(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英を用いたチャンバーを使用し、前記チャンバー内に希ガス又は窒素を充填し、５８０℃以上６５０℃未満に加熱しながら、ＬＰＣＶＤ法を用いて、集電体上に活物質層として機能するシリコン層を形成し、
前記シリコン層上の自然酸化膜を除去後、前記シリコン層上に前記シリコン層を覆うように固体電解質層を形成し、
前記固体電解質層に接するように液体の電解質を設けることを特徴とする蓄電装置の作製方法。
【請求項２】
石英を用いたチャンバーを使用し、前記チャンバー内に希ガス又は窒素を充填し、５８０℃以上６５０℃未満に加熱しながら、ＬＰＣＶＤ法を用いて、集電体上に非晶質シリコン層を形成し、
前記非晶質シリコン層の水素濃度を低減した後、前記非晶質シリコン層にレーザ光を照射して結晶化させ、活物質層として機能するシリコン層を形成し、
前記シリコン層上の自然酸化膜を除去後、前記シリコン層上に前記シリコン層を覆うように固体電解質層を形成し、
前記固体電解質層に接するように液体の電解質を設けることを特徴とする蓄電装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記固体電解質層は、ナシコン型のリン酸鉄リチウムを含むターゲットを用い、スパッタリング法によって形成することを特徴とする蓄電装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
蓄電装置およびその作製方法に関する。
【０００２】
なお、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子、または、これを備えた装置全般を指すものである。
【背景技術】
【０００３】
近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池など、蓄電装置の開発が行われている。
【０００４】
蓄電装置用の電極は、集電体の表面に活物質層を形成することにより作製される。活物質層としては、例えば、炭素やシリコンなどの、キャリアとなるイオンの貯蔵および放出が可能な材料が用いられる。特に、シリコン、または、リンがドープされたシリコンは、炭素に比べ理論容量が大きく、これらの材料を活物質層として用いることは、蓄電装置の大容量化という点において好ましい（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１０３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、集電体の表面にシリコンを形成する際、当該シリコン表面に導電性の低い自然酸化膜などの酸化膜が形成されてしまう。よってシリコンを負極活物質層に用いる場合、シリコン表面に形成された導電性の低い自然酸化膜などの酸化膜に、充放電の際に過剰な負荷が掛かって電極の機能が低下する危険性が生じ、蓄電装置のサイクル特性の向上を妨げていた。
【０００７】
また、炭素などを用いる場合と異なり、シリコンの表面にはＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）と呼ばれる不動態が形成されないため、シリコンを負極活物質に用いて充放電を繰り返すと、電解液の分解および劣化が生じ、蓄電装置のサイクル特性が低下するという問題があった。
【０００８】
上記問題を鑑み、本発明の一態様は、サイクル特性が向上された蓄電装置およびその作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００９】
または、上記蓄電装置を適用した、蓄電装置の応用形態を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、集電体表面に活物質層を形成し、自然酸化膜などの酸化膜を除去した後に、活物質層の表面に固体電解質の被膜を形成する。より詳細には以下の通りである。
【００１１】
本発明の一態様は、集電体上に活物質層を形成し、活物質層上の自然酸化膜を除去後、活物質層上に固体電解質層を形成し、固体電解質層に接するように液体の電解質を設ける蓄電装置の作製方法である。
【００１２】
本発明の一態様は、集電体と、集電体上の活物質層と、活物質層上の固体電解質層と、を有する電極と、液体の電解質と、を有し、電極は、固体電解質層において液体の電解質と接する蓄電装置である。
【００１３】
上記固体電解質層は、リン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸クロムリチウム、及び硫化リンリチウムの一以上を含む層で形成することができる。
【００１４】
上記固体電解質層の膜厚は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１５】
上記活物質層は、結晶性のシリコン及びウィスカー状の結晶性シリコンの一以上を含む層で形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様は、集電体の表面に負極活物質層としてシリコンを形成した後、自然酸化膜などの酸化膜を除去している。このため、蓄電装置の電極の導電性を向上させることができる。
【００１７】
また、自然酸化膜などの酸化膜を除去した後、活物質層の表面に固体電解質を形成することで、活物質層と電解液との接触による電解液の分解および劣化を低減することができ、蓄電装置のサイクル特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】蓄電装置の負極の作製方法を説明するための断面図である。
【図２】蓄電装置の負極の作製方法を説明するための断面図である。
【図３】蓄電装置の一形態を説明するための平面図および断面図である。
【図４】蓄電装置の応用の形態を説明するための斜視図である。
【図５】無線給電システムの構成を示す図である。
【図６】無線給電システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書などにおいて開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
なお、図面などにおいて示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面などに開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００２１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、蓄電装置の作製方法の一例について、図１および図２を参照して説明する。
【００２２】
まず、集電体１０１上に、活物質層１０３としてシリコン層を形成する（図１（Ａ）参照）。なお、開示する発明は、活物質層にＳＥＩが形成されない材料を用いる場合に生じる電解質の劣化を抑制することが特徴であるから、活物質層に、シリコン以外のＳＥＩが形成されない（または形成されにくい）材料を用いる場合にも有効である。つまり、活物質層１０３には、シリコン以外のＳＥＩが形成されない材料を用いても良い。
【００２３】
集電体１０１は、電極の集電体として機能するため、箔状、板状、または網状の導電性部材を用いることができる。集電体１０１は、例えば、白金、アルミニウム、銅、チタンなどの導電性の高い金属元素を用いて形成することもできるし、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いて形成することもできるし、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケルなどのシリサイドを形成する金属元素を用いて形成することもできる。また、集電体１０１としてシリコンウェハなどの半導体基板を用いてもよい。
【００２４】
活物質層１０３として形成するシリコン層は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ：Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などで形成することができる。活物質層１０３をプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、またはＬＰＣＶＤ法で形成する場合は、原料ガスとしてシリコンを含む堆積性ガスを用いることができる。シリコンを含む堆積性ガスとしては、例えば、水素化シリコン、フッ化シリコン、塩化シリコンなどがあり、代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、Ｓｉ２Ｃｌ６などがある。なお、原料ガスに、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等）、窒素、水素、などを混合させてもよい。
【００２５】
活物質層１０３として形成するシリコン層に、リン、またはボロンなどの一導電型を付与する不純物元素を添加してもよい。リン、またはボロンなどの一導電型を付与する不純物元素を添加することで、シリコン層の導電性は高くなる。そのため、電極の導電率を高めることができ、放電容量も高めることができる。プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法を用いて活物質層１０３を形成する場合、リン、またはボロンなどの一導電型を付与する不純物元素を含む雰囲気で成膜すればよい。例えば、シリコン層にリンを添加する場合は、ホスフィンを含む材料ガスを用いて成膜すればよい。また、蒸着法やスパッタリング法を用いて活物質層１０３を形成する場合は、活物質層１０３であるシリコン層に、リン、またはボロンなどの一導電型を付与する不純物元素をドープすればよい。
【００２６】
また、活物質層１０３として形成するシリコン層は、ＬＰＣＶＤ法で形成することが好ましい。これは、ＬＰＣＶＤ法を用いることで、原料ガスの活性種が堆積中のシリコン層に供給されるため、シリコン層から集電体１０１にシリコンが拡散してシリコン不足領域（粗な領域）が形成されても、当該領域に原料ガスの活性種が供給され、シリコン不足領域がシリコン層中に残存することを抑制できるためである。そのため、集電体１０１と活物質層１０３との間に低密度な領域が形成されず、集電体１０１と活物質層１０３との界面における電子の移動を容易にすることができる。また、集電体１０１と活物質層１０３との密着性を高めることができる。また、気相成長により集電体１０１上にシリコン層を形成するため、蓄電装置の生産性が高まる。なお、活物質層１０３には、不純物として、ＬＰＣＶＤ装置のチャンバーに起因する酸素などが含まれている場合がある。
【００２７】
活物質層１０３として形成するシリコン層の結晶性は、特に限定されない。例えば、非晶質シリコン層、微結晶シリコン層、または多結晶シリコン層などであってもよい。また、シリコン層に対して結晶化工程を行ってもよい。シリコン層に対して結晶化工程を行う場合には、シリコン層中の水素濃度を十分に低減させた後に、該シリコン層に熱処理可能な程度の温度で熱処理を行ってもよいし、該シリコン層にレーザ光を照射して結晶化させてもよい。なお、活物質層１０３として多結晶シリコン層を用いることで、非晶質シリコン層を用いる場合より、電極のサイクル特性を高めることが可能である。
【００２８】
次に、活物質層１０３の表面に形成される自然酸化膜などの酸化膜を除去する。酸化膜は導電性が低いため、充放電を行う際に酸化膜が存在すると、該酸化膜に過剰な負荷が掛かってしまう。酸化膜を除去することで、電極の機能を向上させ、蓄電装置のサイクル特性も向上させることができる。
【００２９】
酸化膜の除去方法は、ウェットエッチング処理、ドライエッチング処理、またはウェットエッチング処理およびドライエッチング処理の組み合わせが挙げられる。例えば、ウェットエッチング処理には、フッ酸を含む溶液、またはフッ酸を含む水溶液をエッチャントとしてエッチングする方法があり、ドライエッチング処理には、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法などがある。
【００３０】
次に、活物質層１０３上に固体電解質層１１０を形成する（図１（Ａ）参照）。活物質層１０３として形成するシリコン層は、表面にＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を形成することができない。そのため、固体電解質層１１０を形成することで、電解液の分解および劣化を防ぐことができる。
【００３１】
固体電解質層１１０の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とし、好ましくは５０ｎｍ以下とする。固体電解質層１１０の膜厚が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば、電極と電解液との接触による電解液の分解および劣化を防止することができる。固体電解質層１１０の膜厚が１ｎｍ未満であると、活物質層の表面が十分に被覆できない。そのため、電解液の分解および劣化の防止を目的とする場合は、１ｎｍ以上であることが好ましい。また、固体電解質層１１０はイオンの移動が遅いため、膜厚を１００ｎｍ以上とすると、サイクル特性が低下する。そのため、固体電解質層１１０の膜厚は、１００ｎｍ以上は適切ではない。
【００３２】
また、固体電解質層１１０は、リン酸リチウム（ＬｉｘＰＯｙ）、リン酸鉄リチウム（ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ）、リン酸マンガンリチウム（ＬｉｘＭｎｙ（ＰＯ４）ｚ）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉｘＮｉｙ（ＰＯ４）ｚ）、リン酸クロムリチウム（ＬｉｘＣｒｙ（ＰＯ４）ｚ）などのリチウム酸化物、および硫化リンリチウム（ＬｉｘＰＳｙ）などの硫化リン化合物などを用いることができる（上記ｘ、ｙ、ｚは正の実数である）。また、固体電解質層１１０は単層構造でもよいし、積層構造でもよい。本実施の形態では、固体電解質層１１０としてリン酸リチウムを用い、単層構造で形成することとする。
【００３３】
また、固体電解質層１１０は、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。スパッタリング法で固体電解質層１１０としてリン酸リチウムを形成する場合、少なくともＬｉおよびＰＯ４を含む組成のスパッタリングターゲットを用いて、希ガスなどのイオンで該ターゲットをスパッタリングすればよい。スパッタリングターゲットを構成する材料の組成としては、一般式としてＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚが挙げられ、具体的にはＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。また、ターゲットを構成する材料は混合材料としてもよく、例えばＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３およびＦｅ２Ｏ３の混合が挙げられる。また、ターゲットにナシコン型のリン酸鉄リチウムを用いることが好ましい。これにより、安価で安定なターゲットを用いて、固体電解質層１１０を形成することができる。
【００３４】
上記スパッタリング法としては、高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直流電源を用いるＤＣスパッタリング法、またはパルス的に直流バイアスを加えるパルスＤＣスパッタリング法などを用いることができる。スパッタリング用のガスは、希ガス、酸素、または希ガスおよび酸素の混合ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えば、アルゴンなどが挙げられる。
【００３５】
ここで、集電体１０１の一部、活物質層１０３の一部、および固体電解質層１１０の一部を含む領域１０５の拡大図を図１（Ｂ）に示す。活物質層１０３を形成する際に、図１（Ｂ）に示すように、集電体１０１と活物質層１０３との間に混合層１０７が形成されることがある。混合層１０７は、活物質層１０３としてシリコン層を形成する際の加熱により、シリコンが集電体１０１中に拡散することで形成される。また、混合層１０７は、集電体１０１に含まれる金属元素やシリコンなどで形成される。
【００３６】
混合層１０７は、集電体１０１としてシリサイドを形成する金属元素を用いる場合、例えば、ジルコニウムシリサイド、チタンシリサイド、ハフニウムシリサイド、バナジウムシリサイド、ニオブシリサイド、タンタルシリサイド、クロムシリサイド、モリブデンシリサイド、タングステンシリサイド、コバルトシリサイド、およびニッケルシリサイドなどの一または複数で形成される。また、金属元素とシリコンの合金で形成されることもある。
【００３７】
集電体１０１と活物質層１０３との間に混合層１０７を形成すると、集電体１０１と活物質層１０３との間の抵抗が低減され、電極の導電率を高めることができる。そのため、放電容量を高めることができる。また、集電体１０１と活物質層１０３との間の密着性が高まり、電極の劣化を低減できるため、蓄電装置のサイクル特性の向上を図ることができる。
【００３８】
また、図１（Ｂ）に示すように、混合層１０７上に、上記金属元素を含む金属酸化物層１０９が形成される場合がある。これは、活物質層１０３として形成するシリコン層をＬＰＣＶＤ法で形成する場合、ＬＰＣＶＤ装置の石英製のチャンバーから酸素が脱離し、集電体１０１が酸化されるためである。集電体１０１として、例えば、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タングステンなどを用いて形成すると、金属酸化物層１０９は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化タングステンなどの酸化物半導体で形成されるため、集電体１０１と活物質層１０３との間の抵抗が低減され、電極の導電率を高めることができ、放電容量を高めることができる。
【００３９】
なお、ＬＰＣＶＤ法を用いてシリコン層を形成する際に、ＬＰＣＶＤ装置のチャンバー内に、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等）、窒素、などを充填する場合、金属酸化物層１０９が形成されないようにすることができる。
【００４０】
また、活物質層１０３として形成するシリコン層は、ＬＰＣＶＤ法を用いることで、結晶性シリコン領域１０３ａと、該結晶性シリコン領域１０３ａ上にウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂと、を含むように形成することができる（図１（Ｃ）参照）。
【００４１】
結晶性シリコン領域１０３ａと、ウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂと、を有する活物質層１０３の形成は、例えば、原料ガスとしてシリコンを含む堆積性ガスを用いて行うことができる。シリコンを含む堆積性ガスとしては、水素化シリコン、フッ化シリコン、塩化シリコンなどがあり、代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、Ｓｉ２Ｃｌ６等がある。なお、原料ガスに、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等）、窒素、水素、などを混合させてもよい。また、活物質層１０３の形成は、ＬＰＣＶＤ装置および集電体１０１が耐えうる温度以下、かつ、５５０℃より高い温度（好ましくは５８０℃以上６５０℃未満）で加熱しながら行えばよい。
【００４２】
なお、結晶性シリコン領域１０３ａとウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂとの境界は明確ではない。本実施の形態では、ウィスカーとウィスカーとの間に形成される各々の谷底を含む面を、結晶性シリコン領域１０３ａとウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂとの境界とする。
【００４３】
結晶性シリコン領域１０３ｂにおけるウィスカーは、結晶性の突起であれば、円柱状、角柱状などの柱状、円錐状、角錐状などの錐状、針状でもよい。また、ウィスカーの頂部は、湾曲した形状を有していてもよい。また、ウィスカーの直径は、結晶性シリコン領域１０３ａとの境界において５０ｎｍ以上１０μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以上３μｍ以下とする。
【００４４】
ここで、図１（Ｃ）に示すウィスカーの長さｈは、ウィスカーの成長方向（長手方向）の大きさをいう。例えば、ウィスカーを柱状と仮定する場合には、底面と上面との距離をいい、錐状と仮定する場合には、頭頂点と底面との距離をいうものとする。また、結晶性シリコン層の厚さは、結晶性シリコン領域１０３ａの厚さと、ウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂの厚さの和を言い、ウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂの厚さとは、ウィスカーにおいて高さが最大となる点から、結晶性シリコン領域１０３ａとウィスカーを含む結晶性シリコン領域１０３ｂとの境界までの距離をいう。なお、以下では、ウィスカーの成長方向（結晶性シリコン領域１０３ａから伸張する方向）を長手方向といい、長手方向に沿った断面の形状を長手断面形状という場合がある。また、長手方向が法線方向となる断面の形状を輪切り断面形状という場合がある。
【００４５】
図１（Ｃ）に示すように、ウィスカーの長手方向は一方向、例えば、結晶性シリコン領域１０３ａの表面に対する法線の方向に伸張していてもよい。なお、この場合、突起の長手方向は、結晶性シリコン領域１０３ａの表面に対する法線の方向と、略一致していればよい。つまり、図１（Ｃ）においては、主にウィスカーの長手断面形状が示されていることになる。
【００４６】
また、図１（Ｄ）に示すように、ウィスカーの長手方向は不揃いであってもよい。代表的には、長手方向が結晶性シリコン領域１０３ａの表面に対する法線の方向と略一致する第一のウィスカー１１３ａと、長手方向が法線の方向とは異なる第二のウィスカー１１３ｂとを有してもよい。さらには、第一のウィスカーより第二のウィスカーの方が長くても良い。つまり、図１（Ｄ）においては、ウィスカーの長手断面形状と共に、領域１０３ｄで示すように、ウィスカーの輪切り断面形状が混在する。領域１０３ｄは、円柱状または円錐状のウィスカーの輪切り断面形状であるため円形であるが、ウィスカーが角柱状または角錐状であれば、領域１０３ｄは、多角形状である。ウィスカーの長手方向が不揃いであると、ウィスカー同士が絡む場合があるため、蓄電装置の充放電においてウィスカーが脱離しにくい。
【００４７】
以上のように、本実施の形態で作製する電極は、活物質層１０３表面に形成される導電性の低い酸化膜が除去され、活物質層１０３上に固体電解質層１１０が形成されている。このため、電極の導電性が向上し、かつ、電極と電解液との接触による電解液の分解および劣化を低減することができる。そして、これを用いることにより蓄電装置のサイクル特性の向上を図ることができる。
【００４８】
また、集電体１０１と活物質層１０３（シリコン層）との間に混合層１０７が形成されると、集電体１０１と活物質層１０３との界面に起因する電気抵抗を低減することができ、また、集電体１０１と活物質層１０３との密着性を高めることができる。そのため、放電容量を高めると共に、蓄電装置の劣化を低減することができる。
【００４９】
なお、図１において、集電体１０１は、箔状、板状、または網状の導電性部材で形成される形態を示したが、図２に示すように、基板１１５上に、スパッタリング法、蒸着法、印刷法、インクジェット法、ＣＶＤ法などを適宜用いて、集電体１１１を形成することもできる。
【００５０】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成、方法などと適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００５１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、蓄電装置の構造について説明する。はじめに、図３を用いて、蓄電装置の一例である二次電池の構造について説明する。また、本実施の形態では、放電容量が高く、安全性が高い、ＬｉＣｏＯ２などのリチウム含有金属酸化物を用いたリチウムイオン電池について説明する。
【００５２】
蓄電装置１５１の平面図を図３（Ａ）に示し、図３（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂの断面図を図３（Ｂ）に示す。
【００５３】
蓄電装置１５１は、外装部材１５３と、蓄電セル１５５と、蓄電セル１５５に接続する端子部１５７および端子部１５９と、で構成されている（図３（Ａ）参照）。また、蓄電セル１５５の内部は、負極１６３と、正極１６５と、負極１６３および正極１６５の間に設けられるセパレータ１６７、およびセパレータ１６７中に満たされる電解質１６９と、で構成されている（図３（Ｂ）参照）。なお、外装部材１５３には、ラミネートフィルム、高分子フィルム、金属フィルム、金属ケース、プラスチックケースなどの材料を用いることができる。
【００５４】
また、蓄電装置１５１は、図３に示すようなパウチされた薄型蓄電装置でもよいし、ボタン型蓄電装置、円筒型蓄電装置、角型蓄電装置などでもよい。また、本実施の形態では、正極、負極、およびセパレータが積層された構造を示すが、正極、負極、およびセパレータが捲回された構造であってもよい。
【００５５】
負極１６３は、負極集電体１７１および負極活物質層１７３で構成され、正極１６５は、正極集電体１７５および正極活物質層１７７で構成される。負極活物質層１７３または正極活物質層１７７は、負極集電体１７１の一方の面、または正極集電体１７５の一方の面に形成される。
【００５６】
負極集電体１７１は端子部１５９と接続し、正極集電体１７５は端子部１５７と接続する。また、端子部１５７および端子部１５９は、それぞれ一部が外装部材１５３の外側に導出されている。
【００５７】
負極集電体１７１は、実施の形態１に示す集電体１０１（図１参照）および集電体１１１（図２参照）を用いることができる。また、負極活物質層１７３は、実施の形態１に示すシリコン層で形成された活物質層１０３（図１および図２参照）を用いることができる。なお、シリコン層にリチウムをプリドープしてもよい。
【００５８】
正極集電体１７５は、アルミニウム、ステンレスなどの材料を用いることができる。また、正極集電体１７５の形状は、箔状、板状、網状などを適用することができる。
【００５９】
正極活物質層１７７は、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、ＬｉＭｎ２ＰＯ４、などのリチウム化合物や、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ５、ＭｎＯ２などの材料を用いることができる。また、キャリアイオンを、リチウム以外のアルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンとする場合は、正極活物質層１７７のリチウム化合物において、リチウムの代わりに、例えば、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、または、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属を用いることもできる。
【００６０】
電解質１６９の溶質は、キャリアイオンであるリチウムイオンの移送が可能であり、かつ、リチウムイオンが安定に存在する材料、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎなどのリチウム塩を用いることができる。また、キャリアイオンを、リチウム以外のアルカリ金属イオン、またはアルカリ土類金属イオンとする場合は、電解質１６９の溶質として、ナトリウム塩、カリウム塩などのアルカリ金属塩、または、ベリリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、ストロンチウム塩、バリウム塩などのアルカリ土類金属塩を用いることができる。
【００６１】
電解質１６９の溶媒は、キャリアイオンであるリチウムイオンの移送が可能な材料を用いることができ、非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフランなどを用いることができる。また、電解質１６９の溶媒は、一または複数の材料を用いることができる。また、電解質１６９の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性を含めた安全性が高まり、また、蓄電装置１５１の薄型化および軽量化が可能となる。ゲル化される高分子材料は、例えば、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマーなどがある。
【００６２】
セパレータ１６７には、絶縁性の多孔体を用いることができる。セパレータ１６７は、例えば、セルロース（紙）、ポリエチレン、ポリプロピレンなどがある。
【００６３】
以上のような構造を有する蓄電装置は、メモリー効果が小さく、エネルギー密度が高く、放電容量が大きい。また、動作電圧が高い。そのため、小型化および軽量化が可能である。また、充放電の繰り返しによる劣化が少なく、長期間の使用が可能であるため、コスト削減が可能である。
【００６４】
次に、蓄電装置の別の一例であるキャパシタの構造について説明する。キャパシタは、例えば、二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどがある。以下、リチウムイオンキャパシタについて説明する。
【００６５】
リチウムイオンキャパシタは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す正極活物質層１７７の代わりに、リチウムイオンおよびアニオンの少なくとも一を可逆的に吸蔵できる材料、例えば、活性炭、導電性高分子、ポリアセン有機半導体（ＰＡＳ）などを用いて形成することができる。
【００６６】
リチウムイオンキャパシタは、充放電の効率が高く、急速充放電が可能であり、繰り返し利用による寿命も長い。
【００６７】
上記キャパシタにおいても、負極として実施の形態１に示す集電体、活物質層および導電性を有する層を含む電極などを用いることで、サイクル特性が向上する蓄電装置を作製することができる。
【００６８】
本発明で示した蓄電装置の別の一態様として、空気電池が挙げられる。空気電池の負極として、実施の形態１に示す集電体、活物質層を含む電極を用いることができ、サイクル特性が向上する蓄電装置を形成することができる。
【００６９】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成、方法などと適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００７０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した蓄電装置の応用形態について、図４を参照して説明する。
【００７１】
実施の形態２で説明した蓄電装置は、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置などの電子機器に用いることができる。また、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道用電気車両、作業車、カート、車椅子等の電気推進車両に用いることができる。ここでは、電気推進車両の代表例として車椅子を用いて説明する（図４参照）。
【００７２】
図４は電動式の車椅子５０１の斜視図である。電動式の車椅子５０１は、使用者が座る座部５０３、座部５０３の後方に設けられた背もたれ５０５、座部５０３の前下方に設けられたフットレスト５０７、座部５０３の左右に設けられたアームレスト５０９、背もたれ５０５の上部後方に設けられたハンドル５１１を有する。アームレスト５０９の一方には、車椅子の動作を制御するコントローラ５１３が設けられる。座部５０３の下方のフレーム５１５を介して、座部５０３前下方には一対の前輪５１７が設けられ、座部５０３の後下方には一対の後輪５１９が設けられる。後輪５１９は、モータ、ブレーキ、ギアなどを有する駆動部５２１に接続される。座部５０３の下方には、バッテリー、電力制御部、制御手段などを有する制御部５２３が設けられる。制御部５２３は、コントローラ５１３および駆動部５２１と接続しており、使用者によるコントローラ５１３の操作により、制御部５２３を介して駆動部５２１が駆動し、電動式の車椅子５０１の前進、後進、旋回等の動作および速度を制御する。
【００７３】
本実施の形態では、実施の形態２で説明した蓄電装置を制御部５２３の電源として用いることができる。制御部５２３の電源は、プラグイン技術や非接触給電による外部からの電力供給により充電をすることができる。また、電気推進車両が鉄道用電気車両の場合、架線や導電軌条からの電力供給により充電をすることもできる。
【００７４】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成、方法などと適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００７５】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る二次電池を、無線給電システム（以下、ＲＦ給電システムと呼ぶ。）に用いた場合の一例を、図５および図６のブロック図を用いて説明する。図５および図６に示す各ブロック図では、受電装置および給電装置内の構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとして示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが困難であり、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。
【００７６】
まず、ＲＦ給電システムについて、図５を参照して説明する。
【００７７】
受電装置６００は、給電装置７００から供給された電力で駆動する電子機器または電気推進車両であるが、この他電力で駆動する装置に適宜適用することができる。電子機器の代表例としては、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、表示装置、コンピュータなどがある。また、電気推進車両の代表例としては、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道用電気車両、作業車、カート、車椅子などがある。また、給電装置７００は、受電装置６００に電力を供給する機能を有する。
【００７８】
図５において、受電装置６００は、受電装置部６０１と、電源負荷部６１０と、を有する。受電装置部６０１は、受電装置用アンテナ回路６０２と、信号処理回路６０３と、二次電池６０４と、を少なくとも有する。また、給電装置７００は、給電装置用アンテナ回路７０１と、信号処理回路７０２と、を少なくとも有する。
【００７９】
受電装置用アンテナ回路６０２は、給電装置用アンテナ回路７０１が発信する信号を受け取る、あるいは、給電装置用アンテナ回路７０１に信号を発信する役割を有する。信号処理回路６０３は、受電装置用アンテナ回路６０２が受信した信号を処理し、二次電池６０４の充電、二次電池６０４から電源負荷部６１０への電力の供給を制御する。また、信号処理回路６０３は、受電装置用アンテナ回路６０２の動作を制御する。すなわち、受電装置用アンテナ回路６０２から発信する信号の強度、周波数などを制御することができる。電源負荷部６１０は、二次電池６０４から電力を受け取り、受電装置６００を駆動する駆動部である。電源負荷部６１０の代表例としては、モータ、駆動回路などがあるが、その他の電力を受け取って受電装置を駆動する装置を適宜用いることができる。また、給電装置用アンテナ回路７０１は、受電装置用アンテナ回路６０２に信号を送る、あるいは、受電装置用アンテナ回路６０２からの信号を受け取る役割を有する。信号処理回路７０２は、給電装置用アンテナ回路７０１が受信した信号を処理する。また、信号処理回路７０２は、給電装置用アンテナ回路７０１の動作を制御する。すなわち、給電装置用アンテナ回路７０１から発信する信号の強度、周波数などを制御することができる。
【００８０】
本発明の一態様に係る二次電池は、図５で説明したＲＦ給電システムにおける受電装置６００が有する二次電池６０４として利用される。
【００８１】
ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用することで、従来の二次電池に比べて蓄電量を増やすことができる。よって、無線給電の時間間隔を延ばすことができる（何度も給電する手間を省くことができる）。
【００８２】
また、ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用することで、電源負荷部６１０を駆動することができる蓄電量が従来と同じであれば、受電装置６００の小型化および軽量化が可能である。従って、トータルコストを減らすことができる。
【００８３】
次に、ＲＦ給電システムの別の一例について、図６を参照して説明する。
【００８４】
図６において、受電装置６００は、受電装置部６０１と、電源負荷部６１０と、を有する。受電装置部６０１は、受電装置用アンテナ回路６０２と、信号処理回路６０３と、二次電池６０４と、整流回路６０５と、変調回路６０６と、電源回路６０７と、を少なくとも有する。また、給電装置７００は、給電装置用アンテナ回路７０１と、信号処理回路７０２と、整流回路７０３と、変調回路７０４と、復調回路７０５と、発振回路７０６と、を少なくとも有する。
【００８５】
受電装置用アンテナ回路６０２は、給電装置用アンテナ回路７０１が発信する信号を受け取る、あるいは、給電装置用アンテナ回路７０１に信号を発信する役割を有する。給電装置用アンテナ回路７０１が発信する信号を受け取る場合、整流回路６０５は受電装置用アンテナ回路６０２が受信した信号から直流電圧を生成する役割を有する。信号処理回路６０３は受電装置用アンテナ回路６０２が受信した信号を処理し、二次電池６０４の充電、二次電池６０４から電源回路６０７への電力の供給を制御する役割を有する。電源回路６０７は、二次電池６０４が蓄電している電圧を電源負荷部６１０に必要な電圧に変換する役割を有する。変調回路６０６は受電装置６００から給電装置７００へ何らかの応答信号を送信する場合に使用される。
【００８６】
電源回路６０７を有することで、電源負荷部６１０に供給する電力を制御することができる。このため、電源負荷部６１０に過電圧が印加されることを低減することが可能であり、受電装置６００の劣化や破壊を低減することができる。
【００８７】
また、変調回路６０６を有することで、受電装置６００から給電装置７００へ信号を送信することが可能である。このため、受電装置６００の充電量を判断し、一定量の充電が行われた場合に、受電装置６００から給電装置７００に信号を送信し、給電装置７００から受電装置６００への給電を停止させることができる。この結果、二次電池６０４の充電量を１００％としないことで、二次電池６０４の充電回数を増加させることが可能である。
【００８８】
また、給電装置用アンテナ回路７０１は、受電装置用アンテナ回路６０２に信号を送る、あるいは、受電装置用アンテナ回路６０２から信号を受け取る役割を有する。受電装置用アンテナ回路６０２に信号を送る場合、信号処理回路７０２は、受電装置に送信する信号を生成する。発振回路７０６は一定の周波数の信号を生成する。変調回路７０４は、信号処理回路７０２が生成した信号と発振回路７０６で生成された一定の周波数の信号に従って、給電装置用アンテナ回路７０１に電圧を印加する役割を有する。このようにすることで、給電装置用アンテナ回路７０１から信号が出力される。一方、受電装置用アンテナ回路６０２から信号を受け取る場合、整流回路７０３は受け取った信号を整流する役割を有する。復調回路７０５は、整流回路７０３が整流した信号から受電装置６００が給電装置７００に送った信号を抽出する。信号処理回路７０２は、復調回路７０５によって抽出された信号を解析する役割を有する。
【００８９】
ＲＦ給電を行うことができれば、各回路の間に他のどのような回路を設けてもよい。例えば、受電装置６００が信号を受信し、整流回路６０５で直流電圧を生成した後に、後段に設けられたＤＣ−ＤＣコンバータ、レギュレータなどの回路によって、定電圧を生成してもよい。このようにすることで、受電装置６００内部に過電圧が印加されることを抑制することができる。
【００９０】
本発明の一態様に係る二次電池は、図６で説明したＲＦ給電システムにおける受電装置６００が有する二次電池６０４として利用される。
【００９１】
ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用することで、従来の二次電池に比べて蓄電量を増やすことができるので、無線給電の間隔を延ばすことができる（何度も給電する手間を省くことができる）。
【００９２】
また、ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用することで、電源負荷部６１０を駆動することができる蓄電量が従来と同じであれば、受電装置６００の小型化および軽量化が可能である。従って、トータルコストを減らすことができる。
【００９３】
ＲＦ給電システムに本発明の一態様に係る二次電池を利用し、受電装置用アンテナ回路６０２と二次電池６０４を重ねる場合は、二次電池６０４の充放電による二次電池６０４の形状の変化と、当該変形に伴うアンテナの形状の変化によって、受電装置用アンテナ回路６０２のインピーダンスが変化しないようにすることが好ましい。アンテナのインピーダンスが変化してしまうと、十分な電力供給がなされない可能性があるためである。例えば、二次電池６０４を金属製あるいはセラミックス製の電池パックに装填するようにすればよい。なお、その際、受電装置用アンテナ回路６０２と電池パックは数十μｍ以上離れていることが望ましい。
【００９４】
また、充電用の信号の周波数は特に限定はなく、電力が伝送できる周波数であればどの帯域であっても構わない。充電用の信号は、例えば、１３５ｋＨｚのＬＦ帯（長波）でも良いし、１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯でも良いし、９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのＵＨＦ帯でも良いし、２．４５ＧＨｚのマイクロ波帯でもよい。
【００９５】
また、信号の伝送方式として電磁結合方式、電磁誘導方式、共鳴方式、マイクロ波方式など様々な種類があるが、適宜選択すればよい。ただし、雨や泥などの、水分を含んだ異物によるエネルギーの損失を抑えるためには、周波数が低い帯域、具体的には、短波である３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ、中波である３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、長波である３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ、および超長波である３ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの周波数を利用した電磁誘導方式や共鳴方式を用いることが望ましい。
【００９６】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成、方法などと適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１０１    集電体
１０３    活物質層
１０３ａ    結晶性シリコン領域
１０３ｂ    結晶性シリコン領域
１０３ｄ    領域
１０５    領域
１０７    混合層
１０９    金属酸化物層
１１０    固体電解質層
１１１    集電体
１１３ａ    ウィスカー
１１３ｂ    ウィスカー
１１５    基板
１５１    蓄電装置
１５３    外装部材
１５５    蓄電セル
１５７    端子部
１５９    端子部
１６３    負極
１６５    正極
１６７    セパレータ
１６９    電解質
１７１    負極集電体
１７３    負極活物質層
１７５    正極集電体
１７７    正極活物質層
５０１    車椅子
５０３    座部
５０７    フットレスト
５０９    アームレスト
５１１    ハンドル
５１３    コントローラ
５１５    フレーム
５１７    前輪
５１９    後輪
５２１    駆動部
５２３    制御部
６００    受電装置
６０１    受電装置部
６０２    受電装置用アンテナ回路
６０３    信号処理回路
６０４    二次電池
６０５    整流回路
６０６    変調回路
６０７    電源回路
６１０    電源負荷部
７００    給電装置
７０１    給電装置用アンテナ回路
７０２    信号処理回路
７０３    整流回路
７０４    変調回路
７０５    復調回路
７０６    発振回路
【図１】
0005711615.tif 000002
【図２】
0005711615.tif 000003
【図３】
0005711615.tif 000004
【図４】
0005711615.tif 000005
【図５】
0005711615.tif 000006
【図６】
0005711615.tif 000007