JP2013065674A - Electric energy storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気エネルギー蓄積装置に関する。 The present invention relates to an electrical energy storage device.
電気エネルギー蓄積装置として近年電気自動車を代表に大容量バッテリーへのニーズからリチウムイオン電池の大容量化が進むとともに電解キャパシタを機能拡張した電気二重層キャパシタ電池の開発が盛んに行われている。
なかでも磁性材料を使用した開発事例がある(例えば、特許文献1〜3参照)。
特許文献1記載の発明は、「電気エネルギを蓄積する装置」に関するものであり、「第1の磁性セクションおよび第2の磁性セクションを有する第1の磁性ユニットと、第3の磁性セクションおよび第4の磁性セクションを有する第2の磁性ユニットと、第1の磁性ユニットと第2の磁性ユニットとの間に配置された誘電体セクションと、を備え、誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、ダイポールを有する第1の磁性セクション、第2の磁性セクション、第3の磁性セクションおよび第4の磁性セクションにより電流リークを防ぐ」ものである。
特許文献2記載の発明は、「電気エネルギを蓄積する装置」に関するものであり、「第1の磁性セクションと、第2の磁性セクションと、第1の磁性セクションと第2の磁性セクションとの間に配置された誘電体セクションと、を備え、誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、ダイポールをそれぞれに有する第1の磁性セクションおよび第2の磁性セクションにより電流リークを防ぐ」ものである。
特許文献3記載の発明は、「電気エネルギを蓄積する装置」に関するものであり、「第1の磁性セクションと、第2の磁性セクションと、第1の磁性セクションと第2の磁性セクションとの間に配置された半導体セクションと、を備え、半導体セクションと第1の磁性セクションおよび第2の磁性セクションとの間の接合面により形成されるダイオードバリアが第1の磁性セクションから第2の磁性セクションへの電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積する」ものである。
In recent years, as electric energy storage devices, lithium-ion batteries have increased in capacity due to the need for large-capacity batteries represented by electric vehicles, and electric double-layer capacitor batteries with expanded electrolytic capacitors have been actively developed.
Among them, there are development examples using magnetic materials (for example, see Patent Documents 1 to 3).
The invention described in Patent Document 1 relates to “an apparatus for storing electric energy”, and “a first magnetic unit having a first magnetic section and a second magnetic section, a third magnetic section, and a fourth magnetic section. A second magnetic unit having a plurality of magnetic sections, and a dielectric section disposed between the first magnetic unit and the second magnetic unit, wherein the dielectric section stores electrical energy, and a dipole is provided. The first magnetic section, the second magnetic section, the third magnetic section, and the fourth magnetic section having the current leakage prevention prevent current leakage. "
The invention described in Patent Document 2 relates to an “apparatus for storing electrical energy”, and includes “a first magnetic section, a second magnetic section, and a first magnetic section and a second magnetic section. A dielectric section disposed on the substrate, storing electrical energy by the dielectric section, and preventing current leakage by the first and second magnetic sections each having a dipole.
The invention described in
特許文献1〜3に記載の技術において、リチウムイオン電池は大容量化の開発進展は大きいが、過充電時、事故時の発火、充放電に伴う劣化、あるいは充電時間が長いという問題点は現存すると共にリチウム資源の枯渇が問題となってくる。
そのため電池寿命が長く、充電時間が短縮できる電気二重層大容量のキャパシタの開発がおこなわれており、大規模な静電容量もつ電気二重層キャパシタ電池も実現しているがリチウムイオン電池の静電容量に比べ二十分の一程度が限界といわれており自動車等への適用には開発課題が大きい。
また従来は静電容量を拡大するため電極材料の表面積の拡大が主要開発項目となっており、リチウムイオン二次電池では蓄積効率の高いイオン物質の選定あるいは電気二重層キャパシタではナノカーボン電極材料の開発に注力されてきた。
一方、積層セラミックコンデンサーは高電圧ノイズフィルター部材として基板実装用にできるだけ小型化が図られてきたがそのため単位容積あたりの静電容量の拡大を課題とする。
In the technologies described in Patent Documents 1 to 3, although the development progress of large-capacity lithium ion batteries is large, there are problems of overcharge, ignition during an accident, deterioration due to charge / discharge, or a long charge time. At the same time, depletion of lithium resources becomes a problem.
For this reason, electric double layer large-capacity capacitors that have a long battery life and shortened charging time have been developed, and electric double layer capacitor batteries with large-scale capacitance have been realized. It is said that about one-twentieth of the capacity is the limit, and there are significant development issues for application to automobiles.
In the past, increasing the surface area of the electrode material has been the main development item in order to increase the capacitance. For lithium ion secondary batteries, the selection of an ionic substance with high storage efficiency or the nanocarbon electrode material for an electric double layer capacitor Has been focused on development.
On the other hand, the multilayer ceramic capacitor has been miniaturized as a high-voltage noise filter member for mounting on a substrate as much as possible. Therefore, the problem is to increase the capacitance per unit volume.
そこで、本発明の目的は、小型で、かつ、大容量の電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electrical energy storage device that is small in size and can obtain a large amount of electrical energy.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに挟まれるように形成された誘電体層と、を備た電気エネルギー蓄積装置において、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、金属、金属錯体あるいは導電性セラミックの微粒子が電極微粒表面積拡大層として形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 includes a first electrode formed of a conductive material, a second electrode positioned to face the first electrode, and the first electrode. An electrical energy storage device comprising a dielectric layer formed so as to be sandwiched between one electrode and the second electrode, and between the first electrode and the dielectric layer and the second layer Metal, metal complex or conductive ceramic fine particles are formed as an electrode fine particle surface area expanding layer between the electrode and the dielectric layer.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記微粒子層が、ナノ繊維、量子ドット、あるいは量子突起層としてのナノ技術形成層で形成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to claim 1, the fine particle layer is formed by a nanotechnology forming layer as a nanofiber, a quantum dot or a quantum protrusion layer.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が複数層形成されていることを特徴とする。
The invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が、単独あるいは複数層形成され、各層間に薄膜金属を組み入れたことを特徴とする。
The invention described in
請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が、磁性材料で形成されていることを特徴とする。
The invention described in
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が、着磁されていることを特徴とする。
The invention described in
請求項7に記載の発明は、導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに挟まれるように形成された誘電体層と、を備た電気エネルギー蓄積装置において、誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層により形成される誘電率向上層で構成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is a first electrode formed of a conductive material, a second electrode positioned to face the first electrode, the first electrode, and the second electrode. A dielectric layer formed by a quantum protrusion layer including a thin film, a fine particle, or a quantum dot in an electrical energy storage device comprising a dielectric layer formed between the electrodes It is characterized by comprising an improvement layer.
請求項8に記載の発明は、前記誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層の複合により形成されていることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、小型で、かつ、大容量の電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置の提供を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, provision of the electrical energy storage apparatus which can obtain a small-sized and large capacity | capacitance electrical energy is realizable.
(第1実施形態)
次に、本発明の第1の実施形態を図1を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる電気エネルギー蓄積装置を模式的に示した断面図である。
図1に示す電気エネルギー蓄積装置1は、支持基板2と、バッファ層3と、第一電極4と、微粒子層5と、誘電体層6と、第二電極7と、端子8、9と、を備えている。
(First embodiment)
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electrical energy storage device according to a first embodiment of the present invention.
An electrical energy storage device 1 shown in FIG. 1 includes a support substrate 2, a
支持基板2は、特に限定しないが、例えば、シリコン単結晶、SiGe単結晶、GaAs単結晶、InP単結晶、SrTiO3単結晶、MgO単結晶、LaAlO3単結晶、ZrO2単結晶、MgAl2O4単結晶、NdGaO3単結晶、NdAlO3単結晶、LaGaO3単結晶などによって、形成することができる。これらの中では、低コストのため、シリコン単結晶が最も好ましい。また、支持基板2の厚さは、電気エネルギー蓄積装置1全体の機械的強度を確保することができれば、とくに限定されるものではなく、例えば、10ないし1000μm程度に設定すればよい。 The support substrate 2 is not particularly limited, but for example, a silicon single crystal, a SiGe single crystal, a GaAs single crystal, an InP single crystal, an SrTiO 3 single crystal, an MgO single crystal, an LaAlO 3 single crystal, a ZrO 2 single crystal, or MgAl 2 O 4 single crystal, NdGaO 3 single crystal, NdAlO 3 single crystal, LaGaO 3 single crystal, or the like. Among these, a silicon single crystal is most preferable because of its low cost. Further, the thickness of the support substrate 2 is not particularly limited as long as the mechanical strength of the entire electric energy storage device 1 can be secured, and may be set to about 10 to 1000 μm, for example.
バッファ層3は、支持基板2の上層に形成され、支持基板2と第一電極4を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての役割を果たす。バッファ層3を形成するための材料は、例えば、ZrO2、ReO2、ReO2−ZrO2、MgAlO4、γ−Al2O3、SrTiO3、LaAlO3などによって、形成することができる。具体的には、これらの中から、支持基板2との格子整合性に優れ、熱膨張係数が、支持基板2と誘電体層6を構成する薄膜材料の間にある材料を選択して、バッファ層3を形成することが好ましい。また、バッファ層3は単層構造であっても、多層構造であってもよい。そして、バッファ層3の厚さは、支持基板2と第一電極4を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての機能を確保することができれば、特に限定されず、例えば、1ないし1000nm程度に設定すればよい。
The
なお、バッファ層3は設けなくてもよい。バッファ層3を設けない場合は、支持基板2の表面に、第一電極4を形成する。
The
第一電極4は、バッファ層3の上層に薄膜に形成され、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)などの導電性の金属によって、形成することができる。具体的には、これらの材料の中から、支持基板2あるいはバッファ層3との格子整合性に優れた材料を選択して形成することが好ましい。また、第一電極4の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの一方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、500〜1000nm程度に設定すればよい。
The
電極微粒表面積拡大層である金属微粒子層としての微粒子層5は、金属の微粒子5a(図1を参照)の積層をスパッタリング法などにより、第一電極4の表面(上層)に粒子径を制御しながら成形する。粒子径は20〜2000nm程度で設定され、積層数は例えば5層程度で成形され合わせて100nm〜1μm程度の厚みに複合積層される(図1は2層の例である)。微粒子5aの材料は、第一および第二電極に電気的に接合あるいは共有結合的に結合して電極の表面積を拡大して集電効果を拡大することで誘電体に対する誘電効果を高める機能を有する。非磁性材料としてはAu、Pt他、シリコン、銅合金など電極材料に準ずる材料の他、導電性セラミックスあるいは有機金属錯体でもよい。磁性材料として、鉄コバルト合金などの軟磁性材料あるいはマンガン酸化物のようにコロッサル効果(超巨大磁気抵抗効果)により磁性抵抗が常温で極めて高い材料を選定する。
また、微粒子5aの材料として、第一電極4と同一の材料、即ち磁性材料ではない導電性の金属を用いてもよい。微粒子5aの材料として第一電極4と同一の材料の場合は電極の表面積を100〜500倍に増大させることができる。また、磁性材料を用いた場合は磁界の集電効果により電気エネルギーの蓄積量をさらに50〜100倍に増大させることができる。
The
Further, as the material of the fine particles 5a, the same material as the
なお形態としてはナノ繊維、中空粒子、量子ドット、微小径突起構造体でもよくまたそれらと薄膜との交互の積層体でもよい。
ここで、中空粒子とは、例えば、ゼオライトのように微小発泡連通孔を有する粒子をいう。また、微小径突起構造体とは、量子ドットのようなナノレベルの山が並んだような構造体であり、局部腐食でも作製可能である。
ここで、ナノ技術を用いて形成した層をナノ技術形成層という。
In addition, as a form, a nanofiber, a hollow particle, a quantum dot, a micro diameter protrusion structure may be sufficient, and the alternately laminated body of them and a thin film may be sufficient.
Here, the hollow particles refer to particles having microfoam communication holes such as zeolite. The microprojection structure is a structure in which nano-level peaks such as quantum dots are arranged, and can be produced by local corrosion.
Here, a layer formed using nanotechnology is referred to as a nanotechnology formation layer.
誘電体層6は、第一電極4に積層した微粒子層5の上層にナノレベルの微粒子で構成される。誘電体層6の材料としては高い誘電率を持つ材料、例えばチタン酸バリウムで形成される。形態としては中空粒子、量子ドット、微小径突起構造体でもよくまたそれらと薄膜との交互の積層体でもよい。誘電体層6は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD)、有機金属化学気相成長法(metal-organic chemical vapor deposition:MOCVD)、有機金属分解法(metal-organic decomposition:MOD)やゾル・ゲル法などの液相法(CSD法)などの各種薄膜形成法を用いて形成することができる。特に低温で、誘電体層6を形成する必要がある場合には、プラズマCVD、光CVD、レーザーCVD、光CSD、レーザーCSD法を用いることが好ましい。なお、誘電体層6は、図1に示したように各層を薄膜で形成して(微粒子層5は微粒子のまま層を形成して)順次積層するため固体に形成される誘電体を用いる。
The
誘電体層6の表面(上層)には、第一電極4と同様に微粒子層5をスパッタリング法などにより粒子径を制御しながら成形する。粒子系は200〜2000nm程度で設定され、積層数は5層程度で成形され合わせて100nm〜1μm程度の厚みに複合積層される。
The
第二電極7は、誘電体層6の上層に形成した微粒子層5の上層に薄膜に形成されている。第二電極7は、導電性を有していれば特に限定されるものではなく、第一電極4と同様な材料によって形成することができるが、格子整合性を考慮する必要はなく、また、室温で形成することができるから、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)などの卑金属や、WSi、MoSiなどの合金を用いて形成することもできる。また、第二電極7の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの他方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、100〜10000nm程度に設定すればよい。
The second electrode 7 is formed as a thin film in the upper layer of the
端子8は、第一電極4から引き出され、図示しない入出力回路等と接続するための一方の端子であり、端子8を引き出すために第一電極4は表出してマスキングで部分露出が行われている。端子9は、第二電極7から引き出され、図示しない入出力回路等と接続するための他方の端子である。
The
上述したように形成することで、第一電極4と誘電体層6との間および第2電極7と誘電体層6の間に微粒子層5が形成される。
By forming as described above, the
上述した電気エネルギー蓄積装置1は、図示しない電源装置などに端子8、9を接続することで、電荷(電気エネルギー)を充電(蓄積)する。この際に微粒子層5の微粒子5aが磁性材料で構成されていれば、(超)巨大磁気抵抗効果により電流のリークを防止して誘電体層6により多くの電荷を蓄積することができる。そして、端子8、9を電源装置から図示しない負荷に付け替えることで充電した電荷を放電して負荷に電気エネルギーを供給し動作させることができる。したがって、この電気エネルギー蓄積装置1は、薄膜キャパシタとして動作する。
The electric energy storage device 1 described above charges (stores) electric charges (electric energy) by connecting
本実施形態によれば、第一電極4と誘電体層6との間および第二電極7と誘電体層6との間に、金属の微粒子5aにより構成された微粒子層6が形成されているので、第一電極4および第二電極7の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。また、微粒子5aが金属で形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。
According to the present embodiment, the
また、微粒子層6の微粒子5aが、磁性材料で形成されているので、第一電極4と第二電極7との間に電圧を印加した場合に、電界により微粒子5aの磁性性能による集電率の向上が可能になり、より多くの電気エネルギーを蓄積することができる。
Further, since the fine particles 5a of the
なお、上述した微粒子層6の微粒子5aを磁性材料で形成する際は、予め着磁された状態で微粒子層6を形成してもよいし、電気エネルギー形成装置1として製造して当該電気エネルギー形成装置1使用前に外部から磁界をかけて着磁してもよい。予め着磁すれば、後から着磁する必要が無く、そのための回路や装置等も必要ない。
When the fine particles 5a of the
ここで、
1)電極部をナノ粒子化することで
静電容量:20μF/mm2を達成することができ、1mm高さ/100層として
2000μF/mm3の静電容量の可能性が考えられた。
これは 10cm3 で2000Fとなる計算である。
蓄電エネルギーは、1/2 × 2000F × 602
= 1KWh = 80Ah(12V換算)
となる。すなわち、リチウム電池の5倍程度の性能が初歩の検証で立証された。
換言すると、誘電体を微粒子化することで誘電率を増加させることができ、直接静電容量の向上につながることを意味する。
なお、誘電体を微粒子化することによってさらに静電容量を5〜10倍程度向上させることが可能で、蓄電池のより小型化が実現できる。
here,
1) Capacitance: 20μF / mm 2 can be achieved by making the electrode part into nanoparticles, 1mm height / 100 layers
The possibility of a capacitance of 2000 μF / mm 3 was considered.
This is a calculation of 2000F at 10 cm 3 .
The stored energy is 1/2 x 2000F x 60 2
= 1KWh = 80Ah (12V conversion)
It becomes. That is, about five times the performance of the lithium battery was proved by the initial verification.
In other words, the dielectric constant can be increased by making the dielectric particles finer, which means that the capacitance is directly improved.
It should be noted that the electrostatic capacity can be further improved by about 5 to 10 times by making the dielectric fine particles, and the storage battery can be further downsized.
また、上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Further, the above-described embodiments are merely representative forms of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments. That is, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
<作用効果>
以上説明したように本実施形態によれば、第一の電極と誘電体層との間および第二の電極と誘電体層との間に、金属の微粒子により構成された金属微粒子層が形成されているので、第一の電極および第二の電極の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。
また、本実施形態によれば、微粒子が金属で形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。
また、本実施形態によれば、各電極と誘電体層を薄膜で形成し粒径がナノオーダーの微粒子を用いることで装置の小型化を図ることができる。
<Effect>
As described above, according to this embodiment, a metal fine particle layer composed of metal fine particles is formed between the first electrode and the dielectric layer and between the second electrode and the dielectric layer. As a result, the surface areas of the first electrode and the second electrode can be increased, and thus the electrical energy that can be stored can be increased.
In addition, according to the present embodiment, since the fine particles are formed of metal, a large voltage and a large current can be taken out, and a large electric energy can be obtained.
In addition, according to the present embodiment, the size of the device can be reduced by forming each electrode and the dielectric layer as a thin film and using fine particles having a nano-order particle size.
1 電気エネルギー蓄積装置
2 支持基板
3 バッファ層
4 第一電極
5 微粒子層(電極微粒表面積拡大層)
5a 微粒子
6 誘電体層
7 第二電極
8、9 端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric energy storage device 2
Claims (8)
第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、金属、金属錯体あるいは導電性セラミックの微粒子が電極微粒表面積拡大層として形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。 Formed so as to be sandwiched between a first electrode formed of a conductive material, a second electrode positioned to face the first electrode, and the first electrode and the second electrode An electrical energy storage device comprising:
Between the first electrode and the dielectric layer and between the second electrode and the dielectric layer, fine particles of metal, metal complex or conductive ceramic are formed as an electrode fine particle surface area expanding layer. An electrical energy storage device characterized by.
誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層により形成される誘電率向上層で構成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。 Formed so as to be sandwiched between a first electrode formed of a conductive material, a second electrode positioned to face the first electrode, and the first electrode and the second electrode An electrical energy storage device comprising:
An electrical energy storage device, wherein the dielectric layer is composed of a dielectric constant improving layer formed of a quantum protrusion layer including any one of a thin film, fine particles, and quantum dots.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2011203030A JP2013065674A (en) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | Electric energy storage device |
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Publications (1)
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|---|---|
| JP2013065674A true JP2013065674A (en) | 2013-04-11 |
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| JP (1) | JP2013065674A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016207994A (en) * | 2015-04-23 | 2016-12-08 | 清水 幹治 | High capacity capacitor device |
| JP2021086855A (en) * | 2019-11-25 | 2021-06-03 | 清水 幹治 | Large-capacity capacitor device and secondary battery |
| JP2021093410A (en) * | 2019-12-09 | 2021-06-17 | 清水 幹治 | Large-capacity capacitor device and secondary battery |
-
2011
- 2011-09-16 JP JP2011203030A patent/JP2013065674A/en not_active Withdrawn
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