発電素子
【課題】外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により一定時間放置後、所定の電圧を確保できる蓄電池を提供する事を目的とするものである。
【解決手段】一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層が設けられている発電素子において、前記一対の電極は少なくともカーボンを含有し、互いの電極の水分含有量を異ならせるように構成した。
【解決手段】一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層が設けられている発電素子において、前記一対の電極は少なくともカーボンを含有し、互いの電極の水分含有量を異ならせるように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを発生する発電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やモバイルコンピュータに代表される携帯情報端末の需要は急速に高まりをみせており、今後さらに成長が期待される分野の１つとなっている。
一般に蓄電池としては、これまで鉛蓄電池やニッケル・カドミウム電池などが用いられてきたが、環境配慮型社会の要求からこのような有害重金属を含有する蓄電池に対する規制も次第に強まりつつある。また、小型の携帯情報端末の普及によって、より利用エネルギーの高密度化、高電圧化、高出力化、長寿命化、小型軽量化、低価格化等の要求が一層高まり、新たな蓄電源として、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオンキャパシタ等が開発され普及してきている。
【０００３】
そして、リチウムイオン電池は、通常は非水系の電解液を使用するため、水の電気分解電圧を超える高い電圧が得られ、エネルギー密度が高い。従来の蓄電源と比較して、エネルギー密度、寿命、出力等においてより優れており、現在も端末の小型・軽量化の追及に伴い、リチウムイオン電池に関する更なる研究開発が盛んに行われている。例えば、小型・軽量化を追及したものとして、以下の特許文献１が挙げられる。特許文献１では電解質として高分子を用いて、電極の両面に触媒層を有する構造のリチウムイオン二次電池が開示されている。
【０００４】
ところが、特許文献１に示すような蓄電池として使用されている電気二重層キャパシタ等は、電池の放電により電圧が低下した際には、外部電圧により繰り返し充電する必要が有り、ユーザーによる度重なる長時間の充電作業を強いていた。そこで、外部電圧による充電を必要とせず、ピリジニウム系イオン液体などを含有した誘電性ゴム組成物による自己充電機能により所定の電圧を確保できる蓄電池が特許文献２などに提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４４５７号公報
【特許文献２】特開２００９−２２７９８５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、特許文献２において、蓄電池として使用されているピリジニウム系イオン性液体含有のゴム組成物などでは、自己充電機能を備え前記特許文献１の問題点は解決されているものの、充電できる電圧が極めて低く、蓄電池として装置を動作させるには更なる充電能力の向上が望まれていた。そこで、本発明では前記問題点を解決する為になされたものであり、外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により所定の電圧を確保できる蓄電池の性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための発明は、一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層が設けられている発電素子において、前記一対の電極は少なくともカーボンを含有し、互いの電極の水分含有量が異なっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る発電素子にあっては、カーボンを含有した一対の電極の互いの水分含有量を異ならせることにより、これまでの自己充電機能を備えた蓄電池に比べ充電性能が大幅に向上させることができ、携帯情報端末等に好適に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る発電素子の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】発電確認テスト方法の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る発電素子１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの発電素子１００は、一対の導電性の電極６１、６２を離間させ、前記一対の電極で中間層２０を挟み込む構成となっている。
【００１１】
ここで、中間層２０にイオン液体を用いて、自然放置にて自己充電がなされる構造となっている。中間層としてはイオン液体単体を用いる方法や、ベースとなる固体状物質にイオン液体を含有させたものを用いることも出来る。
【００１２】
そして、中間層として用いられるイオン液体としては、特に限定されるものではないが、ピリジニウム系イオン液体（化学式１）、イミダゾリウム系イオン液体（化学式２）、脂環式アミン系イオン液体（化学式３）、脂肪族アミン系イオン液体（化学式４）、脂肪族ホスホニウム系イオン液体（化学式５）等が用いることができ、少なくとも１種のイオン液体から選択される。
【００１３】
【化１】
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【００１４】
（電極）
発電素子の電極としては、導電性のあるものが用いられる。電極の物性としては、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下、より好ましくは１×１０−1 Ω・ｃｍ以下のものを好適に使用できる。体積固有抵抗が１０ Ω・ｃｍを超える場合は、導電性が低いために発電効率が悪くなることが想定され好ましくない。電極層の具体的なものとしては、導電性の良いカーボン板やカーボンを含有する樹脂複合材などが挙げられ、それぞれ単独または２種類を組み合わせて使用することができる。
【００１５】
また、電極には、上記導電性物質にイオン液体を含ませ、更には一対の電極に含まれる水分量を異ならせるように調整するとよい。水分量の差は好ましくは１００ｐｐｍ以上、更に好ましくは５００ｐｐｍ以上にするとよい。一対の電極の水分量が異なると、発電ユニットが閉回路の状態で、より水分量の多い電極がプラスに帯電して、両電極間に電位差が生じる。このため、外部から電力を供給せずとも閉回路状態で発電ユニットを保存することにより、繰り返し自己充電を行える蓄電池として用いることが出来る。
【００１６】
更には、電極のカーボン板には前処理として、酸アルカリ洗浄をするとよい。酸アルカリ洗浄により電極表面の不純物等が洗浄され、電極の帯電能力の向上に寄与できる。またこれに加え大気圧プラズマ処理を行ってもよい。
【００１７】
（スペーサ）
一対の電極間にイオン液体の中間層を封入する為のスペーサが必要になる。スペーサまたはスペーサに用いられるベース材料としては、絶縁性の良い材料が用いられる。
具体的なものとしては、ガラス、石英、アルミナ、ジルコニア等の無機材料や、シリコーンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂等の有機材料が挙げられる。
この構成を有することによって、一対の電極間に電位差が発生する。この電位差を放電させた後、開回路の状態で大気中保存することにより、再度両電極間に電位差が生じる特徴を有する。
【００１８】
（実施例・比較例）
実施例、比較例を表１のように作製して性能試験を行った。
電極：昭和電工株式会社製 ＳＧカーボン板（気密性カーボン）
ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製 ＩＬ−Ｐ１４）含有
イオン交換水含有
スペーサ：シリコーンゴムユニット（厚さ２００μｍ）
中間層：ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製 ＩＬ−Ｐ１４）
【００１９】
（電極の作製）
実施例、比較例の電極として、カーボン板を表１に示す所定の水分量を含有させたイオン液体中に、大気中、室温条件下で５分間浸漬させたものを用意した。
【００２０】
（中間層の作製）
１対の電極（６１、６２）間にスペーサ２１を置き、水分量４０００ｐｐｍを含む前記イオン液体を電極上に滴下して発電素子１００とした。この時、下部電極６２は絶縁のためＰＴＦＥシート６３上に設置している状態である。さらに発電素子作製後、両電極間に外部から電圧を印加し、配向処理を行った。
【００２１】
（発電確認試験）
実施例および比較例で作製した発電素子の発電量を、図２で示すような測定装置で測定して発電材料としての機能の評価を行った。発電電圧は、電圧波形測定装置で測定した。
【００２２】
電極間の電位差を測定するに当って、下記操作を行った。
（１）両電極を短絡させ電位差を０Vにする。
（２）その後、電極間の短絡を取り外し大気中に所定時間保存した。
（３）その後、両電極間の電位差の時間変化を測定した。
【００２３】
（試験結果）
表１から分かる通り、一対の電極の水分量を互いに異ならせた発電素子は、放電後大気中に所定時間保存することにより上部電極６１と下部電極６２間に同量の水分量を含有する一対の電極を備えた発電素子以上の電位差を得ることができ、自己充電機能の向上に寄与していることが分かった。特に一対の電極の水分量差が５００ｐｐｍの実施例において性能が最も向上した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
この実験結果により、本発明の構成を採用すると簡易な構造で、容易に自己発電機能を備える発電素子の性能向上を図ることが可能となる。
【符号の説明】
【００２６】
１００…発電素子
２０…中間層（イオン液体）
２１…スペーサ
６１…上部電極
６２…下部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを発生する発電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やモバイルコンピュータに代表される携帯情報端末の需要は急速に高まりをみせており、今後さらに成長が期待される分野の１つとなっている。
一般に蓄電池としては、これまで鉛蓄電池やニッケル・カドミウム電池などが用いられてきたが、環境配慮型社会の要求からこのような有害重金属を含有する蓄電池に対する規制も次第に強まりつつある。また、小型の携帯情報端末の普及によって、より利用エネルギーの高密度化、高電圧化、高出力化、長寿命化、小型軽量化、低価格化等の要求が一層高まり、新たな蓄電源として、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオンキャパシタ等が開発され普及してきている。
【０００３】
そして、リチウムイオン電池は、通常は非水系の電解液を使用するため、水の電気分解電圧を超える高い電圧が得られ、エネルギー密度が高い。従来の蓄電源と比較して、エネルギー密度、寿命、出力等においてより優れており、現在も端末の小型・軽量化の追及に伴い、リチウムイオン電池に関する更なる研究開発が盛んに行われている。例えば、小型・軽量化を追及したものとして、以下の特許文献１が挙げられる。特許文献１では電解質として高分子を用いて、電極の両面に触媒層を有する構造のリチウムイオン二次電池が開示されている。
【０００４】
ところが、特許文献１に示すような蓄電池として使用されている電気二重層キャパシタ等は、電池の放電により電圧が低下した際には、外部電圧により繰り返し充電する必要が有り、ユーザーによる度重なる長時間の充電作業を強いていた。そこで、外部電圧による充電を必要とせず、ピリジニウム系イオン液体などを含有した誘電性ゴム組成物による自己充電機能により所定の電圧を確保できる蓄電池が特許文献２などに提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４４５７号公報
【特許文献２】特開２００９−２２７９８５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、特許文献２において、蓄電池として使用されているピリジニウム系イオン性液体含有のゴム組成物などでは、自己充電機能を備え前記特許文献１の問題点は解決されているものの、充電できる電圧が極めて低く、蓄電池として装置を動作させるには更なる充電能力の向上が望まれていた。そこで、本発明では前記問題点を解決する為になされたものであり、外部電圧による充電を必要とせず、自己充電により所定の電圧を確保できる蓄電池の性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための発明は、一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層が設けられている発電素子において、前記一対の電極は少なくともカーボンを含有し、互いの電極の水分含有量が異なっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る発電素子にあっては、カーボンを含有した一対の電極の互いの水分含有量を異ならせることにより、これまでの自己充電機能を備えた蓄電池に比べ充電性能が大幅に向上させることができ、携帯情報端末等に好適に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る発電素子の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】発電確認テスト方法の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る発電素子１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの発電素子１００は、一対の導電性の電極６１、６２を離間させ、前記一対の電極で中間層２０を挟み込む構成となっている。
【００１１】
ここで、中間層２０にイオン液体を用いて、自然放置にて自己充電がなされる構造となっている。中間層としてはイオン液体単体を用いる方法や、ベースとなる固体状物質にイオン液体を含有させたものを用いることも出来る。
【００１２】
そして、中間層として用いられるイオン液体としては、特に限定されるものではないが、ピリジニウム系イオン液体（化学式１）、イミダゾリウム系イオン液体（化学式２）、脂環式アミン系イオン液体（化学式３）、脂肪族アミン系イオン液体（化学式４）、脂肪族ホスホニウム系イオン液体（化学式５）等が用いることができ、少なくとも１種のイオン液体から選択される。
【００１３】
【化１】
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【００１４】
（電極）
発電素子の電極としては、導電性のあるものが用いられる。電極の物性としては、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下、より好ましくは１×１０−1 Ω・ｃｍ以下のものを好適に使用できる。体積固有抵抗が１０ Ω・ｃｍを超える場合は、導電性が低いために発電効率が悪くなることが想定され好ましくない。電極層の具体的なものとしては、導電性の良いカーボン板やカーボンを含有する樹脂複合材などが挙げられ、それぞれ単独または２種類を組み合わせて使用することができる。
【００１５】
また、電極には、上記導電性物質にイオン液体を含ませ、更には一対の電極に含まれる水分量を異ならせるように調整するとよい。水分量の差は好ましくは１００ｐｐｍ以上、更に好ましくは５００ｐｐｍ以上にするとよい。一対の電極の水分量が異なると、発電ユニットが閉回路の状態で、より水分量の多い電極がプラスに帯電して、両電極間に電位差が生じる。このため、外部から電力を供給せずとも閉回路状態で発電ユニットを保存することにより、繰り返し自己充電を行える蓄電池として用いることが出来る。
【００１６】
更には、電極のカーボン板には前処理として、酸アルカリ洗浄をするとよい。酸アルカリ洗浄により電極表面の不純物等が洗浄され、電極の帯電能力の向上に寄与できる。またこれに加え大気圧プラズマ処理を行ってもよい。
【００１７】
（スペーサ）
一対の電極間にイオン液体の中間層を封入する為のスペーサが必要になる。スペーサまたはスペーサに用いられるベース材料としては、絶縁性の良い材料が用いられる。
具体的なものとしては、ガラス、石英、アルミナ、ジルコニア等の無機材料や、シリコーンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂等の有機材料が挙げられる。
この構成を有することによって、一対の電極間に電位差が発生する。この電位差を放電させた後、開回路の状態で大気中保存することにより、再度両電極間に電位差が生じる特徴を有する。
【００１８】
（実施例・比較例）
実施例、比較例を表１のように作製して性能試験を行った。
電極：昭和電工株式会社製 ＳＧカーボン板（気密性カーボン）
ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製 ＩＬ−Ｐ１４）含有
イオン交換水含有
スペーサ：シリコーンゴムユニット（厚さ２００μｍ）
中間層：ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製 ＩＬ−Ｐ１４）
【００１９】
（電極の作製）
実施例、比較例の電極として、カーボン板を表１に示す所定の水分量を含有させたイオン液体中に、大気中、室温条件下で５分間浸漬させたものを用意した。
【００２０】
（中間層の作製）
１対の電極（６１、６２）間にスペーサ２１を置き、水分量４０００ｐｐｍを含む前記イオン液体を電極上に滴下して発電素子１００とした。この時、下部電極６２は絶縁のためＰＴＦＥシート６３上に設置している状態である。さらに発電素子作製後、両電極間に外部から電圧を印加し、配向処理を行った。
【００２１】
（発電確認試験）
実施例および比較例で作製した発電素子の発電量を、図２で示すような測定装置で測定して発電材料としての機能の評価を行った。発電電圧は、電圧波形測定装置で測定した。
【００２２】
電極間の電位差を測定するに当って、下記操作を行った。
（１）両電極を短絡させ電位差を０Vにする。
（２）その後、電極間の短絡を取り外し大気中に所定時間保存した。
（３）その後、両電極間の電位差の時間変化を測定した。
【００２３】
（試験結果）
表１から分かる通り、一対の電極の水分量を互いに異ならせた発電素子は、放電後大気中に所定時間保存することにより上部電極６１と下部電極６２間に同量の水分量を含有する一対の電極を備えた発電素子以上の電位差を得ることができ、自己充電機能の向上に寄与していることが分かった。特に一対の電極の水分量差が５００ｐｐｍの実施例において性能が最も向上した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
この実験結果により、本発明の構成を採用すると簡易な構造で、容易に自己発電機能を備える発電素子の性能向上を図ることが可能となる。
【符号の説明】
【００２６】
１００…発電素子
２０…中間層（イオン液体）
２１…スペーサ
６１…上部電極
６２…下部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層が設けられている発電素子において、前記一対の電極は少なくともカーボンを含有し、互いの電極の水分含有量が異なっていることを特徴とする発電素子。
【請求項１】
一対の電極と、前記一対の電極を離間配置させるスペーサと、前記一対の電極と前記スペーサとによって設けられた空間にイオン液体よりなる中間層が設けられている発電素子において、前記一対の電極は少なくともカーボンを含有し、互いの電極の水分含有量が異なっていることを特徴とする発電素子。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２３０８０６（Ｐ２０１２−２３０８０６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７９０５（Ｐ２０１１−９７９０５）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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