(57)【要約】【課題】携帯型電子機器用の電源に好適で、更なる小型化、軽量化が可能で、安全性も高く、柔軟性を要する部位にも使用可能な発電素子を提供する。【解決手段】イオン液体を含有するシート状のエラストマーを、シート状の一対の電極で挟持してなる発電素子本体の少なくとも一方の電極の一部を、誘電材料で被覆したことを特徴とする発電素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン液体を含有するシート状のエラストマーを、シート状の一対の電極で挟持してなる発電素子本体の少なくとも一方の電極の一部を、誘電材料で被覆したことを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記電極が、導電性フィラーを含有するエラストマーであることを特徴とする請求項１記載の発電素子。
【請求項３】
前記電極が、イオン液体を含有することを特徴とする請求項２記載の発電素子。
【請求項４】
前記イオン液体を含有するシート状のエラストマーの厚さが１００μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電素子に関し、より詳細には、携帯電話やモバイルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源として好適な発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やモバイルコンピュータ等の携帯電子機器の需要は急速な高まりを見せており、今後更に成長が期待される分野の一つになっている。これら携帯型電子機器に内蔵される電源としてリチウムイオン電池が主流となっており、性能向上のために使用材料や構造をはじめてとして、数多くの提案がなされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のリチウム電池は、（１）常用領域と危険領域との差が非常に接近しており、安全性確保のため保護機構が必要であるため、軽量化や小型化には限界がある、（２）構成材料が金属や硬質プラスチックが主体であるため、外力や曲げ応力、振動が加わると破損しやすく、貯蔵されている電解液が漏れたり、電池内部で短絡が起こって温度が急上昇して電解液中の有機溶剤が揮発して発火することがある、（３）構成材料が金属や硬質プラスチックであるため、柔軟性を要する部位には使用できない、等の問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、携帯型電子機器用の電源に好適で、更なる小型化、軽量化が可能で、安全性も高く、柔軟性を要する部位にも使用可能な発電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、下記に示す発電素子を提供する。
（１）イオン液体を含有するシート状のエラストマーを、シート状の一対の電極で挟持してなる発電素子本体の少なくとも一方の電極の一部を、誘電材料で被覆したことを特徴とする発電素子。
（２）前記電極が、導電性フィラーを含有するエラストマーであることを特徴とする上記（１）記載の発電素子。
（３）前記電極が、イオン液体を含有することを特徴とする上記（２）記載の発電素子。
（４）前記イオン液体を含有するシート状のエラストマーの厚さが１００μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の発電素子。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の発電素子では、イオン液体を含有するエラストマーを一対の電極で挟持して構成される発電素子本体が、電解液を使用しないことから、電解液漏れや溶剤の揮発による発火の恐れがなく、安全機構も不要で小型化や軽量化が可能であり、更には柔軟性材料で構成されることから変形能が高く、柔軟性が要求される部位でも使用も可能である。更に、発電素子本体の電極の一部を誘電材料で被覆したため、電流漏洩が抑えられて発電効率も高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【０００８】
本発明の発電素子は、図１にその断面を模式的に示すように、イオン液体を含有するシート状のエラストマー１（以下、「発電エラストマー層」という）をシート状の電極１０で挟持した発電素子本体Ａの、少なくとも一方の電極１０の一部を誘電材料層２０で被覆したものである。
【０００９】
発電エラストマー層１を形成するベースゴムには各種ゴムを使用できるが、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム、フルオロシリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム等を好適に挙げることができる。これらはそれぞれ単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。表１にこれら好ましいゴムの性状を示すが、中でも発電性能、イオン液体との親和性、柔軟性、成形性、価格及び入手のし易さ等を考慮すると、比誘電率が３以上であり、成形体としての硬さがデュロメータＡスケール３０〜５０で、最大伸びが５００％超であることが好ましく、アクリルゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、フルオロシリコンゴム、フッ素ゴムが特に好ましい。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
また、ベースゴムには架橋剤が添加される。架橋剤の種類及び添加量は、用いるベースゴムに応じて適宜選択される。
【００１２】
イオン液体にも制限はないが、下記に示すピリジニウム系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、脂肪族アミン系イオン液体、脂肪族ホスホニウム系イオン液体等を好適に挙げることができる。これらはそれぞれ単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。
【００１３】
【化１】
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【００１４】
尚、式中のＲ〜Ｒ’’’はアルキル基であり、同一でも、それぞれ異なっていてもよい。また、Ｘは（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−；ＴＦＳＩ、Ｂ（Ｃ２Ｏ４）２−、ＢＦ４−、Ｂｒ−、Ｃｌ−、Ｉ−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＨ３ＳＯ４−、Ｃ６Ｈ４ＣＨ３ＳＯ３−、ＳＣＮ−、〔Ｐ（Ｃ２Ｆ５）３Ｆ３〕−；ＦＡＰ、〔Ｂ（ＣＮ）４〕−；ＴＣＢ、（ＮＣ）２Ｎ−、ＦｅＣｌ４−、ＣＨ３ＳＯ３−、ＨＳＯ４−、ＣＨ３ＣＨ２ＯＳＯ３−、ＣＨ３（ＯＣＨ２ＣＨ２）２ＯＳＯ３−、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、ＡｌＣｌ４−、Ｔｆ２Ｎ−、Ｃ（ＣＮ）３−等である。
【００１５】
発電エラストマー層１におけるイオン液体の含有量は、目的とする発電性能や、ベースゴム及びイオン液体の種類により適宜設定されるが、ベースゴム１００質量部に対し１〜７０質量部が好ましく、より好ましくは５〜５０質量部である。イオン液体の含有量が１質量部未満では十分な発電性能が得られず、７０質量部を超えるとベースゴムとの相溶性の上限を超えてしまい、発電エラストマー層１の可撓性が大きく損なわれてしまう。
【００１６】
発電エラストマー層１の厚さは、用いるベースゴムにより適宜設定されるが、耐久性や変形能を維持できる１００μｍ〜１ｍｍが好ましく、より好ましくは２００〜５００nmである。１００μｍよりも薄くなると変形時に穴や亀裂等が発生するおそれがあり、１ｍｍを超えると発電性能の低下や変形能の低下が起こりやすくなる。
【００１７】
また、発電エラストマー層１は、その硬さがディロメータＡスケールで２０〜６０であることが好ましく、より好ましくは３０〜５０である。この硬さが２０未満であると、変形能は大きくなるものの、機械的強度が不足するようになり、実用性が低下する。これに対してこの硬さが６０を超えると、変形能が不足して実用性が低くなる。
【００１８】
電極１０は金属製であってもよいが、変形能の点から導電性フィラーを含有するエラストマーであることが好ましい。導電性フィラーとしては、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であるものが好ましく、１×１０−１Ω・ｃｍのものがより好ましい。体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍを越える導電性フィラーを用いると、導電性が低いために発電性能に劣るようになる。具体的には、導電性カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバ、銀等が挙げられ、それぞれ単独で、または２種以上を混合して用いることができる。一方、母材となるベースゴムには、発電エラストマー層１に用いられるゴムを用いることができ、同様の架橋剤が添加される。
【００１９】
電極１０における導電性フィラーの含有量は、ベースゴム１００質量部に対し５〜７０質量部が好ましく、より好ましくは１０〜５０質量部である。導電性フィラーの含有量が５質量部未満では導電性が不十分であり、発電素子としての実用的な性能を発揮できない。これに対して導電性フィラーの含有量が７０質量部を超えると、素子全体としての可能性に劣るようになる。
【００２０】
また、電極には、起電力を高め、伸びを向上させるためにイオン液体を添加してもよく、具体的には発電エラストマー層１に用いられるイオン液体をベースゴム１００質量部に対し１〜７０質量部、好ましくは５〜５０質量部添加することができる。
【００２１】
電極の厚さは５〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜５０μｍである。電極１０が５μｍより薄くなると変形時に穴や亀裂が発生しやすく、また成膜も困難になる。これに対し電極１０が１００μｍを超えると変形に追随するのが困難になるとともに、導電性も低下する。また、硬さは、発電エラストマー層１と同等であることが好ましい。
【００２２】
また、電極１０は、発電エラストマー層１の表裏面で同一のものを用いてもよく、異なるものを用いることもできる。例えば、一方の面に導電性フィラーのみを含有する電極を設け、他方の面に導電性フィラーとイオン液体とを含有する電極を設けることができる。
【００２３】
発電素子本体Ａを製造するには、ベースゴム、架橋剤及びイオン液体を混合し、得られた混合液をロールコータ等により所定の厚さの半硬化状態の発電エラストマー薄膜を製造する。そして、２枚の電極で発電エラストマー薄膜を挟んで積層体とし、この積層体を加圧加熱成形すればよい。この加圧加熱成形により、架橋も同時に行われる。電極がエラストマーの場合は、ベースゴム、架橋剤及び導電性フィラー、必要に応じてイオン液体を添加してなる混合液を、ロールコータ等により所定厚さの半硬化状薄膜にすればよい。
【００２４】
一方、誘電材料層２０は、誘電率もしくは帯電率がより高い方が好ましく、例えばフェノール樹脂等に代表される熱硬化性樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等に代表されるフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ナイロン等のアミド結合を有するポリアミド系樹脂等に代表される熱可塑性樹脂、炭化カルシウム等のカーバイド、エボナイト、ガラス、紙・レーヨン・セロファン等のセルロースを成分とする物質、綿・麻・リンネル・絹・ウール・カシミヤ等の天然繊維等をフィルムやシート、薄板に成形し、電極１０と接合して形成すればよい。また、樹脂の場合は、塗布し乾燥してもよい。誘電材料は帯電しやすいため、電極１０を被覆することにより、発電素子本体Ａからの電流漏洩を抑える効果がある。中でも、ＰＴＦＥやポリアミド系樹脂が特に好適である。
【００２５】
また、誘電材料層２０は、電極１０のより広い面積を被覆することが好ましく、通常は、電極１０とリード線との接続部を除いて被覆することが望ましい。
【実施例】
【００２６】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２７】
（実施例１〜３、比較例１）
表２に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を１０質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状の発電エラストマー薄膜を得た。発電エラストマー薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。
【００２８】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバ（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、上部電極用または下部電極用のエラストマー薄膜を得た。電極用エラストマー薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで４０であった。また、体積固有抵抗を測定したところ、６．０×１０−１Ω・ｃｍであった。
【００２９】
そして、発電エラストマー薄膜、上部電極用エラストマー薄膜及び下部電極用エラストマー薄膜を積層し、加圧加熱成形して発電素子本体を得た。
【００３０】
（発電機能評価）
上記で作製した各発電素子本体を、図２に示す測定回路に挿入して発電材料としての機能を評価した。発生電圧、発電時間は電圧波形測定装置で観察することで行なった。
【００３１】
また、誘電材料層として、実施例１では、ＰＴＦＥフィルム（日東電工株式会社製「ニトフロンＮｏ．９００ＵＬ」、実施例２ではＭＣナイロン板（日本ポリペンコ株式会社製「ＭＣナイロン」）、実施例３では上質紙を図１に示すように下側の電極に接合して一週間放置した後、同様にして発生電圧を測定した。そして、放置前の発電素子本体自身の発生電圧と、誘電材料層を接合して放置した後の発生電圧との比を求めた。比較例１については、発電素子本体のまま放置した後、発生電圧を測定した。結果を表２に併記する。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２から、電極に誘電材料層を接合することにより、発電機能の低下が抑えられる、もしくは向上することがわかる。
【００３４】
また、このことから、誘電材料層の無い一般的なエラストマー発電素子（ここでは発電素子本体）を、保管時に誘電材料からなるフィルムやシートで包囲しておくことにより、発電性能を維持できるということもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発電素子の断面を模式的に示す図である。
【図２】実施例において発電試験に用いた測定回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ  発電素子本体
１  発電エラストマー層
１０  電極
２０  誘電材料層
【図１】
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【図２】
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