KR20200120581A - 축전 장치 및 그 충전 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

음극의 전해액의 분해에 의해 발생하는 양극과 음극의 캐리어 이온의 삽입 이탈량의 불균형을 조정 또는 개량하고, 축전 장치의 용량의 저하를 억제한다. 또는, 저하된 축전 장치의 용량을 회복한다. 또는, 제 3 전극에 의해, 전해액 중의 불순물을 분해한다.
양극과 음극과 전해액을 가지는 축전 장치에서, 또한 제 3 전극을 가지고, 제 3 전극은, 비패러데이 반응을 하는 재료가 이용되고 있는 축전 장치로 한다. 또한, 양극 및 음극을 이용하여 축전 장치의 충전을 한 후, 제 3 전극과 음극을 이용하여 추가의 충전을 하는 축전 장치의 충전 방법도 제공한다.

Description

축전 장치 및 그 충전 방법{POWER STORAGE DEVICE AND METHOD FOR CHARGING THE SAME}
본 발명은 물건(product : 기계(machine), 제품(manufacture), 조성물(composition of matter)을 포함함), 및 방법(process : 단순 방법 및 생산 방법을 포함함)에 관한 것이다. 특히 본 발명의 일 양태는 축전 장치, 축전 시스템, 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 혹은 그 외의 전기기기, 또는 그들의 제조 방법 및 구동 방법에 관한 것이다. 또한, 특히 본 발명의 일 양태는 축전 장치 및 그 충전 방법에 관한 것이다.
근년, 리튬 이온 2차 전지 등의 비수계 2차 전지, 리튬 이온 캐패시터, 공기 전지 등, 여러 가지의 축전 장치의 개발이 활발히 행해지고 있다. 특히 고출력, 고에너지 밀도인 리튬 이온 2차 전지는 휴대 전화나 스마트폰, 노트형 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 휴대 음악 플레이어, 디지털 카메라 등의 전기기기, 혹은 의료기기, 하이브리드 차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그 인 하이브리드 차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차 등, 반도체 산업의 발전에 따라 급속히 그 수요가 확대되어, 충전할 수 있는 에너지의 공급원으로서 현대의 정보화 사회에 불가결한 것이 되어 있다.
비수계 2차 전지 중에서도 고에너지 밀도를 가짐으로써 널리 보급되어 있는 리튬 이온 2차 전지는 코발트산 리튬(LiCoO2)이나 인산철 리튬(LiFePO4) 등의 활물질을 포함한 양극과 리튬의 흡장·방출을 할 수 있는 흑연 등의 탄소 재료로 이루어지는 음극과, 에틸렌 카보네이트나 다이에틸 카보네이트 등의 유기 용매에, LiBF4나 LiPF6 등의 리튬염으로 이루어지는 전해질을 용해시킨 비수 전해액 등에 의해 구성된다. 리튬 이온 2차 전지의 충방전은 2차 전지 중의 리튬 이온이 비수 전해액을 통하여 양극-음극 간을 이동하고, 양극 또는 음극의 활물질에 리튬 이온이 삽입/이탈함으로써 행해진다.
이러한 리튬 이온 2차 전지 등에서는, 전지의 용량은 리튬의 양극에서의 삽입/이탈량에 의해 결정된다. 한편, 음극에서는 전해액의 분해 반응이 발생하기 때문에, 부생성물(SEI(Solid Electrolyte Interphase)라고도 불림)의 형성 등에 리튬이 소비되어 전지의 용량이 감소해 간다.
이러한 음극에서의 전해액의 분해 반응이 양극에서도 발생하면, 음극에서의 분해 반응으로 상쇄할 수 있다. 그러나, 전해액의 산화 전위에 대해 양극의 전위는 충분히 높은 것은 아니기 때문에, 양극에서의 산화 분해의 반응량보다 음극에서의 환원 분해의 반응량이 많다.
일본국 특개 2005-203131호 공보 일본국 특개 2009-123385호 공보
이 때문에, 종래의 축전 장치에서, 음극에서는 전해액의 분해도 발생하기 때문에, 양극에서의 리튬의 삽입/이탈량에 비해 음극에서의 리튬의 삽입/이탈량이 적다. 따라서, 양극과 음극 사이에서 리튬의 삽입/이탈량이 불균형하게 되기 때문에, 축전 장치의 용량이 저하하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 양태는 음극의 전해액의 분해에 의해 발생하는 양극과 음극과의 캐리어 이온의 삽입/이탈량의 불균형을 조정 또는 개량하여, 축전 장치의 용량의 저하를 억제하는 것을 과제의 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 양태는 저하된 축전 장치의 용량을 회복하는 것을 과제의 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 양태는 제 3 전극으로 전해액 중의 불순물을 분해하는 것을 과제의 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 양태에서는, 축전 장치의 제어를 저소비 전력으로 행하는 것을 과제의 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 양태에서는, 축전 장치의 신뢰성을 향상시키는 것을 과제의 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 양태에서는, 신규 축전 장치를 제공하는 것을 과제의 하나로 한다.
특히, 본 발명의 일 양태는 상기에 언급하는 과제의 중 적어도 하나를 해결할 수 있는 경우가 있다. 또한, 본 발명의 일 양태는 이러한 모든 과제를 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한, 상기에 언급하는 과제에 포함되지 않은 과제여도, 명세서, 도면 또는 특허 청구의 범위 등의 기재로부터 자연히 분명해지는 것이고, 명세서, 도면 또는 특허 청구의 범위 등 등의 기재로부터, 과제로서 추출할 수 있다.
상기와 같이, 양극과 음극 사이에서 발생하는 리튬의 삽입/이탈량의 불균형은 양극에서도 전해액이 분해됨으로써 해소할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질을 인산철 리튬(LiFePO4)으로 한 경우, 리튬의 반응 전위는 약 3.5V이기 때문에 종지 전압은 4V로 하면 충분하지만, 굳이 종지 전압을 4.5V까지 올림으로써 양극에서의 전해액의 분해가 발생한다. 이와 같이 하여, 양극에서의 전해액의 분해량과 음극에서의 전해액의 분해량을 균등하게 함으로써, 양극 및 음극의 용량의 밸런스를 균등하게 하고, 전지의 용량의 저하를 억제할 수 있다.
그러나 한편으로, 양극에서 전해액의 분해를 발생시킨 경우, 양극의 저항이 증가하게 될 우려가 있다.
따라서, 본원 발명자들은 양극 및 음극과는 다른 제 3 전극을, 별도 전지의 내부에 형성하는 것에 도달했다. 제 3 전극은 전해액의 분해를 행하는 기능을 가지는 전극이다. 즉, 제 3 전극은 주로 비패러데이(non-faradaic) 반응에 의한 용량, 구체적으로는 제 3 전극 표면에 발생하는 매우 얇은 전기 이중층을 이용한 정전 용량을 가지는 전극이다. 혹은, 전해액 중의 불순물을 흡착하는 기능을 가지는 전극이다. 따라서, 제 3 전극은 그 비(比)표면적이 큰 것이 바람직하다. 이 때문에 제 3 전극으로서, 다공질의 전극 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면 활성탄을 이용하면 좋다. 특히 제 3 전극에 활성탄을 이용한 경우, 제조 공정이나 안전성의 점에서 바람직하다.
또한, 본 명세서에서 제 3 전극이란, 양극 또는 음극 중 어느 한쪽을 제 1 전극 또는 제 2 전극으로 한 경우에 붙인 명칭이며, 그 서수에는 그 이상의 의미를 가지는 것은 아니다.
충방전의 반복 등에 의해 전지의 용량이 저하된 경우, 제 3 전극과 음극을 이용해 충전을 행함으로써, 용량을 추가할 수 있다. 또한, 이 용량의 추가를 위한 충전 후에 제 3 전극을 방전하면, 원 상태로 돌아와 전지의 용량이 저하하게 된다. 이 때문에, 제 3 전극은 충전 후는 방전하지 않고, 자기 방전에 의해 방전이 행해지는 것을 기다리면 좋다. 또한 자기 방전이란, 전극에 축적된 전기의 양이 시간의 경과와 함께 서서히 감소하는 현상을 말하고, 자연 방전이라고도 한다.
제 3 전극의 자기 방전은 전해액의 분해나 불순물의 분해에 의해 발생하는 것이다. 따라서, 제 3 전극에 활성탄과 같은 비표면적이 큰 재료를 이용하는 경우에는, 재료의 반응성이 낮아도 전해액이나 불순물과의 반응을 진행시킬 수 있다.
또한 전해액 등에 포함되는 불순물은 양극에서 반응함으로써, 양극의 표면에 분해물에 의한 부생성물(분해물을 포함한 피막 등)이 형성되어, 양극의 저항을 증가시킨다. 그러나, 제 3 전극을 이용하여 불순물과 적극적으로 반응시킴으로써, 양극의 열화를 방지 또는 저감할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 양태는 양극과 음극과 전해액을 가지는 축전 장치에서, 제 3 전극을 더 가지고, 제 3 전극은 비패러데이 반응을 하는 재료가 이용되는 축전 장치이다.
특히, 제 3 전극은 활성탄을 이용하고 있으면 좋다.
또한, 본 발명의 일 양태는 축전 장치의 충전 방법으로서, 축전 장치는 양극과 음극과 제 3 전극을 가지고, 제 3 전극은 비패러데이 반응을 하는 재료가 이용되고, 양극 및 음극을 이용하여 축전 장치의 충전을 한 후, 제 3 전극과 음극을 이용하여 추가의 충전을 하는 축전 장치의 충전 방법이다.
특히, 추가의 충전 후, 상기 제 3 전극을 자기 방전시키면 좋다.
축전 장치의 용량의 저하를 억제할 수 있다.
또는, 저하된 축전 장치의 용량을 회복할 수 있다.
또는, 제 3 전극에 의해, 전해액 중의 불순물을 분해할 수 있다.
또는, 축전 장치의 제어를 저소비 전력으로 행할 수 있다.
또는, 축전 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또는, 신규 축전 장치 등을 제공할 수 있다. 또는, 우수한 축전 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 제 3 전극을 설명하는 도면이다.
도 3은 축전 장치를 충방전하는 시스템에 대해 설명하는 도면이다.
도 4는 축전 장치를 충방전하는 시스템에 대해 설명하는 도면이다.
도 5는 축전 장치를 충방전하는 시스템에 대해 설명하는 도면이다.
도 6은 제어 회로를 설명하는 도면이다.
도 7은 양극을 설명하는 도면이다.
도 8은 음극을 설명하는 도면이다.
도 9는 제 3 전극을 설명하는 도면이다.
도 10은 축전 장치를 설명하는 도면이다.
도 11은 축전 장치를 설명하는 도면이다.
도 12는 축전 장치를 설명하는 도면이다.
도 13은 전기기기를 설명하는 도면이다.
도 14는 전기기기를 설명하는 도면이다.
도 15는 전기기기를 설명하는 도면이다.
본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 이용하여 이하, 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명의 실시형태에 대해서는, 이하에 설명한다.
단, 본 발명은 이러한 설명으로 한정되지 않고, 그 형태 및 양태를 여러 가지로 변경할 수 있는 것은 당업자이면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 설명하는 각 도면에서, 막이나 층, 기판 등의 두께나 영역의 크기 등의 각 구성 요소의 크기는 개개에 설명의 명료화를 위해서 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서, 반드시 각 구성 요소는 그 크기에 한정되지 않고, 또한 각 구성 요소 간에서의 상대적인 크기에 한정되지 않는다.
또한, 본 명세서 등에서, 제 1, 제 2 등으로 붙여지는 서수사는 편의상 이용하는 것이고, 공정의 차례나 적층의 차례 등을 나타내는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 등에서 발명을 특정하기 위한 사항으로서 고유의 명칭을 나타내는 것은 아니다.
또한, 본 명세서 등에서 설명하는 본 발명의 구성에서, 동일 부분 또는 같은 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 다른 도면 간에 공통하여 이용하고, 그 반복 설명은 생략한다. 또한, 같은 기능을 가지는 부분을 가리키는 경우에는, 해치 패턴을 같게 하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
또한, 실제 전지의 제조 공정에서, 전극에는 요철이 포함되지만, 용이한 이해를 위해, 도면에서는 생략하여 나타내는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서, 「위」나 「아래」라는 용어는 구성 요소의 위치 관계가 「바로 위」 또는 「바로 아래」인 것을 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서 등에서, 「전해액」이나 「전해질」이라는 용어는 이러한 구성 요소를 기능적으로 한정하는 것은 아니다. 명시적으로 구별하고 있는 개소가 아닌 한, 「전해질」은 「전해액」의 뜻을 포함할 수 있는 것으로 한다.
또한, 본 명세서 등에서는, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 가지는 모든 단자에 대해, 그 접속처를 특정하지 않아도, 당업자라면, 발명의 일 양태를 구성할 수 있는 경우가 있다. 즉, 접속처를 특정하지 않아도, 발명의 일 양태가 명확하고, 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 특히, 단자의 접속처가 복수인 경우에는, 그 단자의 접속처를 특정의 개소로 한정할 필요는 없다. 따라서, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 가지는 일부의 단자에 대해서만, 그 접속처를 특정함으로써, 발명의 일 양태를 구성할 수 있는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서, 능동 소자, 수동 소자, 혹은 단자의 접속 상태의 설명에 이용되고 있는 「전극」이나 「배선」이라는 용어는 이러한 구성 요소를 기능적으로 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 「전극」은 「배선」의 일부로서 이용되는 경우가 있고, 그 반대도 또한 마찬가지이다. 또한 「전극」이나 「배선」이라는 용어는 복수의 「전극」이나 「배선」이 일체로 형성되어 있는 경우 등도 포함한다. 또한, 거기에서 전압은 어느 전위와 기준의 전위(예를 들면 접지 전위(GND) 또는 소스 전위)와의 전위 차를 나타내는 경우가 많다. 따라서, 전압을 전위라고 바꿔 말할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에서는, 어느 회로에 대해, 적어도 접속처를 특정하면, 당업자라면 발명을 특정할 수 있는 경우가 있다. 또는, 어느 회로에 대해, 적어도 기능을 특정하면, 당업자라면 발명을 특정할 수 있는 경우가 있다. 즉, 기능을 특정하면, 발명의 일 양태가 명확하고, 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 어느 회로에 대해, 기능을 특정하지 않아도, 접속처를 특정하면, 발명의 일 양태로서 개시되어 있는 것이고, 발명의 일 양태를 구성할 수 있다. 또한, 어느 회로에 대해, 접속처를 특정하지 않아도, 기능을 특정하면, 발명의 일 양태로서 개시되어 있는 것이고, 발명의 일 양태를 구성할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에서, 2차 전지용의 양극 및 음극의 쌍방을 아울러 전극이라고 부르는 경우가 있지만, 이 경우, 전극은 양극 및 음극 중 적어도 어느 한쪽을 나타내는 것으로 한다.
또한, 본 명세서 등에서 방전 레이트(C)란, 전지를 방전할 때의 속도를 나타낸다. 예를 들면, 용량 1Ah의 전지를 1A로 방전하는 경우의 방전 레이트는 1C이다.
또한, 이 발명을 실시하기 위한 형태에 기재 내용은 적절히 조합하여 이용할 수 있다.
[1. 축전 장치의 충방전 방법 및 시스템]
본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치의 충방전 방법 및 그 시스템에 대해, 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다.
(실시형태 1)
[1.1. 축전 장치의 충방전 방법]
도 2(A)에 도시한 것처럼, 축전 장치(100)에는 적어도 음극(101), 양극(102) 및 제 3 전극(103)을 가진다. 이러한 음극(101), 양극(102) 및 제 3 전극(103)은 서로의 단락(短絡)을 방지하기 위해 세퍼레이터(separator)(104)가 형성되고, 이 공간(105)은 전해액으로 충전되어 있다. 각각의 전극에 대해서는, 후에 상세히 설명한다.
축전 장치(100)의 충방전 방법에 대하여, 도 1을 이용하여 설명한다. 또한, 도 1에서는, 세퍼레이터의 도시는 생략하였다.
도 1(A)에 도시한 것처럼, 축전 장치(100)의 충전은 축전 장치(100)의 음극(101)과 양극(102)을 계통 전원 등의 전원에 접속함으로써 행한다. 예를 들면 축전 장치(100)가 리튬 이온 2차 전지인 경우, 캐리어 이온(도면에서는 리튬 이온)은 양극(102)으로부터 음극(101)을 향해 이동하고, 음극(101)에 삽입된다.
이 충전시에, 음극(101)의 표면에서 전해액의 분해가 발생하여, 분해물의 형성에 따라 불가역 용량이 형성된다.
충전 후, 도 1(B)에 도시한 것처럼, 제 3 전극(103)을 이용하여 축전 장치(100)에 추가의 충전을 행한다. 추가의 충전은 양극(102)을 플로팅 상태로 하고, 음극(101)과 제 3 전극(103)과의 사이에 전류를 흐르게 함으로써 행한다. 전해액의 용질로서 예를 들면 LiPF6를 용해시킨 경우, 이온화된 리튬은 음극(101)에 삽입되는 한편, 음이온이 된 PF6 -는 제 3 전극(103)의 표면으로 이동한다. 이 때문에, 제 3 전극(103)의 표면에는 매우 얇은 전기 이중층이 형성된다.
추가의 충전을 행하는 경우, 음극(101)의 전위를 0V(vs.Li/Li＋)로 한 경우, 제 3 전극의 전위는 4 V(vs.Li/Li＋) 이상의 높은 전압으로 설정하면 좋다. 이러한 고전압을 인가함으로써, 전해액을 분해한다. 이것에 의해, 양극(102)과 음극(101)과의 용량 밸런스를 균등하게 할 수 있다.
추가의 충전은 첫회의 불가역 용량을 저감할 수 있다. 또한, 반복하여 추가의 충전을 행하는 경우에는, 충방전의 반복에 따라 형성된 불가역 용량도 저감할 수 있다.
여기서, 추가의 충전은 예를 들면 양극(102)의 활물질 재료에 인산철 리튬(LiFePO4) 등의 충전 심도에 따라 전위의 변동이 작은 재료를 이용하는 경우에는, 우선 양극(102)과 제 3 전극(103)과의 사이의 전압을 검출하고, 예를 들면 이 전압이 0.2V 이하인 경우에 실시를 개시하면 좋다. 또한, 추가의 충전에 의해 이 전압이 예를 들면 1.1V가 되었을 때, 이 충전을 종료하면 좋다.
한편, 양극(102)의 활물질 재료에 코발트산 리튬(LiCoO2) 등의 충전 심도에 따라 전위의 변동이 있는 재료를 이용하는 경우에는, 예를 들면 충전의 종지 상태에서의 전위를 기준으로 제 3 전극(103)의 전위를 검출하여, 추가의 충전을 행하면 좋다.
도 1(C)에 도시한 것처럼, 축전 장치(100)의 방전은 음극(101)에 삽입된 캐리어 이온을 양극(102)에 이동시킴으로써 행한다.
또한, 추가의 충전에 의해 제 3 전극(103)에 축적된 전하는 도 1(D)에 도시한 것처럼 자기 방전에 의해 방출된다. 자기 방전은 충방전이 행해지지 않은 기간에 행해진다.
여기서, 제 3 전극(103)의 자기 방전시에, 전해액 중의 불순물을 전기 분해할 수 있다. 이에 따라, 축전 장치(100)의 열화를 억제하여, 장수명화 할 수 있다. 전해액 중의 불순물이란, 예를 들면 물(H2O) 등이다.
제 3 전극(103)의 자기 방전은 방전이 완료되기까지 예를 들면 1주일에서 2주일의 기간을 필요로 한다. 이 때문에, 추가의 충전 및 자기 방전은 필요에 따라서 임의의 타이밍에서 행하면 좋다.
또한, 제 3 전극(103)의 자기 방전의 방전 속도는 주변의 온도에 의존한다. 이 때문에 히터 등의 가열 수단이나 냉각 수단을 축전 장치(100)에 형성함으로써, 제 3 전극(103)의 자기 방전의 방전 속도를 제어해도 좋다.
또한, 도 1에서는, 추가의 충전을 행하는 경우의 예에 대해 서술했지만, 본 발명의 실시형태의 일 양태는 이것에 한정되지 않는다. 경우에 따라서는, 또는 상황에 따라, 추가의 충전을 행하지 않을 수도 있다.
여기서, 제 3 전극(103)의, 음극(101) 및 양극(102)에 대한 설치 위치를, 도 2(B) 내지 도 2(G)를 이용하여 설명한다.
도 2(B)에서는, 세퍼레이터(104a)를 사이에 끼운 양극(102)과 음극(101)의 적층체에 대해서, 양극(102)측에 제 3 전극(103)이 형성되어 있다. 양극(102)과 제 3 전극(103)의 사이에는, 세퍼레이터(104b)가 형성되어 있다.
도 2(C)에서는, 세퍼레이터(104d)를 사이에 끼운 양극(102)과 음극(101)의 적층체에 대해서, 음극(101)측에 제 3 전극(103)이 형성되어 있다. 음극(101)과 제 3 전극(103)과의 사이에는, 세퍼레이터(104c)가 형성되어 있다.
도 2(D)에서는, 세퍼레이터(104f)를 사이에 끼운 양극(102)과 음극(101)과의 적층체에 대해서, 양극(102) 및 음극(101)의 쌍방의 측에 제 3 전극(103)이 각각 형성되어 있다. 음극(101)과 제 3 전극(103)과의 사이, 양극(102)과 제 3 전극(103)과의 사이에는, 세퍼레이터(104e), 세퍼레이터(104g)가 형성되어 있다.
도 2(E)에서는, 양극(102)과 음극(101)과의 사이에 제 3 전극(103)이 형성되어 있다. 양극(102)과 제 3 전극(103)과의 사이에는 세퍼레이터(104i)가 음극(101)과 제 3 전극(103)과의 사이에는 세퍼레이터(104h)가 형성되어 있다.
도 2(F)에서는, 세퍼레이터(104j)를 사이에 끼운 양극(102)과 음극(101)과의 적층체에 대해서, 양극(102)이나 음극(101)과 대략 직교하도록 적층체의 측면에 제 3 전극(103)이 형성되어 있다. 또한, 적층체와 제 3 전극(103)과의 사이에는, 세퍼레이터(104k)가 형성되어 있다.
도 2(G)에서는, 세퍼레이터(104l)를 사이에 끼운 양극(102)과 음극(101)과의 적층체에 대해서, 적층체의 측면을 둘러싸도록, 제 3 전극(103)이 만곡하여 형성되어 있다. 또한, 적층체와 제 3 전극(103)과의 사이에는, 세퍼레이터(104m)가 형성되어 있다. 또한 도 2(G)에서는 제 3 전극(103)의 일부가 개방되어 있지만, 제 3 전극(103)은 루프상으로 닫혀 있어도 좋다. 또한, 여기에서는 제 3 전극(103)은 적층체의 측면을 둘러싸고 있지만, 적층체의 측면으로 한정하지 않고, 적층체의 그 외의 면을 둘러싸도록 배치되어 있어도 좋다. 또한, 제 3 전극(103)은 적층체를 봉하는 봉지캔 등의 내벽의 일부 또는 전체에 형성되어 있어도 좋다.
또한, 이상에 설명한 제 3 전극(103)의 설치 위치를 조합하여 복수 설치해도 좋다. 또한, 이상에 나타낸 제 3 전극(103)의 설치 위치는 일례이며, 이것에 한정되지 않는다.
[1.2. 축전 장치를 충방전하는 시스템]
본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 충방전하는 시스템의 일례를, 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3에 도시하는 축전 장치를 충방전하는 시스템에서는, 축전 장치(201), 컨버터(202), 회로(203), 부하(204), 전원(205), 스위치(206), 스위치(207), 스위치(208), 스위치(209)를 적어도 이용한다. 또한, 각 구성 요소를 동일한 장치에 형성함으로써, 접속 점수 등을 줄일 수 있다. 예를 들면, 축전 장치(201)와 회로(203)를 동일한 장치에 형성해도 좋다. 혹은, 축전 장치(201)와 컨버터(202)와 회로(203)를 동일한 장치에 형성해도 좋다.
축전 장치(201)에 대해서는 후에 상세히 설명하지만, 상기한 것처럼, 양극 및 음극 외에, 제 3 전극을 가지는 축전 장치(201)를 이용한다.
컨버터(202)는 축전 장치(201) 및 회로(203)에 접속된다.
컨버터(202)는 예를 들면 전원(205)으로부터 공급되는 전압을 변환함으로써, 축전 장치(201)의 충방전 때의 전류값을 제어할 수 있는 기능을 가진다.
컨버터(202)로서는, 예를 들면 승강압형 컨버터를 이용할 수 있다. 승강압형 컨버터는 예를 들면 스위칭 레귤레이터 및 제어 회로를 가진다. 스위칭 레귤레이터는 예를 들면 인덕터, 스위치를 가진다. 승강압형 컨버터는 예를 들면 제어 회로에 의해 스위치를 제어함으로써, 입력 전압의 승압 또는 강압을 전환할 수 있고, 승압 또는 강압된 전압의 값을 제어할 수 있는 것과 동시에, 인덕터에 흐르는 전류의 방향을 전환하여 입력과 출력을 바꿀 수 있기 때문에, 축전 장치(201)의 충방전을 전환할 수 있다. 또한, 이것에 한정되지 않고, 제어 회로 대신에 회로(203)에 의해 스위칭 레귤레이터의 스위치를 제어해도 좋다. 승강압형 컨버터로서는, 예를 들면 SEPIC(Single Ended Primary Inductor Converter)형 컨버터 또는 Zeta형 컨버터 등을 이용할 수 있다.
회로(203)는 축전 장치(201)에 접속된다. 회로(203)에는, 축전 장치(201) 또는 전원(205)으로부터 전력이 공급된다.
회로(203)는 컨버터(202) 상태를 지시하는 명령 신호를 생성하여 출력함으로써, 컨버터(202)의 출력 전압의 값을 제어할 수 있는 기능을 가지고, 컨버터(202)의 인덕터에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 또한, 뒤에서 서술하는 스위치(206) 및 스위치(207)의 전환을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 또한, 회로(203)를 제어 회로로 해도 좋다. 또는, 회로(203)를 마이크로 컴퓨터, 마이크로 프로세서(MPU라고도 함), 마이크로 컨트롤 유닛(MCU라고도 함), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(gate array)(FPGA라고도 함), 중앙 연산 장치(CPU라고도 함), 혹은 배터리 매니지먼트 유닛(BMU라고도 함)으로 해도 좋다.
부하(204)는 축전 장치(201), 컨버터(202), 회로(203)에 접속된다. 부하(204)에는, 축전 장치(201) 또는 전원(205)으로부터 전력이 공급된다. 또한, 회로(203)에는, 부하(204)로부터 제어 신호가 입력되어도 좋다. 부하(204)에 파워 게이트를 형성하고, 파워 게이트에 의해 부하(204)를 구성하는 회로에 대한 전력의 공급을 제어해도 좋다. 또한, 회로(203)는 반드시 부하(204)에 접속되어 있지 않아도 좋다.
전원(205)으로서는, 예를 들면 계통 전원을 이용한 전원 회로 등을 이용할 수 있다. 또한, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 급전 장치 등을 이용하여 비접촉으로 전력을 공급할 수 있는 장치를 이용해도 좋다.
스위치(206)는 예를 들면 축전 장치(201)의 양극에 접속되고, 축전 장치(201)와 컨버터(202)와의 도통을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 스위치(206)는 컨버터(202)의 제어 회로 또는 회로(203)에 의해 제어되어도 좋다.
스위치(207)는 예를 들면 축전 장치(201)의 제 3 전극에 접속되고, 축전 장치(201)와 컨버터(202)와의 도통을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 스위치(207)는 컨버터(202)의 제어 회로 또는 회로(203)에 의해 제어되어도 좋다.
스위치(208)는 전원(205)과 컨버터(202)와의 도통을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 스위치(208)는 컨버터(202)의 제어 회로 또는 회로(203)에 의해 제어되어도 좋다.
스위치(209)는 축전 장치(201)와 부하(204)와의 도통을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 스위치(209)는 컨버터(202)의 제어 회로 또는 회로(203)에 의해 제어되어도 좋다.
스위치(207) 내지 스위치(209)로서는, 예를 들면 트랜지스터, 다이오드 등을 이용할 수 있다.
다음에, 도 3에 도시하는 시스템에서, 제 3 전극을 가지는 축전 장치(201)의 충방전 방법에 대해 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다.
충전의 기간에서는, 도 4(A)에 도시한 것처럼, 회로(203) 등으로 제어함으로써, 스위치(207) 및 스위치(209)를 오프 상태로 하고, 스위치(206) 및 스위치(208)를 온 상태로 한다. 이에 따라, 축전 장치(201)의 양극과 전원(205)을 컨버터(202)를 통하여 전기적으로 접속한다. 이것에 의해, 전원(205)으로부터 컨버터(202)를 통하여 축전 장치(201)에 전류가 흐르고, 축전 장치(201)가 충전된다.
추가의 충전의 기간에서는, 도 4(B)에 도시한 것처럼, 회로(203) 등으로 제어함으로써, 스위치(206) 및 스위치(209)를 오프 상태로 하고, 스위치(207) 및 스위치(208)를 온 상태로 한다. 이에 따라, 축전 장치(201)의 제 3 전극과 전원(205)을 컨버터(202)를 통하여 전기적으로 접속한다. 이것에 의해, 전원(205)으로부터 컨버터(202)를 통하여 축전 장치(201)에 전류가 흐르고, 축전 장치(201)에 추가의 충전이 행해진다.
또한, 도 4(B)에 도시한 것처럼, 추가의 충전을 행하는 경우의 예를 도시했지만, 본 발명의 실시형태의 일 양태는 이것에 한정되지 않는다. 경우에 따라, 또는, 상황에 따라, 추가의 충전을 행하지 않을 수 있다.
방전의 기간에서는, 도 5(A)에 도시한 것처럼, 회로(203) 등으로 제어함으로써, 스위치(207) 및 스위치(208)를 오프 상태로 하고, 스위치(206) 및 스위치(209)를 온 상태로 한다. 이에 따라, 축전 장치(201)의 양극 및 음극과 부하(204)를 전기적으로 접속하고, 축전 장치(201)로부터 부하(204)에 전류가 흐른다.
또한, 부하(204)로의 전력의 공급은 전원(205)이 접속되어 있는 상태에서는, 축전 장치(201)를 반드시 이용할 필요는 없다. 전원(205)으로부터 부하(204)로 전력의 공급을 행해도 좋다. 또한, 이 경우에는, 부하(204)로의 전력 공급을 행함과 동시에, 축전 장치(201)로의 충전을 행할 수 있다.
자기 방전의 기간에서는, 도 5(B)에 도시한 것처럼, 회로(203) 등으로 제어함으로써, 스위치(206), 스위치(207), 스위치(208), 스위치(209)를 오프 상태로 한다. 이에 따라, 축전 장치(201)의 제 3 전극이 전기적으로 부유 상태가 되고, 자기 방전이 개시된다.
(실시형태 2)
[2. 제어 회로]
회로(203)의 예에 대해 도 6을 이용하여 설명한다.
[2.1. 회로 구성]
회로(203)는 프로세서(710), 버스 브릿지(711), 메모리(712), 메모리 인터페이스(713), 컨트롤러(720), 인터럽트(interrupt) 컨트롤러(721), I/O 인터페이스(입출력 인터페이스)(722), 및 파워 게이트 유닛(730)을 가진다.
또한, 회로(203)는 수정(水晶) 발진 회로(741), 타이머 회로(745), I/O 인터페이스(746), I/O 포트(750), 콤퍼레이터(comparator)(751), I/O 인터페이스(752), 버스 라인(761), 버스 라인(762), 버스 라인(763), 및 데이터 버스 라인(764)을 가진다. 또한 회로(203)는 외부 장치와의 접속부로서 적어도 접속 단자(770) 내지 접속 단자(776)를 가진다. 또한 각 접속 단자(770) 내지 접속 단자(776)는 1개의 단자 또는 복수의 단자로 이루어진 단자군을 나타낸다. 또한, 수정 진동자(743)를 가지는 발진자(742)가 접속 단자(772), 및 접속 단자(773)를 통하여 회로(203)에 접속되어 있다.
프로세서(710)는 레지스터(785)를 가지고, 버스 브릿지(711)를 통하여 버스 라인(761) 내지 버스 라인(763), 및 데이터 버스 라인(764)에 접속되어 있다.
메모리(712)는 프로세서(710)의 메인 메모리로서 기능할 수 있는 기억 장치이며, 예를 들면 RAM(Random Access Memory)이 이용된다. 메모리(712)는 프로세서(710)가 실행하는 명령, 명령의 실행에 필요한 데이터, 및 프로세서(710)의 처리에 의한 데이터를 기억하는 장치이다. 프로세서(710)의 명령에 따라, 메모리(712)로의 데이터의 기입, 판독이 행해진다.
회로(203)에서는, 저소비 전력 모드일 때에 메모리(712)에 대한 전력 공급이 차단된다. 그 때문에, 메모리(712)는 전원이 공급되어 있지 않은 상태에서도 데이터를 보유할 수 있는 메모리로 구성하는 것이 바람직하다.
메모리 인터페이스(713)는 외부 기억 장치와의 입출력 인터페이스이다. 프로세서(710)의 명령에 의해, 메모리 인터페이스(713)를 통하여, 접속 단자(776)에 접속되는 외부 기억장치로의 데이터의 기입 및 판독이 행해진다.
클록 생성 회로(715)는 프로세서(710)에서 사용되는 클록 신호 MCLK(이하, 간단히 「MCLK」라고도 부름)를 생성하는 회로이며, RC 발진기 등을 가진다. MCLK는 컨트롤러(720) 및 인터럽트 컨트롤러(721)에도 출력된다.
컨트롤러(720)는 회로(203) 전체의 제어 처리를 행하는 회로이며, 예를 들면, 버스 및 메모리 맵 등의 제어, 회로(203)의 전원 제어, 클록 생성 회로(715), 수정 발진 회로(741)의 제어 등을 행할 수 있다.
접속 단자(770)는 외부의 인터럽트 신호 입력용의 단자이며, 접속 단자(770)를 통하여 마스크 불가능한 인터럽트 신호 NMI가 컨트롤러(720)에 입력된다. 컨트롤러(720)에 마스크 불가능한 인터럽트 신호 NMI가 입력되면, 컨트롤러(720)는 즉시 프로세서(710)에 마스크 불가능한 인터럽트 신호 NMI를 출력하여, 프로세서(710)에 인터럽트 처리를 실행시킨다.
또한, 인터럽트 신호 INT가 접속 단자(770)를 통하여 인터럽트 컨트롤러(721)에 입력된다. 인터럽트 컨트롤러(721)에는, 주변 회로로부터의 인터럽트 신호(T0IRQ, P0IRQ, C0IRQ)도, 버스(761) 내지 버스(764)를 경유하지 않고 입력된다.
인터럽트 컨트롤러(721)는 인터럽트 요구의 우선 순위를 할당하는 기능을 가진다. 인터럽트 컨트롤러(721)는 인터럽트 신호를 검출하면, 그 인터럽트 요구가 유효한지 아닌지를 판정한다. 유효한 인터럽트 요구라면, 컨트롤러(720)에 인터럽트 신호 INT를 출력한다.
또한, 인터럽트 컨트롤러(721)는 I/O 인터페이스(722)를 통하여, 버스 라인(761) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속되어 있다.
컨트롤러(720)는 인터럽트 신호 INT가 입력되면, 프로세서(710)에 인터럽트 신호 INT를 출력하여, 프로세서(710)에 인터럽트 처리를 실행시킨다.
또한, 인터럽트 신호 T0IRQ가 인터럽트 컨트롤러(721)를 통하지 않고 직접적으로 컨트롤러(720)에 입력되는 경우가 있다. 컨트롤러(720)는 인터럽트 신호 T0IRQ가 입력되면, 프로세서(710)에 마스크가 불가능한 인터럽트 신호 NMI를 출력하여, 프로세서(710)에 인터럽트 처리를 실행시킨다.
컨트롤러(720)의 레지스터(780)는 컨트롤러(720) 내에 형성되고, 인터럽트 컨트롤러(721)의 레지스터(786)는 I/O 인터페이스(722)에 형성되어 있다.
이어서, 회로(203)가 가지는 주변 회로를 설명한다. 회로(203)는 주변 회로로서 타이머 회로(745), I/O 포트(750) 및 콤퍼레이터(751)를 가진다. 이러한 주변 회로는 일례이고, 회로(203)가 사용되는 전기기기에 따라, 필요한 회로를 형성할 수 있다.
타이머 회로(745)는 클록 생성 회로(740)로부터 출력되는 클록 신호 TCLK(이하, 간단히 「TCLK」라고도 부름)를 이용하여, 시간을 계측할 수 있는 기능을 가진다. 또한, 클록 생성 회로(715)는 정해진 시간 간격으로, 인터럽트 신호 T0IRQ를, 컨트롤러(720) 및 인터럽트 컨트롤러(721)에 출력한다. 타이머 회로(745)는 I/O 인터페이스(746)를 통하여, 버스 라인(761) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속되어 있다.
TCLK는 MCLK보다 낮은 주파수의 클록 신호이다. 예를 들면, MCLK의 주파수를 수MHz 정도(예를 들면, 8MHz)로 하고, TCLK는 수십kHz 정도(예를 들면, 32kHz)로 한다. 클록 생성 회로(740)는 회로(203)에 내장된 수정 발진 회로(741)와, 접속 단자(772) 및 접속 단자(773)에 접속된 발진자(742)를 가진다. 발진자(742)의 진동자로서 수정 진동자(743)가 이용되고 있다. 또한, CR 발진기 등으로 클록 생성 회로(740)를 구성함으로써, 클록 생성 회로(740)의 모든 모듈을 회로(203)에 내장할 수 있다.
I/O 포트(750)는 접속 단자(774)를 통하여 접속된 외부 기기와 정보의 입출력을 행하기 위한 인터페이스이고, 디지털 신호의 입출력 인터페이스이다. 이것에 의해, 회로(203)에 데이터 신호 MISO를 입력할 수 있다. 예를 들면, I/O 포트(750)는 입력된 디지털 신호에 따라, 인터럽트 신호 P0IRQ를 인터럽트 컨트롤러(721)에 출력한다. 또한 접속 단자(774)를 복수 형성해도 좋다.
콤퍼레이터(751)는 예를 들면 접속 단자(775)로부터 입력되는 아날로그 신호의 전위(또는 전류)와 기준 신호의 전위(또는 전류)와의 대소를 비교할 수 있고, 값이 0 또는 1의 디지털 신호를 생성할 수 있다. 또한, 콤퍼레이터(751)는 이 디지털 신호의 값이 1일 때, 인터럽트 신호 C0IRQ를 생성할 수 있다. 인터럽트 신호 C0IRQ는 인터럽트 컨트롤러(721)에 출력된다.
I/O 포트(750) 및 콤퍼레이터(751)는 공통의 I/O 인터페이스(752)를 통하여 버스 라인(761) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속되어 있다. 여기에서는, I/O 포트(750), 콤퍼레이터(751) 각각의 I/O 인터페이스에 공유할 수가 있는 회로가 있기 때문에, 1개의 I/O 인터페이스(752)로 구성되어 있지만, I/O 포트(750), 콤퍼레이터(751)의 I/O 인터페이스를 따로 형성할 수 있다.
또한, 주변 회로의 레지스터는 대응하는 입출력 인터페이스에 형성되어 있다. 타이머 회로(745)의 레지스터(787)는 I/O 인터페이스(746)에 형성되고, I/O 포트(750)의 레지스터(783) 및 콤퍼레이터(751)의 레지스터(784)는 각각 I/O 인터페이스(752)에 형성되어 있다.
회로(203)는 내부 회로로의 전력 공급을 차단하기 위한 파워 게이트 유닛(730)을 가진다. 파워 게이트 유닛(730)에 의해, 동작에 필요한 회로에만 전력 공급을 행함으로써, 회로(203) 전체의 소비 전력을 낮게 할 수 있다.
도 6에 도시한 것처럼, 회로(203) 내의 파선으로 둘러싼 유닛(701), 유닛(702), 유닛(703), 유닛(704)의 회로는 파워 게이트 유닛(730)을 통하여, 접속 단자(771)에 접속되어 있다. 접속 단자(771)는 예를 들면 도 5에 도시하는 축전 장치(201)에 접속된다. 또한, 접속 단자(771)와 축전 장치(201)의 사이에 컨버터를 형성해도 좋다.
본 실시형태에서는, 유닛(701)은 타이머 회로(745), 및 I/O 인터페이스(746)를 포함하고, 유닛(702)은 I/O 포트(750), 콤퍼레이터(751), 및 I/O 인터페이스(752)를 포함하고, 유닛(703)은 인터럽트 컨트롤러(721), 및 I/O 인터페이스(722)를 포함하고, 유닛(704)은 프로세서(710), 메모리(712), 버스 브릿지(711), 및 메모리 인터페이스(713)를 포함한다.
파워 게이트 유닛(730)은 컨트롤러(720)에 의해 제어된다. 파워 게이트 유닛(730)은 유닛(701) 내지 유닛(704)으로의 전원 전압의 공급을 차단하기 위한 스위치(731) 및 스위치(732)를 가진다. 이 때의 전원 전압으로서는, 예를 들면 축전 장치(201)의 전원 전압 등을 이용할 수 있다.
스위치(731), 스위치(732)의 온/오프는 컨트롤러(720)에 의해 제어된다. 구체적으로는, 컨트롤러(720)는 프로세서(710)의 요구에 따라 파워 게이트 유닛(730)이 가지는 스위치의 일부 또는 전부를 오프 상태로 하는 신호를 출력한다(전력 공급의 정지). 또는, 컨트롤러(720)는 마스크 불가능한 인터럽트 신호 NMI, 또는 타이머 회로(745)로부터의 인터럽트 신호 T0IRQ를 트리거(trigger)로 하여, 파워 게이트 유닛(730)이 가지는 스위치를 온 상태로 하는 신호를 출력한다(전력 공급의 개시).
또한, 도 6에서는, 파워 게이트 유닛(730)에, 2개의 스위치(스위치(731), 스위치(732))를 형성하는 구성을 도시하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 전원 차단에 필요한 수의 스위치를 형성하면 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 유닛(701)에 대한 전력 공급을 독립적으로 제어할 수 있도록 스위치(731)를 형성하고, 유닛(702) 내지 유닛(704)에 대한 전력 공급을 독립하여 제어할 수 있도록 스위치(732)를 형성하고 있지만, 이러한 전력 공급 경로에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 스위치(732)와는 다른 스위치를 형성하고, 메모리(712)의 전력 공급을 독립하여 제어할 수 있도록 해도 좋다. 또한, 1개의 회로에 대해서, 복수의 스위치를 형성해도 좋다.
또한, 컨트롤러(720)에는, 파워 게이트 유닛(730)을 통하지 않고, 상시, 접속 단자(771)로부터 전원 전압이 공급된다. 또한, 노이즈의 영향을 줄이기 위해, 클록 생성 회로(715)의 발진 회로, 수정 발진 회로(741)에는, 각각, 전원 전압의 전원 회로와 다른 외부의 전원 회로로부터 전원 전위가 공급된다.
[2.2 구동 방법예]
컨트롤러(720) 및 파워 게이트 유닛(730) 등을 구비함으로써, 회로(203)를 3종류의 동작 모드로 동작시킬 수 있다. 제 1 동작 모드는 통상 동작 모드이며, 회로(203)의 모든 회로가 액티브한 상태이다. 여기에서는, 제 1 동작 모드를 「Active 모드」라고 부른다.
제 2, 및 제 3 동작 모드는 저소비 전력 모드이며, 일부의 회로를 액티브하게 하는 모드이다. 제 2 동작 모드에서는, 컨트롤러(720), 및 타이머 회로(745)와 그 관련 회로(수정 발진 회로(741), I/O인터페이스(746))가 액티브하다. 제 3 동작 모드에서는, 컨트롤러(720)만이 액티브하다. 여기에서는, 제 2 동작 모드를 「Noff1 모드」라고 부르고, 제 3 동작 모드를 「Noff2 모드」라고 부르기로 한다. Noff1 모드에서는, 컨트롤러(720)와 주변 회로의 일부(타이머 동작에 필요한 회로)가 동작하고, Noff2 모드에서는, 컨트롤러(720)만이 동작하고 있다.
또한, 클록 생성 회로(715)의 발진기, 및 수정 발진 회로(741)는 동작 모드에 상관없이, 전원이 상시 공급된다. 클록 생성 회로(715) 및 수정 발진 회로(741)를 비액티브하게 하기 위해서는, 컨트롤러(720)로부터 또는 외부로부터 인에이블(enable) 신호를 입력하고, 클록 생성 회로(715) 및 수정 발진 회로(741)의 발진을 정지시킴으로써 행해진다.
또한, Noff1, Noff2 모드에서는, 파워 게이트 유닛(730)에 의해 전력 공급이 차단되기 때문에, I/O포트(750), I/O 인터페이스(752)는 비액티브가 되지만, 접속 단자(774)에 접속되어 있는 외부 기기를 정상적으로 동작시키기 위해서, I/O 포트(750), I/O 인터페이스(752)의 일부에는 전력이 공급된다. 구체적으로는, I/O 포트(750)의 출력 버퍼, I/O 포트(750)용의 레지스터(786)이다. Noff1, Noff2 모드에서는, I/O 포트(750)에서의 실질적인 기능인, I/O 인터페이스(752) 및 외부 기기와의 데이터의 전송 기능, 인터럽트 신호 생성 기능은 정지하고 있다. 또한, I/O 인터페이스(752)도 마찬가지로, 통신 기능은 정지하고 있다.
또한, 본 명세서에서 회로가 비액티브라는 것은, 전력의 공급이 차단되어 회로가 정지하고 있는 상태 외에, Active 모드(통상 동작 모드)에서의 주요한 기능이 정지하고 있는 상태나, Active 모드보다 낮은 전력으로 동작하고 있는 상태를 포함한다.
상기 구성으로 함으로써, 예를 들면 유저가 축전 장치의 충전 동작을 강제적으로 종료시킨 경우에, 프로세서(710)의 요구에 따라 파워 게이트 유닛(730)이 가지는 스위치의 일부 또는 전부를 오프 상태로 하는 신호를 출력하고, Noff1, Noff2 모드로 전환하여, 불필요한 회로 블록에 대한 전력의 공급을 정지시킬 수 있다.
(실시형태 3)
[3. 축전 장치]
축전 장치의 일례로서 이하에 리튬 이온 2차 전지로 대표되는 비수계 2차 전지에 대해 설명한다.
[3.1. 양극]
우선, 축전 장치의 양극에 대해, 도 7을 이용하여 설명한다.
양극(6000)은 양극 집전체(6001)와 양극 집전체(6001) 위에 도포법, CVD법, 또는 스퍼터링법 등에 의해 형성된 양극 활물질층(6002) 등으로 구성된다. 도 7(A)에서는, 시트상(또는 띠상)의 양극 집전체(6001)의 양면에 양극 활물질층(6002)을 형성한 예를 도시하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 양극 활물질층(6002)은 양극 집전체(6001)의 한쪽의 면에만 형성해도 좋다. 또한, 도 7(A)에서는, 양극 활물질층(6002)은 양극 집전체(6001) 위의 전역에 형성되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 양극 집전체(6001) 위의 일부에 형성해도 좋다. 예를 들면, 양극 집전체(6001)와 양극 탭이 접속하는 부분에는, 양극 활물질층(6002)을 형성하지 않는 구성으로 하면 좋다.
양극 집전체(6001)에는, 스테인리스강, 금, 백금, 아연, 철, 구리, 알루미늄, 티탄 등의 금속, 및 이들의 합금 등을 이용할 수 있다. 또한, 실리콘, 티탄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브덴 등의 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 이용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성해도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티탄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 양극 집전체(6001)는 박상, 판상(시트상), 망상, 펀칭 메탈(punching-metal)상, 익스펜디드 메탈(expanded-metal)상 등의 형상을 적절히 이용할 수 있다. 양극 집전체(6001)는 두께가 10㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 이용하면 좋다.
도 7(B)은 양극 활물질층(6002)의 종단면을 나타낸 모식도이다. 양극 활물질층(6002)은 입상(粒狀)의 양극 활물질(6003)과, 도전조제로서의 그래핀(6004)과, 바인더(6005)(결착제)를 포함한다.
도전조제로서는, 뒤에서 서술하는 그래핀 외에, 아세틸렌 블랙(AB)이나 케첸 블랙(ketjen black), 그래파이트(흑연) 입자, 카본 나노 튜브 등을 이용할 수 있지만, 여기에서는 일례로서 그래핀(6004)을 이용한 양극 활물질층(6002)에 대해 설명한다.
양극 활물질(6003)은 원료 화합물을 소정의 비율로 혼합하여 소성한 소성물을, 적당한 수단에 의해 분쇄, 조립 및 분급한, 평균 입경이나 입경 분포를 가지는 2차 입자로 이루어지는 입상의 양극 활물질이다. 이 때문에, 도 7(B)에서는, 양극 활물질(6003)을 모식적으로 구(球)로 도시하고 있지만, 이 형상에 한정되는 것은 아니다.
양극 활물질(6003)로서는, 리튬 이온 등의 캐리어 이온의 삽입 및 이탈을 할 수 있는 재료이면 좋다.
예를 들면, 양극 활물질(6003)로서 리튬 금속 인산 화합물(일반식 LiMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II)의 하나 이상))을 이용할 수 있다. 일반식 LiMPO4의 대표예로서는, LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a＋b는 1 이하, 0＜a＜1, 0＜b＜1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c＋d＋e는 1 이하, 0＜c＜1, 0＜d＜1, 0＜e＜1), LiFefNigCohMniPO4(f＋g＋h＋i는 1 이하, 0＜f＜1, 0＜g＜1, 0＜h＜1, 0＜i＜1) 등의 리튬 화합물을 양극 활물질로서 이용할 수 있다.
또는, 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II)의 하나 이상, 0=j=2)로 나타내어지는 리튬 금속 규산 화합물 등의 폴리 음이온 화합물을 이용할 수 있다. 일반식 Li(2-j)MSiO4의 대표예로서는, 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)NikMnlSiO4(k＋l은 1 이하, 0＜k＜1, 0＜l＜1), Li(2-j)FemNinCoqSiO4, Li(2-j)FemNinMnqSiO4, Li(2-j)NimConMnqSiO4(m＋n＋q는 1 이하, 0＜m＜1, 0＜n＜1, 0＜q＜1), Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r＋s＋t＋u는 1 이하, 0＜r＜1, 0＜s＜1, 0＜t＜1, 0＜u＜1) 등의 화합물을 양극 활물질로서 이용할 수 있다.
또한, 양극 활물질(6003)로서 코발트산 리튬(LiCoO2), 니켈산 리튬(LiNiO2), LiMnO2, Li2MnO3, LiNi0.8Co0.2O2 등의 NiCo계(일반식은 LiNixCo1-xO2(0＜x＜1)), LiNi0.5Mn0.5O2 등의 NiMn계(일반식은 LiNixMn1-xO2(0＜x＜1)), LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 등의 NiMnCo계(NMC라고도 함. 일반식은 LiNixMnyCo1-x-yO2(x＞0, y＞0, x＋y＜1)) 등의 복합 산화물, 특히 리튬 금속 산화물을 이용할 수 있다.
또, LiMn2O4 등의 스피넬형의 결정 구조를 가지는 활물질, LiMVO4 등의 역스피넬형의 결정 구조를 가지는 활물질 등, 그 외 여러 가지의 화합물을 이용할 수 있다.
또한, 캐리어 이온이 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온이나 알칼리토류 금속 이온인 경우, 양극 활물질(6003)로서 상기 화합물이나 산화물에서, 리튬 대신에, 알칼리 금속(예를 들면, 나트륨이나 칼륨 등), 알칼리토류 금속(예를 들면, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 마그네슘 등)을 이용해도 좋다.
또한, 도시하지 않았지만, 양극 활물질(6003)의 표면에 탄소층을 형성해도 좋다. 탄소층을 형성함으로써, 전극의 도전성을 향상시킬 수 있다. 양극 활물질(6003)로의 탄소층의 피복은 양극 활물질의 소성시에 글루코오스 등의 탄수화물을 혼합함으로써 형성할 수 있다.
또한, 도전조제로서 양극 활물질층(6002)에 첨가하는 그래핀(6004)은 산화 그래핀에 환원 처리를 행함으로써 형성할 수 있다.
여기서, 본 명세서에서 그래핀은 단층의 그래핀, 또는 2층 이상 100층 이하의 다층 그래핀을 포함하는 것이다. 단층 그래핀이란, π 결합을 가지는 1 원자층의 탄소 분자의 시트를 말한다. 또한, 산화 그래핀이란, 상기 그래핀이 산화된 화합물을 말한다. 또한, 산화 그래핀을 환원하여 그래핀을 형성하는 경우, 산화 그래핀에 포함되는 산소는 모두 이탈되지 않고, 일부의 산소는 그래핀에 잔존한다. 그래핀에 산소가 포함되는 경우, 산소의 비율은 XPS로 측정한 경우에 그래핀 전체의 2atomic% 이상 20atomic% 이하, 바람직하게는 3atomic% 이상 15atomic% 이하이다.
여기서, 그래핀이 다층 그래핀인 경우, 산화 그래핀을 환원한 그래핀을 가짐으로써, 그래핀의 층간 거리는 0.34㎚ 이상 0.5㎚ 이하, 바람직하게는 0.38㎚ 이상 0.42㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 0.39㎚ 이상 0.41㎚ 이하이다. 통상의 그래파이트는 단층 그래핀의 층간 거리가 0.34㎚이고, 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치에 이용하는 그래핀의 쪽이 그 층간 거리가 길기 때문에, 다층 그래핀의 층간에서의 캐리어 이온의 이동이 용이해진다.
산화 그래핀은 예를 들면 허머스(Hummers)법이라고 불리는 산화법을 이용하여 제작할 수 있다.
허머스법은 그래파이트 분말에, 과망간산 칼륨의 황산 용액, 과산화수소수 등을 더하여 산화 반응시켜 산화 그래파이트를 포함하는 분산액을 제작한다. 산화 그래파이트는 그래파이트의 탄소의 산화에 의해, 에폭시기, 카르보닐기, 카르복실기, 하이드록실기 등의 관능기가 결합한다. 이 때문에, 복수의 그래핀의 층간 거리가 그래파이트와 비교해 길어지고, 층간의 분리에 의한 박편화가 용이해진다. 다음에, 산화 그래파이트를 포함하는 혼합액에, 초음파 진동을 더함으로써, 층간 거리가 긴 산화 그래파이트를 벽개하고, 산화 그래핀을 분리하는 것과 동시에, 산화 그래핀을 포함하는 분산액을 제작할 수 있다. 그리고, 산화 그래핀을 포함하는 분산액으로부터 용매를 제거함으로써, 분말상의 산화 그래핀을 얻을 수 있다.
또한, 산화 그래핀의 제작은 과망간산 칼륨의 황산 용액을 이용한 허머스법에 한정되지 않고, 예를 들면 질산, 염소산 칼륨, 질산 나트륨, 과망간산 칼륨 등을 사용하는 허머스법, 또는 허머스법 이외의 산화 그래핀의 제작 방법을 적절히 이용해도 좋다.
또한, 산화 그래파이트의 박편화는 초음파 진동의 부가 외에, 마이크로파나 라디오파, 또는 열플라즈마의 조사나, 물리적 응력의 부가에 의해 행해도 좋다.
제작한 산화 그래핀은 에폭시기, 카르보닐기, 카르복실기, 하이드록실기 등을 가진다. 산화 그래핀은 NMP(N-메틸피롤리돈, 1-메틸-2-피롤리돈, N-메틸-2-피롤리돈 등이라고도 함)로 대표되는 극성 용매 중에서는, 관능기 중의 산소가 마이너스로 대전하기 때문에, NMP와 상호 작용하는 한편으로 다른 산화 그래핀들과는 반발하여, 응집하기 어렵다. 이 때문에, 극성 용매 중에서는, 산화 그래핀이 균일하게 분산하기 쉽다.
또한, 산화 그래핀의 한 변의 길이(플레이크 사이즈라고도 함)는 한 변의 길이가 50㎚ 이상 100㎛ 이하, 바람직하게는 800㎚ 이상 20㎛ 이하로 하면 좋다.
도 7(B)에 도시하는 양극 활물질층(6002)의 단면도와 같이, 복수의 입상의 양극 활물질(6003)은 복수의 그래핀(6004)으로 피복된다. 한 장의 시트상의 그래핀(6004)은 복수의 입상의 양극 활물질(6003)과 접속한다. 특히, 그래핀(6004)이 시트상이기 때문에, 입상의 양극 활물질(6003)의 표면의 일부를 싸도록 면접촉 할 수 있다. 양극 활물질과 점접촉하는 아세틸렌 블랙 등의 입상의 도전조제와 달리, 그래핀(6004)은 접촉 저항이 낮은 면접촉을 할 수 있는 것이기 때문에, 도전조제의 양을 증가시키지 않고, 입상의 양극 활물질(6003)과 그래핀(6004)과의 전자 전도성을 향상시킬 수 있다.
또한, 복수의 그래핀(6004)끼리도 면접촉하고 있다. 이것은 그래핀(6004)의 형성에, 극성 용매 중에서의 분산성이 매우 높은 산화 그래핀을 이용하기 때문이다. 균일하게 분산된 산화 그래핀을 함유하는 분산매로부터 용매를 휘발 제거하고, 산화 그래핀을 환원하여 그래핀으로 하기 위해, 양극 활물질층(6002)에 잔류하는 그래핀(6004)은 부분적으로 서로 중첩하여, 서로 면접촉하는 정도로 분산함으로써 전자 전도의 경로를 형성하고 있다.
또한, 그래핀(6004)의 일부는 복수의 양극 활물질(6003)의 사이에 형성되고, 삼차원적으로 배치되도록 형성되어 있다. 또한, 그래핀(6004)은 탄소 분자의 단층 또는 이들의 적층으로 구성되는 매우 얇은 막(시트)이기 때문에, 개개의 입상의 양극 활물질(6003)의 표면을 위를 덧쓰도록 그 표면의 일부를 덮어 접촉하고 있고, 양극 활물질(6003)과 접하지 않은 부분은 복수의 입상의 양극 활물질(6003)의 사이에서 휘어, 주름이 되거나, 혹은 늘어나서 뻗어진 상태를 나타낸다.
따라서, 복수의 그래핀(6004)에 의해 양극(6000) 중에 전자 전도의 네트워크를 형성하고 있다. 이 때문에 양극 활물질(6003)끼리의 전기 전도의 경로가 유지되고 있다. 이상으로부터, 산화 그래핀을 원료로 하고, 페이스트 후에 환원된 그래핀을 도전조제로서 이용함으로써, 높은 전자 전도성을 가지는 양극 활물질층(6002)을 형성할 수 있다.
또한, 양극 활물질(6003)과 그래핀(6004)과의 접촉점을 늘리기 위해서, 도전조제의 첨가량을 증가시키지 않아도 좋기 때문에, 양극 활물질(6003)의 양극 활물질층(6002)에서의 비율을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 2차 전지의 방전 용량을 증가시킬 수 있다.
입상의 양극 활물질(6003)의 일차 입자의 평균 입경은 500㎚ 이하, 바람직하게는 50㎚ 이상 500㎚ 이하의 것을 이용하면 좋다. 이 입상의 양극 활물질(6003)의 복수와 면접촉하기 위해서, 그래핀(6004)은 한 변의 길이가 50㎚ 이상 100㎛ 이하, 바람직하게는 800㎚ 이상 20㎛ 이하이면 바람직하다.
또한, 양극 활물질층(6002)에 포함되는 바인더(결착제)에는, 대표적인 폴리 불화 비닐리덴(PVDF) 외에, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 불소 고무, 폴리 초산 비닐, 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 니트로셀룰로오스 등을 이용할 수 있다.
이상에 나타낸 양극 활물질층(6002)은 양극 활물질(6003), 도전조제로서의 그래핀(6004) 및 바인더를, 양극 활물질층(6002)의 총량에 대해서, 각각 양극 활물질을 90wt% 이상 94wt% 이하, 그래핀을 1wt% 이상 5wt% 이하, 바인더를 1wt% 이상 5wt% 이하의 비율로 함유하는 것이 바람직하다.
[3.2. 음극]
다음에, 축전 장치의 음극에 대해, 도 8을 이용하여 설명한다.
음극(6100)은 음극 집전체(6101)와 음극 집전체(6101) 위에 도포법, CVD법, 또는 스퍼터링법 등에 의해 형성된 음극 활물질층(6102) 등으로 구성된다. 도 8(A)에서는, 시트상(또는 띠상)의 음극 집전체(6101)의 양면에 음극 활물질층(6102)을 형성한 예를 도시하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 음극 활물질층(6102)은 음극 집전체(6101)의 한쪽의 면에만 형성해도 좋다. 또한, 도 8(A)에서는, 음극 활물질층(6102)은 음극 집전체(6101) 위의 전역에 형성되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 음극 집전체(6101) 위의 일부에 형성해도 좋다. 예를 들면, 음극 집전체(6101)와 음극 탭이 접속하는 부분에는, 음극 활물질층(6102)을 형성하지 않는 구성으로 하면 좋다.
음극 집전체(6101)에는, 스테인리스강, 금, 백금, 아연, 철, 구리, 티탄 등의 금속, 및 이들의 합금 등, 도전성이 높고, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 재료를 이용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성해도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티탄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 음극 집전체(6101)는 박상, 판상(시트상), 망상, 펀칭 메탈상, 익스펜디드 메탈상 등의 형상을 적절히 이용할 수 있다. 음극 집전체(6101)는 두께가 10㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 이용하면 좋다.
도 8(B)은, 음극 활물질층(6102)의 일부의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 여기에서는 음극 활물질층(6102)에, 음극 활물질(6103)과 바인더(6105)(결착제)를 가지는 예를 나타내지만, 이것에 한정되지 않고, 적어도 음극 활물질(6103)을 가지고 있으면 좋다.
음극 활물질(6103)은 캐리어의 용해·석출 또는 캐리어 이온의 삽입·이탈을 할 수 있는 재료라면, 특별히 한정되지 않는다. 음극 활물질(6103)의 재료로서는, 리튬 금속 외에, 축전 분야에 일반적인 탄소재인 흑연을 이용할 수 있다. 흑연은 저결정성 탄소로서 연질 탄소나 경질 탄소 등을 들 수 있고, 고결정성 탄소로서 천연 흑연, 키시(kish) 흑연, 열분해 탄소, 액정 피치계 탄소 섬유, 메소-카본 마이크로비즈(MCMB), 액정 피치, 석유 또는 석탄계 코크스 등을 들 수 있다.
또한, 음극 활물질(6103)에는 위에서 서술한 재료 외에, 캐리어 이온과의 합금화, 탈합금화 반응에 의해 충방전 반응을 행할 수 있는 합금계 재료를 이용할 수 있다. 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우, 합금계 재료로서는, 예를 들면, Mg, Ca, Al, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, Hg 및 In 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 이용할 수 있다. 이러한 금속은 흑연에 비해서 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g으로 비약적으로 높다. 이 때문에, 음극 활물질(6103)에 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다.
도 8(B)에서는 음극 활물질(6103)을 입상의 물질로서 나타내고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 음극 활물질(6103)의 형상으로서는, 예를 들면 판상, 막대상, 원기둥상, 분상, 비늘 조각상 등 임의의 형상으로 할 수 있다. 또한, 표면에 요철 형상을 가지는 것이나, 표면에 미세한 요철 형상을 가지는 것, 다공질 형상을 가지는 것 등이어도 좋다.
도포법을 이용해 음극 활물질층(6102)을 형성하는 경우는 음극 활물질(6103)에, 도전조제(도시하지 않음)나 바인더(6105)를 첨가하여, 음극 페이스트를 제작하고, 음극 집전체(6101) 위에 도포하여 건조시키면 좋다.
또한, 음극 활물질층(6102)에 리튬을 프리도핑(predoping) 해도 좋다. 프리도핑의 방법으로서는, 스퍼터링법에 의해 음극 활물질층(6102) 표면에 리튬층을 형성해도 좋다. 또한, 음극 활물질층(6102)의 표면에 리튬박을 형성함으로써, 음극 활물질층(6102)에 리튬을 프리도핑할 수 있다.
또한, 음극 활물질(6103)의 표면에, 그래핀(도시하지 않음)을 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 음극 활물질(6103)을 실리콘으로 한 경우, 충방전 사이클에서의 캐리어 이온의 흡장·방출에 따르는 체적의 변화가 크기 때문에, 음극 집전체(6101)와 음극 활물질층(6102)과의 밀착성이 저하되고, 충방전에 의해 전지 특성이 열화하게 된다. 따라서, 실리콘을 포함하는 음극 활물질(6103)의 표면에 그래핀을 형성하면, 충방전 사이클에서, 실리콘의 체적이 변화했다고 해도, 음극 집전체(6101)와 음극 활물질층(6102)과의 밀착성의 저하를 억제할 수 있고, 전지 특성의 열화가 저감되기 때문에 바람직하다.
음극 활물질(6103)의 표면에 형성하는 그래핀은 양극의 제작 방법과 마찬가지로, 산화 그래핀을 환원함으로써 형성할 수 있다. 이 산화 그래핀은 위에서 서술한 산화 그래핀을 이용할 수 있다.
또한, 음극 활물질(6103)의 표면에, 산화물 등의 피막(6104)을 형성해도 좋다. 충전시에 형성되는 피막(6104)은 그 형성시에 소비된 전하량을 방출할 수 없고, 불가역 용량을 형성한다. 이것에 대해, 산화물 등의 피막(6104)을 미리 음극 활물질(6103)의 표면에 형성해 둠으로써, 불가역 용량의 발생을 억제 또는 방지할 수 있다.
이러한 음극 활물질(6103)을 피복하는 피막(6104)에는, 니오브, 티탄, 바나듐, 탄탈, 텅스텐, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 크롬, 알루미늄 혹은 실리콘의 어느 하나의 산화막, 또는 이러한 원소의 어느 하나와 리튬을 포함하는 산화막을 이용할 수 있다. 이러한 피막(6104)은 종래의 전해액의 분해 생성물에 의해 음극 표면에 형성되는 피막에 비해, 충분히 치밀한 막이다.
예를 들면, 산화 니오브(Nb2O5)는 전자 전도도가 10-9S/cm2로 낮고, 높은 절연성을 나타낸다. 이 때문에, 산화 니오브막은 음극 활물질과 전해액과의 전기 화학적인 분해 반응을 저해한다. 한편, 산화 니오브의 리튬 확산 계수는 10-9cm2/sec이며, 높은 리튬 이온 전도성을 가진다. 이 때문에, 리튬 이온을 투과시킬 수 있다.
음극 활물질(6103)을 피복하는 피막(6104)의 형성에는, 예를 들면 졸-겔법(sol-gel method)을 이용할 수 있다. 졸-겔법이란, 금속 알콕사이드나 금속염 등으로 이루어지는 용액을, 가수 분해 반응·중축합 반응에 의해 유동성을 잃은 겔로 하고, 이 겔을 소성해 박막을 형성하는 방법이다. 졸-겔법은 액상으로부터 박막을 형성하는 방법이기 때문에, 원료를 분자 레벨로 균질하게 혼합할 수 있다. 이 때문에, 용매 단계의 금속 산화막의 원료에, 흑연 등의 음극 활물질을 더함으로써, 용이하게 겔 중에 활물질을 분산시킬 수 있다. 이와 같이 하여, 음극 활물질(6103)의 표면에 피막(6104)을 형성할 수 있다.
[3.3. 제 3 전극]
다음에, 축전 장치의 제 3 전극에 대해, 도 9를 이용하여 설명한다.
일례로서 도 9(A)에 도시하는 제 3 전극(6200)은 집전체(6201)와 집전체(6201) 위에 형성된 제 3 전극의 재료층(6202)을 가진다.
집전체(6201)에는, 양극 및 음극이 가지는 집전체와 마찬가지로, 스테인리스강, 금, 백금, 아연, 철, 구리, 알루미늄, 티탄 등의 금속, 및 이러한 합금 등, 도전성이 높고, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 재료를 이용할 수 있다. 또한, 실리콘, 티탄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브덴 등의 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 이용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성해도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티탄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 집전체(6201)는 박상, 판상(시트상), 망상, 펀칭 메탈상, 익스펜디드 메탈상 등의 형상을 적절히 이용할 수 있다. 집전체(6201)는 두께가 10㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 이용하면 좋다.
도 9(B)는 제 3 전극의 재료층(6202)의 일부의 단면을 모식적으로 도시한 도이다. 제 3 전극의 재료층(6202)은 재료(6203)와 도전조제(6204)와 바인더(6205)(결착제)를 가진다.
비패러데이 반응이란, 전극과 전해액 중의 이온과의 사이에서 전자의 수수를 수반하지 않는 반응이다. 즉, 재료(6203)는 음이온의 적어도 하나를 가역적으로 담지(擔持)할 수 있는 재료이다. 제 3 전극(6200)은 위에서 서술한 축전 장치의 추가의 충전시에 그 표면에 매우 얇은 전기 이중층을 형성하고, 물리적인 작용에 의한 충전을 가능하게 하는 전극이다. 이러한 재료(6203)로서 예를 들면 활성탄, 도전성 고분자, 폴리아세닉 반도체(PAS：PolyAcenic Semiconductor) 등을 들 수 있다.
또한, 재료(6203)는 표면적이 큰 재료인 것이 바람직하고, 다공질의 물질이 적합하다. 재료(6203)가 다공질인 경우, 표면적을 크게 할 수가 있는 것과 동시에, 세공에 불순물을 흡착할 수 있다. 이러한 것으로부터, 재료(6203)로서 예를 들면 활성탄이 바람직하다.
재료(6203)가 가지는 비표면적은 BET법에 의한 비표면적이 500m2/g 이상, 바람직하게는 1000m2/g 이상, 보다 바람직하게는 2000m2/g 이상이다. 또한, 음극의 비표면적에 대해서 예를 들면 10배 이상이 좋고, 바람직하게는 100배 이상이다. 또한, 재료(6203)가 다공질인 경우, 가지는 세공의 최소 직경은 50㎚ 이하, 바람직하게는 20㎚ 이하이다.
또한, 도전조제(6204) 및 바인더(6205)는 제 3 전극(6200)의 특성이나 축전 장치의 특성, 규격, 사양 등에 따라 적절히 조정해 첨가하면 좋고, 반드시 이용할 필요는 없다.
도 9(B)에 도시하는 제 3 전극(6200)은 활성탄 등의 재료(6203)를 입상으로 한 것의 복수를, 도전조제(6204) 및 바인더(6205)와 함께 용매에 첨가하여 혼합물을 제작하고, 이것을 집전체(6201)에 도포한 후 소성함으로써 형성할 수 있다.
재료(6203)로서 활성탄을 이용하는 경우, 활성탄은 목재, 석탄, 야자 등의 원재료를 800℃ 정도의 고온에서 열처리하여 탄화시킨 후, 1000℃ 정도의 고온에서 부활(賦活)하여 다공질화시키고, 정제하는 것 등에 의해 얻을 수 있다. 원재료에 톱밥 등의 목재를 이용하는 경우에는, 염화 아연이나 인산 등의 물약을 섬유질에 함침시키고 나서 탄화시키면 좋다. 이에 따라, 최소의 직경이 1㎚~20㎚ 정도의 세공을 가지는 활성탄을 제작할 수 있다.
도전조제(6204)에는, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙(AB), 케첸 블랙, 카본 나노 파이버, 카본 나노 튜브 등을 이용할 수가 있다. 또한, 양극에서 기재한 그래핀을 도전조제로서 이용해도 좋다. 특히 산화 그래핀을 상기의 혼합물 중으로 분산시켜, 집전체(6201)에 도포한 후에 환원함으로써, 도전성이 뛰어난 제 3 전극(6200)을 제작할 수 있다.
바인더(6205)에는, 폴리 불화 비닐리덴(PVdF), 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 불소 고무, 폴리 초산 비닐, 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 니트로셀룰로오스 등을 이용할 수 있다.
혹은, 상기와는 다른 제 3 전극의 제조 방법으로서, 예를 들면 활성탄 등의 충분히 큰 표면적을 가지는 입상의 재료에 도전조제와 바인더를 혼련한 것을 제 3 전극으로서 이용할 수 있다.
또한, 활성탄 섬유의 직물을 탄화 및 부활한 것을 집전체와 합하여 제 3 전극으로서 이용할 수 있다.
또한, 미탄화의 페놀 수지 등을 활성탄과 아울러 가압해 성형하고, 열처리에 의해 탄화시켜 형성한 소결체를, 제 3 전극으로서 이용할 수 있다.
[3.4. 전해액]
축전 장치에 이용하는 전해액의 용매로서는, 비플로톤성 유기 용매가 바람직하고, 예를 들면, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트, 클로로 에틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, 다이메틸 카보네이트(DMC), 다이에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 포름산 메틸, 초산 메틸, 낙산 메틸, 1,3-다이옥산, 1,4-다이옥산, 다이메톡시에탄(DME), 다이메틸 술폭시드, 다이에틸 에테르, 메틸 다이글림, 아세토니트릴, 벤조니트릴, 테트라하이드로퓨란, 술포란, 술톤 등의 1종, 또는 이들 중 2종 이상을 임의의 조합 및 비율로 이용할 수 있다.
또한, 전해액의 용매로서 겔화 되는 고분자 재료를 이용함으로써, 누액성 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한, 축전 장치의 박형화 및 경량화를 할 수 있다. 겔화되는 고분자 재료의 대표예로서는, 실리콘 겔, 아크릴 겔, 아크릴로니트릴 겔, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 불소계 폴리머 등이 있다.
또한, 전해액의 용매로서 난소성 및 난휘발성인 이온 액체(상온 용융염)를 1개 또는 복수 이용함으로써, 축전 장치의 내부 단락이나, 과충전 등에 의해 내부 온도가 상승해도, 축전 장치의 파열이나 발화 등을 막을 수 있다.
또한, 상기의 용매에 용해시키는 전해질로서는, 캐리어에 리튬 이온을 이용하는 경우, 예를 들면 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiAlCl4, LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, Li2B12Cl12, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C4F9SO2)(CF3SO2), LiN(C2F5SO2)2 등의 리튬염을 1종, 또는 이러한 것 중 2종 이상을 임의의 조합 및 비율로 이용할 수 있다.
[3.5. 세퍼레이터]
축전 장치의 세퍼레이터에는, 셀룰로오스나, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리부텐, 나일론, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리 불화 비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌 등의 다공성 절연체를 이용할 수 있다. 또한, 유리 섬유 등의 부직포나, 유리 섬유와 고분자 섬유를 복합한 격막을 이용해도 좋다.
[3.6. 비수계 2차 전지]
다음에, 비수계 2차 전지의 구조에 대해, 도 10 및 도 11을 이용하여 설명한다.
[3.6.1. 라미네이트형 2차 전지]
도 10(A)은 라미네이트형의 리튬 이온 2차 전지의 외관도이고, 부분적으로 그 단면 구조를 아울러 도시한 도면이다.
도 10(A)에 도시하는 라미네이트형의 2차 전지(970)는 양극 집전체(971) 및 양극 활물질층(972)을 가지는 양극(973)과, 음극 집전체(974) 및 음극 활물질층(975)을 가지는 음극(976)과, 세퍼레이터(977)와, 전해액(도시하지 않음)과, 외장체(978)를 가진다. 외장체(978) 안에 형성된 양극(973)과 음극(976)과의 사이에 세퍼레이터(977)가 형성되어 있다. 또한, 외장체(978) 안은 전해액으로 채워져 있다.
도 10(A)에서는, 음극(976) 아래에 세퍼레이터(977)와는 다른 세퍼레이터를 사이에 끼우고 제 3 전극(979)이 더 형성되어 있다. 여기에서는, 제 3 전극(979)은 양극(973)이나 음극(976)과 대략 같은 형상의 시트상이다. 세퍼레이터를 사이에 끼움으로써, 음극(976)과 절연된 전극으로서 이용할 수 있다. 또한, 제 3 전극(979)을 배치하는 위치는 음극(976) 아래에 한정하지 않고, 예를 들면 양극(973) 위라도 좋다. 혹은, 양극(973), 세퍼레이터(977) 및 음극(976)으로 이루어지는 적층체를 싸도록 띠상으로 해도 좋고, 혹은, 막대상이나 원기둥상 등의 형상으로서 외장체(978)의 내부의 코너 등에 형성해도 좋다.
또한, 도 10(A)에서는, 양극(973), 음극(976), 세퍼레이터(977)를 각각 한 장씩 이용하고 있지만, 이것들을 교대로 적층한 적층형의 2차 전지로 해도 좋다.
양극(973), 음극(976), 제 3 전극(979), 세퍼레이터(977), 전해액(전해질 및 용매)에는, 각각 위에서 설명한 부재를 이용할 수 있다.
도 10(A)에 도시하는 라미네이트형의 2차 전지(970)에서, 양극 집전체(971), 음극 집전체(974) 및 제 3 전극(979)은 외부와의 전기적 접촉을 얻는 단자(탭)의 역할도 겸하고 있다. 그 때문에, 양극 집전체(971), 음극 집전체(974) 및 제 3 전극(979)의 일부는 외장체(978)로부터 외측으로 노출하도록 배치된다.
라미네이트형의 2차 전지(970)에서, 외장체(978)에는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아이오노머, 폴리아미드 등의 재료로 이루어지는 막 위에, 알루미늄, 스테인리스강, 구리, 니켈 등의 가요성이 뛰어난 금속 박막을 형성하고, 또한 이 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아미드계 수지, 폴리에스테르계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 형성한 3층 구조의 라미네이트 필름을 이용할 수 있다. 이러한 3층 구조로 함으로써, 전해액이나 기체의 투과를 차단함과 동시에, 절연성을 확보하고, 아울러 내전해액성을 가진다.
[3.6.2. 원통형 2차 전지]
다음에, 원통형의 2차 전지의 일례에 대해, 도 11을 참조하여 설명한다. 원통형의 2차 전지(6380)는 도 11(A)에 도시한 것처럼, 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(6381)을 가지고, 측면 및 바닥면에 전지캔(외장캔)(6382)을 가지고 있다. 이러한 양극 캡(전지 뚜껑)(6381)과 전지캔(외장캔)(6382)은 가스킷(gasket)(절연 패킹)(6390)에 의해 절연되어 있다.
도 11(B)은 원통형의 2차 전지의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 중공 원기둥상의 전지캔(6382)의 내측에는, 띠상의 양극(6384)과 음극(6386)이 세퍼레이터(6385)를 사이에 끼우고 권회된 전지 소자가 형성되어 있다. 띠상의 양극(6384)과 음극(6386)과 세퍼레이터(6385)는 센터 핀을 중심으로 권회되지만, 여기에서는 센터 핀은 권회 후에 제거되고, 제 3 전극(6393)을 형성하고 있다. 전지캔(6382)은 일단(一端)이 닫혀지고, 다른 단이 열려있다.
양극(6384), 음극(6386), 제 3 전극(6393), 세퍼레이터(6385)에는, 위에서 설명한 부재를 이용할 수 있다.
전지캔(6382)에는, 전해액에 대해 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 티탄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나 이것들과 다른 금속과의 합금(예를 들면, 스테인리스강 등)을 이용할 수 있다. 또한, 전해액에 의한 부식을 막기 위해, 니켈이나 알루미늄 등을 피복하는 것이 바람직하다. 전지캔(6382)의 내측에서, 양극, 음극 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한쌍의 절연판(6388), 절연판(6389)에 의해 끼워져 있다.
또한, 전지 소자가 형성된 전지캔(6382)의 내부는 전해액(도시하지 않음)이 주입되어 있다. 전해액에는, 위에서 서술한 전해질 및 용매를 이용할 수 있다.
원통형의 2차 전지에 이용하는 양극(6384) 및 음극(6386)은 권회하기 때문에, 집전체의 양면에 활물질층을 형성한다. 양극(6384)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(6383)가 접속되고, 음극(6386)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(6387)가 접속된다. 양극 단자(6383) 및 음극 단자(6387)는 모두 알루미늄 등의 금속 재료를 이용할 수 있다. 양극 단자(6383)는 안전 밸브 기구(6392)에, 음극 단자(6387)는 전지캔(6382)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(6392)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(6391)를 통하여 양극 캡(6381)과 전기적으로 접속되어 있다. 안전 밸브 기구(6392)는 전지의 내압의 상승이 소정의 문턱값을 넘은 경우에, 양극 캡(6381)과 양극(6384)과의 전기적인 접속을 절단하는 것이다. 또한, PTC 소자(6391)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이고, 저항의 증대에 의해 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는, 티탄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹스 등을 이용할 수 있다.
여기서, 제 3 전극(6393)은 일례로서 양극(6384) 및 음극(6386)으로 이루어진 전지 소자의 중심에, 원기둥상의 형상으로 형성되어 있다. 제 3 전극(6393)은 단자(6395)에 접속되고, 단자(6395)는 전지캔(6382)과 가스킷(6394)에 의해 절연되어 있다. 단, 제 3 전극(6393)의 형상이나 배치 위치는 이것으로 한정되지 않고, 적절히 설계할 수 있다.
[3.6.3. 각형 2차 전지]
다음에, 각형의 2차 전지의 일례에 대해, 도 10(B)을 참조하여 설명한다. 도 10(B)에 도시하는 권회체(993)는 음극(994)과 양극(995)과 세퍼레이터(996)를 가진다. 또한, 권회체의 측면에 세퍼레이터(992)를 사이에 끼우고 제 3 전극(999)이 형성되어 있다.
권회체(993)는 세퍼레이터(996)를 사이에 끼우고 음극(994)과 양극(995)이 서로 중첩하여 적층되고, 이 적층 시트를 권회한 것이다. 이 권회체(993)를 각형의 봉지캔 등으로 덮음으로써 각형의 2차 전지가 형성된다. 또한, 음극(994), 양극(995) 및 세퍼레이터(996)로 이루어지는 적층의 적층수는 필요한 용량과 소자 체적에 따라 적절히 설계하면 좋다.
또한, 여기에서는 제 3 전극(999)은 판상(시트상)의 형상을 가지고, 권회체(993)의 측면에 세퍼레이터(992)를 사이에 끼우고 접속하는 것이지만, 형상이나 배치 위치는 이것에 한정되지 않고, 적절히 설계할 수 있다. 예를 들면, 제 3 전극(999)을 띠상으로 하여, 권회체(993)를 둘러싸도록 배치해도 좋다.
원통형의 2차 전지와 마찬가지로, 음극(994)은 단자(997) 및 단자(998)의 한쪽을 통하여 음극 탭(도시하지 않음)에 접속되고, 양극(995)은 단자(997) 및 단자(998)의 다른 한쪽을 통하여 양극 탭(도시하지 않음)에 접속된다. 또한, 제 3 전극(999)은 단자(991)를 통하여 제 3 탭(도시하지 않음)에 접속된다. 그 외, 안전 밸브 기구 등의 주변 구조는 원통형의 2차 전지에 준한다.
이상과 같이 2차 전지로서 라미네이트형, 원통형 및 각형의 2차 전지를 나타냈지만, 코인형 등 그 외 여러 가지 형상의 2차 전지를 이용할 수 있다. 또한, 양극과 음극과 세퍼레이터가 복수 적층된 구조나, 양극과 음극과 세퍼레이터가 권회된 구조여도 좋다.
[3.7. 전기 회로 등을 가지는 축전 장치]
다음에, 전기 회로 등을 가지는 축전 장치에 대해 설명한다.
도 12는 위에서 서술한 각형의 2차 전지에 전기 회로 등을 형성한 축전 장치의 예를 도시하는 도면이다. 도 12(A) 및 도 12(B)에 도시하는 축전 장치(6600)는 전지캔(6604)의 내부에 위에서 서술한 제 3 전극을 붙인 권회체(6601)를 수납한 것이다. 권회체(6601)는 단자(6602), 단자(6603) 및 제 3 전극과 접속한 단자(6612)를 가지고, 전지캔(6604)의 내부에서 전해액에 함침된다. 단자(6603)는 전지캔(6604)에 접하고, 단자(6602) 및 단자(6612)는 절연재(6613) 등을 이용함으로써 전지캔(6604)으로부터 절연하는 구성으로 하면 좋다. 전지캔(6604)은 예를 들면 알루미늄 등의 금속 재료나 수지 재료를 이용할 수 있다.
또한, 도 12(B)에 도시하는 축전 장치(6600)에 전기 회로 등을 형성할 수 있다. 도 12(C) 및 도 12(D)는 축전 장치(6600)에, 전기 회로 등을 형성한 회로 기판(6606), 안테나(6609), 안테나(6610), 라벨(6608)을 형성한 예를 도시하는 도면이다.
회로 기판(6606)은 전기 회로(6607), 단자(6605) 등을 가진다. 회로 기판(6606)으로서는, 예를 들면 프린트 기판(PCB)을 이용할 수 있다. 프린트 기판을 회로 기판(6606)으로서 이용한 경우, 프린트 기판 위에 저항 소자, 콘덴서 등의 용량 소자, 코일(인덕터), 반도체 집적 회로(IC) 등의 전자 부품을 실장해 선을 연결하여 전기 회로(6607)를 형성할 수 있다. 전자 부품으로서는 이 외에, 서미스터(thermistor) 등의 온도 검출 소자, 휴즈, 필터, 수정 발진기, EMC 대책 부품 등, 여러 가지의 부품을 실장할 수 있다.
여기서, 상기의 반도체 집적 회로(IC)에는, 산화물 반도체를 채널 형성 영역 등에 이용된 트랜지스터를 가지는 회로를 이용할 수 있다. 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 이용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 낮게 할 수 있다. 이것에 의해, 전기 회로(6607)의 소비 전력을 큰폭으로 저감할 수 있게 된다.
이러한 전자 부품에 의해 형성된 전기 회로(6607)는 예를 들면 축전 장치(6600)의 과충전 감시 회로, 과방전 감시 회로, 과전류에 대한 보호 회로 등으로서 기능시킬 수 있다.
회로 기판(6606)이 가지는 단자(6605)는 단자(6602), 단자(6603), 단자(6612), 안테나(6609), 안테나(6610), 및 전기 회로(6607)에 접속된다. 도 12(C) 및 도 12(D)에서는 5개의 단자를 도시하고 있지만, 이것에 한정하지 않고, 임의의 단자 수로 하면 좋다. 단자(6605)를 이용하여 축전 장치(6600)의 충방전을 행하는 것 외에, 축전 장치(6600)를 탑재하는 전기기기와의 신호의 수수를 행할 수 있다.
안테나(6609) 및 안테나(6610)는 예를 들면 축전 장치의 외부와의 전력의 수수, 신호의 수수를 행하기 위해 이용할 수 있다. 안테나(6609) 및 안테나(6610)의 한쪽 또는 양쪽을 위에서 서술한 전기 회로(6607)에 전기적으로 접속함으로써, 전기 회로(6607)에 의해 외부와의 전력의 수수 또는 신호의 수수를 제어할 수 있다. 혹은, 안테나(6609) 및 안테나(6610)의 한쪽 또는 양쪽을 단자(6605)에 전기적으로 접속함으로써, 축전 장치(6600)를 탑재하는 전기기기의 제어 회로에 의해 외부와의 전력의 수수 또는 신호의 수수를 제어할 수 있다.
또한, 도 12(C) 및 도 12(D)에서는 2종류의 안테나를 형성한 축전 장치(6600)의 예이지만, 안테나는 복수종 형성해도 좋고, 혹은 안테나를 형성하지 않는 구성으로 해도 좋다.
도 12(C) 및 도 12(D)에서는, 안테나(6609) 및 안테나(6610)가 코일 형상인 경우를 도시하지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 선상, 평판상이어도 좋다. 또한, 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자계 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 이용해도 좋다.
또한, 무선에 의한 전력의 수수(비접촉 전력 전송, 무접점 전력 전송 혹은 무선 급전 등이라고도 함)에는, 전자 유도 방식, 자계 공명 방식, 전파 방식 등을 이용할 수 있다.
안테나(6609)의 선폭은 안테나(6610)의 선폭보다 큰 것이 바람직하다. 이것에 의해, 안테나(6609)에 의해 수전하는 전력량을 올릴 수 있다.
또한, 안테나(6609) 및 안테나(6610)와 축전 장치(6600)와의 사이에 층(6611)을 가진다. 층(6611)은 예를 들면 권회체(6601)에 의한 전계 또는 자계의 차폐를 방지할 수 있는 기능을 가진다. 이 경우, 층(6611)에는, 예를 들면 자성체를 이용할 수 있다. 혹은, 층(6611)을 차폐층으로 해도 좋다.
또한, 안테나(6609) 및 안테나(6610)는 외부와의 전력의 수수 또는 신호의 수수와는 다른 용도로서 이용할 수 있다. 예를 들면, 축전 장치(6600)를 탑재하는 전기기기가 안테나를 갖지 않는 기기인 경우, 안테나(6609) 및 안테나(6610)를 이용하여 전기기기로의 무선 통신을 실현할 수 있다.
(실시형태 4)
[4. 전기기기]
본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치는 여러 가지 전기기기의 전원으로서 이용할 수 있다.
[4.1. 전기기기의 범주]
여기서 전기기기란, 전기의 힘에 의해 작용하는 부분을 포함하는 공업 제품을 말한다. 전기기기는 가전 등의 민생용에 한정되지 않고, 업무용, 산업용, 군사용 등, 여러 가지의 용도의 것을 넓게 이 범주로 한다.
[4.2. 전기기기의 일례]
본 발명의 일 양태와 관한 축전 장치를 이용한 전기기기로서는, 예를 들면, 텔레비전이나 모니터 등의 표시 장치, 조명 장치, 데스크탑형이나 노트형 등의 퍼스널 컴퓨터, 워드 프로세서, DVD(Digital Versatile Disc) 등의 기록 매체에 기억된 정지 화면 또는 동영상을 재생하는 화상 재생 장치, CD(Compact Disc) 플레이어나 디지털 오디오 플레이어 등의 휴대형 또는 거치형의 음향 재생 기기, 휴대형 또는 거치형의 라디오 수신기, 테이프 레코더나 IC 레코더(음성 레코더) 등의 녹음 재생 기기, 헤드폰 스테레오, 스테레오, 리모트 컨트롤러, 탁상 시계나 벽걸이 시계 등의 시계, 무선 전화 자기, 트랜시버(transceiver), 휴대 전화기, 자동차 전화, 휴대형 또는 거치형의 게임기, 보수계, 계산기, 휴대 정보 단말기, 전자 수첩, 전자 서적, 전자 번역기, 마이크로폰 등의 음성 입력 기기, 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 사진기, 완구, 전기 면도기, 전동 칫솔, 전자레인지 등의 고주파 가열 장치, 전기 밥솥, 전기 세탁기, 전기 청소기, 온수기, 선풍기, 모발 건조기, 가습기나 제습기나 에어컨디셔너 등의 공기 조화 설비, 식기 세척기, 식기 건조기, 의류 건조기, 이불 건조기, 전기 냉장고, 전기 냉동고, 전기 냉동 냉장고, DNA 보존용 냉동고, 회중 전등, 전동 공구, 연기 감지기, 보청기, 심장 페이스 메이커, 휴대형 X선 촬영 장치, 방사선 측정기, 전기 마사지기나 투석 장치 등의 건강 기기나 의료 기기 등을 들 수 있다. 또한 유도등, 신호기, 가스 미터나 수도 미터 등의 계량기, 벨트 컨베이어, 엘리베이터, 에스컬레이터, 자동 판매기, 자동 매표기, 현금 자동 지급기(CD : Cash Dispenser의 약어)나 현금 자동 예금 지불기(ATM : AutoMated Teller Machine의 약어), 디지털 사이니지(signage)(전자 간판), 산업용 로봇, 무선용 중계국, 휴대 전화의 기지국, 전력 저장 시스템, 전력의 평준화나 스마트 그리드(grid)를 위한 축전 장치 등의 산업 기기를 들 수 있다. 또한, 축전 장치로부터의 전력을 이용하여 전동기에 의해 추진하는 이동체(수송체) 등도, 전기기기의 범주에 포함되는 것으로 한다. 상기 이동체로서 예를 들면, 전기 자동차(EV), 내연 기관과 전동기를 겸비한 하이브리드 차(HEV), 플러그 인 하이브리드 차(PHEV), 이들의 타이어 차바퀴를 무한 궤도로 바꾼 장궤 차량, 농업 기계, 전동 어시스트 자전거를 포함하는 원동기 부착 자전거, 자동 이륜차, 전동 휠체어, 전동 카트, 소형 또는 대형 선박, 잠수함, 고정 익기나 회전 익기 등의 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기나 혹성 탐사기, 우주선 등을 들 수 있다.
또한, 상기 전기기기는 소비 전력의 거의 모두를 조달하기 위한 주전원으로서 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 이용할 수 있다. 또한, 상기 전기기기는 주전원이나 상용 전원으로부터의 전력의 공급이 정지한 경우에, 전기기기로의 전력의 공급을 행할 수 있는 무정전 전원으로서 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 이용할 수 있다. 혹은 상기 전기기기는 주전원이나 상용 전원으로부터의 전기기기로의 전력의 공급과 병행하여, 전기기기로의 전력의 공급을 행하기 위한 보조 전원으로서 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 이용할 수 있다.
[4.3. 전력계의 네트워크의 일례]
위에서 서술한 전기기기는 개개에 축전 장치를 탑재하는 경우에 한정하지 않고, 복수의 전기기기와 축전 장치와 이것들을 제어하는 제어장치를 유선 또는 무선으로 접속한 네트워크(전력망)를 형성해도 좋다. 네트워크를 제어 장치에 의해 제어함으로써, 네트워크 전체에서의 전력의 사용 효율을 향상시킬 수 있다.
도 13(A)에, 복수의 가전기기, 제어 장치, 및 축전 장치 등을 주택 내에서 접속한 HEMS(가정 내 에너지 관리 시스템, Home Energy Management System의 약어)의 예를 도시한다. 이러한 시스템에 의해, 집전체의 전력 소비량을 용이하게 파악할 수 있게 된다. 또한, 복수의 가전기기의 운전을 원격 조작할 수 있다. 또한, 센서나 제어 장치를 이용하여 가전기기를 자동 제어하는 경우에는, 전력의 절약에도 공헌할 수 있다.
주택(8000)에 설치된 분전반(8003)은 인입선(8002)을 통하여 전력 계통(8001)에 접속된다. 분전반(8003)은 인입선(8002)으로부터 공급되는 상용 전력인 교류 전력을, 복수의 가전기기 각각에 공급하는 것이다. 제어 장치(8004)는 분전반(8003)과 접속됨과 동시에, 복수의 가전기기나 축전 시스템(8005), 태양광 발전 시스템(8006) 등과 접속된다. 또한 제어 장치(8004)는 주택(8000)의 옥외 등에 주차되고, 분전반(8003)과는 독립된 전기 자동차(8012)와도 접속할 수 있다.
제어 장치(8004)는 분전반(8003)과 복수의 가전기기를 연결하여 네트워크를 구성하는 것이고, 네트워크에 접속된 복수의 가전기기를 제어하는 것이다.
또한, 제어 장치(8004)는 인터넷(8011)에 접속되고, 인터넷(8011)을 경유하여, 관리 서버(8013)와 접속할 수 있다. 관리 서버(8013)는 사용자의 전력의 사용 상황을 수신하여 데이터베이스를 구축할 수 있고, 이 데이터베이스에 기초하여, 여러 가지의 서비스를 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 관리 서버(8013)는 예를 들면 시간대에 따른 전력의 요금 정보를 사용자에게 수시 제공할 수 있고, 이 정보에 기초하여, 제어 장치(8004)는 주택(8000) 내에서의 최적인 사용 형태를 설정할 수 있다.
복수의 가전기기는 예를 들면, 도 13(A)에 도시하는 표시 장치(8007), 조명 장치(8008), 공기 조화 설비(8009), 전기 냉장고(8010)이지만, 물론 이것에 한정되지 않고, 위에서 서술한 전기기기 등 주택 내에 설치할 수 있는 모든 전기기기를 가리킨다.
예를 들면, 표시 장치(8007)는 표시부에 액정 표시 장치, 유기 EL(Electro Luminescence) 소자 등의 발광 소자를 각 화소에 구비한 발광 장치, 전기 영동 표시 장치, DMD(Digital Micromirror Device), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display) 등의 반도체 표시 장치가 짜넣어져 TV 방송 수신용의 외, 퍼스널 컴퓨터용, 광고 표시용 등, 정보 표시용 표시 장치로서 기능하는 것이 포함된다.
또한, 조명 장치(8008)는 전력을 이용해 인공적으로 광을 얻는 인공 광원을 포함하는 것이며, 인공 광원으로서는, 백열 전구, 형광등 등의 방전 램프, LED(Light Emitting Diode)나 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 이용할 수 있다. 도 13(A)에 도시하는 조명 장치(8008)는 천장에 설치된 것이지만, 이 외, 벽면, 마루, 창 등에 설치된 고정형이어도 좋고, 탁상형이어도 좋다.
또한, 공기 조화 설비(8009)는 온도, 습도, 공기 청정도 등의 실내 환경의 조정을 행하는 기능을 가진다. 도 13(A)에서는, 일례로서 에어컨디셔너를 도시한다. 에어컨디셔너는 압축기나 증발기를 일체로 한 실내기와 응축기를 내장한 실외기(도시하지 않음)를 구비하는 것, 또는 이것들을 일체로 한 것 등으로 구성된다.
또한, 전기 냉장고(8010)는 식료품 등을 저온에서 보관하기 위한 전기기기이고, 0℃ 이하에서 얼게 하는 목적의 냉동고를 포함한다. 압축기에 의해 압축한 파이프 안의 냉매가 기화할 때에 열을 빼앗음으로써, 전기 냉장고(8010) 안을 냉각하는 것이다.
이러한 복수의 가전기기는 각각에 축전 장치를 가지고 있어도 좋고, 또한 축전 장치를 가지지 않고, 축전 시스템(8005)의 전력이나 상용 전원으로부터의 전력을 이용해도 좋다. 가전기기가 축전 장치를 내부에 가지는 경우에는, 정전 등에 의해 상용 전원으로부터 전력의 공급을 받을 수 없는 경우에도, 축전 장치를 무정전 전원으로서 이용함으로써, 이 가전기기를 이용할 수 있게 된다.
이상과 같은 가전기기의 각각의 전원 공급 단자의 근방에, 전류 센서 등의 전력 검출 수단을 제공할 수 있다. 전력 검출 수단에 의해 검출된 정보를 제어 장치(8004)에 송신함으로써, 사용자가 집 전체의 전력 사용량을 파악할 수 있는 것 외, 이 정보에 근거하여, 제어 장치(8004)가 복수의 가전기기로의 전력의 배분을 설정하고, 주택(8000) 안에서 효율적인 혹은 경제적인 전력의 사용을 행할 수 있다.
또한, 상용 전원의 공급원이 공급할 수 있는 총전력량 중 전력 사용률이 낮은 시간대에서, 상용 전원으로부터 축전 시스템(8005)에 충전할 수 있다. 또한, 태양광 발전 시스템(8006)에 의해, 낮 시간에 축전 시스템(8005)에 충전할 수 있다. 또한 충전하는 대상은 축전 시스템(8005)에 한정되지 않고, 제어 장치(8004)에 접속된 전기 자동차(8012)에 탑재된 축전 장치여도 좋고, 복수의 가전기기가 가지는 축전 장치여도 좋다.
이와 같이 하여, 여러 가지의 축전 장치에 충전된 전력을 제어 장치(8004)가 효율적으로 배분하여 사용함으로써, 주택(8000) 안에서 효율적인 혹은 경제적인 전력의 사용을 행할 수 있다.
이상과 같이, 복수의 전기기기와 축전 장치와 이것들을 제어하는 제어장치를 네트워크화하여 제어하는 예로서 가정 내 규모의 전력망을 나타냈지만 이것에 한정하지 않고, 스마트 미터 등의 제어 기능이나 통신 기능을 조합한 도시 규모, 국가 규모의 전력망(스마트 그리드라고 함)을 구축할 수 있다. 또한, 공장이나 사업소의 규모로, 에너지 공급원과 소비 시설을 구성 단위로 하는 마이크로 그리드를 구축할 수 있다.
[4.4. 전기기기의 일례(전기 자동차의 예)]
다음에, 전기기기의 일례로서 이동체의 예에 대해, 도 13(B) 및 도 13(C)을 이용하여 설명한다. 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 이동체의 제어용의 축전 장치에 이용할 수 있다.
도 13(B)은 전기 자동차의 내부 구조의 일례를 도시하고 있다. 전기 자동차(8020)에는, 충방전이 가능한 축전 장치(8024)가 탑재되어 있다. 축전 장치(8024)의 전력은 전자 제어 유닛(8025)(ECU라고도 함, Electronic Control Unit의 약어)에 의해 출력이 조정되어, 인버터 유닛(8026)를 통하여 주행 모터 유닛(8027)에 공급된다. 인버터 유닛(8026)은 축전 장치(8024)로부터 입력된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환함과 동시에, 변환한 교류 전력의 전압, 전류 및 주파수를 조정하여 주행 모터 유닛(8027)에 출력할 수 있다.
따라서, 운전자가 액셀 페달(도시하지 않음)을 밟으면, 주행 모터 유닛(8027)이 작동하고, 주행 모터 유닛(8027)에서 발생한 토크(torque)가 출력축(8028) 및 구동축(8029)을 통하여 후륜(구동륜)(8030)에 전달된다. 이것에 추종하여 전륜(8023)도 아울러 구동함으로써, 전기 자동차(8020)를 구동 주행시킬 수 있다.
각 유닛에는, 예를 들면 전압 센서, 전류 센서, 온도 센서 등의 검출 수단이 형성되고, 전기 자동차(8020)의 각 부위에서의 물리량이 적절히 감시된다.
전자 제어 유닛(8025)은 도시하지 않은 RAM, ROM 등의 메모리나 CPU를 가지는 처리 장치이다. 전자 제어 유닛(8025)은 전기 자동차(8020)의 가속, 감속, 정지 등의 조작 정보, 주행 환경이나 각 유닛의 온도 정보, 제어 정보, 축전 장치의 충전 상태(SOC) 등의 입력 정보에 기초하여, 인버터 유닛(8026)이나 주행 모터 유닛(8027), 축전 장치(8024)에 제어 신호를 출력한다. 이 메모리에는, 각종의 데이터나 프로그램이 격납된다.
주행 모터 유닛(8027)은 교류 전동기의 외, 직류 전동기나 이러한 전동기와 내연 기관을 조합하여 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 구비하고 있으면, 상기에서 도시한 이동체에 특별히 한정되지 않는다는 것은 말할 필요도 없다.
전기 자동차(8020)에 탑재된 축전 장치(8024)는 플러그 인 방식이나 비접촉 급전 방식 등에 의해 외부의 충전 설비로부터 전력 공급을 받아, 충전할 수 있다. 도 13(C)에, 지상 설치형의 충전 장치(8021)로부터 전기 자동차(8020)에 탑재된 축전 장치(8024)에, 케이블(8022)을 통하여 충전을 행하고 있는 상태를 도시한다. 충전에서는, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등은 CHAdeMO(등록 상표) 등의 소정의 방식으로 적절히 행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 형성된 충전 스테이션이어도 좋고, 또 가정의 전원이어도 좋다. 예를 들면, 도 13(B)에 도시하는, 축전 장치(8024)와 접속하는 접속 플러그(8031)를 충전 장치(8021)와 전기적으로 접속시키는 플러그 인 기술에 의해, 외부로부터의 전력 공급에 의해 전기 자동차(8020)에 탑재된 축전 장치(8024)를 충전할 수 있다. 충전은 AC/DC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여, 일정한 전압값을 가지는 직류 정전압으로 변환하여 행할 수 있다.
또한, 도시하지 않지만, 수전 장치를 이동체에 탑재하고, 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는, 도로나 외벽에 송전 장치를 짜넣음으로써, 정차 중으로 한정하지 않고 주행 중에 충전을 행할 수 있다. 또한, 이 비접촉 급전의 방식을 이용하여, 이동체끼리 전력의 송수신을 행해도 좋다. 또한, 이동체의 외장부에 태양 전지를 형성하고, 정차시나 주행시에 축전 장치(8024)의 충전을 행해도 좋다. 이러한 비접촉에서의 전력의 공급에는, 전자 유도 방식이나 자계 공명 방식을 이용할 수 있다.
또한, 이동체가 철도용 전기 차량인 경우, 가선이나 도전 궤도로부터의 전력 공급에 의해, 탑재하는 축전 장치에 충전할 수 있다.
축전 장치(8024)로서 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 탑재함으로써, 축전 장치의 사이클 특성이 양호해지고, 편리성을 향상시킬 수 있다. 또한, 축전 장치(8024)의 특성의 향상에 의해, 축전 장치(8024) 자체를 소형 경량화할 수 있으면, 차량의 경량화에 기여하기 때문에, 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 이동체에 탑재된 축전 장치(8024)가 비교적 대용량이기 때문에, 옥내 등의 전력 공급원으로서 이용할 수 있다. 이 경우, 전력 수요의 피크시에 상용 전원을 이용하는 것을 회피할 수 있다.
[4.5. 전기기기의 일례(휴대 정보 단말기의 예)]
또한, 전기기기의 일례로서 휴대 정보 단말기의 예에 대해, 도 14를 이용하여 설명한다.
도 14(A)는 휴대 정보 단말기(8040)의 정면 및 측면을 도시한 사시도이다. 휴대 정보 단말기(8040)는 일례로서 이동 전화, 전자 메일, 문장 열람 및 작성, 음악 재생, 인터넷 통신, 컴퓨터 게임 등의 여러 가지의 어플리케이션을 실행할 수 있다. 휴대 정보 단말기(8040)는 하우징(8041)의 정면에 표시부(8042), 카메라(8045), 마이크로폰(8046), 스피커(8047)를 가지고, 하우징(8041)의 좌측면에는 조작용의 버튼(8043), 바닥면에는 접속 단자(8048)를 가진다.
표시부(8042)에는, 표시 모듈 또는 표시 패널이 이용된다. 표시 모듈 또는 표시 패널로서 유기 발광 소자(OLED)로 대표되는 발광 소자를 각 화소에 구비한 발광 장치, 액정 표시 장치, 전기 영동 방식이나 전자 가루 유체 방식 등에 의해 표시를 행하는 전자 페이퍼, DMD(Digital Micromirror Device), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), SED(Surface Conduction Electron-emitter Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, 카본 나노 튜브 디스플레이, 나노 결정 디스플레이, 양자 도트 디스플레이 등이 이용될 수 있다.
도 14(A)에 도시하는 휴대 정보 단말기(8040)는 하우징(8041)에 표시부(8042)를 1개 형성한 예이지만, 이것에 한정하지 않고, 표시부(8042)를 휴대 정보 단말기(8040)의 배면에 형성해도 좋고, 폴더형의 휴대 정보 단말기로서 2 이상의 표시부를 형성해도 좋다.
또한, 표시부(8042)에는, 손가락이나 스타일러스(stylus) 등의 지시 수단에 의해 정보를 입력할 수 있는 터치 패널이 입력 수단으로서 형성되어 있다. 이것에 의해, 표시부(8042)에 표시된 아이콘(8044)을 지시 수단에 의해 간단하게 조작할 수 있다. 또한, 터치 패널의 배치에 의해 휴대 정보 단말기(8040)에 키보드를 배치하는 영역이 불필요해지기 때문에, 넓은 영역에 표시부를 배치할 수 있다. 또한, 손가락이나 스타일러스로 정보를 입력할 수 있게 되기 때문에, 사용하기 쉬운 인터페이스를 실현할 수 있다. 터치 패널로서는, 저항막 방식, 정전 용량 방식, 적외선 방식, 전자 유도 방식, 표면 탄성파 방식 등, 여러 가지의 방식을 채용할 수 있지만, 본 발명에 관한 표시부(8042)는 만곡하는 것이기 때문에, 특히 저항막 방식, 정전 용량 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 터치 패널은 위에서 서술한 표시 모듈 또는 표시 패널과 일체로서 조합된, 이른바 인 셀(in-cell) 방식의 것이어도 좋다.
또한, 터치 패널은 이미지 센서로서 기능시킬 수 있는 것이어도 좋다. 이 경우, 예를 들면, 표시부(8042)에 손바닥이나 손가락으로 터치하여 손금, 지문 등을 촬상함으로써, 본인 인증을 행할 수 있다. 또한, 표시부(8042)에 근적외광을 발광하는 백 라이트 또는 근적외광을 발광하는 센싱용 광원을 이용하면, 손가락 정맥, 손바닥 정맥 등을 촬상할 수 있다.
또한, 표시부(8042)에 터치 패널을 형성하지 않고 키보드를 형성해도 좋고, 또한 터치 패널과 키보드의 쌍방을 형성해도 좋다.
조작용의 버튼(8043)에는, 용도에 따라 여러 가지 기능을 갖게 할 수 있다. 예를 들면, 버튼(8043)을 홈 버튼으로 하여, 버튼(8043)을 누름으로써 표시부(8042)에 홈 화면을 표시하는 구성으로 해도 좋다. 또한, 버튼(8043)을 소정의 시간 계속 누름으로써, 휴대 정보 단말기(8040)의 주전원을 오프하도록 해도 좋다. 또한, 슬립(sleep) 모드 상태로 이행하고 있는 경우, 버튼(8043)을 누름으로써, 슬립 모드 상태로부터 복귀시키도록 해도 좋다. 그 외, 계속 누르는 기간이나, 다른 버튼과 동시에 누르는 것 등에 의해, 여러 가지의 기능을 기동시키는 스위치로서 이용할 수 있다.
또한, 버튼(8043)을 음량 조정 버튼이나 무트(mute) 버튼으로 하여, 소리 출력을 위한 스피커(8047)의 음량의 조정 등을 행하는 기능을 갖게 해도 좋다. 스피커(8047)로부터는, 오퍼레이팅 시스템(OS)의 기동음 등 특정의 처리시에 설정된 소리, 음악 재생 어플리케이션 소프트웨어로부터의 음악 등 각종 어플리케이션에서 실행되는 소리 파일에 의한 소리, 전자 메일의 착신음 등 여러 가지 소리를 출력한다. 또한, 도시하지 않지만, 스피커(8047)와 함께, 혹은 스피커(8047)로 바꾸어, 헤드폰, 이어폰, 헤드셋 등의 장치에 소리를 출력하기 위한 연결기를 형성해도 좋다.
이와 같이 버튼(8043)에는, 여러 가지의 기능을 부여할 수 있다. 도 14(A)에서는, 좌측면에 버튼(8043)을 2개 형성한 휴대 정보 단말기(8040)를 도시하고 있지만, 물론, 버튼(8043)의 수나 배치 위치 등은 이것으로 한정되지 않고, 적절히 설계할 수 있다.
마이크로폰(8046)은 음성 입력이나 녹음에 이용할 수 있다. 또한, 카메라(8045)에 의해 취득된 화상을 표시부(8042)에 표시시킬 수 있다.
휴대 정보 단말기(8040)의 조작에는, 위에서 서술한 표시부(8042)에 형성된 터치 패널이나 버튼(8043) 외, 카메라(8045)나 휴대 정보 단말기(8040)에 내장된 센서 등을 이용하여 사용자의 동작(제스쳐)을 인식시켜 조작을 행할 수 있다(제스쳐 입력이라고 함). 혹은, 마이크로폰(8046)을 이용하여, 사용자의 음성을 인식시켜 조작을 행할 수 있다(음성 입력이라고 함). 이와 같이, 인간의 자연스러운 행동에 의해 전기기기에 입력을 행하는 NUI(Natural User Interface) 기술을 실장함으로써, 휴대 정보 단말기(8040)의 조작성을 더욱 향상시킬 수 있다.
접속 단자(8048)는 외부 기기와의 통신을 위한 신호나 전력 공급을 위한 전력의 입력 단자이다. 예를 들면, 휴대 정보 단말기(8040)에 외부 메모리 드라이브 하기 위해, 접속 단자(8048)를 이용할 수 있다. 외부 메모리 드라이브로서, 예를 들면 외부 부착 HDD(하드 디스크 드라이브)나 플래시 메모리 드라이브, DVD(Digital Versatile Disk) 드라이브나 DVD-R(DVD-Recordable) 드라이브, DVD-RW(DVD-ReWritable) 드라이브, CD(Compact Disc) 드라이브, CD-R(Compact Disc Recordable) 드라이브, CD-RW(Compact Disc ReWritable) 드라이브, MO(Magneto-Optical Disc) 드라이브, FDD(Floppy Disk Drive), 또는 다른 불휘발성의 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive：SSD) 디바이스 등의 기록 미디어 드라이브를 들 수 있다. 또한, 휴대 정보 단말기(8040)는 표시부(8042) 위에 터치 패널을 가지고 있지만, 이 대신 하우징(8041) 위에 키보드를 형성해도 좋고, 또한 키보드를 외부 부착해도 좋다.
도 14(A)에서는, 바닥면에 접속 단자(8048)를 1개 형성한 휴대 정보 단말기(8040)를 도시하고 있지만, 접속 단자(8048)의 수나 배치 위치 등은 이것으로 한정되지 않고, 적절히 설계할 수 있다.
도 14(B)는, 휴대 정보 단말기(8040)의 배면 및 측면을 도시한 사시도이다. 휴대 정보 단말기(8040)는 하우징(8041)의 표면에 태양 전지(8049)와 카메라(8050)를 가지고, 또한, 충방전 제어 회로(8051), 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053) 등을 가진다. 또한, 도 14(B)에서는 충방전 제어 회로(8051)의 일례로서 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053)를 가지는 구성에 대해 도시하고 있고, 축전 장치(8052)에는, 상기 실시형태에서 설명한 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 이용한다.
휴대 정보 단말기(8040)의 배면에 장착된 태양 전지(8049)에 의해, 전력을 표시부, 터치 패널, 또는 영상 신호 처리부 등에 공급할 수 있다. 또한 태양 전지(8049)는 하우징(8041)의 한 면 또는 양면에 형성할 수 있다. 휴대 정보 단말기(8040)에 태양 전지(8049)를 탑재시킴으로써, 옥외 등의 전력의 공급 수단이 없는 장소에서도, 휴대 정보 단말기(8040)의 축전 장치(8052)의 충전을 행할 수 있다.
또한, 태양 전지(8049)로서는, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 미결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 이러한 적층으로 이루어지는 실리콘계의 태양 전지나, InGaAs계, GaAs계, CIS계, Cu2ZnSnS4, CdTe-CdS계의 태양 전지, 유기 색소를 이용한 색소 증감 태양 전지, 도전성 폴리머나 풀러린(fullerene) 등을 이용한 유기 박막 태양 전지, pin 구조에서의 i층 중에 실리콘 등에 의한 양자 도트 구조를 형성한 양자 도트형 태양 전지 등을 이용할 수 있다.
여기서, 도 14(B)에 도시하는 충방전 제어 회로(8051)의 구성, 및 동작에 대한 일례를, 도 14(C)에 도시하는 블럭도를 이용하여 설명한다.
도 14(C)에는, 태양 전지(8049), 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053), 컨버터(8057), 스위치(8054), 스위치(8055), 스위치(8056), 표시부(8042)에 대해 도시하고 있고, 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053), 컨버터(8057), 스위치(8054), 스위치(8055), 스위치(8056)가, 도 14(B)에 도시하는 충방전 제어 회로(8051)에 대응하는 개소가 된다.
외광에 의해 태양 전지(8049)에서 발전한 전력은 축전 장치(8052)를 충전하기 위해 필요한 전압으로 하기 위해, DCDC 컨버터(8053)로 승압 또는 강압된다. 그리고, 표시부(8042)의 동작에 태양 전지(8049)로부터의 전력이 이용될 때에는, 스위치(8054)를 온으로 하여, 컨버터(8057)로 표시부(8042)에 필요한 전압으로 승압 또는 강압한다. 또한, 표시부(8042)에서의 표시를 행하지 않는 때에는, 스위치(8054)를 오프로 하고, 스위치(8055)를 온으로 하여 축전 장치(8052)의 충전을 행한다.
또한, 발전 수단의 일례로서 태양 전지(8049)를 도시했지만, 이것으로 한정되지 않고, 압전 소자(피에조 소자)나 열전변환 소자(펠티에 소자) 등의 다른 발전 수단을 이용하여 축전 장치(8052)의 충전을 행해도 좋다. 또한, 휴대 정보 단말기(8040)의 축전 장치(8052)로의 충전 방법은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 위에서 서술한 접속 단자(8048)와 전원을 접속하여 충전을 행해도 좋다. 또한, 무선으로 전력을 송수신하여 충전하는 비접촉 전력 전송 모듈을 이용해도 좋고, 이상의 충전 방법을 조합해도 좋다.
여기서, 축전 장치(8052)의 충전 상태(SOC：State Of Charge)가 표시부(8042)의 왼쪽 위(도 14(A)의 파선 범위 내)에 표시된다. 이것에 의해, 사용자는 축전 장치(8052)의 충전 상태를 파악할 수 있고, 이에 따라 휴대 정보 단말기(8040)를 절전 모드로 선택할 수 있다. 사용자가 전력 절약 모드를 선택하는 경우에는, 예를 들면 위에서 서술한 버튼(8043)이나 아이콘(8044)을 조작하여, 휴대 정보 단말기(8040)에 탑재되는 표시 모듈 또는 표시 패널이나, CPU 등의 연산 장치, 메모리 등의 구성 부품을 전력 절약 모드로 전환할 수 있다. 구체적으로는, 이러한 구성 부품의 각각에서, 임의의 기능의 사용 빈도를 저감하여, 정지시킨다. 전력 절약 모드에서는, 또, 충전 상태에 따라 설정에 의해 자동적으로 전력 절약 모드로 바꾸는 구성으로 할 수 있다. 또한, 휴대 정보 단말기(8040)에 광 센서 등의 검출 수단을 형성하고, 휴대 정보 단말기(8040)의 사용시에 외광의 광량을 검출하여 표시 휘도를 최적화함으로써, 축전 장치(8052)의 전력의 소비를 억제할 수 있다.
또한, 태양 전지(8049) 등에 의한 충전시에는, 도 14(A)에 도시한 것처럼, 표시부(8042)의 왼쪽 위(파선 범위 내)에 그것을 나타내는 화상 등의 표시를 행해도 좋다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 축전 장치를 구비하고 있으면, 도 14에 도시한 전기기기로 한정되지 않는다는 것은 말할 필요도 없다.
[4.6. 전기기기의 일례(축전 시스템의 예)]
또한 전기기기의 일례로서 축전 시스템의 예에 대해, 도 15를 이용하여 설명한다. 여기서 설명하는 축전 시스템(8100)은 위에서 서술한 축전 시스템(8005)으로서 가정에서 이용할 수 있다. 또한, 여기에서는 일례로서 가정용의 축전 시스템에 대해 설명하지만, 이것에 한정되지 않고, 업무용으로서 또는 그 외의 용도로 이용할 수 있다.
도 15(A)에 도시한 것처럼, 축전 시스템(8100)은 계통 전원(8103)과 전기적으로 접속하기 위한 플러그(8101)를 가진다. 또한 축전 시스템(8100)은 가정 내에 형성된 분전반(8104)과 전기적으로 접속한다.
또한, 축전 시스템(8100)은 동작 상태 등을 나타내기 위한 표시 패널(8102) 등을 가지고 있어도 좋다. 표시 패널은 터치 스크린을 가지고 있어도 좋다. 또한, 표시 패널 외에, 주전원의 온 오프를 행하기 위한 스위치나 축전 시스템의 조작을 행하기 위한 스위치 등을 가지고 있어도 좋다.
또한, 도시하지 않았지만, 축전 시스템(8100)을 조작하기 위해, 축전 시스템(8100)과는 별도로, 예를 들면 실내의 벽에 조작 스위치를 형성해도 좋다. 혹은, 축전 시스템(8100)과 가정 내에 형성된 퍼스널 컴퓨터, 서버 등과 접속하여, 간접적으로 축전 시스템(8100)을 조작해도 좋다. 또한 스마트폰 등의 정보 단말기나 인터넷 등을 이용하여 축전 시스템(8100)을 원격 조작해도 좋다. 이러한 경우, 축전 시스템(8100)과 그 외의 기기는 유선에 의해 또는 무선에 의해 통신을 행하는 기구를, 축전 시스템(8100)에 형성하면 좋다.
도 15(B)는 축전 시스템(8100)의 내부를 모식적으로 도시한 도면이다. 축전 시스템(8100)은 복수의 축전 장치군(8106)과 BMU(Battery Management Unit)(8107)와 PCS(Power Conditioning System)(8108)를 가진다.
축전 장치군(8106)은 위에서 서술한 축전 장치(8105)를 복수 늘어놓아 접속한 것이다. 계통 전원(8103)으로부터의 전력을, 축전 장치군(8106)에 축전할 수 있다. 복수의 축전 장치군(8106)의 각각은 BMU(8107)와 전기적으로 접속되어 있다.
BMU(8107)는 축전 장치군(8106)이 가지는 복수의 축전 장치(8105)의 상태를 감시 및 제어하고, 또한 축전 장치(8105)를 보호하는 기능을 가진다. 구체적으로는, BMU(8107)는 축전 장치군(8106)이 가지는 복수의 축전 장치(8105)의 셀 전압, 셀 온도 데이터 수집, 과충전 및 과방전의 감시, 과전류의 감시, 셀 밸런서 제어, 전지 열화 상태의 관리, 전지 잔량((충전율) State Of Charge：SOC)의 산출 연산, 구동용 축전 장치의 냉각 팬의 제어, 또는 고장 검출의 제어 등을 행한다. 또한, 이러한 기능의 일부 또는 전부는 위에서 설명한 바와 같이, 축전 장치(8105) 내에 포함시켜도 좋고, 혹은 축전 장치군마다 이 기능을 부여해도 좋다. 또한, BMU(8107)는 PCS(8108)와 전기적으로 접속한다.
여기서, BMU(8107)를 구성하는 전자 회로에는, 위에서 서술한 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터를 이용한 전자 회로를 가지면 좋다. 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 이용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 낮게 할 수 있다. 이 경우, BMU(8107)의 소비 전력을 큰 폭으로 저감할 수 있게 된다.
PCS(8108)는 교류(AC) 전원인 계통 전원(8103)과 전기적으로 접속되고, 직류-교류 변환을 행한다. 예를 들면, PCS(8108)는 인버터나, 계통 전원(8103)의 이상을 검출하여 동작을 정지하는 계통 연계 보호 장치 등을 가진다. 축전 시스템(8100)의 충전시에는, 예를 들면 계통 전원(8103)의 교류의 전력을 직류로 변환하여 BMU(8107)로 송전하고, 축전 시스템(8100)의 방전시에는, 축전 장치군(8106)에 모아진 전력을 옥내 등의 부하에 교류로 변환하여 공급한다. 또한, 축전 시스템(8100)으로부터 부하로의 전력의 공급은 도 15(A)에 도시한 것처럼, 분전반(8104)을 통하여도 좋고, 혹은 축전 시스템(8100)과 부하를 유선 또는 무선에 의해 직접 행해도 좋다.
또한, 축전 시스템(8100)으로의 충전은 위에서 서술하는 계통 전원(8103)으로에 한정되지 않고, 예를 들면 옥외에 설치한 태양 발전 시스템으로부터 전력을 공급해도 좋고, 전기 자동차에 탑재된 축전 시스템으로부터 공급해도 좋다.
100 : 축전 장치
101 : 음극
102 : 양극
103 : 제 3 전극
104 : 세퍼레이터
104a : 세퍼레이터
104b : 세퍼레이터
104c : 세퍼레이터
104d : 세퍼레이터
104e : 세퍼레이터
104f : 세퍼레이터
104g : 세퍼레이터
104h : 세퍼레이터
104i : 세퍼레이터
104j : 세퍼레이터
104k : 세퍼레이터
104l : 세퍼레이터
104m : 세퍼레이터
105 : 공간
201 : 축전 장치
202 : 컨버터
203 : 회로
204 : 부하
205 : 전원
206 : 스위치
207 : 스위치
208 : 스위치
209 : 스위치
701 : 유닛
702 : 유닛
703 : 유닛
704 : 유닛
710 : 프로세서
711 : 버스 브릿지
712 : 메모리
713 : 메모리 인터페이스
715 : 클록 생성 회로
720 : 컨트롤러
721 : 컨트롤러
722 : I/O 인터페이스
730 : 파워 게이트 유닛
731 : 스위치
732 : 스위치
740 : 클록 생성 회로
741 : 수정 발진 회로
742 : 발진자
743 : 수정 진동자
745 : 타이머 회로
746 : I/O 인터페이스
750 : I/O 포트
751 : 콤퍼레이터
752 : I/O 인터페이스
761 : 버스 라인
762 : 버스 라인
763 : 버스 라인
764 : 데이터 버스 라인
770 : 접속 단자
771 : 접속 단자
772 : 접속 단자
773 : 접속 단자
774 : 접속 단자
775 : 접속 단자
776 : 접속 단자
780 : 레지스터
783 : 레지스터
784 : 레지스터
785 : 레지스터
786 : 레지스터
787 : 레지스터
970 : 2차 전지
971 : 양극 집전체
972 : 양극 활물질층
973 : 양극
974 : 음극 집전체
975 : 음극 활물질층
976 : 음극
977 : 세퍼레이터
978 : 외장체
979 : 제 3 전극
991 : 단자
992 : 세퍼레이터
993 : 권회체
994 : 음극
995 : 양극
996 : 세퍼레이터
997 : 단자
998 : 단자
999 : 제 3 전극
6000 : 양극
6001 : 양극 집전체
6002 : 양극 활물질층
6003 : 양극 활물질
6004 : 그래핀
6005 : 바인더
6100 : 음극
6101 : 음극 집전체
6102 : 음극 활물질층
6103 : 음극 활물질
6104 : 피막
6105 : 바인더
6200 : 제 3 전극
6201 : 집전체
6202 : 제 3 전극의 재료층
6203 : 재료
6204 : 도전조제
6205 : 바인더
6380 : 2차 전지
6381 : 양극 캡
6382 : 전지캔
6383 : 양극 단자
6384 : 양극
6385 : 세퍼레이터
6386 : 음극
6387 : 음극 단자
6388 : 절연판
6389 : 절연판
6390 : 가스킷(절연 패킹)
6391 : PTC 소자
6392 : 안전 밸브 기구
6393 : 제 3 전극
6394 : 가스킷
6395 : 단자
6600 : 축전 장치
6601 : 권회체
6602 : 단자
6603 : 단자
6604 : 전지캔
6605 : 단자
6606 : 회로 기판
6607 : 전기 회로
6608 : 라벨
6609 : 안테나
6610 : 안테나
6611 : 층
6612 : 단자
6613 : 절연재
8000 : 주택
8001 : 전력 계통
8002 : 인입선
8003 : 분전반
8004 : 제어 장치
8005 : 축전 시스템
8006 : 태양광 발전 시스템
8007 : 표시 장치
8008 : 조명 장치
8009 : 공기 조화 설비
8010 : 전기 냉장고
8011 : 인터넷
8012 : 전기 자동차
8013 : 관리 서버
8020 : 전기 자동차
8021 : 충전 장치
8022 : 케이블
8023 : 전륜
8024 : 축전 장치
8025 : 전자 제어 유닛
8026 : 인버터 유닛
8027 : 주행 모터 유닛
8028 : 출력축
8029 : 구동축
8030 : 후륜(구동륜)
8031 : 접속 플러그
8040 : 휴대 정보 단말기
8041 : 하우징
8042 : 표시부
8043 : 버튼
8044 : 아이콘
8045 : 카메라
8046 : 마이크로폰
8047 : 스피커
8048 : 접속 단자
8049 : 태양 전지
8050 : 카메라
8051 : 충방전 제어 회로
8052 : 축전 장치
8053 : DCDC 컨버터
8054 : 스위치
8055 : 스위치
8056 : 스위치
8057 : 컨버터
8100 : 축전 시스템
8101 : 플러그
8102 : 표시 패널
8103 : 계통 전원
8104 : 분전반
8105 : 축전 장치
8106 : 축전 장치군
8107 : BMU
8108 : PCU

Claims (3)

  1. 축전 장치로서,
    양극, 음극, 제 3 전극, 및 전해액을 가지고,
    상기 제 3 전극은 전해액의 분해를 행하는 기능을 가지고,
    상기 양극은 양극 활물질, 바인더, 및 도전조제를 가지고,
    상기 도전조제는 카본 나노 튜브를 가지고,
    상기 양극과 상기 음극 사이에, 제 1 전위 차를 부여하여 충전을 행하고,
    상기 제 3 전극과 상기 음극 사이에, 상기 제 1 전위 차보다 큰 제 2 전위 차를 부여하여 추가 충전을 행하는, 축전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 비패러데이(non-faradaic) 반응을 하는 재료가 이용되고 있는, 축전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 전극의 비표면적은 500m2/g 이상인, 축전 장치.
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Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9331750B2 (en) * 2008-03-17 2016-05-03 Powermat Technologies Ltd. Wireless power receiver and host control interface thereof
EP2266123B1 (en) 2008-03-17 2018-10-10 Powermat Technologies Ltd. Inductive transmission system
US11979201B2 (en) 2008-07-02 2024-05-07 Powermat Technologies Ltd. System and method for coded communication signals regulating inductive power transmissions
US8981598B2 (en) 2008-07-02 2015-03-17 Powermat Technologies Ltd. Energy efficient inductive power transmission system and method
JP2014017074A (ja) * 2012-07-06 2014-01-30 Toyota Motor Corp 二次電池における反応関与物質の析出及び溶解を制御する装置
US9634508B2 (en) 2012-09-13 2017-04-25 Stem, Inc. Method for balancing frequency instability on an electric grid using networked distributed energy storage systems
US9118193B2 (en) * 2012-10-10 2015-08-25 Ming-Hsiang Yeh Bidirectional wireless charging/discharging device for portable electronic device
TWI448032B (zh) * 2012-11-02 2014-08-01 Espower Electronics Inc 感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置
US9461341B2 (en) * 2012-12-26 2016-10-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device and method for charging the same
WO2014198044A1 (en) * 2013-06-13 2014-12-18 Firebright1 Green Energy(Shanghai) Limited. Battery energy storage system and controlling method
TWI474769B (zh) * 2014-03-04 2015-02-21 Cheng Uei Prec Ind Co Ltd 電源裝置及其組合方法
US10797490B2 (en) * 2014-03-26 2020-10-06 Intersil Americas LLC Battery charge system with transition control that protects adapter components when transitioning from battery mode to adapter mode
JP2015216719A (ja) * 2014-05-08 2015-12-03 富士通株式会社 給電装置、給電制御方法、及び、基地局装置
JP6242008B2 (ja) * 2014-06-25 2017-12-06 Fdk株式会社 無停電電源装置
TR201410120A2 (tr) * 2014-08-28 2016-03-21 Aselsan Elektronik Sanayi Ve Ticaret Anonim Sirketi Maksimum güç izleme tekniği kullanılarak güneş paneli ile yüksek verimli pil şarj yöntemi ve cihazı.
TWI556543B (zh) * 2015-01-23 2016-11-01 廣達電腦股份有限公司 電源輸入電路
TWI544386B (zh) * 2015-02-26 2016-08-01 致伸科技股份有限公司 輸入裝置
CN106033287B (zh) * 2015-03-09 2018-12-18 致伸科技股份有限公司 输入装置
US10707526B2 (en) 2015-03-27 2020-07-07 New Dominion Enterprises Inc. All-inorganic solvents for electrolytes
US10770760B2 (en) * 2015-05-08 2020-09-08 Enovix Corporation Replenished negative electrodes for secondary batteries
JP6636732B2 (ja) * 2015-06-30 2020-01-29 株式会社シマノ 自転車の制御システム
CN107104222B (zh) * 2016-02-19 2021-09-21 株式会社半导体能源研究所 蓄电装置、蓄电系统
JP6191745B1 (ja) * 2016-08-10 2017-09-06 富士電機株式会社 無停電電源装置
US10707531B1 (en) 2016-09-27 2020-07-07 New Dominion Enterprises Inc. All-inorganic solvents for electrolytes
US10707524B2 (en) 2016-10-19 2020-07-07 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Graphene compound and manufacturing method thereof, electrolyte, and power storage device
CN108448160B (zh) * 2017-02-16 2020-08-28 宁德新能源科技有限公司 安全层及锂二次电池
KR102277928B1 (ko) * 2018-04-25 2021-07-16 삼성전자주식회사 플렉서블 디스플레이 및 이를 구비하는 전자 장치
US11228190B2 (en) 2018-12-04 2022-01-18 Cohelios, Llc Mobile power system with bidirectional AC-DC converter and related platforms and methods
EP3680981B1 (de) * 2019-01-11 2023-03-01 VARTA Microbattery GmbH Elektrochemische zelle und anordnung elektrisch miteinander verschalteter bauteile
CN110112479B (zh) * 2019-04-25 2021-11-19 浙江锋锂新能源科技有限公司 一种高容量保持率锂离子电池的充放电方式
US11648729B2 (en) 2019-06-03 2023-05-16 The Boeing Company Additive manufacturing powder particle, method for treating the additive manufacturing powder particle, and method for additive manufacturing
US11772504B2 (en) * 2019-08-22 2023-10-03 Ioan Sasu Fast rechargeable battery assembly and recharging equipment
US11271256B2 (en) * 2020-01-10 2022-03-08 Lg Energy Solution, Ltd. Externally mode-switchable battery pack and method for externally switching mode of battery pack
US11513578B1 (en) * 2020-02-03 2022-11-29 Meta Platforms Technologies, Llc Power management system for an artificial reality system
JP2021170465A (ja) * 2020-04-15 2021-10-28 株式会社日立製作所 リチウムイオン二次電池
JP2022025431A (ja) * 2020-07-29 2022-02-10 株式会社日立製作所 二次電池
CN114583179B (zh) * 2022-03-04 2024-04-26 远景动力技术(江苏)有限公司 一种柔性锂离子电池及其制作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0169015B1 (ko) * 1994-02-28 1999-01-15 존 에이치.무어 전기 에너지 저장 장치와 그 장치의 충.방전 방법
JP2003100353A (ja) * 2001-08-14 2003-04-04 Korea Electronics Telecommun ハイブリッド電源素子及びその製造方法
JP2005203131A (ja) 2004-01-13 2005-07-28 Hitachi Ltd エネルギーデバイス
JP2009123385A (ja) 2007-11-12 2009-06-04 Fuji Heavy Ind Ltd 蓄電デバイス

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1011498A (fr) * 1949-02-22 1952-06-23 Perfectionnements à l'accumulateur à l'argent et au zinc à électrode négative insoluble
EP0017400B1 (en) 1979-04-05 1984-05-30 United Kingdom Atomic Energy Authority Electrochemical cell and method of making ion conductors for said cell
CA1265580A (en) 1985-05-10 1990-02-06 Akira Yoshino Secondary battery
DE69409863T2 (de) 1993-05-05 1998-10-08 Sgs Thomson Microelectronics Batterieladegerät
DE964468T1 (de) 1997-01-27 2000-06-08 Kanebo, Ltd. Organische, elektrolytische batterie
JPH11234915A (ja) * 1998-02-20 1999-08-27 Fujitsu Ltd 充電可能な電池を備えた電源装置、および複数の電池の充電／放電方法
CA2270771A1 (fr) 1999-04-30 2000-10-30 Hydro-Quebec Nouveaux materiaux d'electrode presentant une conductivite de surface elevee
JP2002112457A (ja) * 2000-09-28 2002-04-12 Citizen Watch Co Ltd 電源供給装置
CN1293664C (zh) * 2001-09-03 2007-01-03 松下电器产业株式会社 电化学元件的制造方法
JP4228177B2 (ja) * 2002-04-24 2009-02-25 日本電気株式会社 二次電池、および、それを用いたバッテリー
JP2004355823A (ja) * 2003-05-27 2004-12-16 Nec Tokin Corp ハイブリッド型蓄電部品
JP2006080335A (ja) * 2004-09-10 2006-03-23 Kuraray Co Ltd 電気化学キャパシタ
US9077022B2 (en) * 2004-10-29 2015-07-07 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
US7662509B2 (en) * 2004-10-29 2010-02-16 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
US7641992B2 (en) * 2004-10-29 2010-01-05 Medtronic, Inc. Medical device having lithium-ion battery
US7298119B1 (en) * 2005-06-03 2007-11-20 Maxim Integrated Products, Inc. Step-up/step-down (buck/boost) switching regulator control methods
WO2008123380A1 (ja) * 2007-03-28 2008-10-16 Asahi Kasei Chemicals Corporation 電極、並びに、それを用いたリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ及び燃料電池
JP5214199B2 (ja) * 2007-09-18 2013-06-19 富士重工業株式会社 蓄電デバイス
US20120070746A1 (en) * 2007-09-21 2012-03-22 Sion Power Corporation Low electrolyte electrochemical cells
JP5040626B2 (ja) * 2007-12-07 2012-10-03 三菱電機株式会社 電力貯蔵デバイスセルおよびその制御方法
US20090174366A1 (en) * 2008-01-09 2009-07-09 Freescale Semiconductor, Inc. Multiple Function Switching Regulator for Use in Mobile Electronic Devices
JP5372568B2 (ja) * 2009-03-27 2013-12-18 富士重工業株式会社 蓄電デバイスおよびその製造方法
JP2010238423A (ja) 2009-03-30 2010-10-21 Nissan Motor Co Ltd リチウムイオン電池の充電方法、リチウムイオン電池、組電池、電池システム、充電制御装置、および車両
JP2010246225A (ja) * 2009-04-03 2010-10-28 Sony Corp 電池パックおよび充電方法
JP5539516B2 (ja) * 2009-08-07 2014-07-02 オーツェー エリコン バルザーズ アーゲー 燃料電池／スーパーキャパシタ／車両推進用の電池動力システム
US20120176097A1 (en) * 2009-09-18 2012-07-12 Hideharu Takezawa Method for charging/discharging positive electrode active material in a lithium secondary battery, charging/discharging system provided with lithium secondary battery and vehicle, electronic device, battery module, battery pack
WO2011093126A1 (ja) * 2010-01-28 2011-08-04 三菱電機株式会社 電力貯蔵デバイスセルとその製造方法、保管方法および蓄電デバイス
KR101118862B1 (ko) * 2010-06-28 2012-03-06 삼성전기주식회사 전해액 조성물 및 이를 구비하는 에너지 저장장치
US8189305B2 (en) * 2010-07-19 2012-05-29 Robert Charles Newman Auxiliary battery system
EP2618456A4 (en) * 2010-10-15 2016-11-30 Panasonic Ip Man Co Ltd POWER SUPPLY SYSTEM
WO2012050180A1 (ja) * 2010-10-15 2012-04-19 三洋電機株式会社 優先回路及び電力供給システム
JP5908251B2 (ja) * 2010-11-17 2016-04-26 フルイディック，インク．Ｆｌｕｉｄｉｃ，Ｉｎｃ． 階層型アノードのマルチモード充電
KR101241221B1 (ko) * 2010-12-06 2013-03-13 주식회사 이지트로닉스 마일드 하이브리드 차량용 충전 장치
JP2012235041A (ja) * 2011-05-09 2012-11-29 Jm Energy Corp 正極電極およびリチウムイオンキャパシタ
JP2012248556A (ja) * 2011-05-25 2012-12-13 Nec Tokin Corp 電気化学デバイスおよびその製造方法
US9136509B2 (en) * 2011-05-27 2015-09-15 Apple Inc. Battery cell with an integrated pouch metal foil terminal
JP2012253072A (ja) * 2011-05-31 2012-12-20 National Institute Of Advanced Industrial & Technology リチウムイオンキャパシタ
JP5998025B2 (ja) * 2012-11-28 2016-09-28 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体集積回路およびその動作方法
US9461341B2 (en) * 2012-12-26 2016-10-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device and method for charging the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0169015B1 (ko) * 1994-02-28 1999-01-15 존 에이치.무어 전기 에너지 저장 장치와 그 장치의 충.방전 방법
JP2003100353A (ja) * 2001-08-14 2003-04-04 Korea Electronics Telecommun ハイブリッド電源素子及びその製造方法
JP2005203131A (ja) 2004-01-13 2005-07-28 Hitachi Ltd エネルギーデバイス
JP2009123385A (ja) 2007-11-12 2009-06-04 Fuji Heavy Ind Ltd 蓄電デバイス

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