(57)【要約】  モジュール（１１）は充電回路（１０）および駆動部（１４）を備える。充電回路（１０）は発電素子（１２）および蓄電素子（１３）を備える。発電素子（１２）は、蓄電素子（１３）に接続され、蓄電素子（１３）を充電する。蓄電素子（１３）は、駆動部（１４）に接続され、蓄えられた電力で駆動部（１４）を駆動する。発電素子（１２）の発電電圧は蓄電素子（１３）の充電電圧以上の値である。蓄電素子（１３）は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である。
2015137099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電素子と、前記蓄電素子を充電する発電素子とを備える充電回路であって、
前記発電素子の発電電圧は前記蓄電素子の充電電圧以上の値であり、
前記蓄電素子は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である、充電回路。
【請求項２】
前記発電素子の発電電圧の変動は、前記蓄電素子の充電電圧に対して１００〜１３０％の範囲に収まる、請求項１に記載の充電回路。
【請求項３】
前記発電素子は、色素増感型光電変換素子、アモルファスＳｉ光電変換素子、化合物半導体薄膜光電変換素子または有機薄膜光電変換素子である、請求項１または２に記載の充電回路。
【請求項４】
前記発電素子は光電変換素子であり、
５０〜２０００ｌｘの照度範囲の環境において、前記光電変換素子の発電電圧は、２０００ｌｘでの前記光電変換素子の発電電圧に対して６０％以上を維持する、請求項１ないし３のいずれかに記載の充電回路。
【請求項５】
前記発電素子と前記蓄電素子との間に保護回路が挿入される、請求項１ないし４のいずれかに記載の充電回路。
【請求項６】
前記正極活物質層および前記負極活物質層の厚みは１００μｍ以下である、請求項１ないし５のいずれかに記載の充電回路。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の充電回路と、前記充電回路の前記蓄電素子により駆動される駆動部とを備えるモジュールであって、
前記駆動部の動作電圧は前記蓄電素子の充電電圧以下である、モジュール。
【請求項８】
前記駆動部は、赤外線、磁気、温度、湿度、気圧、流量、照度、光、音波、におい、触覚の少なくとも一つを計測するセンサを有する、請求項７に記載のモジュール。
【請求項９】
前記駆動部は、無線通信部、記憶部およびそれらを制御する制御部を有する、請求項７または８に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記記憶部は、他のモジュールから自身を識別するための個別識別番号を記憶する、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記駆動部は、表示部および前記表示部を制御する制御部を有する、請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電素子および発電素子を備える充電回路、ならびにそれを用いたモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の充電回路として、例えば、特許文献１に記載の充電装置がある。この充電装置では、発電素子がＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電素子に接続されている。発電素子は、照射された光のエネルギーを電力に変換する光電変換素子である。ＤＣ／ＤＣコンバータは、光電変換素子で生成された電力を蓄電素子に供給する。蓄電素子は、供給された電力を蓄電する。このようにして、光電変換素子に光を照射することで、蓄電素子を充電することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３０４５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の充電装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータにより光電変換素子側の電圧を蓄電素子側の電圧に変換する際に、電力損失が生じる。このため、光電変換素子で生成された電力を蓄電素子に効率良く蓄電することができない。また、充電装置がＤＣ／ＤＣコンバータを備えるので、部品数が増え、充電装置のサイズが大きくなる。また、蓄電素子に関しての詳細が記載されておらず、例えば蓄電素子としてコンデンサを用いると、充放電カーブが直線的であるため、駆動部を動作させるのに必要な電圧を駆動部に安定して供給できない。【０００５】
本発明の目的は、発電された電力を効率良く蓄電することができる充電回路およびそれを用いたモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の充電回路は、蓄電素子と、蓄電素子を充電する発電素子とを備える。発電素子の発電電圧は蓄電素子の充電電圧以上の値である。蓄電素子は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である。【０００７】
この構成では、蓄電素子を充電するために、発電素子の発電電圧を昇圧回路で昇圧する必要がない。このため、電力損失が低減されるので、効率良く蓄電素子を充電することができる。また、昇圧回路を実装する必要がないので、部品数を抑えることができ、充電回路を小型化することができる。【０００８】
また、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む蓄電素子を用いることにより、負極活物質層の充電電位はＬｉ／Ｌｉ＋基準で１．５５Ｖと高いため、負極でリチウム金属の析出（デンドライド）が発生せず、蓄電素子の充電時の信頼性を向上させることができる。また、電解液の分解を抑制することができ、さらにサイクル特性に優れた安定した蓄電素子を得ることができる。このような蓄電素子の充電電圧は一般的な二次電池の充電電圧（３．８Ｖ）に比べて低くなるので、発電素子に要求される発電電圧を低減することができる。また、蓄電素子に二次電池を用いることで、充放電カーブが直線的なコンデンサに比べて充電電圧が安定しており、安定した電圧で駆動部に電力を供給することが可能である。【０００９】
（２）本発明の充電回路では、発電素子の発電電圧の変動は、蓄電素子の充電電圧に対して１００〜１３０％の範囲に収まることが好ましい。【００１０】
この構成では、発電素子と蓄電素子との間で電力損失が小さくなるので、充電効率を向上させることができる。また、蓄電素子に過電圧が印加されて蓄電素子が破壊されることを抑制できる。【００１１】
（３）本発明の充電回路では、発電素子は、色素増感型光電変換素子、アモルファスＳｉ光電変換素子、化合物半導体薄膜光電変換素子または有機薄膜光電変換素子であることが好ましい。【００１２】
この構成では、発電素子が光電変換素子からなる。蓄電素子の充電電圧は一般的な二次電池の充電電圧（３．８Ｖ）に比べて低くなるため、光電変換素子を構成する光電変換素子セルの直列数を低減することができ、延いては、発電素子を小型化することができる。【００１３】
また、光電変換素子セルの直列数が低減すると、光電変換素子の面積を変えずに個々の光電変換素子セルの面積を広くすることができる。そして、光電変換素子の発電電流量は光電変換素子セルの面積に比例する。このため、発電素子の面積を変えずに充電速度を改善することができる。【００１４】
また、色素増感型光電変換素子、アモルファスＳｉ光電変換素子、化合物半導体薄膜光電変換素子または有機薄膜光電変換素子では、照度に対する発電電圧の変化率が小さくなり、幅広い環境で安定した発電電圧が得られる。このため、低照度の環境下でも、十分な発電電圧を得ることができる。また、高照度の環境下でも、過剰に大きな発電電圧が生じにくいので、蓄電素子が破壊されることを抑制できる。【００１５】
（４）本発明の充電回路では、発電素子は光電変換素子であり、５０〜２０００ｌｘの照度範囲の環境において、光電変換素子の発電電圧は、２０００ｌｘでの光電変換素子の発電電圧に対して６０％以上を維持することが好ましい。【００１６】
この構成では、幅広い環境で安定した発電電圧が得られる。このため、低照度の環境下でも、十分な発電電圧を得ることができる。また、高照度の環境下でも、過剰に大きな発電電圧が生じにくいので、蓄電素子が破壊されることを抑制できる。【００１７】
（５）本発明の充電回路では、発電素子と蓄電素子との間に保護回路が挿入されてもよい。【００１８】
この構成では、蓄電素子に過電圧が印加されて蓄電素子が破壊されることを防止できる。【００１９】
（６）本発明の充電回路では、正極活物質層および負極活物質層の厚みは１００μｍ以下であることが好ましい。【００２０】
この構成では、活物質層と集電体との間の距離が近くなり、充放電反応に伴う抵抗を下げることができる。これにより、蓄電素子は大きな電流を流すことができる。このため、瞬間的に大きな電流を流すためにコンデンサなどを設ける必要がなくなるので、部品数を削減することができ、また、電荷移動にともなう電力損失を低減することができる。【００２１】
（７）本発明のモジュールは、本発明の充電回路と、充電回路の蓄電素子により駆動される駆動部とを備える。駆動部の動作電圧は蓄電素子の充電電圧以下である。【００２２】
この構成では、昇圧回路を使用しなくても駆動部を動かすことが可能となる。このため、電力損失が低減されるので、電力効率が良いモジュールを得ることができる。【００２３】
（８）本発明のモジュールでは、駆動部は、赤外線、磁気、温度、湿度、気圧、流量、照度、光、音波、におい、触覚の少なくとも一つを計測するセンサを有してもよい。【００２４】
この構成では、センサにより得られた情報を用いて環境のモニタリングや防犯等を行うことが可能となる。【００２５】
（９）本発明のモジュールでは、駆動部は、無線通信部、記憶部およびそれらを制御する制御部を有してもよい。【００２６】
この構成では、モジュールに無線でコンピュータ等と通信させることで、モジュールをネットワークシステムのノードとして機能させることができる。【００２７】
（１０）本発明のモジュールでは、記憶部は、当該モジュールを他のモジュールから識別するための個別識別番号を記憶する。【００２８】
この構成では、複数のモジュールから構成されるセンサネットワークシステム内において、各モジュールを区別することができる。【００２９】
（１１）本発明のモジュールでは、駆動部は、表示部および表示部を制御する制御部を有してもよい。【００３０】
この構成では、センサによる測定結果等を表示部で確認することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、発電素子で発電された電力を蓄電素子に効率良く蓄電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係る充電回路およびモジュールのブロック図である。
【図２】本実施形態に係る駆動部の具体例を示すブロック図である。
【図３】光電変換素子の発電電圧の照度依存性を示すグラフである。
【図４】本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充放電カーブを示すグラフである。
【図５】発電電圧と充電電圧との電圧比に対する充電効率を示すグラフである。
【図６】図６（Ａ）は、第１比較例となる光電変換素子の模式図である。図６（Ｂ）は、第１実施例に係る光電変換素子のブロック図である。図６（Ｃ）は、第２実施例に係る光電変換素子のブロック図である。
【図７】本実施形態に係る色素増感型太陽電池２０の断面図である。
【図８】本実施形態に係る色素増感型太陽電池２０の作製方法を示す断面図である。
【図９】本実施形態に係る色素増感型太陽電池２０の作製方法を示す断面図である。
【図１０】本実施形態に係る色素増感型太陽電池４０の断面図である。
【図１１】本実施形態に係る色素増感型太陽電池４０の作製方法を示す断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観平面図である。図１２（Ｂ）は、本実施形態に係る電池要素の分解平面図である。
【図１３】第２比較例となるモジュールのブロック図である。
【図１４】第３実施例に係るモジュールのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の第１の実施形態に係る充電回路１０について説明する。図１は充電回路１０およびモジュール１１のブロック図である。モジュール１１は充電回路１０および駆動部１４を備える。充電回路１０は発電素子１２および蓄電素子１３を備える。蓄電素子１３は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である。発電素子１２は、蓄電素子１３に接続され、蓄電素子１３を充電する。蓄電素子１３は、駆動部１４に接続され、蓄えられた電力で駆動部１４を駆動する。なお、発電素子１２と蓄電素子１３との間に、スイッチＩＣ等の保護回路が挿入されてもよい。
【００３４】
発電素子１２として後述のように環境型発電素子を用いる場合、環境型発電素子から得られる電力は数ｎＷ〜数Ｗと幅広く、使用環境に依るが、定常的に供給できる電力が小さいことが多い。一方で、蓄電素子１３に蓄えられた電力により駆動される駆動部１４は、短時間動作を行うが、動作に数十ｍＡといった比較的大きい電流を必要とする。このため、駆動部１４を動作させるためには、一旦、蓄電素子１３に電力を蓄電し、その蓄積された電力を用いる必要がある。また、環境型発電素子の置かれる環境は安定しておらず、常に安定した電力を駆動部１４に供給できるとは限らないため、一旦蓄電素子１３に電力を蓄電することで、発電素子１２から電力が得られない状況でも駆動部１４の動作に必要な電力を駆動部１４に供給することができる。
【００３５】
発電素子１２の発電電圧は蓄電素子１３の充電電圧以上の値である。蓄電素子１３の充電電圧は、２．０〜３．０Ｖであることが望ましく、２．２〜２．５Ｖであることがさらに望ましい。ここで、発電素子の発電電圧とは、エネルギー源が存在する環境に発電素子を設置した際に生じる発電素子の正負端子間の開放電圧である。蓄電素子の充電電圧とは、正極のリチウムイオンの放出電位と負極のリチウムイオンの吸蔵電位との差分である。
【００３６】
駆動部１４の動作電圧は１．８〜２．２Ｖであることが多く、充電電圧が２．０Ｖである場合、駆動部１４を動作させる際に昇圧回路が必要になる。一方で、充電電圧が３．０Ｖになると、発電素子１２の発電電圧が３．０Ｖ以上必要になるため、光発電素子を用いた場合、後述の理由（図６に関する説明を参照）により充電の効率が低下する。したがって、蓄電素子１３の充電電圧は、２．２〜２．５Ｖ程度であることがより望ましいと言える。
【００３７】
特に、発電素子１２の発電電圧の変動は、蓄電素子１３の充電電圧に対して、１００〜１３０％の範囲に収まることが望ましく、１００〜１２０％の範囲に収まることがさらに望ましい。例えば、蓄電素子１３の充電電圧が２．３Ｖであるならば、発電素子１２の発電電圧の変動は、２．３〜３．０Ｖの範囲に収まることがさらに望ましく、２．３〜２．８Ｖの範囲に収まることがさらに望ましい。
【００３８】
駆動部１４の動作電圧は蓄電素子１３の充電電圧以下である。駆動部１４の駆動電圧と蓄電素子１３の充電電圧とは近い値であることが望ましい。駆動部１４は、１つの素子のみから構成されてもよいし、複数の素子から構成される回路であってもよい。
【００３９】
発電素子１２として、外部環境からエネルギーを取り出す環境型発電素子を使用する。これにより、使用環境下でエネルギーがある限り、永久的に発電素子１２から蓄電素子１３に電力を供給することが可能となる。直流型の発電素子としては、光電変換効果を利用した光電変換素子、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子、レクテナを利用した電磁波発電素子等が挙げられる。交流型の発電素子としては、電磁誘導や圧電効果、エレクトレット等を利用して振動エネルギーを電力に変換する振動型発電素子等が挙げられる。
【００４０】
特に、発電素子１２として、種々の発電素子の中で発電電圧が高い光電変換素子を使用することが望ましい。幅広い使用環境下で発電電圧が安定している、色素増感型太陽電池、アモルファスＳｉ太陽電池、化合物半導体薄膜太陽電池または有機薄膜太陽電池等を使用することがより望ましい。低照度環境から高照度環境での電圧安定性に優れている色素増感型太陽電池を使用することがさらにより望ましい。色素増感型太陽電池の詳細については後述する。光電変換素子の発電電圧は、５０〜２０００ｌｘの照度範囲の環境において、２０００ｌｘでの光電変換素子の発電電圧に対して６０％以上を維持することが望ましい。
【００４１】
色素増感型太陽電池は本発明の色素増感型光電変換素子に相当する。アモルファスＳｉ太陽電池は本発明のアモルファスＳｉ光電変換素子に相当する。化合物半導体薄膜太陽電池は本発明の化合物半導体薄膜光電変換素子に相当する。有機薄膜太陽電池は本発明の有機薄膜光電変換素子に相当する。
【００４２】
蓄電素子１３は、上述のように、リチウムイオン二次電池である。蓄電素子１３の正極は正極集電体上に正極活物質層を形成してなり、蓄電素子１３の負極は負極集電体上に負極活物質層を形成してなる。正極活物質層および負極活物質層の厚みは、１００μｍ以下であることが望ましく、５０μｍ以下であることがより望ましく、３０μｍ以下であることがさらにより望ましい。
【００４３】
上述のように、蓄電素子１３の負極活物質層は、スピネル型結晶構造のリチウムチタン酸化物を含み、蓄電素子１３の正極活物質層はリチウム遷移金属酸化物を含む。正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物であるならば特に限定されず、正極活物質として、リチウムイオン二次電池において一般に使用されているものを用いることができる。例えば、正極活物質として、コバルト酸リチウム酸化物、マンガン酸リチウム酸化物、ニッケル酸リチウム酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物、リチウム−マンガン−ニッケル酸化物、リチウム−マンガン−コバルト酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト酸化物、リン酸鉄リチウム等を用いることができる。さらに、正極活物質は、上記の材料を混合したものでもよい。これらの材料を用いることにより、蓄電素子１３を作製することができる。このように構成された蓄電素子１３の詳細については後述する。
【００４４】
蓄電素子１３の負極活物質層は、スピネル型結晶構造のリチウムチタン酸化物を含む合剤層であり、蓄電素子１３の正極活物質層は、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を含む合剤層であってもよい。これにより、蓄電素子１３の充電電圧を２．０Ｖにすることができる。
【００４５】
また、蓄電素子１３の負極活物質層は、スピネル型結晶構造のリチウムチタン酸化物を含む合剤層であり、蓄電素子１３の正極活物質層は、リチウム−マンガン−ニッケル酸化物（Ｌｉ（Ｎｉ０．５Ｍｎ１．５）Ｏ４）を含む合剤層であってもよい。これにより、蓄電素子１３の充電電圧を３．０Ｖにすることができる。
【００４６】
また、蓄電素子１３の負極活物質層は、スピネル型結晶構造のリチウムチタン酸化物を含む合剤層であり、蓄電素子１３の正極活物質層は、コバルト酸リチウム酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を含む合剤層であってもよい。これにより、蓄電素子１３の充電電圧を２．３Ｖにすることができる。これらの構成により、充電電圧が２．０Ｖ〜３．０Ｖである蓄電素子１３を作製することができる。
【００４７】
図２は、駆動部１４の具体例である駆動部１４ａを示すブロック図である。モジュール１１ａは、センシング機能と通信機能を有し、センサネットワークシステムのセンサノードの１つとして機能する。駆動部１４ａは、センサ１４１、無線通信部１４２およびマイコン１４３を備える。センサ１４１、無線通信部１４２およびマイコン１４３は、電力線（実線）により蓄電素子１３に接続され、蓄電素子１３から電力を供給される。駆動部１４ａの動作電圧は、一般的に、１．８〜２．２Ｖであることが多い。マイコン１４３は、制御線（点線）によりセンサ１４１および無線通信部１４２に接続されている。
【００４８】
センサ１４１は、例えば、赤外線、磁気、温度、湿度、気圧、流量、照度、光、音波、におい、触覚等を計測する。無線通信部１４２は、無線でセンサ１４１による計測結果をコンピュータ等に送信する。マイコン１４３は、モジュール１１ａに必要なパラメータを記憶する記憶部（図示せず）と、センサ１４１、無線通信部１４２、記憶部等を制御する制御部（図示せず）とを有する。マイコン１４３の制御部は、モジュール１１ａを安定して動作させるために、発電素子１２から得られる電力に応じてモジュール１１ａの動作を制御できることが望ましい。例えば、マイコン１４３の制御部は、発電素子１２から得られる電力に応じてモジュール１１ａを間欠的に制御できることが望ましい。マイコン１４３の記憶部は、センサネットワークシステム内の各センサノードを区別するための個別識別番号を記憶している。なお、駆動部１４は、マイコン１４３の制御部により制御される表示部を備えてもよい。
【００４９】
モジュール１１ａでは、センサ１４１により得られた情報を無線でコンピュータ等に送信することで、環境のモニタリングや防犯等を行うことが可能となる。また、モジュール１１ａでは、外部から電力線を配線する必要がないので、電源工事を行うことなく、後付けでモジュール１１ａを設置することが可能である。また、モジュール１１ａでは環境型発電素子を使用しているので、一次電池や燃料を必要とする電源等と異なり、電池交換や燃料の供給作業等が必要ない。
【００５０】
図３は、光電変換素子の発電電圧の照度依存性を示すグラフである。図３では、後述の方法で作製された色素増感型太陽電池、一般的なアモルファスＳｉ太陽電池および一般的な多結晶Ｓｉ太陽電池について測定結果が示されている。図３では、２０００ｌｘにおける各光電変換素子の発電電圧で、各光電変換素子の発電電圧を規格化している。
【００５１】
多結晶Ｓｉ太陽電池では、約１０００ｌｘで発電電圧が６０％を下回る。これに対して、アモルファスＳｉ太陽電池では３０ｌｘでも発電電圧が６０％を保持しており、色素増感型太陽電池では１０ｌｘでも発電電圧が６０％を保持している。すなわち、５０〜２０００ｌｘの照度範囲の環境において、アモルファスＳｉ太陽電池および色素増感型太陽電池の発電電圧は、２０００ｌｘでのそれらの発電電圧に対して６０％以上を維持する。また、多結晶Ｓｉ太陽電池では、約１５００ｌｘで発電電圧が８０％を下回る。これに対して、アモルファスＳｉ太陽電池では１５０ｌｘでも発電電圧が８０％を保持しており、色素増感型太陽電池では３０ｌｘでも発電電圧が８０％を保持している。このように、アモルファスＳｉ太陽電池や色素増感型太陽電池では、幅広い環境で安定した発電電圧が得られる。
【００５２】
図４は、後述の方法で作製されたリチウムイオン二次電池の充放電カーブを示すグラフである。このリチウムイオン二次電池は、約２．３〜２．５Ｖの範囲で変化する平坦な充電電圧カーブおよび放電電圧カーブを有している。充電電圧が約２．３〜２．５Ｖの範囲で、蓄電素子１３としてこのリチウムイオン二次電池を使用することで、充電電圧および放電電圧の変化による充放電時の電圧差損が低減される。このため、発電素子１２から蓄電素子１３に効率良く充電することができ、蓄電素子１３から駆動部１４に効率良く放電することができる。
【００５３】
図５は、発電電圧と充電電圧との電圧比に対する充電効率を示すグラフである。ここで、電圧比は（発電素子の発電電圧／蓄電素子の充電電圧）で表される。充電効率は、発電素子で発生した電力を蓄電素子に充電する効率を表す指標であり、（蓄電素子に蓄積される電力／発電素子で発生する電力）で表される。図５では、発電素子として、後述の方法で作製した色素増感型太陽電池を使用し、蓄電素子として、後述の方法で作製したリチウムイオン二次電池を使用した。色素増感型太陽電池の直列数および作製条件を変更することにより、発電素子の発電電圧そして電圧比を変更し、そのときの充電効率を測定した。
【００５４】
電圧比が大きくなると、徐々に充電効率が低下している。この結果は、発電電圧と充電電圧との差分に起因する電力が電力損失となってしまうことで生じる。電圧比が１．３になるとき、充電効率が約８０％になっている。このため、充電電圧に対して１００〜１３０％の範囲に発電電圧の変動を抑えることで、余分な素子を設けることなく、発電素子１２で発生した電力を蓄電素子１３に８０％以上の高い充電効率で充電できる。
【００５５】
図６（Ａ）は、第１比較例となる光電変換素子１２ａの模式図である。図６（Ｂ）は第１実施例の光電変換素子１２ｂの模式図である。図６（Ｃ）は第２実施例の光電変換素子１２ｃの模式図である。光電変換素子１２ｂ，１２ｃは発電素子１２（図１参照）の実施例である。光電変換素子１２ａ〜１２ｃは、直列接続された複数の光電変換素子セルから構成されている。各光電変換素子セルの発電電圧は０．５Ｖである。第１比較例の蓄電素子（図示せず）の充電電圧は３．８Ｖである。第１実施例および第２実施例の蓄電素子の充電電圧は２．３Ｖである。第１実施例の光電変換素子セルの面積は第１比較例の光電変換素子セルの面積に等しい。光電変換素子１２ｃの面積は光電変換素子１２ａの面積に等しい。
【００５６】
光電変換素子セルの直列数がＮである場合、光電変換素子セルの発電電圧をＶＣとして、光電変換素子の発電電圧ＶＴはＶＴ＝ＮＶＣと表され、光電変換素子の発電電流量ＩＴは光電変換素子セルの発電電流量ＩＣと等しい。また、光電変換素子セルの発電電流量ＩＣは光電変換素子セルの面積ＳＣに比例する。光電変換素子の面積ＳＴはＳＴ＝ＮＳＣと表される。これらの関係から、光電変換素子の発電電流量ＩＴはＩＴ＝ＩＣ∝ＳＣ＝ＳＴ／Ｎと表される。また、光電変換素子と蓄電素子との間で電力損失が十分小さいとすると、充電速度はほぼ光電変換素子の発電電流量ＩＴに等しい。ここで、充電速度とは、単位時間当たりに蓄電素子に蓄積される電荷量、すなわち、蓄電素子に流入する電流量である。
【００５７】
光電変換素子１２ａでは、その発電電圧を蓄電素子の充電電圧に比べて高くするために、８つの光電変換素子セルが直列接続されている。一方、光電変換素子１２ｂ，１２ｃでは、その発電電圧を蓄電素子１３の充電電圧に比べて高くするために、５つの光電変換素子セルが直列接続されている。
【００５８】
上述のように、第１実施例の光電変換素子セルの面積は第１比較例の光電変換素子セルの面積と等しい。このため、光電変換素子１２ｂの面積は、光電変換素子１２ａの面積の５／８倍となる。なお、第１実施例の充電速度は第１比較例の充電速度と変わらない。
【００５９】
上述のように、光電変換素子１２ｃの面積は光電変換素子１２ａの面積と等しい。このため、第２実施例の光電変換素子セルの面積は第１比較例の光電変換素子セルの面積の８／５倍となり、光電変換素子１２ｃの発電電流量は光電変換素子１２ａの発電電流量の８／５倍となる。光電変換素子１２ａ，１２ｃの発電電圧と蓄電素子の充電電圧とが近い値であるので、光電変換素子１２ａ，１２ｃと蓄電素子との間で電力損失が十分小さくなる。このため、第２実施例の充電速度は第１比較例の充電速度の約８／５倍に改善する。
【００６０】
このように、直列接続された複数の光電変換素子セルから発電素子１２が構成される場合、蓄電素子１３の充電電圧を低くすることで、発電素子１２を小型化したり、充電速度を改善したりすることができる。
【００６１】
本実施形態では、図１とともに述べたように、発電素子１２の発電電圧は蓄電素子１３の充電電圧以上の値である。このため、蓄電素子１３を充電するために、発電素子１２の発電電圧を昇圧回路で昇圧する必要がない。この結果、電力損失が低減されるので、効率良く蓄電素子１３を充電することができる。また、昇圧回路を実装する必要がないので、部品数を抑えることができ、充電回路１０を小型化することができる。
【００６２】
また、上述のように、蓄電素子１３は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である。負極活物質層の充電電位はＬｉ／Ｌｉ＋基準で１．５５Ｖと高いため、負極でリチウム金属の析出（デンドライド）が発生せず、蓄電素子１３の充電時の信頼性を向上させることができる。また、電解液の分解を抑制することができ、さらにサイクル特性に優れた安定した蓄電素子１３を得ることができる。このような蓄電素子１３の充電電圧は一般的な二次電池の充電電圧（３．８Ｖ）に比べて低くなるので、発電素子１２に要求される発電電圧を低減することができる。また、蓄電素子１３に二次電池を用いることで、充放電カーブが直線的なコンデンサに比べて充電電圧が安定しており、安定した電圧で駆動部１４に電力を供給することが可能である。
【００６３】
また、発電素子１２の発電電圧の変動が、蓄電素子１３の充電電圧に対して、１００〜１３０％の範囲に収まる場合、発電素子１２と蓄電素子１３との間で電力損失が小さくなるので、充電効率を向上させることができる。また、蓄電素子１３に過電圧が印加されて蓄電素子１３が破壊されることを抑制できる。
【００６４】
また、上述のように、蓄電素子１３の充電電圧は一般的な二次電池の充電電圧（３．８Ｖ）に比べて低くなる。このため、発電素子１２として光電変換素子を使用する場合、光電変換素子を構成する光電変換素子セルの直列数を低減することができ、延いては、発電素子１２を小型化することができる。
【００６５】
また、光電変換素子セルの直列数が低減すると、光電変換素子の面積を変えずに個々の光電変換素子セルの面積を広くすることができる。そして、光電変換素子の発電電流量は光電変換素子セルの面積に比例する。このため、発電素子１２の面積を変えずに充電速度を改善することができる。
【００６６】
また、発電素子１２としてアモルファスＳｉ太陽電池や色素増感型太陽電池を使用すると、照度に対する発電電圧の変化率が小さくなり、幅広い環境で安定した発電電圧が得られる。このため、低照度の環境下でも、十分な発電電圧を得ることができる。また、高照度の環境下でも、過剰に大きな発電電圧が生じにくいので、蓄電素子１３が破壊されることを抑制できる。
【００６７】
また、駆動部１４を駆動させる際、瞬間的に大きな電流を流す必要がある。この問題を解決するため、一般的にコンデンサ等が蓄電素子１３と並列に挿入される。蓄電素子１３の正極活物質層および負極活物質層の厚みを、１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ、さらにより好ましくは３０μｍにすることで、活物質層と集電体との間の距離が近くなり、充放電反応に伴う抵抗を下げることができる。これにより、蓄電素子１３は大きな電流を流すことができる。このため、コンデンサなどを設ける必要がなくなるので、部品数を削減することができ、また、電荷移動にともなう電力損失を低減することができる。
【００６８】
また、駆動部１４の動作電圧は蓄電素子１３の充電電圧以下である。このため、昇圧回路を使用しなくても、駆動部１４を動かすことが可能となる。また、駆動部１４の駆動電圧と蓄電素子１３の充電電圧とを近くすることで、降圧回路を設ける必要がなくなるとともに、電圧差損を低減することができる。
【００６９】
また、発電電圧が０．５Ｖである光電変換素子セルを５つ直列接続して、発電電圧が２．５Ｖである発電素子１２を構成することができる。蓄電素子１３の負極活物質層として、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を使用し、蓄電素子１３の正極活物質層として、層状結晶構造のリチウム遷移金属酸化物、例えば、コバルト酸リチウム酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を使用して、蓄電素子１３の充電電圧を２．３Ｖにすることができる。また、駆動部１４の駆動電圧は一般的に１．８〜２．２Ｖであることが多い。
【００７０】
このように構成することで、発電素子１２の発電電圧、蓄電素子１３の充電電圧および駆動部１４の駆動電圧が近い値になる。このため、発電素子１２と蓄電素子１３との間での電力損失および蓄電素子１３と駆動部１４との間での電力損失を低減することができる。この結果、この構成では、電力効率が良いモジュールを得ることができる。
【００７１】
なお、本発明の充電回路では、発電素子１２と蓄電素子１３との間にスイッチＩＣが挿入されてもよい。このスイッチＩＣは、蓄電素子１３に過剰な電圧が印加された際、蓄電素子１３への充電をオフする。これにより、例えば、蓄電素子１３として光電変換素子を使用したとき、光電変換素子が過剰に明るい環境にさらされたため、光電変換素子が想定以上の発電電圧を発生した場合でも、蓄電素子１３が破壊されることを防止できる。
【００７２】
また、本発明の充電回路では、発電素子１２と蓄電素子１３との間にダイオードが挿入されてもよい。このダイオードは蓄電素子１３の充電電圧以上の降伏電圧を有する。これにより、蓄電素子１３の充電電圧が発電素子１２の発電電圧を上回った際、蓄電素子１３から発電素子１２に電流が逆流することを防止できる。また、ダイオードの代わりに、蓄電素子１３の充電電圧が発電素子１２の発電電圧を上回ると、発電素子１２と蓄電素子１３との間を開放するスイッチＩＣを挿入してもよい。
【００７３】
また、本発明のモジュールでは、蓄電素子１３と駆動部１４との間にスイッチＩＣが挿入されてもよい。このスイッチＩＣは、蓄電素子１３の充電電圧が所定電圧を下回ると、駆動部１４への電力供給をオフにする。これにより、蓄電素子１３の充電電圧が駆動部１４の駆動電圧を下回った際、駆動部１４が誤作動することを防止できる。
【００７４】
また、本発明のモジュールでは、蓄電素子１３と駆動部１４との間に昇圧回路等のレギュレータが挿入されてもよい。また、瞬間的に大きな電流を流すために、蓄電素子１３と並列にコンデンサが挿入されてもよい。
【００７５】
図７は、色素増感型太陽電池２０の断面図である。色素増感型太陽電池２０は太陽電池セル２１ａ，２１ｂを備える。太陽電池セル２１ａと太陽電池セル２１ｂとは、互いに同様に構成され、互いの取出電極部分２４ａ，２４ｂが導電性接着剤３７により接続されることで直列接続されている。太陽電池セル２１ａは、作用極基板２２、対極基板２３、封止材３５および電解液３６を備える。なお、直列接続される太陽電池セルの数は２つに限定されず、色素増感型太陽電池は、所望の発電電圧を得るために必要な所定数だけ直列接続される。
【００７６】
作用極基板２２と対極基板２３とは封止材３５を介して対向している。作用極基板２２および対極基板２３は封止材３５と当接している。作用極基板２２、対極基板２３および封止材３５から中空部分が形成され、この中空部分に電解液３６が充填されている。作用極基板２２は、平面視で対極基板２３と重ならないように延出した取出電極部分２４ａを有する。対極基板２３は、平面視で作用極基板２２と重ならないように延出した取出電極部分２４ｂを有する。太陽電池セル２１ａにおける対極基板２３の取出電極部分２４ｂと、太陽電池セル２１ｂにおける作用極基板２２の取出電極部分２４ａとの間には、導電性接着剤３７が設けられている。
【００７７】
作用極基板２２は、基材３１ａ、導電膜３２ａおよび光電変換層３３がこの順に積層されてなる。導電膜３２ａは基材３１ａの主面に全面に亘って形成されている。光電変換層３３は導電膜３２ａの主面の一部に形成されている。対極基板２３は、基材３１ｂ、導電膜３２ｂおよび触媒層３４がこの順に積層されてなる。導電膜３２ｂは基材３１ｂの主面に全面に亘って形成されている。触媒層３４は導電膜３２ｂの主面に全面に亘って形成されている。
【００７８】
作用極基板２２の主面のうち光電変換層３３側の主面と、対極基板２３の主面のうち触媒層３４側の主面とが対向している。光電変換層３３と触媒層３４の一部とは、上述の中空部分の内壁の一部を構成し、電解液３６に接触している。導電性接着剤３７は、太陽電池セル２１ａの触媒層３４および太陽電池セル２１ｂの導電膜３２ａに接続されている。
【００７９】
基材３１ａ，３１ｂは、絶縁性および透明性を有し、例えば、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリカーボネート等の樹脂基板、ガラス等からなる。導電膜３２ａ，３２ｂは、導電性および透明性を有し、例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＺｎＯ等の透明酸化物導電膜、ナノＡｇワイヤ等の金属透明導電膜、ＰＥＤＯＴ等の導電性高分子、ＣＮＴ等の炭素系透明導電膜などからなる。
【００８０】
光電変換層３３は、粒子状の酸化亜鉛を凝集させてなる多孔質膜に増感型色素を吸着させて形成される。酸化亜鉛の粒径サイズについては、多孔質膜の比表面積を大きくし、加えて各粒子間のネッキング性を良くする必要があるため、５〜１００ｎｍのサイズの粒子が主成分であることが望ましく、より望ましくは１０〜３０ｎｍ程度のサイズの粒子が主成分であることが望ましい。また、多孔質膜は必ずしも５〜１００ｎｍのサイズの粒子のみで構成される必要はなく、多孔質膜には１００ｎｍ以上のサイズの粒子が混在しても問題がない。なお、多孔質膜の材料として、酸化亜鉛に限られず、酸化チタン、酸化錫等を使用してもよい。
【００８１】
増感型色素は、酸化亜鉛に吸着できるカルボキシル基やスルホン酸基等の吸着基を少なくとも一つ持っていることが望ましい。また、増感型色素では、ＬＵＭＯ準位が酸化亜鉛の伝導帯準位よりも卑であり、ＨＯＭＯ準位が電解液３６の電解質のレドックス準位よりも貴であることが望ましい。増感型色素としては、クマリン系、インドリン系、スクアリリウム系等の有機系色素やＲｕ等の金属錯体色素、天然色素などを使用できるが、酸化亜鉛多孔質膜を使用する場合には有機系色素を使用することがより望ましい。具体的には、増感型色素として、ＥｏｓｉｎＹ、Ｄ１４９、Ｄ１０２、Ｄ１３１等を挙げることができる。
【００８２】
触媒層３４は、電解液３６の電解質を還元する材料であれば良く、例えば、Ｐｔ、ＰＥＤＯＴ（3,4-ethylene dioxythiophene）、ポリアニリン等の導電性高分子、ＣＮＴ（Carbon nanotube）や活性炭、グラフェン、カーボンブラック等のカーボン系材料などからなる。封止材３５は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、熱可塑性樹脂、２液性の硬化樹脂等からなる。封止材３５は、未硬化状態でも硬化状態でも電解液３６の電解質と相溶しないことが望ましい。
【００８３】
電解液３６の溶媒として、有機溶媒、イオン性液体等が考えられるが、実使用性を考えると沸点が８５℃以上の材料を使用することが望ましい。電解液３６の溶媒として、例えば、炭酸プロピレン等が考えられる。電解液３６の電解質として、ヨウ素化合物−ヨウ素、臭素化合物−臭素、コバルト錯体等が考えられるが、特性面や安定性の面からヨウ素化合物−ヨウ素を使用することがより望ましい。電解質中の酸化体の濃度は０．０００１〜１Ｍ程度であることが望ましく、電解質中の還元体の濃度は０．００１〜１Ｍ程度であることが望ましい。低照度環境下では、酸化体の濃度が０．０００１〜０．１Ｍ程度であることが望ましく、還元体の濃度が０．００１〜１Ｍ程度が望ましい。
【００８４】
次に、色素増感型太陽電池２０の作製方法について説明する。
【００８５】
〈作用極基板２２の作製〉
平均粒径２５ｎｍの酸化亜鉛粉末を加熱し、得られた酸化亜鉛粉末をエタノールに投入し、マグネチックスターラを使用して冷却しながら攪拌し、酸化亜鉛ペーストを得る。なお、酸化亜鉛粉末を投入する溶液は、エタノールに限られず、メタノール、プロパノール、ブタノール等を使用しても問題ない。
【００８６】
また、酸化亜鉛ペーストには、分散剤の役割をする分散剤を添加することがより望ましい。分散剤を添加することにより、酸化亜鉛ペースト中の酸化亜鉛微粒子の凝集が抑制されるため、膜質が優れた多孔質酸化亜鉛膜を得ることができる。分散剤は、酸化亜鉛に配位する官能基を持っていることが望ましく、アミノ基、カルボキシル基、リン酸基、亜リン酸基、ケトン基、ヒドロキシル基、ホスホン酸基等を持っていることが望ましい。また、分散剤の特性については、１５０℃以下の雰囲気で容易に分散剤を除去できるか、または、極性溶剤により容易に分散剤を除去できることが望ましい。
【００８７】
次に、ＩＴＯ（Indium TinOxide）膜付きＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）フィルムを準備し、ＩＴＯ膜の主面のうち酸化亜鉛ペーストを塗布する以外のスペースに、マスキングテープを貼る。次に、ＩＴＯ膜上に酸化亜鉛ペーストを滴下した後、酸化亜鉛ペーストが平坦になるように酸化亜鉛ペーストをＩＴＯ膜上に塗り広げる。なお、酸化亜鉛ペーストをＩＴＯ膜上に塗布する方法としては、ドクターブレード法、ガラス棒等による塗布、スクリーン印刷法、スプレー塗布法、グラビア印刷法等が望ましい。
【００８８】
その後、ＩＴＯ膜上からマスキングテープを剥離する。次に、酸化亜鉛ペーストが塗られたＰＥＴフィルムを加熱することにより、酸化亜鉛ペースト内のエタノールを除去する。これにより、多孔質酸化亜鉛付き導電フィルムが得られる。
【００８９】
次に、多孔質酸化亜鉛付き導電フィルムを温水に浸漬した後、乾燥することにより、改質多孔質酸化亜鉛付き導電フィルムを得る。次に、改質多孔質酸化亜鉛付き導電フィルムを、Ｄ１４９をエタノールに溶解してなる色素溶液に浸漬する。その後、改質多孔質酸化亜鉛付き導電フィルムからエタノールで余分な色素溶液を除去し、それを自然乾燥する。これにより、作用極基板２２を得ることができる。
【００９０】
〈対極基板２３の作製〉
ＩＴＯ膜付きＰＥＴフィルムを準備し、スパッタリング法でＩＴＯ膜上にＰｔ膜を形成することにより、対極基板２３を得ることができる。
【００９１】
〈色素増感型太陽電池２０の作製〉
図８および図９は、色素増感型太陽電池２０の作製方法を示す断面図である。まず、図８（Ａ）に示すように、上述の方法で作用極基板２２を作製する。次に、図８（Ｂ）に示すように、作用極基板２２の光電変換層３３の外周に、紫外線硬化樹脂からなる封止材３５を所定幅で塗布する。次に、図８（Ｃ）に示すように、ヨウ素０．０５Ｍとヨウ化ジメチルイミダゾリウム０．５Ｍを溶かした炭酸プロピレンからなる電解液３６を、光電変換層３３上に適量滴下する。
【００９２】
次に、図８（Ｄ）に示すように、上述の方法で対極基板２３を作製し、作用極基板２２と対極基板２３とを対向させて貼り合わせる。次に、図９（Ａ）に示すように、高圧水銀ランプにより、貼り合わせた作用極基板２２および対極基板２３に対極基板２３側から紫外線を照射する。この際、光電変換層３３と同形状のアルミホイル３８で光電変換層３３のみを遮光する。これにより、封止材３５が硬化し、太陽電池セル２１ａが完成する。
【００９３】
次に、図９（Ｂ）に示すように、太陽電池セル２１ａの取出電極部分２４ｂに導電性両面テープからなる導電性接着剤３７を設ける。次に、図９（Ｃ）に示すように、太陽電池セル２１ａの場合と同様の方法で太陽電池セル２１ｂを作製する。そして、太陽電池セル２１ａの取出電極部分２４ｂと太陽電池セル２１ｂの取出電極部分２４ａとを、導電性接着剤３７で接続する。これにより、太陽電池セル２１ａ，２１ｂが直列接続される。さらに、所望の発電電圧を得るために必要な所定数の太陽電池セルを直列接続することで、色素増感型太陽電池２０が完成する。
【００９４】
図１０は色素増感型太陽電池４０の断面図である。色素増感型太陽電池４０では、基材３１ａと基材３１ｂとの間に、太陽電池セル２１ａ（図７参照）と同様の構造を有する太陽電池セル４１が並んで形成されている。各太陽電池セル４１は、その取出電極部分４４ａ，４４ｂが導電性部材５７ａ，５７ｂにより接続されることで直列接続されている。
【００９５】
太陽電池セル４１は、基材３１ａと基材３１ｂとの間が封止材３５により区切られることで形成されている。太陽電池セル４１の内部には、導電膜３２ａ、光電変換層３３、電解液３６、触媒層３４および導電膜３２ｂがこの順に積層されている。取出電極部分４４ａ，４４ｂは、封止材３５の壁面から導電膜３２ａ，３２ｂが延出することで形成されている。
【００９６】
次に、色素増感型太陽電池４０の作製方法について説明する。図１１は、色素増感型太陽電池４０の作製方法を示す断面図である。
【００９７】
〈作用極基板４２の作製〉
まず、ＩＴＯ膜付きＰＥＴフィルムを準備する。次に、ＩＴＯ膜上の所定部分に導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。次に、ＩＴＯ膜の不要な部分をカットする。ＩＴＯ膜をカットする方法として、レーザーカット、保護膜を形成してエッチング液により除去する方法、不要な部分にエッチング剤を塗布して処理する方法等が考えられる。次に、作用極基板２２（図８参照）の場合と同様に、所定部分に多孔質酸化亜鉛膜を形成し、染色する。これにより、図１１（Ａ）に示すように、導電性部材５７ａが形成された作用極基板４２を得ることができる。
【００９８】
〈対極基板４３の作製〉
まず、ＩＴＯ膜付きＰＥＴフィルムを準備する。作用極基板４２の場合と同様に、導電性ペーストを形成および乾燥させ、ＩＴＯ膜の不要な部分をカットする。次に、スパッタリング法でＩＴＯ膜上の所定部分にＰｔ膜を形成する。これにより、図１１（Ｂ）に示すように、導電性部材５７ｂが形成された対極基板４３を得ることができる。
【００９９】
〈色素増感型太陽電池４０の作製〉
図１１（Ｃ）に示すように、色素増感型太陽電池２０の場合と同様に、作用極基板４２の光電変換層３３の外周に封止材３５を所定幅で塗布し、電解液３６を光電変換層３３上に適量滴下する。次に、図１１（Ｃ）および図１１（Ｄ）に示すように、作用極基板４２と対極基板４３とを対向させて貼り合わせる。この際、導電性接着剤（図示せず）により導電性部材５７ａと導電性部材５７ｂとを接着する。次に、封止材３５および導電性接着剤を硬化させる。これにより、色素増感型太陽電池４０が完成する。
【０１００】
図１２（Ａ）は、リチウムイオン二次電池６０の外観平面図である。図１２（Ｂ）は、リチウムイオン二次電池６０の電池要素６９を示す分解平面図である。リチウムイオン二次電池６０は、電池要素６９を非水系電解液（図示せず）とともに外包材６８に封入することにより形成される。電池要素６９は、正極６１、負極６２、セパレータ６３、リードタブ６４，６５およびシーラント６６，６７を備える。正極６１、負極６２およびセパレータ６３は矩形平板状である。正極６１と負極６２とはセパレータ６３を介して対向している。
【０１０１】
正極６１にはリードタブ６４が設けられ、負極６２にはリードタブ６５が設けられている。リードタブ６４とリードタブ６５は平面視で離れて配置されている。リードタブ６４，６５の端部は外包材６８から突出している。リードタブ６４にはシーラント６６が取り付けられ、リードタブ６５にはシーラント６７が取り付けられている。シーラント６６，６７は、外包材６８の内部と外包材６８の外部との境界に配置され、リードタブ６４，６５を伝って非水系電解液が外包材から漏れることを防いでいる。
【０１０２】
正極６１は正極集電体上に正極活物質層を形成してなる。正極集電体は、例えば、アルミニウム箔等からなる。正極活物質層は、例えば、コバルト酸リチウム酸化物、マンガン酸リチウム酸化物、ニッケル酸リチウム酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物、リチウム−マンガン−ニッケル酸化物、リチウム−マンガン−コバルト酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト酸化物、リン酸鉄リチウム等のようなリチウム遷移金属酸化物を含む合剤層からなる。負極６２は負極集電体上に負極活物質層を形成してなる。負極集電体は、例えば、アルミニウム箔等からなる。負極活物質層は、例えば、スピネル型結晶構造のリチウムチタン酸化物を含む合剤層からなる。正極活物質層および負極活物質層の厚みは、上述のように、１００μｍ以下であることが望ましい。
【０１０３】
セパレータ６３は、正極６１と負極６２との接触による短絡を防止する。セパレータ６３として、例えば、ポリアミドイミドからなる多孔性のシート状材料等を使用することができる。
【０１０４】
非水系電解液として、例えば、プロピレンカーボネートの混合溶媒に１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６を溶解させたもの等を使用することができる。また、次のような有機溶媒に次のような電解質を溶解させた電解液等を使用することができる。有機溶媒は、例えば、一般的にリチウムイオン二次電池で使用されているジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、アセトニトリル、エチルプロピオネート、メチルプロピオネート、またはこれらを混合したものである。電解質は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＴＦＳＩ、またはこれらを混合したものである。また、次のようなイオン液体に、上述の有機溶媒や電解質を溶解させた電解液等も使用することができる。イオン液体は、例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−エチル−３メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、またはこれらを混合したものである。
【０１０５】
次に、リチウムイオン二次電池６０の作製方法について説明する。
【０１０６】
〈正極６１の作製〉
組成式ＬｉＣｏＯ２で表されるリチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）と、導電剤としてのカーボンと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、重量比率で９０：７：３になるように配合して、Ｎ−メチル２−ピロリドン（ＮＭＰ）と混錬することにより、正極活物質スラリーを作製する。
【０１０７】
そして、この正極活物質スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔に所定の重量となるように塗布し、乾燥させた後、ロールプレスにて圧延し、正極集電体上に正極活物質層を形成する。
【０１０８】
それから、正極活物質層が形成された正極集電体を、平面面積が３ｃｍ２（縦方向寸法が２０ｍｍ、横方向寸法が１５ｍｍの方形の形状）なるように打ち抜き、正極６１を作製する。なお、正極活物質層の電極目付重量は片面８．８ｍｇ／ｃｍ２となり、充填密度はすべて３．３ｇ／ｃｍ３となるようにロールプレスにて厚みを調整する。
【０１０９】
〈負極６２の作製〉
負極活物質としてのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２で表されるスピネル型のリチウムチタン酸化物と、結着剤としてのＰＶＤＦとを、重量比率で９０：１０になるように配合して、ＮＭＰと混錬することにより、負極活物質スラリーを作製する。
【０１１０】
それから、各負極活物質スラリーを、負極集電体としてのアルミニウム箔に所定の重量となるように塗布し、乾燥させた後、ロールプレスにて圧延し、負極集電体上に負極活物質層を形成する。
【０１１１】
それから、負極活物質層が形成された負極集電体を、平面面積が３ｃｍ２（縦方向寸法が２０ｍｍ、横方向寸法が１５ｍｍの方形の形状）になるように打ち抜き、負極６２を作製する。なお、負極活物質層の電極目付重量は片面１０．０ｍｇ／ｃｍ２となり、充填密度はすべて２．０ｇ／ｃｍ３となるようにロールプレスにて厚みを調整する。
【０１１２】
〈非水系電解液の作製〉
プロピレンカーボネートの混合溶媒に１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６を溶解させ、非水系電解液を作製する。
【０１１３】
〈リチウムイオン二次電池６０の作製〉
図１２（Ｂ）に示すように、上述の方法で作製した正極６１にリードタブ６４を設け、負極６２にリードタブ６５を設ける。そして、正極６１と負極６２を、両者間にポリアミドイミドからなる多孔性のセパレータ６３（透気度１０ｓｅｃ．／１００ｃｃ、膜厚２４μｍ）を介在させて積層することにより、正極６１、負極６２およびセパレータ６３を備えた電池要素６９を作製する。
【０１１４】
それから、リードタブ６４にシーラント６６を、リードタブ６５にシーラント６７を取り付けた後、電池要素６９を、図１２（Ｂ）に示すように、樹脂層の間にアルミニウム層を中間層として含むラミネートフィルムからなる外包材６８に収容する。その後、上述の方法で作製した非水系電解液を、外包材６８の内部に注入した後、外包材６８の開口部を封止することにより、リチウムイオン二次電池６０を作製する。なお、外包材６８は、上述のようなラミネートフィルムを用いた袋状のものに限らず、電池要素を非水系電解液とともに封止することが可能な種々の態様のものを用いることが可能であり、例えば、缶状のもの等を用いることも可能である。
【０１１５】
次に、モジュールの動作試験の結果について説明する。図１３は、第２比較例となるモジュール８１のブロック図である。光電変換素子７２、リチウムイオン二次電池８３および駆動部１４ａを用いてモジュール８１を作製した。光電変換素子７２は、２００ｌｘでの発電電圧が０．５Ｖである光電変換素子セルを５つ直列接続してなる。従来構成のリチウムイオン二次電池８３は、例えば、正極活物質として、コバルト酸リチウム酸化物を含み、負極活物質として、グラファイトを含むように構成され、その充電電圧は３．８Ｖである。駆動部１４ａは図２のように構成され、その駆動電圧は２．２Ｖである。
【０１１６】
光電変換素子７２とリチウムイオン二次電池８３との間には、光電変換素子７２の発電電圧をリチウムイオン二次電池８３の充電電圧に昇圧する昇圧回路８６を挿入した。リチウムイオン二次電池８３と駆動部１４ａとの間には、リチウムイオン二次電池８３の放電電圧を駆動部１４ａの駆動電圧に変換する昇降圧回路７６を挿入した。駆動部１４ａの駆動時に瞬間的に２０〜３０ｍＡの電流を流すために、リチウムイオン二次電池８３と並列にコンデンサ７５を挿入した。
【０１１７】
モジュール８１では、昇圧回路８６および昇降圧回路７６で電力が消費されて電力効率が悪いので、動作不良が発生することがあった。また、昇圧回路８６、昇降圧回路７６およびコンデンサ７５を挿入することにより、モジュール８１のサイズが大きくなった。
【０１１８】
第３比較例となるモジュールでは、第２比較例の光電変換素子７２と比べて、光電変換素子の面積を変えずに光電変換素子セルの直列数を５つから８つに増やした。その他の構成はモジュール８１と同様である。第３比較例のモジュールでは、光電変換素子７２の発電電圧がリチウムイオン二次電池８３の充電電圧以上であるので、昇圧回路８６が必要なくなった。しかし、光電変換素子７２の場合と比べて、光電変換素子セルの面積が５／８倍になったので、光電変換素子の発電電流量が５／８倍になった。このため、第３比較例のモジュールでは、第２比較例のモジュールに比べて充電速度が下がった。この結果、第３比較例のモジュールでも動作不良が発生した。
【０１１９】
図１４は、第３実施例のモジュール７１のブロック図である。第３実施例のモジュール７１では、第２比較例のリチウムイオン二次電池８３の代わりに、リチウムイオン二次電池６０を使用し、第２比較例の昇圧回路８６を取り外した。リチウムイオン二次電池６０は上述の方法で作製され、その充電電圧は２．３Ｖである。その他の構成は第２比較例と同様である。なお、モジュール７１では、コンデンサ７５および昇降圧回路７６を必ずしも要しないが、第２比較例および第３比較例と比較するために、コンデンサ７５および昇降圧回路７６を挿入している。
【０１２０】
モジュール７１では、昇圧回路を使用せずにリチウムイオン二次電池６０を充電することができた。第１比較例のモジュール８１に比べて充電効率が上昇し、第２比較例のモジュールに比べて充電速度が上昇した。動作不良なく駆動部１４ａをより安定的に動作させることができた。
【０１２１】
第４実施例のモジュールでは、光電変換素子７２とリチウムイオン二次電池６０との間に、降伏電圧が５Ｖであるダイオードを挿入した。その他の構成は第３実施例のモジュール７１と同様である。第４実施例のモジュールでは、照度が０〜５ｌｘ程度の非常に暗い環境にモジュールを設置しても、電流が逆流することが防止され、駆動部１４ａを安定的に動作させることができた。
【０１２２】
第５実施例のモジュールでは、リチウムイオン二次電池６０の正極活物質層および負極活物質層の厚みを１００μｍにし、コンデンサ７５を取り外した。その他の構成は第３実施例のモジュール７１と同様である。第５実施例のモジュールでは、コンデンサ７５を介さずにリチウムイオン二次電池６０から駆動部１４ａに２０〜３０ｍＡの電流を供給できるようになり、コンデンサ７５を削減してもモジュールの動作に支障をきたさなかった。正極活物質層および負極活物質層の厚みを５０μｍ、３０μｍと薄くするとさらに大きな電流を供給できるようになり、より大きい電流を必要とする駆動部１４ａを安定的に動作させることができた。
【符号の説明】
【０１２３】
１０…充電回路
１１，１１ａ，７１，８１…モジュール
１２，１２ａ〜１２ｃ…発電素子
１３…蓄電素子
１４，１４ａ…駆動部
２０，４０…色素増感型太陽電池
２１ａ，２１ｂ，４１…太陽電池セル
２２，４２…作用極基板
２３，４３…対極基板
２４ａ，２４ｂ，４４ａ，４４ｂ…取出電極部分
３１ａ，３１ｂ…基材
３２ａ，３２ｂ…導電膜
３３…光電変換層
３４…触媒層
３５…封止材
３６…電解液
３７…導電性接着剤
３８…アルミホイル
５７ａ，５７ｂ…導電性部材
６０，８３…リチウムイオン二次電池
６１…正極
６２…負極
６３…セパレータ
６４，６５…リードタブ
６６，６７…シーラント
６８…外包材
６９…電池要素
７２…光電変換素子
７５…コンデンサ
７６…昇降圧回路
８６…昇圧回路
１４１…センサ
１４２…無線通信部
１４３…マイコン
【図１】
2015137099.tif 000003
【図２】
2015137099.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年9月12日(2016.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電素子と、前記蓄電素子を充電する発電素子とを備える充電回路であって、
前記発電素子の発電電圧は２．０Ｖ以上３．９Ｖ以下であり、
前記蓄電素子は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である、充電回路。
【請求項２】
前記発電素子の発電電圧の変動は、前記蓄電素子の充電電圧に対して１００〜１３０％の範囲に収まる、請求項１に記載の充電回路。
【請求項３】
前記発電素子は、色素増感型光電変換素子、アモルファスＳｉ光電変換素子、化合物半導体薄膜光電変換素子または有機薄膜光電変換素子である、請求項１または２に記載の充電回路。
【請求項４】
前記発電素子は光電変換素子であり、
５０〜２０００ｌｘの照度範囲の環境において、前記光電変換素子の発電電圧は、２０００ｌｘでの前記光電変換素子の発電電圧に対して６０％以上を維持する、請求項１ないし３のいずれかに記載の充電回路。
【請求項５】
前記発電素子と前記蓄電素子との間に保護回路が挿入される、請求項１ないし４のいずれかに記載の充電回路。
【請求項６】
前記正極活物質層および前記負極活物質層の厚みは１００μｍ以下である、請求項１ないし５のいずれかに記載の充電回路。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の充電回路と、前記充電回路の前記蓄電素子により駆動される駆動部とを備えるモジュールであって、
前記駆動部の動作電圧は前記蓄電素子の放電電圧以下である、モジュール。
【請求項８】
前記駆動部は、赤外線、磁気、温度、湿度、気圧、流量、照度、光、音波、におい、触覚の少なくとも一つを計測するセンサを有する、請求項７に記載のモジュール。
【請求項９】
前記駆動部は、無線通信部、記憶部およびそれらを制御する制御部を有する、請求項７または８に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記記憶部は、他のモジュールから自身を識別するための個別識別番号を記憶する、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記駆動部は、表示部および前記表示部を制御する制御部を有する、請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載のモジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
（１）本発明の充電回路は、蓄電素子と、蓄電素子を充電する発電素子とを備える。発電素子の発電電圧は２．０Ｖ以上３．９Ｖ以下である。蓄電素子は、正極活物質層にリチウム遷移金属酸化物を含み、負極活物質層に、スピネル型結晶構造を有するリチウムチタン酸化物を含む二次電池である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
（７）本発明のモジュールは、本発明の充電回路と、充電回路の蓄電素子により駆動される駆動部とを備える。駆動部の動作電圧は蓄電素子の放電電圧以下である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
駆動部１４の動作電圧は蓄電素子１３の放電電圧以下である。駆動部１４の駆動電圧と蓄電素子１３の放電電圧とは近い値であることが望ましい。駆動部１４は、１つの素子のみから構成されてもよいし、複数の素子から構成される回路であってもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
また、駆動部１４の動作電圧は蓄電素子１３の放電電圧以下である。このため、昇圧回路を使用しなくても、駆動部１４を動かすことが可能となる。また、駆動部１４の駆動電圧と蓄電素子１３の放電電圧とを近くすることで、降圧回路を設ける必要がなくなるとともに、電圧差損を低減することができる。
【国際調査報告】
2015137099.tif 000017
2015137099.tif 000018