(57)【要約】【課題】外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により一定時間放置後、所定の電圧を確保できる電池を提供する事を目的とするものである。【解決手段】一対のカーボン含有電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層を充填してなる発電素子とする。電極としてはカーボン板またはカーボンを含有した樹脂などをイオン液体に含浸させる。【選択図】図１
2011210949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のカーボン含有電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層を充填してなる発電素子であって、
前記一対の電極は、表層にイオンが含浸されていることを特徴とする発電素子
【請求項２】
前記電極は、プラズマ照射による表面改質処理によって表層に酸素原子が導入されることを特徴とする請求項１記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを発生する発電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やモバイルコンピュータに代表される携帯情報端末の需要は急速に高まりをみせており、今後さらに成長が期待される分野の１つとなっている。
一般に蓄電池としては、これまで鉛蓄電池やニッケル・カドミウム電池などが用いられてきたが、環境配慮型社会の要求からこのような有害重金属を含有する蓄電池に対する規制も次第に強まりつつある。また、小型の携帯情報端末の普及によって、より利用エネルギーの高密度化、高電圧化、高出力化、長寿命化、小型軽量化、低価格化等の要求が一層高まっている。
【０００３】
このような状況下、新たな蓄電源として、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオンキャパシタ等が開発され普及してきている。
リチウムイオン電池は、通常は非水系の電解液を使用するため、水の電気分解電圧を超える高い電圧が得られ、エネルギー密度が高い。従来の蓄電源と比較して、エネルギー密度、寿命、出力等においてより優れており、現在も端末の小型・軽量化の追及に伴い、リチウムイオン電池に関する更なる研究開発が盛んに行われている。例えば、小型・軽量化を追及したものとして、以下の特許文献１が挙げられる。特許文献１では電解質として高分子を用いて、電極の両面に触媒層を有する構造のリチウムイオン二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９４４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１において蓄電源として使用されている電気二重層キャパシタ等は、電池の放電により電圧が低下した際には、外部電圧により繰り返し充電する必要が有った。そこで、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により一定時間放置後、所定の電圧を確保できる電池を提供する事を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための第１の発明は、
一対のカーボン含有電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層を充填してなる発電素子であって、
前記一対の電極は、表層にイオンが含浸されていることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、前記電極は、プラズマ照射による表面改質処理によって表層に酸素原子が導入されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る発電素子にあっては、スペーサによって離間され、かつ所定時間イオン液体に含浸させた一対の導電性電極間に、イオン液体を充填するという簡易構造で自己充電されるため、外部電圧を用いる事無く効率的に充電を行うことができ、携帯情報端末等に好適に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る発電素子の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】発電確認テスト方法の一例を示す概念図である。
【図３】本発明に係る発電素子の発電確認試験における発電素子から発生した電圧値と電流値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る発電素子１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの発電素子１００は、一対の電極６１、６２をスペーサ２１で離間させ、前記電極間に中間層２０を充填して構成されている。
【００１１】
そして、この電極６１、６２は、導電性の電極板よりなり、中間層２０は、イオン液体によって構成されている。
【００１２】
ここで、電極６１、６２は、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であり、より好ましくは、０．１Ω・ｃｍ以下のものを使用できる。体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍを超える場合は、導電性が低い為に、発電効率が悪くなることが想定され好ましくない。
【００１３】
電極６１、６２は具体的には、導電性の良いカーボン板、またはカーボンを含有した樹脂などの複合材が挙げられ、それぞれ単独で、または２種類を組合せて使用することが出来る。
【００１４】
そして、電極６１、６２はプラズマ改質処理を施すことが好ましい。プラズマ改質処理を施すことによって、電極表層の洗浄効果及び表面酸化が期待できる。具体的には、表面酸化により電極表面の酸素濃度が高くなり、イオンの吸着量が向上する。そのため発電素子を構成したときに、電極周辺のイオンが偏在して発電性能向上に寄与する。また、イオンが偏在もしくは局在化しやすいように、一方の電極のみにプラズマ改質処理を施すと更に効果的である。
【００１５】
さらに、電極作成工程において、プラズマ改質処理後に電極をイオン液体に含浸させることで更なる発電性能の向上が見込まれる。
【００１６】
また、スペーサ２１としては、絶縁性の良い材料が用いられる。
具体的なものとしては、ガラス、石英、アルミナ、ジルコニア等の無機材料や、シリコーンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリオレフィン樹脂等の有機材料が挙げられる。
【００１７】
さらに、本発明の中間層２０はイオン液体よりなり、前記イオン液体にはイオン液体に対して可溶な固体電解質塩が含まれていることが好ましい。
【００１８】
上記イオン液体としては、特に限定されるものではないが、例えば以下の化式１から５の構造式に示すような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用いることができ、少なくとも１種のイオン液体から選択される。
【００１９】
イオン液体には、さらにアルカリ金属塩および／またはアルカリ土類金属塩が含まれていてもよい。アルカリ金属塩および／またはアルカリ土類金属塩を含む電解液材料は、電解質を含有するものとなるので、電解液の材料として好適である。
【００２０】
アルカリ金属塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩が好適であり、アルカリ土類金属塩としては、カルシウム塩、マグネシウム塩が好適である。より好ましくは、カリウム塩である。
【００２１】
さらには、電解液中での解離定数が大きい金属塩すなわち電解質塩であることが好ましく、例えば、ＬｉＣＦ3ＳＯ3，ＮａＣＦ3ＳＯ3，ＫＣＦ3ＳＯ3等のトリフルオロメタンスルホン酸のアルカリ金属塩、トリフルオロメタンスルホン酸のアルカリ土類金属塩、炭素数が２以上のパーフルオロアルキルスルホン酸のアルカリ金属塩もしくはアルカリ土類金属塩、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）３、ＫＣ（ＣＦ３ＳＯ2）３等のトリス（トリフルオロメタンスルホニル）メチドのアルカリ金属塩、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）メチドのアルカリ土類金属塩、炭素数が３以上のトリス（パーフルオロアルキルスルホニル）メチドのアルカリ金属塩もしくはアルカリ土類金属塩、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＫＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2等のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドのアルカリ金属塩、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドのアルカリ土類金属塩、炭素数が２以上のビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドのアルカリ金属塩もしくはアルカリ土類金属塩、ＬｉＰＦ６、ＮａＰＦ６、ＫＰＦ６等のヘキサフルオロリン酸のアルカリ金属塩やヘキサフルオロリン酸のアルカリ土類金属塩、ＬｉＣｌＯ４、ＮａＣｌＯ４等の過塩素酸のアルカリ金属塩や過塩素酸のアルカリ土類金属塩、ＬｉＢＦ４、ＫＢＦ４等のテトラフルオロ硼酸のアルカリ金属塩やテトラフルオロ硼酸のアルカリ土類金属塩、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＮａＡｓＦ６、ＫＩ等のアルカリ金属塩が好適である。これらの中でも、イオン液体のアニオンと同一のアニオンを有する電解質塩を用いることが好ましい。
【００２２】
イオン液体が電解質塩を含む場合の存在量としては、イオン液体に対して電解質塩が０．１ｍｏｌ・ｋｇ−１以上であることが好ましく、また、５ｍｏｌ・ｋｇ−１以下が好ましい。０．１ｍｏｌ・ｋｇ−１未満であると、イオンの絶対量が不足となって、イオン伝導度が小さくなるおそれがある。５ｍｏｌ・ｋｇ−１を超えると、イオン液体に溶解しないおそれがある。より好ましくは、１ｍｏｌ・ｋｇ−１以下である。
【００２３】
（実施例・比較例）
[発電素子の作成]
イオン液体に表１に示す固体電解質塩を０．３ｍｏｌ・ｋｇ−１溶解させ、混合溶液を調製した。図２に示すように、１対の電極６１、６２間にスペーサ２１を置き、上記調製した中間層２０となるイオン液体を電極６１、６２間に充填して発電素子とした。この時、電極６２は絶縁のため、ＰＴＦＥシート６３上に設置している状態である。
【００２４】
さらに、発電素子作成後、両電極６１、６２間に外部から電圧を印加し、配向処理を行った。なお、発電素子１００の構成要素は以下のものを用いた。
【００２５】
[イオン液体]
ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製、ＩＬ−Ｐ１４）
[電解質塩]
カリウム塩：関東化学株式会社製・カリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド
[スペーサ]
シリコンゴムシート（厚さ２００μｍ）
[ＰＴＦＥ]
日東電工株式会社製  ニトフロンＮｏ．９００ＵＬ（厚さ５０μｍ）
[電極層]
（Ｃ）ステンレス板：株式会社ミスミ製  ステンレスシムテープ
（Ｄ）カーボン板：昭和電工株式会社製  ＳＧカーボン板（気密性カーボン）
このうち、（Ｃ）を比較例１として用い、（Ｄ）を実施例１〜３及び比較例２、３として用いた。
そして、実施例１〜３においては、電極の（Ｄ）カーボン板を１２時間程イオン液体に含浸させて電極表面にイオン液体が浸潤した状態にさせる。さらに実施例２、３においては、電極をイオン液体含浸前に大気圧下にて、出力６００Ｗのプラズマ照射を３０秒間行うことによって電極表面を改質させた。
プラズマ改質処理された電極と改質処理していない電極の組成割合及び酸素と炭素の比は、表２に示す様になった。
【００２６】
[発電確認試験]
上記要領で実施例１〜３、及び比較例１〜３を作製し、発電素子の発電能力を比較するために両電極間の電位差および電流値を測定して発電材料としての能力の評価を行った。発電電圧、発電時間は、電圧波形測定装置で測定を行った。
【００２７】
電極間の電位差を測定するに当って、下記操作を行った。
（１）両電極を短絡させ電位差を０ボルトにする。
（２）その後、電極間の短絡を取り外し大気中に所定時間保存した。
（３）その後、両電極間の電位差及び電流値を測定した。
（発電量）電位差及び電流値の測定結果を表１に示す。さらに放電後、大気中に２４時間保存した後の発電素子の電圧値と電流値を図３に示す。
【００２８】
（試験結果）
表１から分かる通り、イオン液体を中間層として含有する発電素子は、放電後大気中に所定時間保存することにより上部の電極６１と下部の電極６２間に電位差を得ることができた。さらに電極６１、６２にカーボン板を採用し、上記発電素子の作成要領に従い、電極６１、６２をプラズマ照射による表面改質処理を行う事で、電極表面の洗浄効果を得られ、電極組成を示す表２から分かる様に電極表面組成に酸素含有量を増加させることが可能となる。これにより、電極へのイオン吸着量が増す。イオン吸着量の増加は、すなわち発電素子回路中の電荷移動量の増加を意味し、表１の実施例２、３に示す様に、発電性能を比較例に比べ向上させる効果を奏する。さらには、電極を予めイオン液体に含浸し電極表面にイオンを浸潤・吸着させることにより、表１の実施例１〜３に示すように発電性能が大幅に上昇したことがわかる。図３では、各実施例と比較例における電圧と電流の相対関係を示している。
【００２９】
この結果により、本発明の構成を採用すると簡易な構造で、容易に自己発電機能を備える発電素子を得ることが可能となる。
【００３０】
また、このような構成をした本発明の発電素子にあっては、電極間に電位差が生じて電気が発生することになるため、これをリード線を介して取り出し、図示しない携帯情報端末等の充電部位に蓄えることで電源として活用することができる。
なお、本発明の発電素子の適用は携帯情報端末に限定されるものではなく、非常用装置の電源に供するものに適用することも出来る。 
【符号の説明】
【００３１】
１００  発電素子
２０    中間層（イオン液体）
２１    スペーサ
６１    電極
６２    電極
【００３２】
【表１】
2011210949.tif 000003
【表２】
2011210949.tif 000004
【００３３】
【化１】
2011210949.tif 000005
【化２】
2011210949.tif 000006
【化３】
2011210949.tif 000007
【化４】
2011210949.tif 000008
【化５】
2011210949.tif 000009
【図１】
2011210949.tif 000010
【図２】
2011210949.tif 000011
【図３】
2011210949.tif 000012