金属電極として、アルミニウム（Ａｌ）を含む銀（Ａｇ）合金膜等がある。ｎ型金属酸化物半導体層２は、材料的には二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を材料として用いる。ｐ型金属酸化物半導体層４の材料としては、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、銅アルミ酸化物（ＣｕＡｌＯ２）等が使用可能である。
なお、上記の説明では、第１電極層６は、第１電極１とｎ型金属酸化物半導体層２との２層構造としたが、第１電極層６の構成は、この２層構造に限定されるものではない。例えば、第１電極層６は第１電極１のみの単層構造であってもよい。同様に、第２電極層７の構成についても、Ｐ型金属酸化物半導体層４、及び第２電極５の２層構造に限定されるものではない。第２電極層７は、例えば、第２電極５のみの単層構造であってもよい。すなわち、第１電極層６、及び第２電極層７は、金属電極のみから構成されていてもよい。
（Ｂ）電子の沁み出し現象
図１、図２に示すような量子電池において、充電時には、第１電極層６と第２電極層７との間に挟まれた充電体３のみ電子が貯まると考えられていた。すなわち、第２電極層７の直下の領域のみにおいて、充電体３に電子が蓄積されると考えられていた。しかしながら、本件特許出願の発明者らの実験によって、第２電極層７の直下が満たされると、第２電極層７の直下の外側にも電子が沁み出す現象が捉えられた。すなわち、第２電極層７の直下の外側にも電子が沁み出していき、蓄積されることが明らかとなった。
以下、本件特許出願の発明者らによって見出された、電子の沁み出し現象について説明する。電子の沁み出し現象を発見するために、図３のような量子電池１０が用いられた。なお、図３は、充電体３上の第２電極層７のパターン形状を模式的に示すＸＹ平面図である。
図３では、矩形パターンの第２電極層７がアレイ状に配列されている。すなわち、複数の第２電極層７が、Ｘ方向、及びＹ方向に沿って配列されている。隣接する第２電極層７の矩形パターンの間には、第２電極層７が設けられていない領域となっている。なお、第１電極層６（図３においては不図示）については、充電体３のほぼ全面に形成されているとする。
ここで、充電電圧を印加した第２電極層７のパターンをパターン７ａとする。すなわち、パターン７ａ以外のパターンについては、充電電圧を印加していない。そして、パターン７ａの充電時、及び自然放電時の各パターンの電圧を測定した。
パターン７ａを充電するにつれて、パターン７ａの近傍にあるパターン７ｂの電圧が充電していく。すなわち、充電電圧を印加していないパターン７ｂについても、充電体３内に蓄積された電子に基づいて、電圧が発生する。さらに、パターン７ａの充電停止後には、パターン７ａは自然放電により電圧が減少するのに対して、パターン７ｂは電圧が上昇する。この実験から、充電箇所からその周辺に電子が沁み出していることが分かる。
図４〜図７は、量子電池１０において、電子の沁み出し現象を説明するためのモデル図である。図４〜図７では、第１電極層６が充電体３の全面に形成され、第２電極層７が充電体３の一部に形成されている構成となっている。ここで、充電体３を介して、第１電極層６と第２電極層７が重複する領域を重複領域１８とし、重複しない領域を非重複領域１９とする。
まず、図４に示すように、量子電池１０を充電するために、第１電極層６と第２電極層７とに電源３１を接続して、充電電圧を発生させる。第１電極層６と第２電極層７との間の充電電圧は、充電体３に印加される。量子電池１０の充電時には、第２電極層７の直下から電子（図中のｅ）が貯まり出す。すなわち、重複領域１８に電子が蓄積されていく。そして、重複領域１８が電子で十分に満たされると、図５に示すように、第２電極層７の直下の外側にも電子が入り始める。すなわち、重複領域１８から、非重複領域１９に電子が拡散していくことになる。
その後、図６に示すように、ポテンシャルが一定になるまで充電体３中に電子が拡散する。すなわち、充電体３中の電子の密度が均一になる。これにより、重複領域１８と非重複領域１９の電子密度がほぼ同じになる。放電時には、図７に示すように、まず、第２電極層７の直下の電子が抜けていき、第２電極層７の直下の外側からも徐々に電子が抜けていく。すなわち、放電を開始すると、重複領域１８の電子密度が非重複領域１９よりも低くなる。
これまでは、第２電極層７の直下にのみ電子が貯まると考えられていたため、第１電極層６と第２電極層７とを充電体３のほぼ全面に形成する平行平板構造としていた。しかしながら、電子の沁み出し現象を利用すると、局部的に電極層を設けることが可能になる。また、局部的に電極層を形成しても、充電体３の容積が同じであれば、同じ電力容量が得られる。すなわち、１００％充電すると、非重複領域１９の電子密度が重複領域１８の電子密度とほぼ同じになる。よって、電池としての基本性能を維持しつつ、高性能化を図ることが可能になる。
（Ｃ）単層構成の量子電池
上記のように、電子の沁み出し現象によって、様々な構成の量子電池を実現することができる。以下、量子電池の構成例について説明する。以下の説明では、単体の量子電池について説明する。
（Ｃ−１）構成例１
図８は、構成例１にかかる量子電池２０を示す斜視図であり、図９は、断面図であり、図１０は平面図である。構成例１では、充電体３が平板状又はシート状に形成された充電層となっている。すなわち、充電体３の対向する２面が平行な平面となっている。第１電極層６が充電体３の下面に形成され、第２電極層７が充電体３の上面に形成されている。すなわち、第１電極層６と第２電極層７は、充電体３の異なる面上に形成されている。
図１０に示すように、ＸＹ平面視において、充電体３は矩形状に形成されている。ＸＹ平面視において、第１電極層６と第２電極層７の位置がずれて配置されている。ここでは、第１電極層６、及び第２電極層７がＹ方向を長手方向とする短冊状に形成されている。そして、第１電極層６が充電体３の＋Ｘ方向の端部に配置され、第２電極層７が−Ｘ方向の端部に形成されている。このように、Ｘ方向において、充電体３の一端近傍に第１電極層６が配置され、他端に第２電極層７が配置されている。
第１電極層６と第２電極層７に充電電圧を印加すると、充電体３には、図９に示すような電気力線が発生する。第１電極層６と第２電極層７との間の充電電圧によって、充電体３に電子が蓄積される。そして、上記した電子の沁み出し現象によって、充電体３の全体に電子が蓄積されていく。このように、Ｘ方向における第１電極層６と第２電極層７との位置がずれていても、充電体３の全体に電子が蓄積される。
第１電極層６、第２電極層７が充電体３の局部にしか形成されていないため、電池の容積効率を向上することができる。一般に、電池の容積効率＝（電池の実効容積）／（電池の全容積）で示される。したがって、量子電池２０の全容積を小さくすることによって、容積効率を向上することができる。このように、電極層を小さくしているため、容積効率を高くすることができる。さらに、第１電極層６、第２電極層７が局部的に形成されているため、充電体３の全面に形成された場合と比べて、量子電池２０の軽量化を図ることができる。
（Ｃ−２）構成例２
図１１は、構成例２にかかる量子電池３０を示す斜視図であり、図１２は、断面図であり、図１３は平面図である。構成例２では、充電体３が平板状又はシート状に形成された充電層となっている。すなわち、充電体３の対向する２面が平行な平面となっている。構成例２では、構成例１と、第１電極層６の位置が異なっている。第１電極層６、及び第２電極層７が充電体３の上面に形成されている。充電体３の第１電極層６が設けられた面に、第２電極層７が設けられている。第１電極層６と第２電極層７とが、充電体３の同一平面上に形成されている。
図１３に示すように、充電体３は、ＸＹ平面視において、矩形状に形成されている。さらに、ＸＹ平面視において、第１電極層６と第２電極層７の位置がずれて配置されている。ここでは、第１電極層６、及び第２電極層７がＹ方向を長手方向とする短冊状に形成されている。そして、第１電極層６が充電体３の＋Ｘ方向の端部に配置され、第２電極層７が−Ｘ方向の端部に形成されている。このように、ＸＹ平面視において、充電体３の一端近傍に第１電極層６が配置され、他端に第２電極層７が配置されている。量子電池３０には、ＸＹ平面視において、第１電極層６と異なる位置に配置された第２電極層７が設けられている。
第１電極層６と第２電極層７に充電電圧を印加すると、充電体３には、図１２に示すような電気力線が発生する。よって、第１電極層６と第２電極層７との間の充電電圧によって、充電体３に電子が蓄積される。そして、上記した電子の沁み出し現象によって、充電体３の全体に電子が蓄積されていく。このように、第１電極層６と第２電極層７とが、充電体３の同一平面上が配置され、かつＸ方向の異なる位置に配置されていても、充電体３の全体に電子が蓄積される。
第１電極層６、第２電極層７が充電体３の局部にしか形成されていないため、電池の容積効率を向上することができる。一般に、電池の容積効率＝（電池の実効容積）／（電池の全容積）で示される。したがって、量子電池３０の全容積を小さくすることによって、容積効率を向上することができる。このように、電極層を小さくしているため、容積効率を高くすることができる。さらに、第１電極層６、第２電極層７が局部的に形成されているため、充電体３の全面に形成された場合と比べて、量子電池３０の軽量化を図ることができる。
（Ｃ−３）構成例３
図１４は、構成例３にかかる量子電池４０を示す斜視図であり、図１５は、断面図であり、図１６は、平面図である。構成例３では、充電体３が平板状又はシート状に形成された充電層となっている。すなわち、充電体３の対向する２面が平行な平面となっている。第１電極層６、及び第２電極層７が充電体３の上面、及び下面にそれぞれ形成されている。
より具体的には、量子電池４０は、２つの第１電極層６と２つの第２電極層７を備えている。ここで、２つの第１電極層６を第１電極層６ａ、第１電極層６ｂとし、２つの第２電極層７を第２電極層７ａ、第２電極層７ｂとして説明する。第１電極層６ａ、第２電極層７ａは充電体３の上面に形成されている。第１電極層６ｂ、第２電極層７ｂは充電体３の下面に形成されている。第１電極層６ａは、充電体３の＋Ｘ側の端部に配置され、第１電極層６ｂは−Ｘ側の端部に配置されている。
第２電極層７ａは、充電体３の−Ｘ側の端部に配置され、下面に形成された第２電極層７ｂは＋Ｘ側の端部に配置されている。第２電極層７ａと第１電極層６ｂは、充電体３を介して対向するように配置されている。すなわち、ＸＹ平面における第２電極層７ａと第１電極層６ｂの位置は一致している。第２電極層７ｂと第１電極層６ａは、充電体３を介して対向するように配置されている。すなわち、ＸＹ平面における第２電極層７ｂと第１電極層６ａの位置は一致している。
したがって、量子電池４０の第２電極層７は、ＸＹ平面視において、第１電極層６ａと異なる位置に配置された第２電極層７ａと、同じ位置に配置された第２電極層７ｂとを含んでいる。同様に、量子電池４０の第１電極層６は、ＸＹ平面視において、第２電極層７ａと同じ位置に配置された第１電極層６ｂと、異なる位置に設けられた第１電極層６ａとを含んでいる。
第１電極層６と第２電極層７に充電電圧を印加すると、第１電極層６と第２電極層７との間の充電電圧によって、充電体３に電子が蓄積されていく。そして、上記した電子の沁み出し現象によって、充電体３の全体に電子が蓄積されていく。このように、第１電極層６と第２電極層７とが、充電体３の同一平面上が配置され、かつＸ方向の異なる位置に配置されていても、充電体３の全体に電子が蓄積される。
さらに、構成例３では、第１電極層６と第２電極層７がそれぞれ複数のパターンに分割して形成されている。したがって、充電時と放電時で利用する第１電極層６、及び第２電極層７を変更することができる。例えば、充電時には、第１電極層６ａ、６ｂ、及び第２電極層７ａ、７ｂの全てに電源を接続して、充電電圧を印加する。これにより、高速充電を行うことができる。一方、放電時には、第１電極層６ａ、及び第２電極層７ｂのみを負荷等に接続する。これにより、瞬時に取り出す電力を制限することができ、長時間の放電が可能になる。
このように、電極層を複数のパターンに分割して形成することで、重複領域の面積を充電時と放電時とで異ならせることができる。例えば、充電時の重複領域の面積よりも、放電時の重複領域の面積を小さくすることができる。あるいは、充電時の重複領域の面積よりも、放電時の重複領域の面積を大きくすることができる。第１電極層６又は第２電極層７を複数のパターンに分割することで、所望の充放電特性を得ることができる。
（Ｃ−４）構成例４
図１７は、構成例４の量子電池５０を示す断面図である。構成例４は、量子電池５０が立体的に形成されている。具体的には、量子電池５０が、球状に形成された充電体３を有している。そして、球状の充電体３の一部に第１電極層６、第２電極層７が形成されている。第１電極層６、及び第２電極層７は局所的に形成されている。
充電体３を介して第１電極層６と第２電極層７とが対向配置されている。ここでは、球状の充電体３の中心を挟むように、第１電極層６と第２電極層７とが対向配置されている。この場合、第１電極層６と第２電極層７とに充電電圧を印加すると、第１電極層６と第２電極層７との間の充電電圧によって、充電体３に電子が蓄積されていく。そして、上記した電子の沁み出し現象によって、充電体３の全体に電子が蓄積されていく。このように、球状の充電体３の全体に電子が拡がっていく。
球状に形成された充電体３の表面に第１電極層６と第２電極層７とが形成されている。よって、充電体３の表面は球面状に形成されている。第１電極層６、及び第２電極層７の少なくとも一方において、充電体３に接する面が曲面となっている。また、充電体３の外表面が曲面になっている。充電体３を立体的に形成することで、容積効率を向上することができる。また、第１電極層６と第２電極層７が局所的に形成されているため、量子電池５０を軽量化することができる。
（Ｃ−５）構成例５
図１８は、構成例５の量子電池６０を示す斜視図である。構成例５では、量子電池６０が同軸構造を有している。そのため、充電体３が円筒状に形成されている。充電体３の中心には、円筒状の第１電極層６が配置されている。中心軸上に設けられた第１電極層６の外周面が充電体３と接触している。第１電極層６の一端は、外部端子と接続可能なように、充電体３の外側に配置されている。
充電体３の外周面には、第２電極層７が設けられている。したがって、充電体３の第１電極層６又は第２電極層７と接触する面は、曲面となっている。第１電極層６と第２電極層７とに充電電圧を印加すると、円筒状の充電体３の全体に電子が拡がっていく。なお、図１８では、充電体３の外周面の全体に第２電極層７を形成したが、局所的に第２電極層７を形成してもよい。すなわち、充電体３の外周面の一部にのみ第２電極層７を形成してもよい。この場合、充電体３の外周面に第２電極層７のパターンを複数形成することも可能である。
また、Ｘ方向における第１電極層６の長さを充電体３の途中までにしてもよい。もちろん、第１電極層６と第２電極層７の配置を反対にしてもよい。すなわち、第１電極層６を充電体３の外側に形成し、第２電極層７を充電体３の内側に形成してもよい。
円柱状の第１電極層６の外周面に充電体３が形成されている。また、充電体３の外周面に第２電極層７が形成されている。充電体３の表面は曲面となっている。第１電極層６、及び第２電極層７の少なくとも一方において、充電体３に接する面が曲面となっている。充電体３を立体的に形成することで、容積効率を向上することができる。また、第１電極層６と第２電極層７が局所的に形成されているため、量子電池６０を軽量化することができる。
（Ｃ−６）構成例６
図１９は、構成例６の量子電池７０を示す斜視図である。量子電池７０は、そして第１電極層６、及び第２電極層７が充電体３の内部に配置されている。第１電極層６、及び第２電極層７の一端は、それぞれ外部端子と接続可能なように、充電体３の外部に配置される。ここでは、第１電極層６及び第２電極層７がＹ方向を長手方向とする円柱状に形成されている。充電体３は、内部に第１電極層６、及び第２電極層７が設けられた直方体状に形成されている。もちろん、第１電極層６、第２電極層７、及び充電体３の形状は、特に限定されるものではない。
第１電極層６と第２電極層７との間には、充電体３が配置される。第１電極層６と第２電極層７とに充電電圧を供給すると、充電体３に電圧が印加される。充電を続けると、第１電極層６と第２電極層７との間の領域から充電体３全体に電子が拡がっていく。上記した電子の沁み出し現象によって、充電体３の全体に電子が蓄積されていく。
なお、図１９では、第１電極層６、及び第２電極層７を充電体３の内部に配置したが、第１電極層６、及び第２電極層７の一方のみを充電体３の内部に配置してもよい。この場合、他方の電極層は、充電体３の表面に形成されていてもよい。
構成例１〜３では、平板状又はシート状の充電体３に対して、局部的に電極層を形成している。こうすることで、様々な実装構造が実現することができる。したがって、量子電池の容積効率の向上、軽量化、コストダウンを図ることが可能になる。
構成例４〜６では、充電体３を立体的に形成している。充電体３を立体的に形成することで、充電体３の体積を増加することができる。すなわち、厚みのある充電体３を用いることで、電池容量を向上することができる。例えば、平板状又はシート状の充電層を用いた場合、充電層の体積を増加するためには、充電層の面積を大型化する必要になる。しかしながら、充電層の大型化は均一化の観点から難しい場合がある。本実施の形態のように、立体的な充電体３を設けることで、電池容量が高く、高性能な量子電池を実現することができる。さらに、充電体３を立体化して形成することで、様々な実装構造が実現することができる。したがって、量子電池の容積効率の向上、軽量化、コストダウンを図ることが可能になる。
立体的に充電体３を形成する手法としては、様々な成形方法を用いることができる。例えば、充電体３の形状に応じた型を用いて成型することができる。具体的には、絶縁被覆で覆われたｎ型金属酸化物半導体の微粒子を型に入れて押し固めた後、焼成する。このようにすることで、任意の形状の充電体３を成形することができる。型の形状に応じて、充電体３に厚くなる箇所を設けることができ、充電体３を立体的に形成することができる。また、構成例５、６では電極層を内部に配置した状態で成形する。
（Ｄ）量子電池の積層構造
配置例１〜６では、単体の量子電池を示したが、複数の量子電池を組み合わせて容量を増やすことも可能である。以下、構造例１〜６に示した単体の量子電池を単位量子電池として、単位量子電池が複数設けられた量子電池を量子電池ユニットとして説明する。複数の単位量子電池を並列又は直列に接続することで、さらに、容積効率の向上、重量の低減、コストダウンを図ることが可能になる。
（Ｄ−１）量子電池ユニットの積層構造１
図２０は、積層構造１にかかる量子電池ユニット１００を示す断面図である。図２０では、構成例１で示した量子電池２０を２つ用いている。図２０では、量子電池２０を単位量子電池２０ａ、単位量子電池２０ｂとして示している。単位量子電池２０ａと単位量子電池２０ｂとは、直列接続されている。
図２０では、シート状、又は平板状の単位量子電池２０ａ、及び単位量子電池２０ｂが積層されている。すなわち、充電体３ａと充電体３ｂが平行に配置されている。そして、単位量子電池２０ａの第１電極層６ａと、単位量子電池２０ｂの第２電極層７ｂとが充電体３ａと充電体３ｂとの間に配置されている。第１電極層６ｂは負極端子１０１に接続され、第２電極層７ａは、正極端子１０２に接続されている。そして、第１電極層６ａと第２電極層７ｂは接続されている。例えば、図示しない接続端子によって、第１電極層６ａと第２電極層７ｂとを接続されている。あるいは、充電体３ａ、又は充電体３ｂに導電パターンを形成して、第１電極層６ａと第２電極層７ｂとを接続するようにしてもよい。また、第１電極層６ａと充電体３ｂとが接触しないように、あるいは、第２電極層７ｂと充電体３ａとが接触しないように絶縁層を設けてもよい。
このように、２つの単位量子電池２０ａ、２０ｂを直列に接続することで、出力電圧を増やすことができる。さらに、局部電極構造のため、量子電池ユニット１００の容積効率を向上することができる。端子構成を簡素化することができるため、容積効率を向上することができる。また、第１電極層６、第２電極層７の面積が小さいため、軽量化を図ることができる。
もちろん、量子電池ユニット１００として、３層以上の積層構造を採用してもよい。例えば、図２０に示す構成を繰り返し配置することで、簡便に積層構造を実現することができる。単位量子電池２０の電圧をＶ，電流容量をＡｈとし、積層数をＮとすると、量子電池ユニット１００の出力電圧は（Ｎ×Ｖ）となり、電流容量はＡｈとなる。
（Ｄ−２）量子電池ユニットの積層構造２
図２１は、積層構造２にかかる量子電池ユニット２００を示す断面図である。図２１では、構成例１で示した量子電池２０を２つ用いている。図２１では、量子電池２０を単位量子電池２０ａ、単位量子電池２０ｂとして示している。単位量子電池２０ａ、及び単位量子電池２０ｂは、並列接続されている。図２１では、シート状、又は平板状の単位量子電池２０ａ、及び単位量子電池２０ｂが積層されている。すなわち、充電体３ａと充電体３ｂが平行に配置されている。
具体的には、第２電極層７ａと第２電極層７ｂが向かい合うように、単位量子電池２０ａと単位量子電池２０ｂとが配置されている。換言すると、第２電極層７ａは、充電体３ａの下面に配置され、第２電極層７ｂは、充電体３ｂの上面に配置されている。そして、正極端子１０２が第２電極層７ａと第２電極層７ｂとの間に配置されている。正極端子１０２が第２電極層７ａと第２電極層７ｂとが挟み込まれた状態で、第２電極層７ａと第２電極層７ｂに接続される。このようにすることで、単位量子電池２０ａと単位量子電池２０ｂとで、正極端子１０２を共通化することができ、端子構成を簡素化することができる。また、図２１では、第２電極層７が充電体３の表面から突出しないように形成されている。
一方、第１電極層６ａは、充電体３ａの上面に配置され、第１電極層６ｂは、充電体３ｂの下面に配置されている。そして、第１電極層６ａ、及び第１電極層６ｂには、負極端子１０１が接続されている。負極端子１０１は、第１電極層６ａ、及び第１電極層６ｂにそれぞれ接続するように、分岐されている。
このように、２つの単位量子電池２０ａ、２０ｂを並列に接続することで、電流容量を増やすことができる。さらに、局部電極構造のため、量子電池ユニット２００の容積効率を向上することができる。端子構成を簡素化することができるため、容積効率を向上することができる。また、第１電極層６、第２電極層７の面積が小さいため、軽量化を図ることができる。
もちろん、量子電池ユニット２００として、３層以上の積層構造を採用してもよい。この場合、例えば、図２１に示す構成を繰り返し配置することで、簡便に積層構造を実現することができる。単位量子電池２０の電圧をＶ，電流容量をＡｈとし、積層数をＮとすると、量子電池ユニット１００の出力電圧はＶとなり、電流容量は（Ｎ×Ａｈ）となる。
なお、積層構造１、２の量子電池ユニットでは、単位量子電池２０を積層したが、他の構成の単位量子電池を積層してもよい。例えば、単位量子電池３０、又は単位量子電池４０を積層してもよく、異なる構造の単位量子電池２０、３０、４０を積層してもよい。例えば、単位量子電池２０と単位量子電池３０を積層してもよく、単位量子電池２０と単位量子電池４０を積層してもよい。あるいは、単位量子電池３０と単位量子電池４０を積層してもよい。もちろん、３つ以上の単位量子電池を組み合わせてもよい。
さらに、並列接続した２以上の単位量子電池と、直列接続した２以上の単位量子電池を組み合わせることも可能である。例えば、２Ｎ個の単位量子電池を組み合わせた構成において、並列接続数をＮ、直列接続数をＮとしてもよい。この場合、単位量子電池の電圧をＶ，電流容量をＡｈとすると、出力電圧は（Ｎ×Ｖ）となり、電流容量は（Ｎ×Ａｈ）となる。
（Ｄ−３）量子電池ユニットの積層構造３
図２２は、積層構造３にかかる量子電池ユニット３００を示す断面図である。図２２では、図１、図２で示した平行平板型の量子電池１１と、構成例４で示した量子電池５０を組み合わせた構造を有している。図２２では、量子電池ユニット３００は、１つの単位量子電池１１と、６つの単位量子電池５０とを備えている。すなわち、立体的な単位量子電池５０と平行平板型の単位量子電池１１を組み合わせている。
より具体的には、単位量子電池１１の両面にそれぞれ３つの単位量子電池５０が設けられている。量子電池ユニット３００は、１つの単位量子電池１１と、６つの単位量子電池５０を備えている。図２２では、量子電池ユニット３００に設けられた単位量子電池５０、及び単位量子電池１１を、単位量子電池５０ａ〜５０ｆと、単位量子電池１１ｇとして示す。
シート状の単位量子電池１１ｇの両側に、立体的な単位量子電池５０ａ〜５０ｆが設けられている。すなわち、平行平板型の単位量子電池１１が立体的な単位量子電池５０に挟まれた構成となっている。単位量子電池５０ａ〜５０ｃはＸ方向に沿って１列に配置されている。単位量子電池５０ｄ〜５０ｆはＸ方向に沿って１列に配置されている。
単位量子電池１１ｇの上側（＋Ｚ側）に、単位量子電池５０ａ、５０ｂ、５０ｃが配置され、下側（−Ｚ側）に単位量子電池５０ｄ、５０ｅ、５０ｆが配置されている。単位量子電池１１ｇと単位量子電池５０ａ〜５０ｆは並列接続されている。したがって、正極端子１０２は、第２電極層７ａ〜７ｇにそれぞれ接続され、負極端子１０１は、第１電極層６ａ〜６ｇにそれぞれ接続されている。
第２電極層７ｇの上側には、正極端子１０２が配置されている。さらに、第２電極層７ａ、７ｂ、７ｃの下側に、正極端子１０２が配置されている。したがって、正極端子１０２は、第２電極層７ｇと、第２電極層７ａ、７ｂ、７ｃとの間に配置されている。このようにすることで、第２電極層７ａ、７ｂ、７ｃに接続される正極端子１０２と、第２電極層７ｇに接続される正極端子１０２を共通化することができる。すなわち、平板状の正極端子１０２の上面が第２電極層７ａ、７ｂ、７ｃと接触し、下面が第２電極層７ｇと接触する。このようにすることで、端子構成を簡素化することができる。
第１電極層６ｇの下側には、負極端子１０１が配置されている。さらに、第１電極層６ｄ、６ｅ、６ｆの上側に、負極端子１０１が配置されている。したがって、負極端子１０１は、第１電極層６ｇと、第１電極層６ｄ、６ｅ、６ｆとの間に配置されている。このようにすることで、第１電極層６ｄ、６ｅ、６ｆに接続される負極端子１０１と、第１電極層６ｇに接続される負極端子１０１を共通化することができる。すなわち、平板状の負極端子１０１の下面が第１電極層６ｄ、６ｅ、６ｆと接触し、上面が第１電極層６ｇと接触する。このようにすることで、端子構成を簡素化することができる。
図２２に示す構成では、平行平板型の単位量子電池１１を用いているため、出力密度を向上することができる。さらに、充電体３の体積が大きい単位量子電池５０を用いているため、電流容量を向上することができる。シート状の単位量子電池と立体的な単位量子電池とを接続することで、電流容量、及び出力密度の高い電池を実現することができる。よって、高性能の量子電池ユニット３００を実現することができる。
なお、図２２では、単位量子電子１１のそれぞれの面に、単位量子電池５０が１列に配置された構成を示したが、単位量子電池５０を２列以上にしてもよい。すなわち、単位量子電池５０をマトリクス状に配列することも可能である。この場合、Ｘ方向、及びＹ方向のそれぞれに単位量子電池５０が複数配列される。さらに、単位量電池１１の一方の面のみに、単位量子電池５０を配置することも可能である。また、平行平板型の単位量子電池１１の代わりに、配置例１、２、又は３に示した量子電池２０〜５０のいずれか１つを単位量子電池１１として用いることもできる。
（Ｄ−４）量子電池ユニットの積層構造４
図２３は、積層構造４にかかる量子電池ユニット４００を示す断面図である。図２３では、図１で示した平行平板型の量子電池１１と、構成例４で示した量子電池５０を組み合わせた構造を有している。図２３では、量子電池ユニット４００は、２つの単位量子電池１１と、３つの単位量子電池５０とを備えている。
より具体的には、単位量子電池５０の上下にそれぞれ単位量子電池１１が設けられている。すなわち、立体的な単位量子電池５０が平行平板型の単位量子電池１１に挟まれた構成となっている。図２３では、量子電池ユニット４００に設けられた単位量子電池５０、及び単位量子電池１１を、単位量子電池５０ａ〜５０ｃと、単位量子電池１１ｄ、１１ｅとして示す。
シート状の単位量子電池１１ｄと単位量子電池１１ｅの間に、立体的な単位量子電池５０ａ〜５０ｃが設けられている。単位量子電池５０ａ〜５０ｃはＸ方向に沿って１列に配置されている。単位量子電池１１ｄ、１１ｅと単位量子電池５０ａ〜５０ｃは並列接続されている。したがって、正極端子１０２は、第２電極層７ａ〜７ｅにそれぞれ接続され、負極端子１０１は、第１電極層６ａ〜６ｅにそれぞれ接続されている。
単位量子電池１１ｄは上面に第２電極層７ｄが配置され、下面に第１電極層６ｄが配置されている。単位量子電池５０ａ〜５０ｃは、上側に第１電極層６ａ〜６ｃが配置されている。そして、負極端子１０１が第１電極層６ａ〜６ｃと第１電極層６ｄとの間に配置されている。このようにすることで、第１電極層６ａ、６ｂ、６ｃに接続される負極端子１０１と、第１電極層６ｄに接続される負極端子１０１を共通化することができる。すなわち、平板状の負極端子１０１の下面が第１電極層６ａ、６ｂ、６ｃと接触し、上面が第１電極層６ｄと接触する。このようにすることで、端子構成を簡素化することができる。
単位量子電池１１ｅは上面に第２電極層７ｅが配置され、下面に第１電極層６ｅが配置されている。単位量子電池５０ａ〜５０ｃは、下側に第１電極層７ａ〜７ｃが配置されている。そして、正極端子１０２が第２電極層７ａ〜７ｃと第２電極層７ｅとの間に配置されている。このようにすることで、第２電極層７ａ〜７ｃに接続される正極端子１０２と、第２電極層７ｅに接続される正極端子１０２を共通化することができる。すなわち、平板状の正極端子１０２の上面が第２電極層７ａ、７ｂ、７ｃと接触し、下面が第２電極層７ｄと接触する。このようにすることで、端子構成を簡素化することができる。
図２３に示す構成では、平行平板型の単位量子電池１１を用いているため、出力密度を向上することができる。さらに、充電体３の体積が大きい単位量子電池５０を用いているため、電流容量を向上することができる。シート状の量子電池と立体的な量子電池とを接続することで、電流容量、及び出力密度の高い電池を実現することができる。よって、高性能の量子電池ユニット４００を実現することができる。
なお、図２３では、単位量子電子１１のそれぞれの面に、単位量子電池５０が１列に配置された構成を示したが、単位量子電池５０を２列以上にしてもよい。すなわち、単位量子電池５０をマトリクス状に配列することも可能である。この場合、Ｘ方向、及びＹ方向のそれぞれに単位量子電池５０が複数配列される。これにより、より電池容量を向上することができる。
積層構造３、４のように、シート状の単位量子電池と、立体的な単位量子電池を組み合わせて、量子電池ユニットを構成している。すなわち、シート状の単位量子電池の電極層と、立体的な単位量子電池の電極層を接続する。こうすることで、各々の性能を補うことができる。すなわち、シート状の単位量子電池では、電極層と充電体３の接触面積を大きくすることができるため、出力密度（電流密度）が高くなる。一方、立体的な単位量子電池では、充電体３の体積が大きいため、電池容量が高くなる。よって、シート状の単位量子電池と立体的な単位量子電池を接続することで、互いの特性を補い合うことができる。よって、優れた量子電池ユニットを実現することが可能となる。
積層構造３、４では、異なる構成の単位量子電池を並列にしたが、直列に接続することも可能である。この場合、シート状の単位量子電池１１の第２電極層７と立体的な単位量子電池５０の第１電極層６を接続すればよい。あるいは、シート状の単位量子電池１１の第１電極層６と立体的な単位量子電池５０の第２電極層７を接続すればよい。
また、積層構造３、４では、平行平板型の単位量子電池１１の代わりに、配置例１、２、又は３に示した量子電池２０〜５０のいずれか１つを単位量子電池１１として用いることもできる。上記の説明では、第１電極層６が負極、第２電極層７が正極であるとして説明したが、第１電極層６が正極、第２電極層７が負極であってもよい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。
この出願は、２０１４年３月１８日に出願された日本出願特願２０１４−０５４９７８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１ 第１電極
２ ｎ型金属酸化物半導体層
３ 充電体
４ ｐ型金属酸化物半導体層
５ 第２電極
６ 第１電極層
７ 第２電極層
１０ 量子電池
１８ 重複領域
１９ 非重複領域

Claims (13)

  1. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、
    前記第１電極層、及び前記第２電極層の少なくとも一方において、前記充電体に接する面が曲面となっている電池。
  2. 前記充電体が球状、又は円柱状になっている請求項１に記載の電池。
  3. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、
    前記第１電極層、及び前記第２電極層の少なくとも一方が、前記充電体内に配置されている電池。
  4. 前記充電体が円柱状に設けられ、
    前記充電体の内部に前記第１電極層が配置され、
    前記充電体の外周面に前記第２電極層が配置されている請求項２、又は３に記載の電池。
  5. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、
    前記充電体が立体的に形成されている電池。
  6. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、
    前記充電体の前記第１電極層が設けられた面に前記第２電極層が設けられている電池。
  7. 前記第２電極層が複数設けられ、
    前記充電体を介して、前記第１電極層と対向する第２電極層がさらに設けられている請求項６に記載の電池。
  8. 第１電極層と、
    第２電極層と、
    前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電体と、を備え、
    前記充電体の表面に沿った平面視において、前記第１電極層と異なる位置に前記第２電極層が設けられている電池。
  9. 前記充電体の前記第１電極層が形成された面に、前記第２電極層が形成されている請求項８に記載の電池。
  10. 前記充電体の前記第１電極層が形成された面と反対側の面に、前記第２電極層が形成されている請求項８に記載の電池。
  11. 第１の単位電池と、前記第１の単位電池と並列又は直列に接続された第２の単位電池を備えた電池であって、
    前記第１の単位電池が請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電池であり、
    前記第２の単位電池が
    第１電極層と、
    第２電極層と、
    前記第１電極層と前記第２電極層との間の充電電圧が印加され、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー順位を形成して電子を捕獲する充電層を有している電池。
  12. 前記第１の単位電池が請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池であり、
    前記第２の単位電池が平行平板型の単位電池である請求項１１に記載の電池。
  13. 前記第１の単位電池、及び前記第２の単位電池がそれぞれ請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電池であり、
    前記第１の単位電池と前記第２の単位電池が積層されている請求項１１に記載の電池。
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