説明

蓄電装置およびその作製方法

【課題】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。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。
【解決手段】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。これにより、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。

【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、SiH、Si、SiF、SiCl、SiCl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(LiPO)、リン酸鉄リチウム(LiFe(PO)、リン酸マンガンリチウム(LiMn(PO)、リン酸ニッケルリチウム(LiNi(PO)、リン酸クロムリチウム(LiCr(PO)などのリチウム酸化物、および硫化リンリチウム(LiPS)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PO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LiFe(POが挙げられ、具体的にはLiFe(PO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LiFe(POおよびFe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、SiH、Si、SiF、SiCl、SiCl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、LiCoO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、LiFeO、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiFePO、LiCoPO、LiNiPO、LiMnPO、などのリチウム化合物や、V、Cr、MnO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、LiClO、LiAsF、LiBF、LiPF、Li(CSON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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
集電体上に活物質層を形成し、
前記活物質層上の自然酸化膜を除去後、
前記活物質層上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蓄電装置の作製方法。
【請求項2】
前記固体電解質層は、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ある、請求項1に記載の蓄電装置の作製方法。
【請求項3】
前記固体電解質層の膜厚は、1nm以上100nm以下とする、請求項1または2に記載の蓄電装置の作製方法。
【請求項4】
前記活物質層は、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ある、請求項1乃至3のいずれか一に記載の蓄電装置の作製方法。
【請求項5】
集電体と、前記集電体上の活物質層と、前記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、
前記電極は、前記固体電解質層において前記液体の電解質と接する蓄電装置。
【請求項6】
前記固体電解質層は、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ある、請求項5に記載の蓄電装置。
【請求項7】
前記固体電解質層の膜厚は、1nm以上100nm以下とする、請求項5または6に記載の蓄電装置。
【請求項8】
前記活物質層は、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ある、請求項5乃至7のいずれか一に記載の蓄電装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate


【公開番号】特開2012−23027(P2012−23027A)
【公開日】平成24年2月2日(2012.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−127827(P2011−127827)
【出願日】平成23年6月8日(2011.6.8)
【出願人】(000153878)株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Fターム(参考)】