コンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサ
【課題】炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極及び、それを用いた電気二重層コンデンサを提供する。
【解決手段】誘電体５と、誘電体を介して設けられる１対の電極１０ａ、１０ｂとを具備する電気二重層コンデンサ１において、それらの電極は電界効果を有する半導体からなるコンデンサ用電極であり、電極１０ａは、誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体２０ａを介して直流電源５０の一方の極に接続され、電極１０ｂは、誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体２０ｂを介して直流電源の他方の極に接続される。
【解決手段】誘電体５と、誘電体を介して設けられる１対の電極１０ａ、１０ｂとを具備する電気二重層コンデンサ１において、それらの電極は電界効果を有する半導体からなるコンデンサ用電極であり、電極１０ａは、誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体２０ａを介して直流電源５０の一方の極に接続され、電極１０ｂは、誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体２０ｂを介して直流電源の他方の極に接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、従来の二次電池のように充放電において化学反応を伴わないため長寿命であり、かつ高サイクル特性を有し、さらに大電流による充放電が可能になるなどの特徴から、近年注目を集めており、特に、大容量・高出力の電気二重層コンデンサの開発が進められている。
【０００３】
そして、このような電気二重層コンデンサ用電極としては、活性炭粉末などの炭素系の多孔質材料を硫酸などの電解液の溶媒を用いて混練してスラリ状とし、それを加圧プレスにより成形したものが用いられている。このようにして得られる電極は、多孔質構造を有するので、亀裂や破壊が生じ易く、長期の使用に耐えることができないという問題があった。
【０００４】
このような問題に対して、活性炭粉末と電解液の混合物を必要に応じてポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）のバインダを加えて混練し、この混練物を延伸又は圧延などした電極が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３１９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような電極は、すべて炭素系の多孔質材料を含んでおり、その電極を用いて構成される電気二重層コンデンサの容量は炭素系の多孔質材料の特性に依存するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑み、炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極及び、それを用いた電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、有機半導体トランジスタに関する研究を通じて、コンデンサ用電極は導電体からなるものであるという既成概念にとらわれず、半導体をコンデンサ用電極として用いることができることを見出し、本発明に至った。
【０００９】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、電界効果を有する半導体からなることを特徴とするコンデンサ用電極にある。
【００１０】
かかる第１の態様では、炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極を提供することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のコンデンサ用電極において、前記半導体が有機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極にある。
【００１２】
かかる第２の態様では、可撓性を有するコンデンサ用電極を提供することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載のコンデンサ用電極において、前記半導体が無機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極にある。
【００１４】
かかる第３の態様では、炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極を提供することができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、誘電体と、前記誘電体を介して設けられる１対の電極とを具備する電気二重層コンデンサにおいて、前記１対の電極は第１〜３の何れかの態様に記載のコンデンサ用電極であり、前記１対の電極の一方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して直流電源の一方の極に接続され、前記１対の電極の他方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して前記直流電源の他方の極に接続されることを特徴とする電気二重層コンデンサにある。
【００１６】
かかる第４の態様では、電極に炭素系の多孔質材料を含まず、かつ電極を構成する半導体の性質に応じた特性を有する電気二重層コンデンサを提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るコンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサによると、炭素系の多孔質材料の特性に依存しない新規なコンデンサ用電極及び、電極を構成する半導体の性質に応じた特性を有する電気二重層コンデンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る電気二重層コンデンサを示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る電気二重層コンデンサ１は、電界効果を有する半導体からなる１対の電極１０ａ、１０ｂが誘電体５を介して平行に配置されている。そして、電極１０ａの誘電体５に接する面に対向する面には、薄膜状に形成された導電体層２０ａが設けられており、電極１０ａは導電体層２０ａを介して直流電源５０の正極に接続された配線３０ａと接続されている。また、同様に、電極１０ｂの誘電体５に接する面に対向する面には、薄膜状に形成された導電体層２０ｂが設けられており、電極１０ｂは導電体層２０ｂを介して直流電源５０の負極に接続された配線３０ｂと接続されている。
【００２０】
このように構成された電気二重層コンデンサ１では、直流電源５０から配線３０ａを介して導電体層２０ａに電圧が印加されると、電界効果によって電極１０ａが分極し、導電体層２０ａと接する電極１０ａの表面近傍に電子が蓄積すると共に、誘電体５と接する電極１０ａの表面近傍に正孔が蓄積する。一方、直流電源５０から配線３０ｂを介して導電体層２０ｂに電圧が印加されると、電界効果によって電極１０ｂが分極し、導電体層２０ｂと接する電極１０ｂの表面近傍に正孔が蓄積すると共に、誘電体５と接する電極１０ｂの表面近傍に電子が蓄積する。すると、電極１０ａと電極１０ｂとの間に電位差が生じ、誘電体５が分極する。そして、図２に示すように誘電体５中の陰イオンが電極１０ａと接する誘電体５の表面近傍に移動して電気二重層を形成すると共に、図３に示すように誘電体５中の陽イオンが電極１０ｂと接する誘電体５の表面近傍に移動して電気二重層を形成する。
【００２１】
このようにして、本実施形態に係る電気二重層コンデンサ１は電気二重層コンデンサとして機能することになる。すなわち、電気二重層コンデンサ１を構成する電極１０ａ、１０ｂは、電圧が印加されて初めて電極として機能する「潜在的導電体」であり、従来の導電体からなる電極とはまったく異なる新規な電気二重層コンデンサ用電極である。そして、この電極を用いた電気二重層コンデンサ１は、電極１０ａ、１０ｂを構成する半導体の性質に応じた特性を有するという効果を奏する。例えば、電極を構成する半導体として表面積が大きな有機半導体を用いると、容易に表面積を大きくすることができるので、可撓性を有し、かつ大容量化が容易な電気二重層コンデンサを提供することができる。
【００２２】
次に、本実施形態に係る電気二重層コンデンサを構成する構成要素について説明する。電極１０ａ、１０ｂを構成する半導体は無機半導体であっても有機半導体であってもよい。また、電極１０ａ、１０ｂを構成する半導体は、単結晶で構成されても多結晶で構成されてもよいが単結晶の方が好ましいのはいうまでもない。さらに、有機半導体で構成することによって可撓性を有する電極１０ａ、１０ｂを形成することができる。電極１０ａ、１０ｂを構成する有機半導体化合物としては、電界効果を有するものであれば特に限定されないが、例えば、（１）ペンタセン、テトラセン、アントラセンなどのオリゴアセン分子、（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、（３）セクシチオフェンなどのオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子、（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子、（６）ペリレン及びその誘導体分子、（７）ピレン及びその誘導体分子、（８）Ｃ６０などのフラーレン分子及びその誘導体分子、（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、（１０）ポルフィリン、亜鉛ポルフィリン、鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子などが挙げられ、特にルブレンやペンタセンはキャリアの移動度が大きいので好ましい。
【００２３】
電極１０ａ、１０ｂを構成する無機半導体化合物としては、電界効果を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物、ポリマーＳｉ、アモルファスシリコン、ＳｉＧｅなどのシリコン系半導体、さらには、銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニンや金属ポルフィリンなどの金属錯体半導体材料などが挙げられる。
【００２４】
導電体層２０ａ、２０ｂを構成する物質は特に限定されず、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどの金属が挙げられ、特に比抵抗が低いＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が好ましい。
【００２５】
誘電体５は、特に限定されないが、強誘電体が好ましいのはいうまでもない。
【００２６】
配線３０ａ、３０ｂは直流電源５０と導電体層２０ａ、２０ｂとを接続することができるものであれば特に限定されない。
【００２７】
直流電源５０は、電気二重層コンデンサ１に所定の電圧を印加することができるものであれば特に限定されない。
【００２８】
（他の実施形態）
実施形態１では、電気二重層コンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサについて説明したが、通常のコンデンサにも本発明のコンデンサ用電極を用いることができると共に、本発明のコンデンサ用電極を用いて通常のコンデンサを構成することもできることはいうまでもない。
【００２９】
また、実施形態１では、上述したように同一半導体で各電極を形成したが、異なる半導体で形成してもよい。また、同様にして、各導電体を異なる物質で形成してもよい。このようにしても、実施形態１と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態１に係る電気二重層コンデンサの概略図である。
【図２】図１に示す部分Ａを拡大した拡大図である。
【図３】図１に示す部分Ｂを拡大した拡大図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 電気二重層コンデンサ
５ 誘電体
１０ａ、１０ｂ 電極
２０ａ、２０ｂ 導電体層
３０ａ、３０ｂ 配線
５０ 直流電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、従来の二次電池のように充放電において化学反応を伴わないため長寿命であり、かつ高サイクル特性を有し、さらに大電流による充放電が可能になるなどの特徴から、近年注目を集めており、特に、大容量・高出力の電気二重層コンデンサの開発が進められている。
【０００３】
そして、このような電気二重層コンデンサ用電極としては、活性炭粉末などの炭素系の多孔質材料を硫酸などの電解液の溶媒を用いて混練してスラリ状とし、それを加圧プレスにより成形したものが用いられている。このようにして得られる電極は、多孔質構造を有するので、亀裂や破壊が生じ易く、長期の使用に耐えることができないという問題があった。
【０００４】
このような問題に対して、活性炭粉末と電解液の混合物を必要に応じてポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）のバインダを加えて混練し、この混練物を延伸又は圧延などした電極が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３１９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような電極は、すべて炭素系の多孔質材料を含んでおり、その電極を用いて構成される電気二重層コンデンサの容量は炭素系の多孔質材料の特性に依存するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑み、炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極及び、それを用いた電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、有機半導体トランジスタに関する研究を通じて、コンデンサ用電極は導電体からなるものであるという既成概念にとらわれず、半導体をコンデンサ用電極として用いることができることを見出し、本発明に至った。
【０００９】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、電界効果を有する半導体からなることを特徴とするコンデンサ用電極にある。
【００１０】
かかる第１の態様では、炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極を提供することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のコンデンサ用電極において、前記半導体が有機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極にある。
【００１２】
かかる第２の態様では、可撓性を有するコンデンサ用電極を提供することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載のコンデンサ用電極において、前記半導体が無機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極にある。
【００１４】
かかる第３の態様では、炭素系の多孔質材料を含まない新規なコンデンサ用電極を提供することができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、誘電体と、前記誘電体を介して設けられる１対の電極とを具備する電気二重層コンデンサにおいて、前記１対の電極は第１〜３の何れかの態様に記載のコンデンサ用電極であり、前記１対の電極の一方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して直流電源の一方の極に接続され、前記１対の電極の他方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して前記直流電源の他方の極に接続されることを特徴とする電気二重層コンデンサにある。
【００１６】
かかる第４の態様では、電極に炭素系の多孔質材料を含まず、かつ電極を構成する半導体の性質に応じた特性を有する電気二重層コンデンサを提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るコンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサによると、炭素系の多孔質材料の特性に依存しない新規なコンデンサ用電極及び、電極を構成する半導体の性質に応じた特性を有する電気二重層コンデンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る電気二重層コンデンサを示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る電気二重層コンデンサ１は、電界効果を有する半導体からなる１対の電極１０ａ、１０ｂが誘電体５を介して平行に配置されている。そして、電極１０ａの誘電体５に接する面に対向する面には、薄膜状に形成された導電体層２０ａが設けられており、電極１０ａは導電体層２０ａを介して直流電源５０の正極に接続された配線３０ａと接続されている。また、同様に、電極１０ｂの誘電体５に接する面に対向する面には、薄膜状に形成された導電体層２０ｂが設けられており、電極１０ｂは導電体層２０ｂを介して直流電源５０の負極に接続された配線３０ｂと接続されている。
【００２０】
このように構成された電気二重層コンデンサ１では、直流電源５０から配線３０ａを介して導電体層２０ａに電圧が印加されると、電界効果によって電極１０ａが分極し、導電体層２０ａと接する電極１０ａの表面近傍に電子が蓄積すると共に、誘電体５と接する電極１０ａの表面近傍に正孔が蓄積する。一方、直流電源５０から配線３０ｂを介して導電体層２０ｂに電圧が印加されると、電界効果によって電極１０ｂが分極し、導電体層２０ｂと接する電極１０ｂの表面近傍に正孔が蓄積すると共に、誘電体５と接する電極１０ｂの表面近傍に電子が蓄積する。すると、電極１０ａと電極１０ｂとの間に電位差が生じ、誘電体５が分極する。そして、図２に示すように誘電体５中の陰イオンが電極１０ａと接する誘電体５の表面近傍に移動して電気二重層を形成すると共に、図３に示すように誘電体５中の陽イオンが電極１０ｂと接する誘電体５の表面近傍に移動して電気二重層を形成する。
【００２１】
このようにして、本実施形態に係る電気二重層コンデンサ１は電気二重層コンデンサとして機能することになる。すなわち、電気二重層コンデンサ１を構成する電極１０ａ、１０ｂは、電圧が印加されて初めて電極として機能する「潜在的導電体」であり、従来の導電体からなる電極とはまったく異なる新規な電気二重層コンデンサ用電極である。そして、この電極を用いた電気二重層コンデンサ１は、電極１０ａ、１０ｂを構成する半導体の性質に応じた特性を有するという効果を奏する。例えば、電極を構成する半導体として表面積が大きな有機半導体を用いると、容易に表面積を大きくすることができるので、可撓性を有し、かつ大容量化が容易な電気二重層コンデンサを提供することができる。
【００２２】
次に、本実施形態に係る電気二重層コンデンサを構成する構成要素について説明する。電極１０ａ、１０ｂを構成する半導体は無機半導体であっても有機半導体であってもよい。また、電極１０ａ、１０ｂを構成する半導体は、単結晶で構成されても多結晶で構成されてもよいが単結晶の方が好ましいのはいうまでもない。さらに、有機半導体で構成することによって可撓性を有する電極１０ａ、１０ｂを形成することができる。電極１０ａ、１０ｂを構成する有機半導体化合物としては、電界効果を有するものであれば特に限定されないが、例えば、（１）ペンタセン、テトラセン、アントラセンなどのオリゴアセン分子、（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、（３）セクシチオフェンなどのオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子、（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子、（６）ペリレン及びその誘導体分子、（７）ピレン及びその誘導体分子、（８）Ｃ６０などのフラーレン分子及びその誘導体分子、（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、（１０）ポルフィリン、亜鉛ポルフィリン、鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子などが挙げられ、特にルブレンやペンタセンはキャリアの移動度が大きいので好ましい。
【００２３】
電極１０ａ、１０ｂを構成する無機半導体化合物としては、電界効果を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物、ポリマーＳｉ、アモルファスシリコン、ＳｉＧｅなどのシリコン系半導体、さらには、銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニンや金属ポルフィリンなどの金属錯体半導体材料などが挙げられる。
【００２４】
導電体層２０ａ、２０ｂを構成する物質は特に限定されず、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどの金属が挙げられ、特に比抵抗が低いＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が好ましい。
【００２５】
誘電体５は、特に限定されないが、強誘電体が好ましいのはいうまでもない。
【００２６】
配線３０ａ、３０ｂは直流電源５０と導電体層２０ａ、２０ｂとを接続することができるものであれば特に限定されない。
【００２７】
直流電源５０は、電気二重層コンデンサ１に所定の電圧を印加することができるものであれば特に限定されない。
【００２８】
（他の実施形態）
実施形態１では、電気二重層コンデンサ用電極及びそれを用いた電気二重層コンデンサについて説明したが、通常のコンデンサにも本発明のコンデンサ用電極を用いることができると共に、本発明のコンデンサ用電極を用いて通常のコンデンサを構成することもできることはいうまでもない。
【００２９】
また、実施形態１では、上述したように同一半導体で各電極を形成したが、異なる半導体で形成してもよい。また、同様にして、各導電体を異なる物質で形成してもよい。このようにしても、実施形態１と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態１に係る電気二重層コンデンサの概略図である。
【図２】図１に示す部分Ａを拡大した拡大図である。
【図３】図１に示す部分Ｂを拡大した拡大図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 電気二重層コンデンサ
５ 誘電体
１０ａ、１０ｂ 電極
２０ａ、２０ｂ 導電体層
３０ａ、３０ｂ 配線
５０ 直流電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果を有する半導体からなることを特徴とするコンデンサ用電極。
【請求項２】
請求項１に記載のコンデンサ用電極において、
前記半導体が有機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極。
【請求項３】
請求項１に記載のコンデンサ用電極において、
前記半導体が無機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極。
【請求項４】
誘電体と、
前記誘電体を介して設けられる１対の電極とを具備する電気二重層コンデンサにおいて、
前記１対の電極は請求項１〜３の何れかに記載のコンデンサ用電極であり、
前記１対の電極の一方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して直流電源の一方の極に接続され、
前記１対の電極の他方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して前記直流電源の他方の極に接続されることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項１】
電界効果を有する半導体からなることを特徴とするコンデンサ用電極。
【請求項２】
請求項１に記載のコンデンサ用電極において、
前記半導体が有機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極。
【請求項３】
請求項１に記載のコンデンサ用電極において、
前記半導体が無機半導体であることを特徴とするコンデンサ用電極。
【請求項４】
誘電体と、
前記誘電体を介して設けられる１対の電極とを具備する電気二重層コンデンサにおいて、
前記１対の電極は請求項１〜３の何れかに記載のコンデンサ用電極であり、
前記１対の電極の一方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して直流電源の一方の極に接続され、
前記１対の電極の他方は、前記誘電体と接する面と対向する面に設けられた導電体を介して前記直流電源の他方の極に接続されることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２７３７９７（Ｐ２００７−２７３７９７Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９８５３３（Ｐ２００６−９８５３３）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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