(57)【要約】【課題】小型で、かつ、大容量の大きな電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置を提供する。【解決手段】第一電極４、誘電体層６、第二電極７を備えた電気エネルギー蓄積装置１において、第一電極４と誘電体層６との間および第二電極７と誘電体層６との間に、金属の微粒子５ａにより構成された微粒子層６を形成する。さらに誘電体層６を粒径４０ナノメートル程度あるいはそれ以下の微粒子の積層、あるいは薄膜と微粒子の交互積層で構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに挟まれるように形成された誘電体層と、を備た電気エネルギー蓄積装置において、
第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、金属、金属錯体あるいは導電性セラミックの微粒子が電極微粒表面積拡大層として形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。
【請求項２】
前記微粒子層が、ナノ繊維、量子ドット、あるいは量子突起層としてのナノ技術形成層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項３】
前記ナノ技術形成層が複数層形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項４】
前記ナノ技術形成層が、単独あるいは複数層形成され、各層間に薄膜金属を組み入れたことを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項５】
前記ナノ技術形成層が、磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項６】
前記ナノ技術形成層が、着磁されていることを特徴とする請求項５に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項７】
導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに挟まれるように形成された誘電体層と、を備た電気エネルギー蓄積装置において、
誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層により形成される誘電率向上層で構成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。
【請求項８】
前記誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層の複合により形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギー蓄積装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギー蓄積装置として近年電気自動車を代表に大容量バッテリーへのニーズからリチウムイオン電池の大容量化が進むとともに電解キャパシタを機能拡張した電気二重層キャパシタ電池の開発が盛んに行われている。
なかでも磁性材料を使用した開発事例がある（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許文献１記載の発明は、「電気エネルギを蓄積する装置」に関するものであり、「第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションを有する第１の磁性ユニットと、第３の磁性セクションおよび第４の磁性セクションを有する第２の磁性ユニットと、第１の磁性ユニットと第２の磁性ユニットとの間に配置された誘電体セクションと、を備え、誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、ダイポールを有する第１の磁性セクション、第２の磁性セクション、第３の磁性セクションおよび第４の磁性セクションにより電流リークを防ぐ」ものである。
特許文献２記載の発明は、「電気エネルギを蓄積する装置」に関するものであり、「第１の磁性セクションと、第２の磁性セクションと、第１の磁性セクションと第２の磁性セクションとの間に配置された誘電体セクションと、を備え、誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、ダイポールをそれぞれに有する第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションにより電流リークを防ぐ」ものである。
特許文献３記載の発明は、「電気エネルギを蓄積する装置」に関するものであり、「第１の磁性セクションと、第２の磁性セクションと、第１の磁性セクションと第２の磁性セクションとの間に配置された半導体セクションと、を備え、半導体セクションと第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションとの間の接合面により形成されるダイオードバリアが第１の磁性セクションから第２の磁性セクションへの電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積する」ものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７７５３５号公報
【特許文献２】特開２００８−１７７５３６号公報
【特許文献３】特開２００９−０４９３５１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１〜３に記載の技術において、リチウムイオン電池は大容量化の開発進展は大きいが、過充電時、事故時の発火、充放電に伴う劣化、あるいは充電時間が長いという問題点は現存すると共にリチウム資源の枯渇が問題となってくる。
そのため電池寿命が長く、充電時間が短縮できる電気二重層大容量のキャパシタの開発がおこなわれており、大規模な静電容量もつ電気二重層キャパシタ電池も実現しているがリチウムイオン電池の静電容量に比べ二十分の一程度が限界といわれており自動車等への適用には開発課題が大きい。
また従来は静電容量を拡大するため電極材料の表面積の拡大が主要開発項目となっており、リチウムイオン二次電池では蓄積効率の高いイオン物質の選定あるいは電気二重層キャパシタではナノカーボン電極材料の開発に注力されてきた。
一方、積層セラミックコンデンサーは高電圧ノイズフィルター部材として基板実装用にできるだけ小型化が図られてきたがそのため単位容積あたりの静電容量の拡大を課題とする。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、小型で、かつ、大容量の電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに挟まれるように形成された誘電体層と、を備た電気エネルギー蓄積装置において、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、金属、金属錯体あるいは導電性セラミックの微粒子が電極微粒表面積拡大層として形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記微粒子層が、ナノ繊維、量子ドット、あるいは量子突起層としてのナノ技術形成層で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が複数層形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が、単独あるいは複数層形成され、各層間に薄膜金属を組み入れたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が、磁性材料で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記ナノ技術形成層が、着磁されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、導電性材料で形成された第一の電極と、前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに挟まれるように形成された誘電体層と、を備た電気エネルギー蓄積装置において、誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層により形成される誘電率向上層で構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、前記誘電体層が薄膜、微粒子、あるいは量子ドットのいずれかを含む量子突起層の複合により形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型で、かつ、大容量の電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る電気エネルギー蓄積装置を模式的に示した断面図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態を図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電気エネルギー蓄積装置を模式的に示した断面図である。
図１に示す電気エネルギー蓄積装置１は、支持基板２と、バッファ層３と、第一電極４と、微粒子層５と、誘電体層６と、第二電極７と、端子８、９と、を備えている。
【００１７】
支持基板２は、特に限定しないが、例えば、シリコン単結晶、ＳｉＧｅ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶、ＳｒＴｉＯ3単結晶、ＭｇＯ単結晶、ＬａＡｌＯ3単結晶、ＺｒＯ2単結晶、ＭｇＡｌ2Ｏ4単結晶、ＮｄＧａＯ3単結晶、ＮｄＡｌＯ3単結晶、ＬａＧａＯ3単結晶などによって、形成することができる。これらの中では、低コストのため、シリコン単結晶が最も好ましい。また、支持基板２の厚さは、電気エネルギー蓄積装置１全体の機械的強度を確保することができれば、とくに限定されるものではなく、例えば、１０ないし１０００μｍ程度に設定すればよい。
【００１８】
バッファ層３は、支持基板２の上層に形成され、支持基板２と第一電極４を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての役割を果たす。バッファ層３を形成するための材料は、例えば、ＺｒＯ2、ＲｅＯ2、ＲｅＯ2−ＺｒＯ2、ＭｇＡｌＯ4、γ−Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3などによって、形成することができる。具体的には、これらの中から、支持基板２との格子整合性に優れ、熱膨張係数が、支持基板２と誘電体層６を構成する薄膜材料の間にある材料を選択して、バッファ層３を形成することが好ましい。また、バッファ層３は単層構造であっても、多層構造であってもよい。そして、バッファ層３の厚さは、支持基板２と第一電極４を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての機能を確保することができれば、特に限定されず、例えば、１ないし１０００ｎｍ程度に設定すればよい。
【００１９】
なお、バッファ層３は設けなくてもよい。バッファ層３を設けない場合は、支持基板２の表面に、第一電極４を形成する。
【００２０】
第一電極４は、バッファ層３の上層に薄膜に形成され、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの導電性の金属によって、形成することができる。具体的には、これらの材料の中から、支持基板２あるいはバッファ層３との格子整合性に優れた材料を選択して形成することが好ましい。また、第一電極４の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの一方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、５００〜１０００ｎｍ程度に設定すればよい。
【００２１】
電極微粒表面積拡大層である金属微粒子層としての微粒子層５は、金属の微粒子５ａ（図１を参照）の積層をスパッタリング法などにより、第一電極４の表面（上層）に粒子径を制御しながら成形する。粒子径は２０〜２０００ｎｍ程度で設定され、積層数は例えば５層程度で成形され合わせて１００ｎｍ〜１μｍ程度の厚みに複合積層される（図１は２層の例である）。微粒子５ａの材料は、第一および第二電極に電気的に接合あるいは共有結合的に結合して電極の表面積を拡大して集電効果を拡大することで誘電体に対する誘電効果を高める機能を有する。非磁性材料としてはＡｕ、Ｐｔ他、シリコン、銅合金など電極材料に準ずる材料の他、導電性セラミックスあるいは有機金属錯体でもよい。磁性材料として、鉄コバルト合金などの軟磁性材料あるいはマンガン酸化物のようにコロッサル効果（超巨大磁気抵抗効果）により磁性抵抗が常温で極めて高い材料を選定する。
また、微粒子５ａの材料として、第一電極４と同一の材料、即ち磁性材料ではない導電性の金属を用いてもよい。微粒子５ａの材料として第一電極４と同一の材料の場合は電極の表面積を１００〜５００倍に増大させることができる。また、磁性材料を用いた場合は磁界の集電効果により電気エネルギーの蓄積量をさらに５０〜１００倍に増大させることができる。
【００２２】
なお形態としてはナノ繊維、中空粒子、量子ドット、微小径突起構造体でもよくまたそれらと薄膜との交互の積層体でもよい。
ここで、中空粒子とは、例えば、ゼオライトのように微小発泡連通孔を有する粒子をいう。また、微小径突起構造体とは、量子ドットのようなナノレベルの山が並んだような構造体であり、局部腐食でも作製可能である。
ここで、ナノ技術を用いて形成した層をナノ技術形成層という。
【００２３】
誘電体層６は、第一電極４に積層した微粒子層５の上層にナノレベルの微粒子で構成される。誘電体層６の材料としては高い誘電率を持つ材料、例えばチタン酸バリウムで形成される。形態としては中空粒子、量子ドット、微小径突起構造体でもよくまたそれらと薄膜との交互の積層体でもよい。誘電体層６は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、有機金属化学気相成長法（metal-organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）、有機金属分解法（metal-organic decomposition：ＭＯＤ）やゾル・ゲル法などの液相法（ＣＳＤ法）などの各種薄膜形成法を用いて形成することができる。特に低温で、誘電体層６を形成する必要がある場合には、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、レーザーＣＶＤ、光ＣＳＤ、レーザーＣＳＤ法を用いることが好ましい。なお、誘電体層６は、図１に示したように各層を薄膜で形成して（微粒子層５は微粒子のまま層を形成して）順次積層するため固体に形成される誘電体を用いる。
【００２４】
誘電体層６の表面（上層）には、第一電極４と同様に微粒子層５をスパッタリング法などにより粒子径を制御しながら成形する。粒子系は２００〜２０００ｎｍ程度で設定され、積層数は５層程度で成形され合わせて１００ｎｍ〜１μｍ程度の厚みに複合積層される。
【００２５】
第二電極７は、誘電体層６の上層に形成した微粒子層５の上層に薄膜に形成されている。第二電極７は、導電性を有していれば特に限定されるものではなく、第一電極４と同様な材料によって形成することができるが、格子整合性を考慮する必要はなく、また、室温で形成することができるから、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの卑金属や、ＷＳｉ、ＭｏＳｉなどの合金を用いて形成することもできる。また、第二電極７の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの他方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、１００〜１００００ｎｍ程度に設定すればよい。
【００２６】
端子８は、第一電極４から引き出され、図示しない入出力回路等と接続するための一方の端子であり、端子８を引き出すために第一電極４は表出してマスキングで部分露出が行われている。端子９は、第二電極７から引き出され、図示しない入出力回路等と接続するための他方の端子である。
【００２７】
上述したように形成することで、第一電極４と誘電体層６との間および第２電極７と誘電体層６の間に微粒子層５が形成される。
【００２８】
上述した電気エネルギー蓄積装置１は、図示しない電源装置などに端子８、９を接続することで、電荷（電気エネルギー）を充電（蓄積）する。この際に微粒子層５の微粒子５ａが磁性材料で構成されていれば、（超）巨大磁気抵抗効果により電流のリークを防止して誘電体層６により多くの電荷を蓄積することができる。そして、端子８、９を電源装置から図示しない負荷に付け替えることで充電した電荷を放電して負荷に電気エネルギーを供給し動作させることができる。したがって、この電気エネルギー蓄積装置１は、薄膜キャパシタとして動作する。
【００２９】
本実施形態によれば、第一電極４と誘電体層６との間および第二電極７と誘電体層６との間に、金属の微粒子５ａにより構成された微粒子層６が形成されているので、第一電極４および第二電極７の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。また、微粒子５ａが金属で形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００３０】
また、微粒子層６の微粒子５ａが、磁性材料で形成されているので、第一電極４と第二電極７との間に電圧を印加した場合に、電界により微粒子５ａの磁性性能による集電率の向上が可能になり、より多くの電気エネルギーを蓄積することができる。
【００３１】
なお、上述した微粒子層６の微粒子５ａを磁性材料で形成する際は、予め着磁された状態で微粒子層６を形成してもよいし、電気エネルギー形成装置１として製造して当該電気エネルギー形成装置１使用前に外部から磁界をかけて着磁してもよい。予め着磁すれば、後から着磁する必要が無く、そのための回路や装置等も必要ない。
【００３２】
ここで、
1）電極部をナノ粒子化することで
静電容量：２０μＦ／ｍｍ2を達成することができ、１ｍｍ高さ／１００層として
２０００μＦ／ｍｍ3の静電容量の可能性が考えられた。
これは    １０ｃｍ3  で２０００Ｆとなる計算である。
蓄電エネルギーは、１／２  ×  ２０００Ｆ  ×  ６０2
＝  １ＫＷｈ  ＝  ８０Ａｈ（１２Ｖ換算）
となる。すなわち、リチウム電池の５倍程度の性能が初歩の検証で立証された。
換言すると、誘電体を微粒子化することで誘電率を増加させることができ、直接静電容量の向上につながることを意味する。
なお、誘電体を微粒子化することによってさらに静電容量を５〜１０倍程度向上させることが可能で、蓄電池のより小型化が実現できる。
【００３３】
また、上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３４】
＜作用効果＞
以上説明したように本実施形態によれば、第一の電極と誘電体層との間および第二の電極と誘電体層との間に、金属の微粒子により構成された金属微粒子層が形成されているので、第一の電極および第二の電極の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。
また、本実施形態によれば、微粒子が金属で形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。
また、本実施形態によれば、各電極と誘電体層を薄膜で形成し粒径がナノオーダーの微粒子を用いることで装置の小型化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１    電気エネルギー蓄積装置
２    支持基板
３    バッファ層
４    第一電極
５    微粒子層（電極微粒表面積拡大層）
５ａ    微粒子
６    誘電体層
７    第二電極
８、９    端子
【図１】
2013065674.tif 000003