(57)【要約】【課題】充電時間が短く、寿命が長く、かつ高出力電圧を実現できるキャパシタ型の蓄電池を提供する。【解決手段】導電性のコア粉体の表面を絶縁膜で被覆し、更に前記絶縁膜を被覆用の導電膜で被覆した複合粉体１４が複数内部に分散された絶縁シート１０と、絶縁シート１０の一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜１１と、絶縁シート１０の他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜１２と、を具備するキャパシタ型の蓄電池。複合粉体１４はキャパシタとして機能する。また、第１の導電膜１１又は第２の導電膜１２上に設けられた絶縁スペーサー膜を更に具備し、絶縁シート１０、第１の導電膜１１、第２の導電膜１２、及び前記絶縁スペーサー膜の積層物がロール状に巻かれているのが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性のコア粉体の表面を絶縁膜で被覆し、更に前記絶縁膜を被覆用の導電膜で被覆した複数の複合粉体が内部に分散された絶縁シートと、
前記絶縁シートの一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜と、
前記絶縁シートの他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜と、を具備するキャパシタ型の蓄電池。
【請求項２】
前記複合粉体はキャパシタとして機能する請求項１に記載の蓄電池。
【請求項３】
前記第１の導電膜又は前記第２の導電膜上に設けられた絶縁スペーサー膜を更に具備し、
前記絶縁シート、前記第１の導電膜、第２の導電膜、及び前記絶縁スペーサー膜の積層物がロール状に巻かれている請求項１又は２に記載の蓄電池。
【請求項４】
前記絶縁スペーサー膜は、内部に前記複合粉体が分散されている請求項３に記載の蓄電池。
【請求項５】
前記第１及び第２の導電膜は、Ａｌ膜又はＭｇ膜である請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電池。
【請求項６】
前記コア粉体はＡｌ又はＭｇである請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電池。
【請求項７】
前記絶縁膜はＳｉＯ２、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３であり、前記被覆用の導電膜はＡｌ、Ｍｇ、又はＳｉである請求項１〜６のいずれか一項に記載の蓄電池。
【請求項８】
金属粉体を絶縁膜で被覆し、更に前記絶縁膜を導電膜で被覆することにより、複合粉体を製造する工程と、
前記複合粉体を絶縁物内に分散させ、該絶縁物をシートにすることにより、前記絶縁物中に前記複合粉体を分散した絶縁シートを形成する工程と、
前記絶縁シートの表面及び裏面それぞれに導電膜を形成する工程と、
を具備するキャパシタ型の蓄電池の製造方法。
【請求項９】
前記複合粉体を製造する工程において、前記絶縁膜及び前記導電膜を物理的気相法、化学的気相法、又は液相法により形成する請求項８に記載の蓄電池の製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁シートの表面及び裏面それぞれに導電膜を形成する工程において、前記導電膜を物理的気相法、化学的気相法、又は液相法により形成する請求項８又は９に記載の蓄電池の製造方法。
【請求項１１】
複数の導電性の粉体が内部に分散された絶縁シートと、
前記絶縁シートの一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜と、
前記絶縁シートの他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜と、を具備するキャパシタ型の蓄電池。
【請求項１２】
前記粉体の長径は１００μｍ以下である請求項１１に記載のキャパシタ型の蓄電池。
【請求項１３】
導電性のコア粉体の表面を絶縁膜で被覆した複数の複合粉体が内部に分散された絶縁シートと、
前記絶縁シートの一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜と、
前記絶縁シートの他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜と、を具備するキャパシタ型の蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ型の蓄電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蓄電池は電解質を用いるものが大半である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
蓄電池に電解質を用いる場合、充電に時間を要する。また、電解質の劣化が生じるため、蓄電池の寿命が短い。また、高出力電圧を実現するためには、複数の蓄電池を直列に接続する必要があった。
【０００４】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、充電時間が短く、寿命が長く、かつ高出力電圧を実現できるキャパシタ型の蓄電池及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る蓄電池は、導電性のコア粉体の表面を絶縁膜で被覆し、更に前記絶縁膜を被覆用の導電膜で被覆した複合粉体が複数内部に分散された絶縁シートと、
前記絶縁シートの一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜と、
前記絶縁シートの他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜と、を具備するキャパシタ型の蓄電池である。前記コア粉体及び前記複合粉体の形状は、粒子状（略球形、略楕円球を含む）であっても良いし、鱗片状であってもよい。
前記複合粉体はキャパシタとして機能する。
【０００６】
前記第１の導電膜又は前記第２の導電膜上に設けられた絶縁スペーサー膜を更に具備し、前記絶縁シート、前記第１の導電膜、第２の導電膜、及び前記絶縁スペーサー膜の積層物がロール状に巻かれているのが好ましい。この場合、前記絶縁スペーサー膜の内部に前記複合粉体が分散されているのが好ましい。
【０００７】
前記第１及び第２の導電膜は、例えばＡｌ膜又はＭｇ膜である。また、前記コア粉体は、例えばＡｌ又はＭｇである。また、前記絶縁膜は、例えばＳｉＯ２、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３であり、前記被覆用の導電膜は、例えばＡｌ、Ｍｇ、又はＳｉである。
【０００８】
本発明に係る蓄電池の製造方法は、金属粉体を絶縁膜で被覆し、更に前記絶縁膜を導電膜で被覆することにより、複合粉体を製造する工程と、
前記複合粉体を絶縁物内に分散させ、該絶縁物をシートにすることにより、前記絶縁物中に前記複合粉体を分散した絶縁シートを形成する工程と、
前記絶縁シートの表面及び裏面それぞれに導電膜を形成する工程とを具備する。
【０００９】
前記複合粉体を製造する工程において、前記絶縁膜及び前記導電膜は、例えば物理的気相法、化学的気相法、又は液相法により形成される。また、前記絶縁シートの表面及び裏面それぞれに導電膜を形成する工程において、前記導電膜は、例えば物理的気相法、化学的気相法、又は液相法により形成される。
【００１０】
本発明に係る他のキャパシタ型の蓄電池は、複数の導電性の粉体が内部に分散された絶縁シートと、
前記絶縁シートの一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜と、
前記絶縁シートの他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜と、を具備する。前記粉体の形状は、粒子状（略球形、略楕円球を含む）であっても良いし鱗片状であってもよい。前記粉体の長径は１００μｍ以下であるのが好ましい。
【００１１】
本発明に係る他のキャパシタ型の蓄電池は、導電性のコア粉体の表面を絶縁膜で被覆した複数の複合粉体が内部に分散された絶縁シートと、
前記絶縁シートの一面に形成され、第１の端子に接続される第１の導電膜と、
前記絶縁シートの他面に形成され、第２の端子に接続される第２の導電膜と、を具備する。前記コア粉体及び複合粉体の形状は、粒子状（略球形、略楕円球を含む）であっても良いし鱗片状であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
上記発明によれば、電解質を使用しないキャパシタ型の蓄電池を提供できる。このため、従来と比較して充電時間が短くなる。また蓄電池の寿命が長くなる。また、前記酸化絶縁膜の耐圧によって蓄電池の出力電圧が定まるため、従来と比較して蓄電池の出力電圧を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係るキャパシタ型の蓄電池の側面図である。この蓄電池は、蓄電シート１をロール状に巻き取ったものである。蓄電シート１は、絶縁シート１０の一面に導電膜１１を形成し、他面に導電膜１２を形成したものである。導電膜１２上には絶縁スペーサー膜１３が形成されており、蓄電シート１は、絶縁スペーサー膜１３をスペーサーとしてロール状に巻き取られている。導電膜１１，１２は、例えばＡｌ又はＭｇにより形成されている。
【００１４】
蓄電シート１の端部には導電膜１１、１２が露出している。この露出している部分に、導電膜１１，１２に電圧を与えるための端子２１、２２がそれぞれ接続されている。
【００１５】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は絶縁シート１０の構造を説明する為の断面図である。複数の複合粉体１４が内部に分散された絶縁物１５（例えば有機の絶縁物）をシート状に加工することにより、絶縁シート１０が形成されている。絶縁シート１０において、複合粉体１４の含有率は、例えば４０〜８０容量％である。複合粉体１４の形状は、図２（Ａ）に示すように粒子状（略球形、略楕円球を含む）であっても良いし、図２（Ｂ）に示すように鱗片状（シート片状）であっても良い。複合粉体１４の長径は、例えば１０〜１０００ｎｍである。なお、絶縁スペーサー膜１３も絶縁シート１０と同様の構造を有している。
【００１６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は複合粉体１４の構成を説明する為の断面図である。複合粉体１４は、導電性のコア粉体１４１の表面を絶縁膜１４２で被覆し、更に絶縁膜１４２を導電膜１４３で被覆したものである。コア粉体１４１は、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ等の金属により形成されており、絶縁膜１４２は、例えばＳｉＯ２、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３により形成されており、導電膜１４３はＡｌ、Ｍｇ、又は不純物が導入されたＳｉである。
【００１７】
複合粉体１４が粒子状である場合、図３（Ａ）に示すようにコア粉体１４１の形状は粒子状であり、複合粉体１４が鱗片状である場合、図３（Ｂ）に示すようにコア粉体１４１の形状は鱗片状である。コア粉体１４１の長径は例えば１０ｎｍ以上１００μｍ以下であるが、さらに好ましくは８００ｎｍ以下である。またコア粉体１４１が鱗片状である場合、その大きさは例えば１５０メッシュ〜３００メッシュであってもよい。
また絶縁膜１４２の厚さは例えば２〜２００ｎｍであり、導電膜１４３の厚さは例えば２〜２００ｎｍである。
【００１８】
上記した構造を有する蓄電池において、端子２１，２２に所定の電位差を与えると、導電膜１１、絶縁シート１０、及び導電膜１２の積層構造がキャパシタとして機能し、かつ複合粉体１４が電気二重層電池におけるカーボン粉体と同様にキャパシタとして機能するため、蓄電池に電荷が蓄積される。
【００１９】
ここで、端子２１，２２の電位差すなわち蓄電池の動作電圧の上限値は、絶縁シート１０の厚み方向の絶縁物層の累積とその絶縁耐圧で定まる。例えば複合粉体１４の絶縁膜１４２が厚さ２．５ｎｍのＭｇＯ膜である場合、絶縁膜１４２の絶縁耐圧は２０Ｖになる。絶縁物１５がポリイミドであり、絶縁物１５内における複合粉体１４相互間のスペースが５ｎｍである場合、複合粉体１４相互間の絶縁耐圧は０．５Ｖとなる。そして、絶縁シート１０の厚みが２０μｍ、複合粉体１４が球形でありその直径が１５ｎｍである場合、厚さ方向に複合粉体１４が５ｎｍ間隔で１０００個積み重なった構造となるため、蓄電池の耐圧は２０．５×１０００=２０５００Ｖとなる。このため、従来と比較して蓄電池の動作電圧を高くすることができる。
【００２０】
また、絶縁シート１０を大面積にした場合、絶縁シート１０に欠陥が生じる可能性が高くなるが、端子２１，２２の電位差を大きくすると、欠陥が存在する部分で放電が生じる。この放電により、欠陥を有する部分上に位置する導電膜１１または１２が蒸発するため、欠陥を有する部分が蓄電池の動作に影響を与えないようにすることができる。
【００２１】
なお、蓄電シート１を図１のようにロール状に巻き取った状態において、相対的に上に位置する蓄電シート１の導電膜１１と下に位置する蓄電シート１の導電膜１２の相互間には、絶縁シート１０と同じ構造を持つ絶縁スペーサー膜１３が配置されている。このため、導電膜１１，１２相互間の絶縁は確保され、かつこの相互間も容量素子として機能する。
【００２２】
次に、図１及び図２に示した蓄電池の製造方法の一例について説明する。まず、コア粉体１４１の表面に絶縁膜１４２を、物理的気相法、化学的気相法、又は液相法により形成する。絶縁膜１４２は、コア粉体１４１の表面を酸化することにより形成されても良いし、堆積により形成されてもよい。次いで、導電膜１４３を物理的気相法、化学的気相法、又は液相法により堆積させる。このようにして、複合粉体１４が形成される。
【００２３】
次いで、ポリイミドやポリスチレンなどのワニス（絶縁物１５）の中に複合粉体１４を分散し、このワニスをシート状に加工する。これにより、絶縁シート１０及び絶縁スペーサー膜１３が形成される。絶縁シート１０及び絶縁スペーサー膜１３の厚みは、好ましくは５〜１００μmである。次いで絶縁シート１０の表裏面をスパッタなどの方法で導電膜１１，１２を形成する。導電膜１１，１２の厚みは、好ましくは０．５〜１０μmである。なお、導電膜１１，１２は化学的気相法又は液相法により形成されても良い。
【００２４】
次いで、絶縁膜１２上に絶縁スペーサー膜１３を配置する。次いで、蓄電シート１をロール状に巻き取り、その後、導電膜１１，１２に端子２１、２２を超音波はんだ等の方法で応力が加わりにくい構造で接続する。
【００２５】
以上、本発明の第１の実施形態によれば、電解質を使用しないキャパシタ型の蓄電池を提供できる。このため、従来と比較して充電時間が短くなる。また充電及び放電に化学反応が関与しないため、蓄電池の寿命が長くなる。また、従来と比較して蓄電池の出力電圧を高くすることができる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態に係るキャパシタ型の蓄電池について説明する。このキャパシタ型の蓄電池は、絶縁シート１０及び絶縁スペーサー膜１３において、複数の複合粉体１４の代わりに複数のコア粉体１４１の単体を用いる点を除いて第１の実施形態と同様である。また本実施形態における蓄電池の製造方法は、コア粉体１４１の表面に絶縁膜１４２及び導電膜１４３を形成しない点を除いて、第１の実施形態に係る蓄電池の製造方法と同様である。
【００２７】
上記した構造を有する蓄電池において、端子２１，２２に所定の電位差を与えると、導電膜１１、絶縁シート１０、及び導電膜１２の積層構造がキャパシタとして機能し、かつ複数のコア粉体１４１それぞれと絶縁物１５がキャパシタとして機能するため、蓄電池に電荷が蓄積される。
【００２８】
本実施形態において絶縁シート１０の比誘電率は、非常に大きくなる。例えば一実施例として、絶縁シート１０として、２００メッシュの鱗片状のＮｉ粉体を５５容量％、１８０メッシュの鱗片状のＡｌ粉体を４５容量％混合させた混合粉末に対して、変性シリコーン樹脂を前記の混合粉末の８０容量％ほど加えて混合させたものを用い、絶縁シート１０の厚さを１００μｍとした試料を作成した。この場合、７ｍｍ×７ｍｍのキャパシタ型蓄電池は、ＲＣ時定数が３となり、これから求められる比誘電率は２０００程度になった。なお、導電膜１１，１２にはＡｌ膜を用いた。
【００２９】
本実施形態において絶縁シート１０の比誘電率が大きくなる理由は、以下と考えられる。絶縁シート１０内に進入した電磁波は、コア粉体１４１の表面に当たると該表面でフォノン−フォトン変換によって表面プラズモンになり、この表面プラズモンが見かけ上電磁波を進行させることになる。表面プラズモンの進行速度は電磁波より遅い。このため、絶縁シート１０の比誘電率は大きくなる。この原理から、コア粉体１４１は、表面プラズモン−フォトンのエネルギー変換量が大きい（プラズマ周波数が大きい）、すなわち誘電率が低い導電体であるのが好ましい。
【００３０】
本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態において、絶縁シート１０及び絶縁スペーサ-１３中のコア粉体１４１相互間隔は、５ｎｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。５ｎｍ未満になると、コア粉体１４１相互間でトンネル電流が流れてしまい、また１００μｍ以上だと絶縁シート１０及び絶縁スペーサ-１３中のコア粉体１４１の総量が少なくなってしまう為である。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態に係るキャパシタ型の蓄電池について説明する。このキャパシタ型の蓄電池は、絶縁シート１０及び絶縁スペーサー膜１３において、コア粉体１４１の表面に、第１の実施形態で説明した絶縁膜１４２を形成する点を除いて、第２の実施形態と同様である。また本実施形態における蓄電池の製造方法は、コア粉体１４１の表面に導電膜１４３を形成しない点を除いて、第１の実施形態に係る蓄電池の製造方法と同様である。
【００３２】
本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、コア粉体１４１が部分的に凝集した場合でも、コア粉体の表面に絶縁膜１４２が形成されているため、コア粉体１４１相互間が電気的に絶縁した状態を維持できる。
【００３３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る蓄電池の断面図。
【図２】蓄電シート１の構成を説明する為の金属ナノ複合体粉体の断面図。
【図３】蓄電シート１の構成を説明する為の断面図
【符号の説明】
【００３５】
１…蓄電シート、１０…絶縁シート、１１，１２…導電膜、１３…絶縁スペーサー膜、１４…複合粉体、１５…絶縁物、２１，２２…端子、１４１…コア粉体、１４２…絶縁膜、１４３…導電膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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