JPWO2016063925A1 - プレーナ型エネルギーセル構造体、それを用いたエネルギーセル構造体アレイ、マイクロエネルギーデバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明おいて、基材101には、プレーナ型エネルギーセル構造体に用いられる公知の材料を用いることができる。例えば、シリコン、サファイア、ガラス、金属材料等の硬質基板上に絶縁層を形成した基材、フレキシブル材料等を用いることができる。フレキシブル材料としてはポリエチレンテレフタラート(PET)樹脂、ポリイミド(PI)等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
本発明おいて、第1集電体103a及び第2集電体103bは、パターン形成可能な公知の材料で形成することができる。集電体には例えば、金、銀、銅、プラチナやアルミニウム等の金属材料を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
本発明おいて、第1電極107a及び第2電極107bは、パターン形成可能な公知の材料で形成することができ、金属材料や炭素材料で構成される。金属材料としては、上述した集電体の材料と同様のものを用いることができる。また、炭素材料としては、従来用いられているカーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレン、活性炭等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。一実施形態において、第1電極107a及び第2電極107bはサイズが700×900μmで、高さ;0.5μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上、さらに好ましくは5μm以上、また、上限として、200μm以下、好ましくは150μm、より好ましくは100μm、さらに好ましくは50μmである。このような高さの第1電極107a及び第2電極107bを備えるプレーナ型エネルギーセルは高いエネルギー密度を備えることができる。
本発明おいて、分離用溝102は第1集電体103a及びその上に形成された第1電極107aと、第2集電体103b及びその上に形成された第2電極107bとを対向して配設するための構造である。分離用溝102は電解液109を蓄えるとともに、分離溝内に溜まった電解液109を第1電極107a及び第2電極107bの側部からそれぞれの内部に浸透させる作用を有する。一実施形態において、分離用溝102は、幅;1μm以上、好ましくは2μm以上、より好ましくは5μm以上、さらに好ましくは10μm以上、また、上限として、200μm以下、好ましくは150μm、より好ましくは100μm、さらに好ましくは50μmである。このような大きさを有する分離用溝102は電解液109中のイオンと第1電極107a及び第2電極107bとのアクセスを向上させることができる。また、一実施形態において、第1電極107a及び/又は、第2電極107bの高さと、分離用溝102の幅との比(高さ/幅)は、0.01以上、より、好ましくは0.02以上、より好ましくは0.05以上、さらに好ましくは0.1以上である。上限は特にないが、製造上100以上のアスペクト比を実現することは困難である。このように大きなアスペクト比(高さ/幅)を有する、プレーナ型エネルギーセル構造体100は、高速な充放電を実現しつつ、高いエネルギー密度を実現する。
図1に示したように、プレーナ型エネルギーセル構造体100において、電解液閉じ込め手段105は、基材101上に配設された凹凸形状部材で構成され、好ましくは基材101上に配設された凸型の壁で構成される。本発明において、電解液閉じ込め手段105は、第1電極107a及び第2電極107bを囲ぎょうして電解液109を閉じ込め、また、電解液109が電解液閉じ込め手段105の外へ流出してしまうことを防ぐようにパターン形成された構造体であり、図1に示した形状に限定されるものではない。
プレーナ型エネルギーセル構造体100において、第1電極107a、第2電極107b及び分離用溝102上に電解液109を介して封止部材111を配設する。封止部材111は、電解液閉じ込め手段105の外部へ電解液109が流出するのを防止するとともに、電解液109からの溶媒の蒸発を防ぐ手段である。封止部材111としては、樹脂等のフィルムを用いることができ、例えば、パラキシリレン系ポリマーを用いることができるが、これに限定されるものではない。なお、一実施形態において、電解液閉じ込め手段105を封止部材111で形成してもよい。
上述した本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の製造方法について、具体例を示して、詳細に説明する。なお、以下に説明する本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の製造方法は一例であって、これらに限定されるものではない。
本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100と従来のアルミ電解コンデンサの周波数特性を比較した。図16(a)は本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の周波数特性を示し、図16(b)は従来のアルミ電解コンデンサの周波数特性を示す。位相が−90°となる周波数領域で充放電が可能である(灰色の範囲)。なお、プレーナ型エネルギーセル構造体100においては、電解液109として35重量%硫酸水溶液を用いた。従来のアルミ電解コンデンサとして100V、1000μFのコンデンサを用いた。両図において、網掛けした範囲は充放電が可能な範囲を示す。本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100は、従来のアルミ電解コンデンサと同等の範囲で充放電が可能であることが明らかとなった。
本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の緩和時間定数(τ0)について、従来のアルミ電解コンデンサと比較した。緩和時間定数とは周波数特性において、位相が−45°となる周波数の逆数である。なお、プレーナ型エネルギーセル構造体100においては、電解液109として35重量%硫酸水溶液を用いた。従来のアルミ電解コンデンサとして100V、1000μFのコンデンサを用いた。図17は緩和時間定数測定結果を示し、(a)は本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の緩和時間定数を示し、(b)は従来のアルミ電解コンデンサの緩和時間定数を示す。図17の結果から、本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100はτ0が1.08msで、従来のアルミ電解コンデンサはτ0が0.54msであって、充放電速度が同等であることが明らかとなった。
本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の出力性能について検討した。なお、プレーナ型エネルギーセル構造体100においては、電解液109として35重量%硫酸水溶液を用いた。図18(a)及び図18(b)は電圧降下(IR drop)を示す図である。本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100は高速(200A/g)な放電を行ったにもかかわらず、電圧降下はわずかに0.03Vであり、効率の高いエネルギーセルであることが示された。また、従来のアルミ電解コンデンサが10kW/kg以下であるのに対して、本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100は2500kW/kgを達成した。
次に、本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の充放電レート特性について検討した。図19(a)は本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100を示し、図19(b)はその配線図を示し、(c)はボルタンメトリーを示す。(c)の結果から、スキャンレート(0.5−5.0V/s)を高くすると、それに応じて電流値が0.003mAから0.03mAに増加することが示された。
図20に各種キャパシタのラゴンプロットを示す。本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100は、充放電速度(τ0:1.08ms)と容量(1.6Wh/kg)の両方において、従来のキャパシタに比して優れた特性を有することがわかる。また、電解液としてイオン液体を用いることもできるが、酸を用いることにより、より大きなパワーを得ることができる。
ブレードコート法で第2の導電材料層117を形成し、エタノール洗浄した電極107(10% SDOCが残留)を用いて、電解液109として酸を用いた場合の電圧降下(IR drop)について検討した。図21は電解液109として20重量%硫酸水溶液を用いた結果を示し、図22は電解液109として35重量%硫酸水溶液を用いた結果を示す。図21において僅かな電圧降下が認められたが、大きなパワー密度を有することが明らかとなった。図22においては、電圧降下はほとんど認められなかった。
電極にカーボンナノチューブを用い、スペーサとしてセルロース膜を用い、集電体としてプラチナメッシュを用いた平行平板型キャパシタでは、その大きさは1cm角以上で、電極と集電体との接触面積は小さかった。このような従来のキャパシタでは、0.5A/gで0.1V程度の大きな電圧降下を生じた。一方、本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100は、第1電極と第2電極間とのスペーサがなく、数百μmのサイズでありながら、Ti/Auの集電体と電極との接触面積は大きい。本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100では、0.5A/gでわずか0.001Vしか電圧降下が生じなかった(図23)。
上述した平行平板型キャパシタと本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の周波数特性を比較した。図24は周波数特性を示す図である。本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100は、電極を微細化することにより、10Hzまでの周波数での駆動を実現したことが明らかとなった。
次に、本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100において、電解液と緩和時間定数との関係について検討した。図25(a)は電解液109として35重量%硫酸水溶液を用いた場合の緩和時間定数を示し、(b)は電解液109としてイオン液体を用いた場合の緩和時間定数を示す。電解液109として酸を用いることにより、緩和時間定数が小さくなることが明らかとなった。本実施例において、電解液109として酸を用いることにより、高速な充放電に適用することができる。一方、電解液109としてイオン液体を用いることにより、エネルギーセルの容量に対して効果を示すことが明らかとなった。
電極の形状について検討した。本発明においては、櫛型形状を電極の基本パターンとしており、櫛型形状のパターン設計とその効果について検討した。プレーナ型エネルギーセル構造体100を本発明における標準設計aとして、分離用溝102の幅を1/2とした設計b、及び電極のサイズを1/100にした設計cについて、検討した(図26)。それぞれの光学顕微鏡像を図27(a)〜(c)に示す。
電極の櫛型形状の歯の数とプレーナ型エネルギーセル構造体の電気特性との関係については、これまでにも報告されている。本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体についても同様の傾向を示すかについて検討した。図31(a)は本発明に係るプレーナ型エネルギーセル構造体100の電極(4本)を示し、図31(b)は14本、図31(c)は22本での設計を示す。
上述したプレーナ型エネルギーセル構造体100を1つの基材上に複数配置して、接続することにより、エネルギーセル構造体アレイを製造することができる。図34は、一例として、プレーナ型エネルギーセル構造体100を2つ直列に接続した例である。プレーナ型エネルギーセル構造体100を直列に接続する場合、電解液109がそれぞれのプレーナ型エネルギーセル構造体100に分離して配置する必要がある(b)。微細加工されたプレーナ型エネルギーセル構造体100において、電解液109を分離して配設するには、電解液閉じ込め手段105が必要となる(c)。このような電解液109の分離は、封止部材111により行ってもよい。
次に並列接続について検討した。図39は並列接続の一例とそのボルタンメトリーを示す図である。(a)は1つのプレーナ型エネルギーセル構造体100を示し、(b)は2つのプレーナ型エネルギーセル構造体100を並列に接続した結果を示す。図39の結果から、並列に接続することにより、電流が2倍となることが分かる。
一例として、エネルギーセル構造体アレイ500の製造方法について説明する。図45は、エネルギーセル構造体アレイ500の製造工程の一例を示す模式図である。基材101を用意し、第1の導電材料層を形成してパターニングすることにより、基材101上に複数の集電体503(第1集電体503a及び第2集電体503b)とそれらを接続する配線504をパターン形成する。図45においては、一例として直列に接続する例を示したが、並列接続や直列と並列の組み合わせ等、任意の配列で形成することができる。
フレキシブル基材へのプレーナ型エネルギーセル構造体700の製造方法について、具体例を示して説明する。なお、フレキシブル基材へのプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法は、以下に限定されるものではない。
Claims (28)
- 基材と、
前記基材上に互いに分離用溝を介して配設された第1集電体及び第2集電体と、
前記第1集電体及び前記第2集電体上に互いに前記分離用溝を介して配設された第1電極及び第2電極と、
前記第1集電体及び前記第2集電体上に配設され、前記第1電極及び前記第2電極を囲ぎょうして電解液を閉じ込める電解液閉じ込め手段と、を備え、
前記第1集電体が前記第1電極に接続し、前記第2集電体が前記第2電極に接続し、
前記第1電極及び前記第2電極は前記電解液を含有し、且つ、前記分離用溝は前記電解液を蓄えることを特徴とするプレーナ型エネルギーセル構造体。 - 前記第1集電体及び前記第2集電体、前記第1電極及び前記第2電極、前記電解液閉じ込め手段は、それぞれ異なるパターン形状を備えることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記第1電極及び前記第2電極上及び前記分離用溝上に前記電解液を備えることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記第1電極及び前記第2電極及び前記分離用溝上に前記電解液を介して封止部材を配設したことを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記第1集電体及び前記第2集電体は、前記電解液閉じ込め手段から外方の前記基材上に延出した配線を備えることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記電解液閉じ込め手段は、前記基材上に配設された壁で構成されることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記電解液閉じ込め手段は、前記基材上に配設された凹凸形状部材で構成されることを特徴とする請求項5に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記分離用溝は、幅;1μm以上200μm以下、前記第1電極及び/又は前記第2電極の高さと前記分離用溝の幅との比;0.01以上であり、前記分離溝内に溜まった前記電解液を前記第1電極及び前記第2電極の側部から内部に浸透させる作用を有することを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記基材と前記第1電極及び前記第2電極との間に密着層を備えることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記第1電極及び前記第2電極は、炭素材料で構成されることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記炭素材料は、網目状に配置したカーボンナノチューブを備え、前記カーボンナノチューブは、炭素純度;98重量%以上、比表面積;600m2/g以上、ポア径;0.002μm以上1μm以下、長さ;10μm以上1mm以下、かさ密度;0.1g/cm3以上0.8g/cm3以下を備えることを特徴とする請求項10に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記第1電極及び前記第2電極は、櫛型形状を備えることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 前記基材は、フレキシブル材料、硬質基板であることを特徴とする請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体。
- 請求項1に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体を並列及び/又は直列に複数接続したことを特徴とするエネルギーセル構造体アレイ。
- 前記プレーナ型エネルギーセル構造体を直列に複数接続し、前記プレーナ型エネルギーセル構造体毎に前記電解液閉じ込め手段を配設したことを特徴とする請求項14に記載のエネルギーセル構造体アレイ。
- 前記プレーナ型エネルギーセル構造体を並列に複数接続し、複数の前記プレーナ型エネルギーセル構造体を囲む電解液閉じ込め手段を配設したことを特徴とする請求項14に記載のエネルギーセル構造体アレイ。
- 請求項14に記載の前記エネルギーセル構造体アレイを備えることを特徴とするマイクロエネルギーデバイス。
- 前記マイクロエネルギーデバイスは、スーパーキャパシタ、電池、ハイブリッド・スーパーキャパシタであることを特徴とする請求項17に記載のマイクロエネルギーデバイス。
- 基材を用意し、
前記基材上に第1の導電材料層を形成し、前記第1の導電材料層をパターニングして、互いに分離用溝を介して対向した第1集電体及び第2集電体を形成し、
前記第1集電体及び前記第2集電体上に絶縁体層を形成し、パターニングして電解液閉じ込め手段を形成し、
前記第1集電体及び前記第2集電体上に第2の導電材料層を形成し、
前記第2の導電材料層をパターニングして前記第1集電体及び前記第2集電体上に互いに前記分離用溝を介して対向した第1電極及び第2電極をそれぞれ形成し、
前記電解液閉じ込め手段内の前記第1電極、前記第2電極及び前記分離用溝を電解液で覆い、
前記第1電極及び前記第2電極内に前記電解液を含浸させ、且つ前記分離用溝に前記電解液を蓄えることを特徴とするプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法。 - 前記第1電極、前記第2電極及び前記分離用溝を、前記電解液を介して封止することを特徴とする請求項19に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法。
- 前記第2の導電材料層は、カーボンナノチューブを含有した分散液を塗布して形成されることを特徴とする請求項19に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法。
- 前記基材と前記第1電極及び前記第2電極との間に密着層を形成することを特徴とする請求項19に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法。
- 前記第1電極及び前記第2電極を櫛型形状に形成することを特徴とする請求項19に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法。
- 前記第1集電体及び前記第2集電体を前記電解液閉じ込め手段から外方の前記基材上に延出して配線を形成することを特徴とする請求項19に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体の製造方法。
- 請求項19に記載のプレーナ型エネルギーセル構造体を並列及び/又は直列に接続することを特徴とするエネルギーセル構造体アレイの製造方法。
- 前記プレーナ型エネルギーセル構造体を直列に複数接続し、前記プレーナ型エネルギーセル構造体毎に前記電解液閉じ込め手段を配設することを特徴とする請求項25に記載のエネルギーセル構造体アレイの製造方法。
- 前記プレーナ型エネルギーセル構造体を並列に複数接続し、複数の前記プレーナ型エネルギーセル構造体を囲む電解液閉じ込め手段を配設することを特徴とする請求項25に記載のエネルギーセル構造体アレイの製造方法。
- 請求項25に記載のエネルギーセル構造体アレイを用いることを特徴とするマイクロエネルギーデバイスの製造方法。
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004349306A (ja) * | 2003-05-20 | 2004-12-09 | Nec Tokin Corp | 電気二重層コンデンサ及び電気二重層コンデンサ積層体 |
JP2011249673A (ja) * | 2010-05-28 | 2011-12-08 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 電気二重層キャパシタ |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004349306A (ja) * | 2003-05-20 | 2004-12-09 | Nec Tokin Corp | 電気二重層コンデンサ及び電気二重層コンデンサ積層体 |
JP2011249673A (ja) * | 2010-05-28 | 2011-12-08 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 電気二重層キャパシタ |
JP2012017229A (ja) * | 2010-07-09 | 2012-01-26 | Nitta Corp | Cnt薄膜、および、これを備えた電極 |
JP2012023220A (ja) * | 2010-07-15 | 2012-02-02 | Seiko Instruments Inc | 電子部品、電子装置、及び電子部品の製造方法 |
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