WO2017002284A1 - 電池、及びその充放電方法 - Google Patents

電池、及びその充放電方法 Download PDF

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樹理 小笠原
清康 檜皮
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株式会社日本マイクロニクス
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Definitions

  • the present invention relates to a battery and a charging / discharging method thereof.
  • Patent Documents 1 and 2 A battery using a change in the photoexcitation structure of a metal oxide caused by ultraviolet irradiation (hereinafter, quantum battery) has been developed by the applicant of the present application (Patent Documents 1 and 2).
  • the quantum battery disclosed in Patent Documents 1 and 2 is expected as a technology that greatly exceeds the capacity of a lithium ion battery.
  • the secondary batteries of Patent Documents 1 and 2 have a configuration in which a first electrode, an n-type metal oxide semiconductor layer, a charging layer, a p-type semiconductor layer, and a second electrode are stacked on a substrate.
  • Such a quantum battery has a parallel plate structure in order to realize a thin film battery. That is, the charging layer is disposed between the first electrode and the second electrode, and the first electrode and the second electrode are formed on the entire surface of the charging layer.
  • the charging layer is disposed between the first electrode and the second electrode, and the first electrode and the second electrode are formed on the entire surface of the charging layer.
  • it is necessary to adjust the components and thicknesses of the oxide semiconductor layer and the charge layer. Therefore, when the components and thicknesses of the oxide semiconductor layer and the charge layer are determined, there is a problem that it is difficult to adjust the charge / discharge characteristics.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and according to the present invention, a battery having desired characteristics can be provided.
  • a battery according to one embodiment of the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, an n-type metal oxide semiconductor, an insulator, and the n-type metal oxide semiconductor disposed between the first electrode layer and the second electrode layer. And a region where the second electrode layer is provided is sandwiched between regions where the second electrode layer is not provided on the surface of the charge layer. It is what.
  • a region where the second electrode layer is provided and a region where the second electrode layer is not provided may be alternately arranged.
  • a battery according to one embodiment of the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, an n-type metal oxide semiconductor, an insulator, and the n-type metal oxide semiconductor disposed between the first electrode layer and the second electrode layer. And the charge layer captures electrons in the energy order, and the second electrode layer is provided in any one direction on the surface of the charge layer. Regions and regions where the second electrode layer is not provided are alternately arranged.
  • a battery according to one embodiment of the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, an n-type metal oxide semiconductor, an insulator, and the n-type metal oxide semiconductor disposed between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • a charge layer formed of a substance containing, wherein the charge layer captures electrons in the energy order, and at least a part of a region where the second electrode layer is provided on a surface of the charge layer
  • the second electrode layer is disposed between the regions where the second electrode layer is not provided, and at least a part of the region where the second electrode layer is not provided on the surface of the charging layer is provided with the second electrode layer. Are arranged between the regions.
  • At least one of the first electrode layer and the second electrode layer may be divided into a plurality of patterns.
  • a battery according to one embodiment of the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, an n-type metal oxide semiconductor, an insulator, and the n-type metal oxide semiconductor disposed between the first electrode layer and the second electrode layer. And a charge layer formed of a substance containing, wherein at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is locally formed on a surface of the charge layer.
  • a battery according to an aspect of the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, a pre-n-type metal oxide semiconductor, and an insulator, and charging between the first electrode and the second electrode.
  • a charging layer to which a voltage is applied, and the second electrode layer includes a plurality of electrode layer patterns formed separately from each other, and a charging voltage is supplied to each of the plurality of electrode patterns during charging. In discharging, a load is connected to a part of the plurality of electrode patterns.
  • the charging layer may be charged with electric power generated by natural energy power generation.
  • the charging layer may be charged by regenerative energy of the motor, and the electric power charged in the charging layer may be a power source of the motor.
  • a method for charging and discharging a battery includes a first electrode layer, a second electrode layer, an n-type metal oxide semiconductor, and an insulator, wherein the first electrode and the second electrode A charging layer to which a charging voltage is applied between, wherein the second electrode layer includes a plurality of patterns formed separately from each other, and each of the plurality of patterns includes Charging is performed by supplying a charging voltage, and discharging is performed by connecting a load to a part of the plurality of patterns.
  • FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a quantum battery according to Arrangement Example 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a quantum battery according to Arrangement Example 1.
  • FIG. 6 is a perspective view which shows the structure of the quantum battery concerning the example 2 of arrangement
  • positioning. 6 is a plan view showing a configuration of a quantum battery according to Arrangement Example 2.
  • FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a quantum battery according to Arrangement Example 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the structure of the quantum battery concerning the example 3 of arrangement
  • Quantum battery The battery of each embodiment described below applies the technique of a quantum battery. Therefore, prior to the description of each embodiment, the quantum battery will be briefly described.
  • a quantum battery is an oxide semiconductor secondary battery that utilizes a photoexcitation structure change of a metal oxide semiconductor.
  • a quantum battery is a battery (secondary battery) based on an operating principle that forms a new energy level in a band gap and captures electrons.
  • Quantum battery is an all-solid physical secondary battery and functions as a battery alone.
  • An example of the configuration of the quantum battery is shown in FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a parallel plate structure type quantum battery 11, and
  • FIG. 2 is a plan view.
  • terminal members such as a positive electrode terminal and a negative electrode terminal
  • mounting members such as an exterior member and a covering member are omitted.
  • the quantum battery 11 includes a charging layer 3, a first electrode layer 6, and a second electrode layer 7.
  • the charging layer 3 is disposed between the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7. Therefore, a charging voltage generated between the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 is applied to the charging layer 3.
  • the charge layer 3 accumulates (captures) electrons by a charging operation and emits electrons accumulated by a discharging operation.
  • the charge layer 3 is a layer that retains (accumulates) electrons in an uncharged state.
  • the charge layer 3 is formed by applying a photoexcitation structure change technique.
  • the photoexcitation structure change is described in, for example, International Publication No. 2008/053561.
  • the photoexcited structure change is a phenomenon in which the interatomic distance of a substance excited by light irradiation changes.
  • an n-type metal oxide semiconductor that is an amorphous metal oxide such as tin oxide has a property of causing a photoexcitation structure change. Due to the photoexcited structure change phenomenon, a new energy level is formed in the band gap of the n-type metal oxide semiconductor.
  • the quantum battery 11 is charged by capturing electrons at these energy levels, and discharged by discharging the captured electrons.
  • the charging layer 3 is formed of a material containing an n-type metal oxide semiconductor and an insulator.
  • the charge layer 3 is filled with fine particles of an n-type metal oxide semiconductor coated with insulation.
  • the n-type metal oxide semiconductor undergoes a photoexcitation structure change by ultraviolet irradiation, and changes so that the charge layer 3 can store electrons.
  • the charge layer 3 includes a plurality of fine particles of n-type metal oxide semiconductor that are coated with insulation.
  • the first electrode layer 6 is, for example, a negative electrode layer, and includes the first electrode 1 and the n-type metal oxide semiconductor layer 2.
  • the n-type metal oxide semiconductor layer 2 is disposed between the first electrode 1 and the charging layer 3. Therefore, one surface of the n-type metal oxide semiconductor layer 2 is in contact with the first electrode 1 and the other surface is in contact with the charging layer 3.
  • the second electrode layer 7 is, for example, a positive electrode layer, and includes the second electrode 5 and the p-type metal oxide semiconductor layer 4.
  • the p-type metal oxide semiconductor layer 4 is disposed between the second electrode 5 and the charging layer 3. Therefore, one surface of the p-type metal oxide semiconductor layer 4 is in contact with the charging layer 3 and the other surface is in contact with the second electrode 5.
  • the p-type metal oxide semiconductor layer 4 is provided to prevent injection of electrons from the second electrode 5 to the charging layer 3.
  • the 1st electrode 1 and the 2nd electrode 5 should just be formed from the electroconductive material, for example, there exists a silver (Ag) alloy film etc. which contain aluminum (Al) as a metal electrode.
  • a silver (Ag) alloy film etc. which contain aluminum (Al) as a metal electrode.
  • Al aluminum
  • titanium dioxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), or zinc oxide (ZnO) can be used.
  • the n-type metal oxide semiconductor is in direct contact with the first electrode layer 1. In this case, electrons may be injected into the n-type metal oxide semiconductor due to recombination.
  • the n-type metal oxide semiconductor layer 2 is provided to prevent injection of electrons from the first electrode layer 1. As shown in FIG. 1, the n-type metal oxide semiconductor layer 2 is formed between the first electrode layer 1 and the charging layer 3. The n-type metal oxide semiconductor layer 2 can be omitted.
  • the p-type metal oxide semiconductor layer 4 formed on the charge layer 3 is provided to prevent injection of electrons from the upper second electrode layer 5.
  • nickel oxide (NiO), copper aluminum oxide (CuAlO 2 ), or the like can be used.
  • the first electrode layer 6 has a two-layer structure of the first electrode 1 and the n-type metal oxide semiconductor layer 2, but the configuration of the first electrode layer 6 has this two-layer structure. It is not limited.
  • the first electrode layer 6 may have a single layer structure including only the first electrode 1.
  • the configuration of the second electrode layer 7 is not limited to the two-layer structure of the p-type metal oxide semiconductor layer 4 and the second electrode 5.
  • the second electrode layer 7 may have a single-layer structure including only the second electrode 5. That is, the 1st electrode layer 6 and the 2nd electrode layer 7 may be comprised only from the metal electrode.
  • FIG. 3 is an XY plan view schematically showing the pattern shape of the second electrode layer 7 on the charging layer 3.
  • the second electrode layers 7 having a rectangular pattern are arranged in an array. That is, the plurality of second electrode layers 7 are arranged along the X direction and the Y direction. A region where the second electrode layer 7 is not provided is provided between the rectangular patterns of the adjacent second electrode layers 7. It is assumed that the first electrode layer 6 (not shown in FIG. 3) is formed on almost the entire surface of the charging layer 3.
  • the pattern of the second electrode layer 7 to which the charging voltage is applied is referred to as a pattern 7a. That is, no charging voltage is applied to patterns other than the pattern 7a. And the voltage of each pattern at the time of charge of the pattern 7a and natural discharge was measured.
  • the voltage of the pattern 7b in the vicinity of the pattern 7a is charged. That is, a voltage is generated based on the electrons accumulated in the charge layer 3 even for the pattern 7b to which no charge voltage is applied. Further, after the charging of the pattern 7a is stopped, the voltage of the pattern 7a decreases due to spontaneous discharge, whereas the voltage of the pattern 7b increases. From this experiment, it can be seen that electrons have spilled from the charging location to the periphery.
  • FIGS. 4 to 7 are model diagrams for explaining the phenomenon of electron spilling in the quantum battery 10. 4 to 7, the first electrode layer 6 is formed on the entire surface of the charging layer 3, and the second electrode layer 7 is formed on a part of the charging layer 3.
  • a region where the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 overlap through the charging layer 3 is referred to as an overlapping region 18, and a region which does not overlap is referred to as a non-overlapping region 19.
  • a power source 31 is connected to the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 to generate a charging voltage.
  • a charging voltage between the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 is applied to the charging layer 3.
  • electrons e in the figure
  • electrons are accumulated from directly below the second electrode layer 7. That is, electrons are accumulated in the overlapping area 18.
  • electrons start to enter the outside just below the second electrode layer 7. That is, electrons diffuse from the overlapping region 18 to the non-overlapping region 19.
  • the basic performance as a battery can be maintained, so that the degree of freedom in the arrangement of the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 is increased. Because it increases, it becomes possible to add new functions.
  • the response speed is high in the overlapping region 18 where the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 overlap via the charging layer 3, and the response speed is low in the non-overlapping region 19 where they do not overlap. Therefore, the discharge characteristics can be adjusted by adjusting the areas of the overlapping region 18 and the non-overlapping region 19. This point will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of the quantum battery 10.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the quantum battery 10 shown in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a dotted line part in FIG. 9.
  • FIG. 11 is a graph schematically showing discharge characteristics with respect to the pattern width W and the inter-pattern distance L of the second electrode layer 7.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents output power.
  • the pattern 17 of the second electrode layer 7 has a rectangular shape whose longitudinal direction is the Y direction.
  • a plurality of patterns 17 are arranged side by side in the X direction.
  • the width in the X direction of one pattern 17 is W, and the inter-pattern distance between adjacent patterns 17 is L.
  • the first electrode layer 6 is formed on the entire lower surface of the charging layer 3. In the following description, since the aspect ratio between the X direction and the Z direction is very large, the Z direction is ignored.
  • a region where the second electrode layer 7 is not provided is sandwiched between regions where the second electrode layer is provided. Further, in the X direction, regions where the second electrode layer 7 is not provided and regions where the second electrode layer 7 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is not provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is provided.
  • the non-overlapping region 19 functions as a battery.
  • the response is fast in the overlapping region 18 and the response is slow in the non-overlapping region 19.
  • FIG. 10 there is a battery B2 having a high response speed in the overlapping region 18, and batteries B1 and B3 having a low response speed in the non-overlapping region 19.
  • the quantum battery 10 in which the battery B2 having a fast response speed and the batteries B1 and B3 having a slow response speed are mixed.
  • the response speed can be changed by adjusting the pattern width W and the inter-pattern distance L.
  • the area of the overlapping region 18 is large and the area of the non-overlapping region 19 is small.
  • the discharge characteristics in this case are as shown in FIG. 11A, and large electric power can be obtained instantaneously. Such characteristics are suitable for driving a motor that requires starting power.
  • the pattern width W is small and the inter-pattern distance L is large, the area of the overlapping region 18 is small and the area of the non-overlapping region 19 is large.
  • the discharge characteristics in this case are as shown in FIG.
  • the output power is reduced, and the quantum battery 10 is slowly discharged over time.
  • the area of the charge layer 3 is the same, the power capacity should be the same regardless of the pattern width W and the inter-pattern distance L. That is, in FIG. 11, the value obtained by integrating the power P with time t is equal between A and B. Therefore, in the case of B of FIG. 11, the electric power taken out instantly is limited, and long-time discharge is possible with a constant electric power even at a high load. Such characteristics are suitable for applications that are used for a long time.
  • the charge / discharge characteristics can be adjusted by the shape, size, and arrangement of the electrode layers.
  • the response speed can be increased as the area of the overlapping area 18 is increased.
  • the charge / discharge characteristics can be optimized by changing the layout of the electrode layer as the local electrode structure in which the electrode layer is locally formed with respect to the charge layer 3.
  • the local electrode structure When the local electrode structure is used, a battery with a fast response speed and a slow battery are mixed. For this reason, it can respond to the electric power source which fluctuates violently like natural energy power generation. For example, when charging with renewable energy such as solar power generation, wind power generation, tidal power generation, etc., the fluctuation of the charging input becomes large.
  • the quantum battery according to this embodiment can be charged with less loss and less waste than a slow-response lithium ion battery or the like.
  • Fig. 12 shows the charging characteristics for a variable power source.
  • the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates power.
  • A is a charge input
  • B is the charge power of the quantum battery 10 concerning this Embodiment
  • C has shown the charge power of the lithium ion battery as a comparative example.
  • the quantum battery 10 has a faster response to the charge input than the lithium ion battery. That is, since the quantum battery in which the electrode layer is locally formed has a battery with a quick response, the charging power B changes following the fluctuation of the charging input. Therefore, when the charging input A fluctuates, the charging power B of the quantum battery 10 becomes higher than the charging power C of the lithium ion battery.
  • the quantum battery 10 according to the present embodiment can maintain the charging characteristics. Furthermore, volume efficiency improvement and cost reduction can be realized by forming and stacking the above quantum battery 10 in a sheet shape.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a configuration of the quantum battery 10 according to the arrangement example 1.
  • FIG. 14 is a plan view schematically showing the pattern arrangement of the quantum battery 10.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the pattern arrangement.
  • the pattern 16 of the first electrode layer 6 and the pattern 17 of the second electrode layer 7 are arranged to intersect each other. That is, the pattern 16 and the pattern 17 have a cross mesh structure.
  • the pattern 16 of the first electrode layer 6 is a rectangular pattern whose longitudinal direction is the X direction.
  • a plurality of patterns 16 are arranged side by side in the Y direction.
  • the pattern 17 of the second electrode layer 7 is a rectangular pattern whose longitudinal direction is the Y direction.
  • a plurality of patterns 17 are arranged side by side in the X direction.
  • a pattern 17 is formed on the upper surface of the charging layer 3, and a pattern 16 is formed on the lower surface.
  • the second electrode layer 7 is disposed on both sides of a region where the second electrode layer 7 is not provided.
  • the region where the second electrode layer 7 is provided on the surface of the charging layer 3 is sandwiched by the region where the second electrode layer 7 is not provided. Further, in the X direction, regions where the second electrode layer 7 is not provided and regions where the second electrode layer 7 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is not provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is provided.
  • the region where the first electrode layer 6 is provided is sandwiched between regions where the second electrode layer 6 is not provided. In the Y direction, regions where the first electrode layer 6 is not provided and regions where the first electrode layer 6 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the first electrode layer 6 is provided is disposed between the regions where the first electrode layer 6 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the first electrode layer 6 is not provided is disposed between the regions where the first electrode layer 6 is provided.
  • a portion where the pattern 16 and the pattern 17 intersect is an overlapping region 18.
  • the outside of the overlapping area 18 becomes a non-overlapping area 19.
  • the overlapping area 18 is surrounded by a non-overlapping area 19.
  • the non-overlapping region 19 includes a place where only the pattern 17 is formed, a place where only the pattern 16 is formed, and a place where neither the pattern 16 nor the pattern 17 is formed.
  • a region between adjacent overlapping regions 18 is a non-overlapping region 19. More specifically, a portion shifted from the overlapping region 18 in the X direction becomes a non-overlapping region 19 where the pattern 16 exists and the pattern 17 does not exist. A portion shifted from the overlapping region 18 in the Y direction becomes a non-overlapping region 19 where the pattern 16 does not exist and the pattern 17 exists. Thus, in the XY plan view, the overlapping regions 18 where the pattern 16 and the pattern 17 overlap and the non-overlapping regions 19 that do not overlap are alternately arranged.
  • FIG. 16 is a perspective view illustrating a configuration of the quantum battery 10 according to the second arrangement example.
  • FIG. 17 is a plan view schematically showing the pattern arrangement of Arrangement Example 2.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing an arrangement example 2 of the quantum battery 10.
  • the pattern 16 of the first electrode layer 6 and the pattern 17 of the second electrode layer 7 are arranged so as to overlap each other.
  • the pattern 16 of the first electrode layer 6 and the pattern 17 of the second electrode layer 7 are provided in parallel and arranged so as to overlap. That is, in the XY plan view, the pattern 16 and the pattern 17 are at the same position and have the same facing structure that faces each other.
  • the second electrode layer 7 is disposed on both sides of a region where the second electrode layer 7 is not provided. In the X direction, the overlapping regions 18 and the non-overlapping regions 19 are alternately arranged.
  • the region where the second electrode layer 7 is provided is sandwiched between regions where the second electrode layer 7 is not provided. Further, in the X direction, regions where the second electrode layer 7 is not provided and regions where the second electrode layer 7 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is not provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is provided.
  • the region where the first electrode layer 6 is provided is sandwiched between regions where the second electrode layer 6 is not provided. In the X direction, regions where the first electrode layer 6 is not provided and regions where the first electrode layer 6 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the first electrode layer 6 is provided is disposed between the regions where the first electrode layer 6 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the first electrode layer 6 is not provided is disposed between the regions where the first electrode layer 6 is provided.
  • the pattern 16 and the pattern 17 are rectangular patterns whose longitudinal direction is the Y direction.
  • the pattern 16 and the pattern 17 are the same size.
  • the pattern 16 and the pattern 17 are arranged at the same position. Therefore, the pattern 16 exists immediately below the pattern 17. In other words, the total area of the pattern 16 matches the area of the overlapping region 18. Therefore, when the pattern areas of the pattern 16 and the pattern 17 are the same in the arrangement example 1 and the arrangement example 2, the area of the overlapping region 18 is larger in the arrangement example 2 than in the arrangement example 1.
  • the area of the overlapping region 18 is large, the accumulation of electrons between the electrode layers is accelerated.
  • the pattern 16 or the pattern 17 does not exist in the non-overlapping region 19, the spread rate of electrons becomes slow. That is, the diffusion rate of electrons from the overlapping region 18 to the non-overlapping region 19 is slow.
  • FIG. 19 is a perspective view illustrating a configuration of the quantum battery 10 according to the third arrangement example.
  • FIG. 20 is a plan view schematically showing Arrangement Example 3 of the quantum battery 10.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing an arrangement example 3 of the quantum battery 10.
  • the pattern 16 of the first electrode layer 6 and the pattern 17 of the second electrode layer 7 are provided in parallel and arranged so as not to overlap. That is, in the XY plan view, the pattern 16 and the pattern 17 are alternately arranged.
  • the second electrode layer 7 is disposed on both sides of a region where the second electrode layer 7 is not provided.
  • the region where the second electrode layer 7 is provided on the surface of the charging layer 3 is sandwiched by the region where the second electrode layer 7 is not provided. Further, in the X direction, regions where the second electrode layer 7 is not provided and regions where the second electrode layer 7 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the second electrode layer 7 is not provided is disposed between the regions where the second electrode layer 7 is provided.
  • the region where the first electrode layer 6 is provided is sandwiched between regions where the second electrode layer 6 is not provided. In the X direction, regions where the first electrode layer 6 is not provided and regions where the first electrode layer 6 is provided are alternately arranged. In other words, on the surface of the charging layer 3, at least a part of the region where the first electrode layer 6 is provided is disposed between the regions where the first electrode layer 6 is not provided, and the charging layer 3 On the surface, at least a part of the region where the first electrode layer 6 is not provided is disposed between the regions where the first electrode layer 6 is provided.
  • the pattern 16 and the pattern 17 are rectangular patterns whose longitudinal direction is the Y direction.
  • the pattern 16 and the pattern 17 are the same size.
  • the pattern 16 and the pattern 17 are alternately arranged.
  • a pattern 17 is arranged between two adjacent patterns 16 in the XY plan view. In other words, the pattern 16 and the pattern 17 are alternately arranged in the X direction.
  • the pattern 16 does not exist immediately below the pattern 17. In other words, the entire area of the pattern 16 does not overlap with the pattern 17. In the arrangement example 3, the overlapping area 18 does not exist.
  • the desired charge / discharge characteristics can be obtained by increasing the degree of freedom of the shape, size, arrangement and the like of the electrode layer patterns 16 and 17. More specifically, the area ratio between the overlapping region 18 and the non-overlapping region 19 can be set to a desired value by adjusting the shape, size, arrangement, and the like of the patterns 16 and 17. Therefore, the pattern layout is designed so that appropriate charge / discharge characteristics can be obtained.
  • the layout of the patterns 16 and 17 is not limited to the arrangement examples 1 to 3.
  • the configurations of Arrangement Example 1 to Arrangement Example 3 can be combined.
  • the strip-shaped pattern 16 and the pattern 17 may be formed in parallel, and only a part of the pattern 16 may overlap the pattern 17.
  • the pattern 17 may be formed by shifting the pattern 16 by a half pitch.
  • a pattern 16 having the X direction as the longitudinal direction and a pattern 17 having the Y direction as the longitudinal direction may be formed on the charging layer 3.
  • the regions where the electrode layers are not provided and the regions where the electrode layers are provided are alternately arranged in the X direction or the Y direction, but are alternately arranged.
  • the direction is not particularly limited. That is, the region where the electrode layer is provided and the region where the electrode layer is not provided may be alternately arranged in any one direction on the surface of the charge layer 3.
  • one of the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 is formed locally with respect to the charging layer 3, the other may be formed on almost the entire surface of the charging layer 3.
  • the pattern 16 and the pattern 17 to be used may be changed between charging and discharging.
  • a charging voltage is applied to all of the patterns 16 and 17.
  • high-speed charging can be performed.
  • discharging only a part of the plurality of patterns 16 is connected to a load or the like. Thereby, the electric power taken out instantly can be limited and long-time discharge becomes possible.
  • At least one of the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 includes a plurality of electrode layer patterns formed separately from each other.
  • a charging voltage is supplied to each of the plurality of electrode patterns, and in discharging, a load is connected to a part of the plurality of electrode patterns.
  • the area of the overlapping region 18 can be made different between charging and discharging.
  • the area of the overlapping region 18 at the time of discharging can be made smaller than the area of the overlapping region 18 at the time of charging.
  • the area of the overlapping region 18 during discharging can be made larger than the area of the overlapping region 18 during charging.
  • the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 are divided into a plurality of patterns 16 and 17 respectively, but one electrode layer has an integrated pattern. There may be.
  • the first electrode layer 6 or the second electrode layer 7 may be formed on almost the entire charging layer 3.
  • the first electrode layer 6 or the electrode layer 7 may be formed in an integrated pattern having a predetermined shape so that the first electrode layer 6 or the electrode layer 7 is locally formed on the charging layer 3. . It is only necessary that at least one of the first electrode layer 6 and the second electrode layer 7 is divided into a plurality of patterns. By doing so, the area of the overlapping region 18 can be changed between charging and discharging. That is, the area ratio between the overlapping region 18 and the non-overlapping region 19 can be changed between charging and discharging. Therefore, it is possible to optimize the charge characteristics and the discharge characteristics.
  • the quantum battery 10 has a charging characteristic that can cope with charging by a fluctuating power source. Furthermore, the quantum battery 10 has a discharge characteristic that can obtain a large starting power instantaneously. Such a quantum battery 10 combining a charging characteristic and a discharging characteristic can be applied to a regeneration system as shown in FIG.
  • a motor 32 that is a power source and a quantum battery 10 that is a power source of the motor 32 are connected.
  • the motor 32 is operated by electric power supplied from the quantum battery 10.
  • the quantum battery 10 is charged using the kinetic energy (regenerative energy) at the time of the motor 32 decelerating.
  • FIG. 23 shows the charging power in such a regeneration system.
  • the charging power is not constant but varies.
  • regenerative energy is generated only when the motor 32 decelerates. Even in such a case, the quantum battery 10 can be used to store electricity without waste.
  • FIG. 24 shows the discharge power when the motor 32 is started in the regenerative system.
  • a large starting power is required. Even in such a case, the quantum battery 10 can instantly release a large amount of power. Therefore, the motor 32 can be started quickly.
  • this invention contains the appropriate deformation

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Abstract

所望の特性を有する電池、及び充放電方法を提供する。 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、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(３)と、を備え、充電層(３)の表面上において、第２電極層（７）が設けられている領域は、第２電極層（７）が設けられていない領域よって挟まれているものである。

Description

電池、及びその充放電方法
　本発明は、電池、及びその充放電方法に関する。
　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。
国際公開第２０１２／０４６３２５号 国際公開第２０１３／０６５０９３号
　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。充放電特性をコントロールするためは、酸化物半導体層と充電層の成分や厚さを調整する必要がある。したがって、酸化物半導体層及び充電層の成分と厚さが決められると、充放電特性の調整が難しいという問題点がある。
　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、所望の特性を有する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電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層の表面上において、前記第２電極層が設けられている領域は、前記第２電極層が設けられていない領域によって挟まれているものである。
　上記の電池では、前記充電層の表面における任意の一方向において、前記第２電極層が設けられている領域と前記第２電極層が設けられていない領域が、交互に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電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層は、前記エネルギー順位で電子を捕獲し、前記充電層の表面における任意の一方向において、前記第２電極層が設けられている領域と前記第２電極層が設けられていない領域が、交互に配置されるものである。
　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電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層は、前記エネルギー順位で電子を捕獲し、前記充電層の表面において、前記第２電極層が設けられている領域の少なくとも一部が、前記第２電極層が設けられていない領域の間に配置され、前記充電層の表面において、前記第２電極層が設けられていない領域の少なくとも一部が、前記第２電極層が設けられている領域の間に配置されているものである。
　上記の電池では、前記充電層の表面上において、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複数のパターンに分割して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電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成される充電層と、を備え、前記充電層の表面上において、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局部的に形成されているものである。
　上記の電池では、充電層を介した平面視において、前記第１電極層のパターンと前記第２電極層のパターンとが重複する重複領域と、重複しない非重複領域とが交互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ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間の充電電圧が印可される充電層と、を備え、前記第２電極層が互いに分離して形成された複数の電極層パターンを備え、充電時において、前記複数の電極パターンのそれぞれに充電電圧が供給され、放電時において、前記複数の電極パターンのうちの一部に負荷が接続されるものである。
　上記の電池において、前記充電層は、自然エネルギー発電で発生した電力によって充電されていてもよい。
　上記の電池において、前記充電層は、モータの回生エネルギーによって充電され、前記充電層に充電された電力は、前記モータの電力源となっていてもよい。
　本発明の一態様にかかる電池の充放電方法は、第１電極層と、第２電極層と、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間の充電電圧が印可される充電層と、を備えた電池の充放電方法であって、前記第２電極層が互いに分離して形成された複数のパターンを備え、前記複数のパターンのそれぞれに充電電圧が供給されることで充電が行われ、前記複数のパターンのうちの一部に負荷が接続されることで放電が行われるものである。
　本発明によれば、所望の特性を有する電池、及びその充放電方法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。 本実施の形態にかかる量子電池の構成を模式的に示す斜視図である。 本実施の形態にかかる量子電池の構成を模式的に示す断面図である。 図９の点線部分を示す模式図である。 パターン幅Ｗ及びパターン間距離Ｌと放電特性の関係を示すグラフである。 充電入力に対する応答性を示す図である。 配置例１にかかる量子電池の構成を示す斜視図である。 配置例１にかかる量子電池の構成を示す平面図である。 配置例１にかかる量子電池の構成を示す断面図である。 配置例２にかかる量子電池の構成を示す斜視図である。 配置例２にかかる量子電池の構成を示す平面図である。 配置例２にかかる量子電池の構成を示す断面図である。 配置例３にかかる量子電池の構成を示す斜視図である。 配置例３にかかる量子電池の構成を示す平面図である。 配置例３にかかる量子電池の構成を示す断面図である。 量子電池を用いた回生システムを簡易的に示す図である。 回生システムにおける充電カーブを示す図である。 回生システムにおけるモータ起動時の放電カーブを示す図である。
　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、金属酸化物半導体の光励起構造変化を利用した酸化物半導体二次電池である。量子電池は、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）である。
　量子電池は、全固体型の物理二次電池であり、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との間に充電層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、充電層３に印加される。充電層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。充電層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。充電層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、国際公開第２００８／０５３５６１号に記載されている。光励起構造変化とは、光の照射により励起された物質の原子間距離が変化する現象である。例えば、酸化スズ等非晶質の金属酸化物であるｎ型金属酸化物半導体が光励起構造変化を生ずる性質を有している。光励起構造変化現象により、ｎ型金属酸化物半導体のバンドギャップ内に新たなエネルギー準位が形成される。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。
　充電層３は、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む物質から形成されている。充電層３には、絶縁被覆されたｎ型金属酸化物半導体の微粒子が充填されている。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、充電層３が電子を蓄えることができるように変化している。充電層３は、絶縁被覆された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と充電層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、他方の面が充電層３と接触している。
　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と充電層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の一方の面が充電層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から充電層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には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。
　充電層３中のｎ型金属酸化物半導体の絶縁被覆が不十分な場合に、ｎ型金属酸化物半導体が第１電極層１に直接接してしまう。この場合、再結合により電子がｎ型金属酸化物半導体に注入されてしまうおそれがある。ｎ型金属酸化物半導体層２は、第１電極層１からの電子の注入を防ぐために設けられている。図１に示したようにｎ型金属酸化物半導体層２は第１電極層１と充電層３との間に形成されている。ｎ型金属酸化物半導体層２は省略することも可能である。
　充電層３上に形成したｐ型金属酸化物半導体層４は、上部の第２電極層５からの電子の注入を防止するために設けられている。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層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、充電層３に電池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、充電層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、充電層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、充電層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が充電層３の全面に形成され、第２電極層７が充電層３の一部に形成されている構成となっている。ここで、充電層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、充電層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層３中に電子が拡散する。すなわち、充電層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、量子電池の構造を、第１電極層６と第２電極層７とを充電層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。なぜなら、局部的に電極層を形成しても、充電層３の容積が同じであれば、同じ電力容量が得られるからである。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、第１電極層６と第２電極層７とを平行平板構造としなくても、電池としての基本性能を維持できるので、第１電極層６と第２電極層７の配置に自由度が増すため、新機能を付加することが可能になる。
（Ｃ）電極層配置
　上記のように、充電時には、電極の重複領域から電極の非重複領域に向けて電子が沁み出していく現象が明らかになった。このような沁み出し現象を利用することで、電極層の形状、及び配置の自由度が増し、新たな機能を付加した設計が可能になる。
　例えば、充電層３を介して、第１電極層６と第２電極層７とが重複する重複領域１８では、応答速度が速く、重複しない非重複領域１９では、応答速度が遅くなる。したがって、重複領域１８と非重複領域１９の面積を調整することで、放電特性を調整することができる。この点について、図８～図１１を用いて説明する。
　図８は、量子電池１０の構成を模式的に示す斜視図である。図９は、図８に示す量子電池１０の断面図である。図１０は、図９の点線部を模式的に示す図である。図１１は、第２電極層７のパターン幅Ｗ、及びパターン間距離Ｌに対する放電特性を模式的に示すグラフである。図１１では、横軸が時間、縦軸が出力電力を示している。
　まず、図８、及び図９に示すように、第２電極層７が短冊状になっている量子電池１０を考える。図８、及び図９では、第２電極層７のパターン１７がＹ方向を長手方向とする矩形状になっている。そして、複数のパターン１７がＸ方向に並んで配置されている。１つのパターン１７のＸ方向における幅をＷとし、隣接するパターン１７間のパターン間距離をＬとする。なお、第１電極層６は、充電層３の下面の全面に形成されている。以下の説明では、Ｘ方向とＺ方向のアスペクト比が非常に大きいため、Ｚ方向については無視している。
　図８では、充電層３の表面（つまりＸＹ平面）上において、第２電極層７が設けられていない領域が第２電極層が設けられている領域に挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
　上記したように、沁み出し現象によって、非重複領域１９にも電子が蓄積される。したがって、図９の模式図に示すように、非重複領域１９が電池として機能する。図４～図７を用いて説明したように、パターン１７の重複領域１８から電子が抜けた後、非重複領域１９の電子が抜けていく。よって、重複領域１８では、応答が速く、非重複領域１９では応答が遅くなる。図１０に示すように、重複領域１８では応答速度が速い電池Ｂ２が存在し、非重複領域１９には応答速度の遅い電池Ｂ１、Ｂ３が存在することにある。換言すると、応答速度の速い電池Ｂ２と、応答速度の遅い電池Ｂ１，Ｂ３とが混在した量子電池１０を実現することができる。パターン幅Ｗとパターン間距離Ｌを調整することで、応答速度を変えることができる。
　例えば、パターン幅Ｗが大きく、パターン間距離Ｌが小さい場合、重複領域１８の面積が大きく、非重複領域１９の面積が小さくなる。この場合の放電特性は、図１１のＡに示すようになり、瞬時に大きな電力を得ることができる。このような特性は、起動電力が必要なモータ駆動等に適している。
　一方、パターン幅Ｗが小さく、パターン間距離Ｌが大きい場合、重複領域１８の面積が小さく、非重複領域１９の面積が大きくなる。この場合の放電特性は、図１１のＢに示すようになる。出力電力は小さくなり、量子電池１０は、時間をかけて緩やかに放電する。なお、充電層３の面積が同じであれば、パターン幅Ｗ、及びパターン間距離Ｌによらず、電力容量は同じとなるはずである。すなわち、図１１において、電力Ｐを時間ｔで積分した値は、ＡとＢとで等しくなる。したがって、図１１のＢの場合、瞬時に取り出す電力は制限され、高負荷であっても一定の電力で長時間の放電が可能になる。このような特性は、長時間利用されるアプリケーションに適している。
　以上のように、電極層の形状、大きさ、配置によって充放電特性を調整することができる。重複面積１８の面積を大きくするほど、応答速度を速くすることができる。充電層３に対して局部的に電極層を形成した局部電極構造として、電極層のレイアウトを変更することで、充放電特性を最適化することができる。
　局部電極構造とした場合、応答速度の速い電池と遅い電池が混在する。このため、自然エネルギー発電のように激しく変動する電力源に対応することができる。例えば、太陽光発電、風力発電、潮力発電等の再生可能エネルギーによって充電する場合、充電入力の変動が大きくなってしまう。本実施の形態に係る量子電池では、応答の遅いリチウムイオン電池等と比べて、少ない損失で無駄のない充電が可能である。
　図１２に変動電力源の場合の充電特性を示す。図１２では、横軸が時間、縦軸が電力を示している。また、図１２では、Ａが充電入力、Ｂが本実施の形態にかかる量子電池１０の充電電力、Ｃが比較例としてのリチウムイオン電池の充電電力を示している。
　図１２に示すように、充電入力Ａが変動する場合、量子電池１０は、リチウムイオン電池に比べて、充電入力に対する応答が速くなる。すなわち、局部的に電極層を形成した量子電池は、応答の速い電池を有しているため、充電入力の変動に追従して、充電電力Ｂが変化する。したがって、充電入力Ａが変動した場合、量子電池１０の充電電力Ｂは、リチウムイオン電池の充電電力Ｃよりも、高くなる。
　このように、本実施形態にかかる量子電池１０は、充電特性を維持することができる。さらに、上記の量子電池１０をシート状に形成して、積層することで、容積効率向上とコストダウンを実現することができる。
（Ｄ）電極層のレイアウト
（Ｄ－１）配置例１
　次に、電極層の配置例１について、図１３～図１５を用いて説明する。図１３は、配置例１にかかる量子電池１０の構成を示す斜視図である。図１４は、量子電池１０のパターン配置を模式的に示す平面図である。図１５は、パターン配置を模式的に示す断面図である。配置例１では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７が交差するように配置されている。すなわち、パターン１６とパターン１７とがクロスメッシュ構造となっている。
　具体的には、第１電極層６のパターン１６は、Ｘ方向を長手方向とした矩形パターンになっている。そして、複数のパターン１６がＹ方向に並んで配置されている。一方、第２電極層７のパターン１７は、Ｙ方向を長手方向とした矩形パターンになっている。そして、複数のパターン１７がＸ方向に並んで配置されている。充電層３の上面にパターン１７が形成され、下面にパターン１６が形成されている。充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられていない領域の両側に第２電極層７が配置されている。
　換言すると、充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられている領域は、第２電極層７が設けられていない領域によって挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
　充電層３の表面上において、第１電極層６が設けられている領域は、第２電極層６が設けられていない領域によって挟まれている。Ｙ方向において、第１電極層６が設けられていない領域と第１電極層６が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられている領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられていない領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられている領域の間に配置されている。
　ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７が交差する部分が重複領域１８となる。そして、重複領域１８の外側が非重複領域１９となる。重複領域１８が非重複領域１９で囲まれた構成となる。非重複領域１９は、パターン１７のみが形成された箇所と、パターン１６のみが形成された箇所と、パターン１６、パターン１７のいずれもが形成されていない箇所を含んでいる。
　隣接する重複領域１８の間の領域は、非重複領域１９となる。より詳細には、重複領域１８からＸ方向にずれた箇所は、パターン１６が存在し、かつパターン１７が存在していない非重複領域１９となる。重複領域１８からＹ方向にずれた箇所は、パターン１６が存在せず、かつパターン１７が存在する非重複領域１９となる。このように、ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７とが重複する重複領域１８と、重複しない非重複領域１９とが交互に配置されている。
　充電時には、重複領域１８から電子が貯まり出し、その後、図１４の矢印のように、非重複領域１９に拡がっていく。配置例１では電極層がクロスメッシュ構造となっているため、重複領域１８からの電子の拡がりは均一になる。すなわち、電子は重複領域１８から均一に広がっていく。また、放電時にも、同様に、電子が均一に抜けていく。
（Ｄ－２）配置例２
　電極層の配置例２について、図１６～図１８を用いて説明する。図１６は、配置例２にかかる量子電池１０の構成を示す斜視図である。図１７は、配置例２のパターン配置を模式的に示す平面図である。図１８は、量子電池１０の配置例２を模式的に示す断面図である。配置例２では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７とが重複するように配置されている。
　配置例２では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７が平行に設けられ、重複するように配置されている。すなわち、ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７とが同じ位置となって、対面する同一対面構造となっている。充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられていない領域の両側に第２電極層７が配置されている。Ｘ方向において、重複領域１８と、非重複領域１９とが交互に配置されている構造となっている。
　充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられている領域は、第２電極層７が設けられていない領域によって挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
　充電層３の表面上において、第１電極層６が設けられている領域は、第２電極層６が設けられていない領域によって挟まれている。Ｘ方向において、第１電極層６が設けられていない領域と第１電極層６が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられている領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられていない領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられている領域の間に配置されている。
　配置例２では、パターン１６とパターン１７は、Ｙ方向を長手方向とする矩形パターンとなっている。パターン１６とパターン１７は同じ大きさになっている。ＸＹ平面において、パターン１６とパターン１７は、同じ位置に配置されている。したがって、パターン１７の直下には、パターン１６が存在する。換言すると、パターン１６の全面積は、重複領域１８の面積と一致する。したがって、配置例１と配置例２とで、パターン１６とパターン１７のパターン面積が同じとした場合、配置例２では、配置例１に比べて重複領域１８の面積が大きくなる。
　重複領域１８の面積が大きいため、電極層間の電子の貯まりは速くなる。一方、非重複領域１９には、パターン１６、又はパターン１７が存在していないため、電子の拡がりペースが遅くなる。すなわち、重複領域１８から非重複領域１９への電子の拡散速度が遅くなる。
（Ｄ－３）配置例３
　電極層の配置例３について、図１９～図２１を用いて説明する。図１９は、配置例３にかかる量子電池１０の構成を示す斜視図である。図２０は、量子電池１０の配置例３を模式的に示す平面図である。図２１は、量子電池１０の配置例３を模式的に示す断面図である。
　配置例３では、第１電極層６のパターン１６と第２電極層７のパターン１７が平行に設けられ、重複しないように配置されている。すなわち、ＸＹ平面視において、パターン１６とパターン１７とが互い違いに配置された互い違い構造となっている。充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられていない領域の両側に第２電極層７が配置されている。
　換言すると、充電層３の表面上において、第２電極層７が設けられている領域は、第２電極層７が設けられていない領域によって挟まれている。また、Ｘ方向において、第２電極層７が設けられていない領域と第２電極層７が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられている領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第２電極層７が設けられていない領域の少なくとも一部が、第２電極層７が設けられている領域の間に配置されている。
　充電層３の表面上において、第１電極層６が設けられている領域は、第２電極層６が設けられていない領域によって挟まれている。Ｘ方向において、第１電極層６が設けられていない領域と第１電極層６が設けられている領域とが交互に配置されている。換言すると、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられている領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられていない領域の間に配置され、かつ、充電層３の表面において、第１電極層６が設けられていない領域の少なくとも一部が、第１電極層６が設けられている領域の間に配置されている。
　配置例３では、パターン１６とパターン１７は、Ｙ方向を長手方向とする矩形パターンとなっている。パターン１６とパターン１７は同じ大きさになっている。ＸＹ平面において、パターン１６とパターン１７は、互い違いに配置されている。ＸＹ平面視において、隣接する２つのパターン１６の間に、パターン１７が配置される。換言すると、Ｘ方向において、パターン１６とパターン１７とが交互に配置される。
　したがって、パターン１７の直下には、パターン１６が存在しない。換言すると、パターン１６の全面積は、パターン１７と重なっていない。配置例３では、重複領域１８が存在しなくなる。
　重複領域１８が存在せずに、非重複領域１９のみが存在している。したがって、配置例３において、充電時は、緩やかに電子が貯まる。また、放電時は、緩やかに電子が抜けていく。
　このように、電極層のパターン１６、１７の形状、大きさ、配置などの自由度が増したことで、所望の充放電特性を得ることができる。より具体的には、パターン１６、１７の形状、大きさ、配置などを調整することで、重複領域１８と非重複領域１９の面積比を所望の値とすることができる。よって、適切な充放電特性を得ることができるように、パターンレイアウトを設計する。もちろん、パターン１６、１７のレイアウトは、配置例１～３に限定されるものではない。
　なお、配置例１～配置例３の構成を組み合わせることも可能である。例えば、短冊状のパターン１６とパターン１７を平行に形成するとともに、パターン１６の一部のみがパターン１７と重複するようにしてもよい。具体的には、パターン１６の半ピッチずらして、パターン１７を形成するようにしてもよい。あるいは、充電層３上に、Ｘ方向を長手方向とするパターン１６とＹ方向を長手方向とするパターン１７を形成するようにしてもよい。
　なお、配置例１～配置例３では、Ｘ方向又はＹ方向において、電極層が設けられていない領域と電極層が設けられている領域が交互に配置されていたが、交互に配置されている方向は特に限定されるものではない。すなわち、充電層３の表面における任意の一方向において、電極層が設けられている領域と電極層が設けられていない領域が、交互に配置されていればよい。
　また、第１電極層６と第２電極層７の一方が充電層３に対して局部的に形成されていれば、他方は充電層３のほぼ全面に形成されていてもよい。
　さらに、充電時と放電時とで、使用するパターン１６、及びパターン１７を変えるようにしてもよい。例えば、充電時には、パターン１６、及びパターン１７の全てに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、複数のパターン１６のうちの一部のパターン１６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、本実施の形態では、第１電極層６と第２電極層７の少なくとも一方が、互いに分離して形成された複数の電極層パターンを備えている。そして、充電時において、前記複数の電極パターンのそれぞれに充電電圧が供給され、放電時において、前記複数の電極パターンのうちの一部に負荷が接続される。このような充放電方法を用いることで、適切に充放電を制御することができる。
　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１８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１８の面積よりも、放電時の重複領域１８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１８の面積よりも、放電時の重複領域１８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。
　なお、配置例１～配置例３では、第１電極層６、及び第２電極層７をそれぞれ複数のパターン１６、パターン１７に分割して形成したが、一方の電極層は、一体のパターンであってもよい。例えば、第１電極層６又は第２電極層７を充電層３のほぼ全体に形成してもよい。あるいは、充電層３に対して局部的に第１電極層６、又は電極層７を形成するように、所定の形状の一体パターンで第１電極層６、又は電極層７を形成してもよい。第１電極層６、及び第２電極層７の少なくとも一方が複数のパターンに分割して形成されていればよい。こうすることで、充電時と放電時とで、重複領域１８の面積を変えることができる。すなわち、充電時と放電時とで、重複領域１８と非重複領域１９との面積比を変えることできる。よって、充電特性、及び放電特性をそれぞれ最適化することができる。
（Ｅ）回生システムへの応用
　上記したように、量子電池１０は、変動する電力源による充電に対応することができる充電特性を有している。さらに、量子電池１０は、瞬時に大きな起動電力を得ることができる放電特性を有している。このような、充電特性と放電特性を組み合わせた量子電池１０は、図２２に示すような回生システムに応用可能である。
　図２２に示す回生システムでは、動力源となるモータ３２と、モータ３２の電力源となる量子電池１０が接続されている。モータ３２は、量子電池１０から供給される電力によって動作する。そして、モータ３２が減速する際の運動エネルギー（回生エネルギー）を用いて、量子電池１０が充電される。
　このような回生システムにおける充電電力を図２３に示す。図２３に示すように、回生システムでは充電電力が一定ではなく、変動する。例えば、モータ３２が減速する時のみ、回生エネルギーが発生する。このような場合でも量子電池１０を用いることで、無駄なく蓄電することができる。
　また、回生システムにおけるモータ３２の起動時に放電電力を図２４に示す。モータ３２の起動時には、大きな起動電力が必要となる。このような場合であっても、量子電池１０は瞬時に大きな電力の放出が可能になる。よって、モータ３２を速やかに起動することができる。
　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、２０１５年７月２日に出願された日本出願特願２０１５－１３３３５１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　充電層
　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
　１６　パターン
　１７　パターン
　１８　重複領域
　１９　非重複領域
　３１　電源
　３２　モータ

Claims (11)

  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電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む充電層と、を備え、
    　前記充電層の表面上において、前記第２電極層が設けられている領域は、前記第２電極層が設けられていない領域によって挟まれている電池。
  2. 　前記充電層の表面における任意の一方向において、前記第２電極層が設けられている領域と前記第２電極層が設けられていない領域が、交互に配置される請求項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電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む充電層と、を備え、
    　前記充電層の表面における任意の一方向において、前記第２電極層が設けられている領域と前記第２電極層が設けられていない領域が、交互に配置される電池。
  4. 　第１電極層と
    　第２電極層と、
    　前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含む充電層と、を備え、
    　前記充電層の表面において、前記第２電極層が設けられている領域の少なくとも一部が、前記第２電極層が設けられていない領域の間に配置され、
    　前記充電層の表面において、前記第２電極層が設けられていない領域の少なくとも一部が、前記第２電極層が設けられている領域の間に配置されている電池。
  5. 　前記第２電極層が複数のパターンに分割して形成されている請求項１～４のいずれか１項に記載の電池。
  6. 　第１電極層と、
    　第２電極層と、
    　ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、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可される充電層と、を備え、
    　前記充電層の表面上において、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、局部的に形成されている電池。
  7. 　第１電極層と、
    　第２電極層と、
    　ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、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可される充電層と、を備え、
    　前記第２電極層が
    　互いに分離して形成された複数の電極層パターンを備え、
    　充電時において、前記複数の電極パターンのそれぞれに充電電圧が供給され、
    　放電時において、前記複数の電極パターンのうちの一部に負荷が接続される電池。
  8. 　前記充電層を介した平面視において、前記第１電極層のパターンと前記第２電極層のパターンとが重複する重複領域と、重複しない非重複領域とが交互に設けられている請求項１～７のいずれか１項に記載の電池。
  9. 　前記充電層は、自然エネルギー発電で発生した電力によって充電される請求項１～８のいずれか１項に記載の電池。
  10. 　前記充電層は、モータの回生エネルギーによって充電され、前記充電層に充電された電力は、前記モータの電力源となる請求項１～８のいずれか１項に記載の電池。
  11. 　第１電極層と、
    　第２電極層と、
    　ｎ型金属酸化物半導体と絶縁体とを含み、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可される充電層と、を備えた
    電池の充放電方法であって、
    　前記第２電極層が
    　互いに分離して形成された複数のパターンを備え、
    　前記複数のパターンのそれぞれに充電電圧が供給されることで充電が行われ、
    　前記複数のパターンのうちの一部に負荷が接続されることで放電が行われる電池の充放電方法。
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