JP2011114333A

JP2011114333A - 多用途利用の蓄電器

Info

Publication number: JP2011114333A
Application number: JP2009283408A
Authority: JP
Inventors: Goro Igarashi; 五郎五十嵐
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】電気（ＥＶ）自動車およびハイブリッド自動車のエコカーまたは太陽電池や燃料電池等に設ける多用途利用の蓄電器を提供する。
【解決手段】誘電体として、アモルファスシリコンに、シフター（ｓｈｉｆｔｅｒ）およびディプレッサー（ｄｅｐｒｅｓｓｏｒ）作用を付与するため、チタン酸バリウムおよびチタン酸ストロンチウム等の添加物を添加し、極薄鋼電極板には、ラジカル酸化膜またはラジカル窒化膜の絶縁膜を設けた構成の蓄電器とする。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

電気（ＥＶ）自動車およびハイブリッド自動車のエコカーまたは太陽電池や燃料電池等に設ける蓄電器であり、二次電池および半導体素子を設けた構成に関する多用途利用の蓄電器である。

イオン液体採用の電気二重層キャパシタ。
電気二重層キャパシタは、炭素を主成分とする電極と電解質から構成される電気を貯蔵するデバイス、電気エネルギーは電極表面に形成されるイオンの吸着層に蓄えられる。具体例として、日清紡（株）が新規のＤＥＭＥ系イオン液体を開発し、パワー密度とエネルギー密度を世界最高レベルで両立させた大型の電気二重層キャパシタＮ’ＣＡＰ［日本無線（株）商品名］の電解液として採用されている。

ポリアセン系キャパシタ。
ポリアセニック系有機半導体ＰＡＳはフェノール樹脂の特殊な熱縮合反応によって得られる導電性高分子である。ＰＡＳを正負両極に用いたポリアセンキャパシタは高容量で、そのアモルファス構造に多くのイオンを蓄えることができるため、従来の電気二重層コンデンサと比較すると大きな容量を有している。コイン型ＰＡＳキャパシタは携帯電話、デジタルカメラに代表されるモバイル機器のリアルタイムクロックのバックアップ電源として世界中で広く採用されている。

各種二次電池。
二次電池には鉛蓄電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムイオン電池等があり、太陽電池と組み合わせた蓄電池としてはニッケルカドミウム電池や鉛蓄電池等がある。ハイブリッド車や電気自動車向け電池には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池およびリチウムイオンポリマー電池等である。

発明が解決しようとする課題点

ハイブリッド車などには現在ニッケル水素電池が搭載されているのであり、電気自動車（ＥＶ）には高出力のリチウムイオン電池が必要とされる。中小型車クラスでは従来のＥＶ専用電池と関連システムの製造コストが１台当たり３００万円程度とみられる。海外では米ベンチャーのテスラ・モーターズ（カリフォルニア州）がデジタル家電用電池を搭載したＥＶ「テスラ・ロードスター」を２００８年３月から量産している。パナソニックはデジタル家電や電動工具に使われる円筒型の小さな電池の技術を応用し、同電池を数千個積むことでＥＶ専用電池並みの出力を確保。これらの電池を細かく制御する技術の開発を進めて、ＥＶ１台当たりの電池製造コストを従来型の３分の１程度に引き下げることを目指す。としている。

現在、電気自動車にリチウムイオン電池を搭載した場合、１回の充電で走れる距離は中型車で１００ｋｍ、小型車で１５０ｋｍとされ、一度の給油で５００ｋｍ超を走るガソリン車に劣る。プロジェクトでは電池１ｋｇ当たりにためられる電力を現行の３倍に高める技術を開発し、走行距離を伸ばす。経済産業省所管の新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）は、京大に研究拠点のプロジェクトを設置し、参加企業などから５０人以上が常駐して各社が必要な共通の基盤技術を開発する。

韓国の電気自動車（ＥＶ）ベンチャー、ＣＴ＆Ｔは日本で２人乗りの電気自動車を発売、最高時速７０ｋｍのＥＶ車。電池は鉛電池とリチウムポリマー電池の２種類。家庭用電源で充電でき、１回のフル充電での走行距離は７０〜１２０ｋｍである。

電気自動車（ＥＶ）の専用電池（リチウムイオン電池）での走行距離は１００ｋｍ〜１５０ｋｍであり、製造コストは１台当たり３００万円程度である。ＥＶ車の走行距離を伸ばし、製造コストの引き下げ、軽量化等の蓄電器を開発するものであり、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド車のエコカーまたは太陽電池や燃料電池等に設ける多用途利用の蓄電器を開発しようとするものである。

課題を解決するための手段

１・極薄鋼電極板に銅板等を設けた正極２および負極４の電極板に、アモルファスシリコン３を設けて、電極板および誘電体を渦巻き状に巻き上げて円筒型または多角筒型に設けた蓄電器。
２・極薄鋼電極板に銅板等を設け、角波状に設けた正極１０および負極１２の電極板を交互に設けて、アモルファスシリコン１１の誘電体を設けた積層型の蓄電器。
３・アモルファスシリコンにチタン酸バリウムおよびチタン酸ストロンチウム等を設け、シフターやディプレッサー作用を設けた比誘電率の高い添加物をアモルファスシリコンに設け、極薄鋼電極板に設けた蓄電器。
４・極薄鋼電極板にラジカル酸化膜またはラジカル窒化膜の絶縁膜を設け、誘電体となるアモルファスシリコン等を設けた蓄電器。
５・蓄電器の一定な電流の持続に二次電池を設け、電流増幅作用および制御等に半導体素子と二次電池を設けた蓄電器。
６・蓄電器および二次電池の過充電を防ぐため、半導体素子を設ける。

作用

正極２および負極４となる極薄鋼電極板の厚さを０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の銅板等を設けた電極板に、アモルファスシリコンを設けるのである。この誘電体となるアモルファスシリコン３膜の厚さは１μｍ程度であり、蓄電器の電極板および誘電体を渦巻き状に設けて実効表面積を大きくし、電極間隔を１μｍ程度に設けた、静電容量を大きく設けた円筒型または多角筒型の蓄電器である。
角波状等に設けた正極１０および負極１２の極薄鋼電極板の厚さは、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の銅板等を交互に設けた電極板に、１μｍ程度のアモルファスシリコン１１を設けるのである。電極板を角波状等に設けて実効表面積および強度を大きくし、電極間隔を１μｍ程度の積層に設けた静電容量を大きく設けた積層型蓄電器である。

アモルファスシリコンに比誘電率の高いチタン酸バリウム等を設け、静電容量が大きい誘電体を設けるのである。チタン酸バリウムにチタン酸ストロンチウム等の混ぜ物を設け、シフターやディプレッサー作用を設けた添加物を設けて常温で高い誘電率のアモルファスシリコン膜を設けた蓄電器であり、極薄鋼電極板の銅板等にラジカル酸化膜またはラジカル窒化膜の絶縁膜を設けて、誘電体の絶縁耐力を大きく設けた蓄電器である。

電気容量をもった蓄電器の一定な持続電流には、二次電池との併用であり、電流増幅作用や制御等に半導体素子を設けるのである。この蓄電器の持続電流および半導体素子に流す電流には、二次電池の電流を用いるのであり、蓄電器と半導体素子および二次電池を設けた構成である。

蓄電器および二次電池の充電に半導体素子を設け、半導体素子の制御により蓄電器および二次電池の過充電を防ぐのである。また、太陽電池や燃料電池の蓄電も同様である。

請求項１の実施例について説明する。
円筒型または多角筒型の蓄電器は、正極２および負極４の極薄鋼電極板にアモルファスシリコン３を設けて渦巻き状に巻き上げた構成の蓄電器。
円筒型または多角筒型（図１の参考図参照）の蓄電器は、上方に開口部を有する円筒型または多角筒型の金属外装缶１と正極２および負極４となる極薄鋼電極板にアモルファスシリコン３を設けて渦巻き状に巻き上げるのであり、負極４の電極板は金属外装缶１負極端子に設け、正極２の電極板は正極端子６を設けた金属軸５に設けるのである。下部絶縁板９および上部絶縁板８を設けた金属外装缶１上方の開口部は封口蓋および絶縁パッキン７を設けて封口するのである。

真空に保たれた反応室内に高純度のシリコンを含んだガスを導入し、放電により高いエネルギーを加えることによって原料ガスを分解し、分解されてできた高純度のシリコンは、２００℃〜３００℃に加熱された極薄鋼電極の基板上に堆積され、アモルファスシリコン膜が形成される。アモルファスシリコン３膜が形成された極薄鋼電極の正極２および負極４の電極板を、渦巻き状に巻き上げるのである。
この高純度のシリコンを含んだガスの製造は、アモルファスシリコン太陽電池の製造方法である。一般的な特徴としては以下のような点がある。▲１▼製造に必要な温度が３００℃でよい。▲２▼アモルファスシリコン３膜の厚さが１μｍ以下でよい。▲３▼ガス反応であるため大面積化が容易等である。

極薄鋼電極板には銅板等を設けるのであり、厚さは０．０１ｍｍ／０．０３ｍｍ／０．０５ｍｍ程度の銅板等を用いた正極２および負極４の電極板であり、厚さ１μｍ程度の高純度アモルファスシリコン３膜を設けるのである。アモルファスシリコン３膜を設けた正極２の電極板は正極端子６を設けた金属軸５に設けるのであり、アモルファスシリコン３膜を設けた負極４の電極板は金属外装缶１負極端子に設けた蓄電器である。

請求項２の実施例について説明する。
積層型蓄電器は、角波状等に設けた正極１０および負極１２の極薄鋼電極板を交互に設けて、アモルファスシリコン１１を設けた積層構成の蓄電器。
積層型（図２および図３の参考図参照）蓄電器は、正極１０および負極１２の極薄鋼電極板を角波状等に設け、アモルファスシリコン１１を設けるのであり、電極板は交互に設けるのである。正極１０は正極端子１６を設けた正極集電板１４に設け、負極１２は負極端子１７を設けた負極集電板１５に設けて外装１３で被うのである。この積層型蓄電器の極薄鋼電極板を角波状等に設けるのは、電極板やアモルファスシリコン膜の表面積および強度を大きく設けるのであり、多くの静電容量を設けた積層構成である。また銅板等を設けた極薄鋼電極板の厚さおよび高純度のアモルファスシリコン膜の厚さについては、実施例１に記述と同様であり省略する。

請求項３の実施例について説明する。
誘電体となるアモルファスシリコンに、シフター（ｓｈｉｆｔｅｒ）およびディプレッサー（ｄｅｐｒｅｓｓｏｒ）作用を設けた比誘電率の高い添加物を設けた蓄電器。
アモルファスシリコンに比誘電率の高いチタン酸バリウムおよびチタン酸ストロンチウム等を混ぜ、温度移動のシフターおよび特性のピークをおさえるディプレッサーを設けるのである。
真空に保たれた反応室内に高純度のシリコンを含んだガス、原料ガスを導入し、放電により高いエネルギーを加えることによって原料ガスを分解し、分解されてできたシリコンは、２００℃〜３００℃に加熱され、極薄鋼電極板の銅板等の基板上に堆積するのである。この際、原料ガスにチタン酸バリウムおよびチタン酸ストロンチウム等の添加物を混ぜ、誘電率がきわめて大きいアモルファスシリコン膜が形成されるのである。添加物であるチタン酸バリウムに、シフター作用（温度移動）のチタン酸ストロンチウムやジルコン酸バリウムおよびディプレッサー作用（ピークを抑える）のチタン酸マグネシウムやチタン酸カルシウムなどを少し混ぜ、常温で高い誘電率の誘電体を設けるのである。この誘電体と電極板を渦巻き状に設けた円筒型または多角筒型の蓄電器であり、電極板を交互の積層に設けた積層型蓄電器である。

請求項４の実施例について説明する。
極薄鋼電極板にラジカル酸化膜またはラジカル窒化膜の絶縁膜を設け、誘電体となるアモルファスシリコン等を設けた蓄電器。
銅板等の極薄鋼電極板にラジカル酸化膜またはラジカル窒化膜を設けて、誘電体となるアモルファスシリコン膜の絶縁耐力を大きく設けた構成である。酸化絶縁膜または窒化絶縁膜は、ラジカル酸化やラジカル窒化であり、４００〜６００℃程度の温度で行われる絶縁膜である。絶縁膜の厚さは７ｎｍ以下への薄膜化の可能性が確認されたマイクロ波励起高密度プラズマ装置による。この酸化絶縁膜や窒化絶縁膜を極薄鋼電極板に設けて、アモルファスシリコンの絶縁耐力を大きく設けた構成である。チタン酸バリウム等の添加物を設けた比誘電率の高いアモルファスシリコンである。添加物を設けたアモルファスシリコンを、ラジカル酸化または窒化の絶縁膜を設けた極薄鋼電極板に設けるのであり、絶縁耐力を大きく設けた静電容量が大きい蓄電器である。

請求項５の実施例について説明する。
蓄電器において、蓄電器の一定な電流の持続および電流増幅作用等の制御に、半導体素子と二次電池を設けた構成の蓄電器。
電気容量の大きい導体系をコンデンサーと呼び、蓄電器ともいう。電気容量をうるための装置。電気容量をもったコンデンサーに電圧を加えると電荷が蓄積される。直流の場合には電荷は蓄積されるが電流が流れない。コンデンサーの正極と負極の両極をつなぐと、電荷は流れて移動する。このとき電荷が流れて電流になる。この電流は時間とともに激しく変化し、短い時間だけ続くのである。しかし二次電池を使えば持続し、時間的に一定な電流を流すことができるのである。正極と負極の間に二次電池に無理にならないくらいの電流を流すと、持続電流が流れるのである。したがって、蓄電器の一定な電流の持続に二次電池を設けるのである。

電流増幅作用のＮＰＮ型トランジスタ、Ｎ型半導体にはコレクタ（Ｃ）、Ｐ型半導体にはベース（Ｂ）、Ｎ型半導体にはエミッタ（Ｅ）の名称を設け、コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）間は反対方向のダイオードが接続されているため、直流電圧をかけても電流は流れないのであるが、ベース（Ｂ）に小さい別の電圧をかけると、コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）間には５０〜２００倍位の電流が流れる。このベース（Ｂ）に用いる電流に二次電池を設けた増幅作用である。この電流増幅作用の記述は基本構成であり、現在ではＩＣ・ＬＳＩ・超ＬＳＩ・ジョセフソン素子・ガリウムひ素などの素子技術である。したがって、電流増幅作用および制御等に半導体素子を設けるのである。

多用途利用の蓄電器は二次電池と併用に設けるのであり、電流増幅作用の半導体素子にも二次電池を要するのである。蓄電器および二次電池と半導体素子はシステム構成で設けるのが効率向上であり、高効率である。この高効率のシステム構成を電気（ＥＶ）自動車およびハイブリッド自動車に設けて、走行距離を伸ばすのである。

請求項６の実施例について説明する。
蓄電器および二次電池の充電において、過充電を防ぐ制御に半導体素子を設けた構成の蓄電器と二次電池。
蓄電池および二次電池の充電には過充電を防ぐのが重要である。過充電を防ぐ制御に半導体素子を設けるのであり、充電時の電源が半導体素子の作動電源である。蓄電器および二次電池の充電には半導体素子の作動および制御により、過充電を防ぐのである。また太陽電池や燃料電池等の蓄電も同様である。

本出願の参考文献。
１・〈重点解説〉最先端化学技術のエッセンス
編著者先端化学技術研究発行所株式会社工業調査会。
２．世界をリードする半導体共同研究プロジェクト −日本半導体産業復活のために− 編者垂井康夫発行所株式会社工業調査会。
３・入門エレクトロニクス不思議な石ころ電子セラミックス
著者泉弘志発行所株式会社誠文堂新光社。
４・電気のことがわかる事典
編者ＨＯＭＥＥＬＥＣＡ発行所株式会社西東社。
５・サイエンスシリーズ太陽電池博士による太陽電池もの知り博士になる本著者桑野幸徳発行所株式会社パワー社。
６・世界大百科事典電気発行所平凡社。
７・世界大百科事典コンデンサー発行所平凡社。
８・世界代百科事典チタン酸バリウム発行所平凡社。
９・オール日本で次世代蓄電池２００９年６月１１日新聞掲載、
１０・パソコンの電池・車の動力に転用２００９年９月３０日新聞掲載、
１１・韓国ＶＢ低価格の電気自動車発売２００９年１０月２３日新聞掲載、
新聞掲載文一部抜粋日本経済新聞。

発明の効果

極薄鋼（厚さ０．０１〜０．０５ｍｍ程度）に銅板等の電極板を設け、誘電体にはアモルファスシリコン（厚さ１μｍ程度）を設けた渦巻き状または積層に設けた蓄電器は、静電容量の効率向上であり、より多くの静電容量を設けるために誘電体のアモルファスシリコンにチタン酸バリウム等の添加物を設けた高効率の静電容量を設けた蓄電器である。この蓄電器を太陽電池および燃料電池等の蓄電に設けるのであり、大きな静電容量を設けた蓄電器の一定な電流の持続には二次電池との併用で設けるのである。

大きな静電容量を設けた蓄電器および半導体素子と二次電池をシステムで設けて、電気自動車等に搭載するのである。搭載には蓄電器の持続電流および半導体素子の少量の電流に二次電池を設けるのであり、主体の蓄電器および二次電池と半導体素子をシステム構成で設けるのである。
ＥＶ車への搭載重量の軽量化および蓄電器の低価格化、半導体素子を設けた効率化や二次電池の少量化であり、電気（ＥＶ）自動車等の走行距離の延長である。
現在、一回のフル充電での電気自動車の走行距離は１００〜１５０ｋｍ程度であり、蓄電器を設けたシステム構成では３００ｋｍを目指し、ガソリン車並みの走行距離が目標である。また、ハイブリッド自動車も同様である。

半導体素子を設けた制御により、蓄電器および二次電池の充電における過充電を防ぐのであり、太陽電池や燃料電池等からの蓄電も同じである。

円筒型または多角筒型の蓄電器の断面参考図。積層型単位蓄電器の縦断断面参考図。積層型単位蓄電器の横断断面参考図。

１金属外装缶・負極端子
２正極
３アモルファスシリコン
４負極
５金属軸
６正極端子
７絶縁パッキン
８上部絶縁板
９下部絶縁板
１０正極
１１アモルファスシリコン
１２負極
１３外装
１４正極集電板
１５負極集電板
１６正極端子
１７負極端子

Claims

円筒型または多角筒型の蓄電器は、正極２および負極４の極薄鋼電極板にアモルファスシリコン３を設け、渦巻き状に巻き上げた構成の多用途利用の蓄電器。
積層型蓄電器は、角波状等に設けた正極１０および負極１２の極薄鋼電極板を交互に設けて、アモルファスシリコン１１を設けた積層構成の多用途利用の蓄電器。
誘電体となるアモルファスシリコンに、シフター（ｓｈｉｆｔｅｒ）およびディプレッサー（ｄｅｐｒｅｓｓｏｒ）作用を設けた比誘電率の高い添加物を設けた多用途利用の蓄電器。
極薄鋼電極板にラジカル酸化膜またはラジカル窒化膜の絶縁膜を設け、誘電体となるアモルファスシリコン等を設けた多用途利用の蓄電器。
蓄電器において、蓄電器の一定な電流の持続および電流増幅作用と制御等に、半導体素子と二次電池を設けた多用途利用の蓄電器。
蓄電器および二次電池の充電において、過充電を防ぐ制御に半導体素子を設けた多用途利用の蓄電器。