JP2020087579A - 光透過性電池および発電ガラス - Google Patents
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Abstract
【課題】可視光を透過する光透過性電池を提供する。【解決手段】光透過性電池１が、絶縁性の透明筐体１１上に正極集電体層１２と正極層１３が積層された正極１０と、絶縁性の透明筐体２１上に負極集電体層２２と負極層２３が積層された負極２０と、対向する正極層１３と負極層２３の間に配置された透明な電解質３０と、を備え、正極集電体層１２、負極集電体層２２、正極層１３、負極層２３の膜厚はいずれも可視光を透過する厚さとする。【選択図】図１
Description
本発明は、可視光を透過する電池に関する。
現在、電子機器を中心とした様々な電源にリチウムイオン二次電池が広く使用されている。電子機器の小型・軽量化が著しく進展し、電子機器に搭載される二次電池についても小型・軽量・薄型化がなされてきた。例えば、薄型の二次電池はスマートフォンを始め様々な電子機器の駆動源として用いられている。モバイル電源のみならず、透明ディスプレイや極薄型ディスプレイなどの電源として、電池そのものの柔軟性やデザイン性なども要求されることがある。
産総研ＨＰ、研究成果記事、"透明な太陽電池の試作に成功"、［online］、２００３年６月２５日、国立研究開発法人産業技術総合研究所、［２０１８年９月７日検索］、インターネット〈URL：https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2003/pr20030625/pr20030625.html〉
しかしながら、現在一般に用いられている二次電池は、薄型であっても全ての層が光透過性の層で構成されておらず、電池全体としては光を完全に遮断する。そのため、例えば、ノートパソコンの場合はキーボードの背面等の見えない場所に電池を搭載する必要があった。また、ゴーグルやメガネに電池を搭載する場合、電池がフレーム内に収まらないときは別途電池部分だけ持ち運ぶ必要があった。さらに、全体がステンドガラスでできた照明などの家具には、電池を収納する箇所がなく、外部に露出したコードから電力を確保する必要があった。
このように、従来の二次電池を電子機器に搭載する場合は、電子機器の見た目のデザインや電子機器を利用する者の視界の妨げにならないよう、電池の設置や収納箇所が視界に入らない箇所に限定されるという問題があった。また、池の収納箇所がない家具の場合は外部に露出したコードから電力を確保しなければならないという問題があった。
電池が透明であれば、モニターの前面等、電池の設置場所の範囲が広がり、デザイン的な観点から電池の設置が難しいものにも利用できると考えられる。
従来、窓に設置しても光を遮らない電池として、透明な太陽電池が報告されている（非特許文献１）。非特許文献１は紫外線を吸収する透明な半導体を用いた電池であり、窓などの光が照射される部分に設置することを目的とされている。このため、透明な太陽電池は、紫外光が照射されない室内で利用するような電子デバイス等には適していない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、可視光を透過する光透過性電池を提供することを目的とする。
本発明に係る光透過性電池は、絶縁性の第１の透明筐体上に正極集電体層と正極層が積層された正極と、絶縁性の第２の透明筐体上に負極集電体層と負極層が積層された負極と、対向する前記正極層と前記負極層の間に配置された透明な電解質層と、を備え、正極集電体層、負極集電体層、正極層、負極層の膜厚はいずれも入射光のうち可視光の吸収を抑制し透過を促進する厚さであることを特徴とする。
本発明に係る発電ガラスは、２枚のガラスを貼り合わせた面に、上記の光透過性電池を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、可視光を透過する光透過性電池を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。
［光透過性電池の構成］
図１は、本実施形態の光透過性電池の構造を模式的に示す断面図であり、図２は、本実施形態の光透過性電池の構造を模式的に示す斜視図である。
図１は、本実施形態の光透過性電池の構造を模式的に示す断面図であり、図２は、本実施形態の光透過性電池の構造を模式的に示す斜視図である。
本実施形態の光透過性電池１は、透明筐体１１上に正極集電体層１２と正極層１３が積層された正極１０、透明筐体２１上に負極集電体層２２と負極層２３が積層された負極２０、電解質３０、及び絶縁性接着剤４０を少なくとも含む。正極層１３と負極層２３は互いに接触しないように電解質３０を介して対向するように配置されている。絶縁性接着剤４０で電解質３０が正極層１３と負極層２３に接触するように封止されている。正極１０には、正極集電体層１２が露出した集電タブ１２ａが形成されている。負極２０には、負極集電体層２２が露出した集電タブ２２ａが形成されている。
従来の電池は性能・安全性の指標で設計されてきた。従来の電池の電極は、メタリックな集電体層上に活物質、導電剤、結着剤が混合されたスラリーやペースト状の合材層が形成されているため、黒色で光を透過しない構造が一般的である。電池に光透過性を持たせるためには、入射光の吸収と散乱を抑制することが必要である。
本実施形態では、集電体層の膜厚を１００〜３００ｎｍ、正極層・負極層の膜厚を２００ｎｍ以下の可視光を透過する厚さとし、正極層・負極層の単層化（導電剤や結着剤を混合しない）、および表面を平坦化することで、光透過性を持たせた。
透明筐体１１，２１は、絶縁性を有する透明な材料であれば材質や厚みは特に限定はされない。例えば透明なガラス基板やプラスチック基板を使用することができる。
正極集電体層１２および負極集電体層２２は、透明筐体１１，２１上にスパッタリング法、蒸着法、あるいはスピンコート法により形成した透明導電膜である。透明導電膜の種類としては、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの半導体があげられる。透明導電膜のシート抵抗は１００Ω／ｓｑ以下であることが望ましく、膜厚は１００〜３００ｎｍの範囲にする必要がある。また、光透過性を考慮すると、スパッタリング法で１００〜２００ｎｍの膜厚のＩＴＯ膜が望ましい。
正極層１３および負極層２３は、リチウムイオンの挿入および脱離が可能な物質を含む材料をスパッタリング法、蒸着法、あるいはスピンコート法により正極集電体層１２上または負極集電体層２２上に形成した、単一金属酸化物または複合金属酸化物からなる単層の正極層・負極層である。光透過性を考慮すると、正極層１３および負極層２３の膜厚は薄い方が入射光の吸収を抑制しできるため望ましいが、十分な充放電容量が得られる膜厚を考慮すると、１００〜２００ｎｍの範囲が望ましい。また、入射光の反射を抑制するためには、正極層１３または負極層２３の表面凹凸を小さくすることが望ましく、スパッタリング法により形成するのが望ましい。このように、入射光の吸収と反射を抑制する電極構造とすることで、入射光を透過させることができる。
正極層１３には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）等の薄く成膜することで光吸収を抑制し、光を透過することが可能となる酸化物を用いることができる。
負極層２３には、チタン酸リチウム（ＬｏＴｉ２Ｏ４、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化物を用いることができる。
正極層１３よりも負極層２３の電極電位が卑になるような組合せで材料を選定すれば良い。
電解質３０には、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド（ＬｉＴＦＳＩ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）などのリチウムイオンを含む金属塩を溶解した透明性を有する有機電解液もしくは水系電解液を使用できる。有機電解液としては、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＤＭＥ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸メチルエチル（ＭＥＣ）、炭酸メチルプロピル（ＭＰＣ）、炭酸メチルイソプロピル（ＭＩＰＣ）、炭酸メチルブチル（ＭＢＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸エチルプロピル（ＥＰＣ）、炭酸エチルイソプロピル（ＥＩＰＣ）、炭酸エチルブチル（ＥＢＣ）、炭酸ジプロピル（ＤＰＣ）、炭酸ジイソプロピル（ＤＩＰＣ）、炭酸ジブチル（ＤＢＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸１，２−ブチレン（１，２−ＢＣ）のような単一溶媒や、炭酸エチレン（ＥＣ）及び炭酸ジメチル（ＤＭＣ）（体積比１：１）の混合溶媒、ＥＣ及び炭酸ジエチル（ＤＥＣ）のような混合溶媒などを用いることができる。水系電解液としては、ＬｉＣｌＯ４などのナトリウムイオンを含む金属塩を水に溶解した水溶液や、ＬｉＴＦＳＩやリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミド（ＬｉＢＥＴＩ）等のリチウム塩を極めて少量の水に交合したリチウムイオン伝導性液体（ハイドレートメルト）を挙げることができる。
絶縁性接着剤４０は、正極１０と負極２０とを接着するとともに、電解質３０の周囲を覆い、電解質３０と大気との接触を遮断する。絶縁性接着剤４０は、溶液乾燥型、湿気硬化型、二液混合型、ＵＶ硬化型のような室温硬化型タイプの合成系接着剤が望ましい。硬化後の透明度を確保するためには、シリコン樹脂製あるいはエポキシ樹脂製が望ましい。これらのうち、接着力および機密性が強く、酸素・水分の透過性が低く、種々の化学物質に対する耐性が高いエポキシ樹脂製が望ましい。とくに、有機電解液にはエポキシ樹脂製の方が高い耐久性を有するため望ましい。
なお、本発明はここで示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。基板の形状は実施例に示した形状に限定されず、円形や多角形などその他の形状でもよい。例えば、図３に示すように、正極１０と負極２０の集電タブを対向するように配置してもよいし、図４に示すように、正極１０と負極２０の集電タブを直角に位置するように配置してもよい。
２枚のガラスを貼り合わせた面に、上記の光透過性電池１の構成を備えて、電池機能を有する発電ガラスを形成してもよい。
［光透過性電池の実施例］
本実施形態の光透過性電池１について、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を正極層１３とし、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を負極層２３とし、炭酸メチルプロピル（ＭＰＣ）にリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド（ＬｉＴＦＳＩ）を溶解したものを電解質３０とした実施例を説明する。
本実施形態の光透過性電池１について、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を正極層１３とし、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を負極層２３とし、炭酸メチルプロピル（ＭＰＣ）にリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド（ＬｉＴＦＳＩ）を溶解したものを電解質３０とした実施例を説明する。
＜実施例１＞
まず、正極１０、負極２０の作製について説明する。
まず、正極１０、負極２０の作製について説明する。
透明筐体１１，２１には、厚さ０．７ｍｍ、サイズ２０×３０ｍｍの無アルカリガラスを用いた。
正極集電体層１２および負極集電体層２２はいずれも、透明筐体１１，２１の片面全面にＩＴＯターゲットをスパッタリング法により成膜することで得た。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は２００ｎｍとした。
正極層１３は、正極集電体層１２の表面の一部にＬｉＣｏＯ２ターゲットをスパッタリング法により成膜することで得た。負極層２３は、負極集電体層２２の表面の一部にＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ターゲットをスパッタリング法により成膜することで得た。正極層１３および負極層２３の膜厚はいずれも１００ｎｍとした。正極集電体層１２および負極集電体層２２の表面領域２０×３０ｍｍのうち端２０×１０ｍｍにマスクをすることで、正極集電体層１２および負極集電体層２２の残りの表面領域２０×２０ｍｍに正極層１３または負極層２３を形成した。正極層１３および負極層２３が形成されなかった正極集電体層１２および負極集電体層２２の露出部分を集電タブ１２ａ，２２ａとした。
得られた正極１０（ＬｉＣｏＯ２／ＩＴＯ／ガラス）および負極２０（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２／ＩＴＯ／ガラス）の可視光域の平均透過率はそれぞれ３０％、８０％であった。
続いて、光透過性電池１の作製について説明する。
図５に示すように、正極層１３と負極層２３が対向する面の周囲に絶縁性接着剤４０を配置し、正極層１３と負極層２３との間に０．５ｍｍの隙間ができるように正極１０と負極２０とを接着した。このとき、正極層１３と負極層２３の対向面の周囲の一部（約１ｍｍ）に絶縁性接着剤４０を配置しないことで、電解液注入口４１を設けた。
絶縁性接着剤４０には、二液室温硬化型接着剤のエポキシ樹脂を用いた。二液混合後、約６０分で硬化したことが確認され、硬化後の色は淡黄色半透明であった。電解液注入口４１から電解質３０として透明な１ｍｏｌ／ｌのＬｉＴＦＳＩ／ＰＣ溶液を注入した後、電解液注入口４１を上述と同様の絶縁性接着剤４０で封止し、一晩硬化させることで実施例１の光透過性電池１を得た。
図６に、実施例１の光透過性電池１の透過スペクトルを示す。可視光域の平均透過率は２５％であり、目視でも光透過性を有する電池であることを確認した。透過率の指標として、一般的なサングラスを例にとると、目視で電池の向こう側が透けて見えるためには、透過率２０％程度以上であることが望ましい。
続いて、光透過性電池１の充放電性能の評価について説明する。
光透過性電池１の充放電試験は、市販の充放電測定システム（北斗電工社製、ＳＤ８充放電システム）を用いて、正極層１３および負極層２３の有効面積当たりの電流密度で１μＡ／ｃｍ２を通電し、室温で充放電試験を行った。
図７に、実施例１の光透過性電池１の充電から試験を開始した充放電曲線を示す。図７より、実施例１の光透過性電池１は充放電が可能であり、初回放電容量３．９μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．５Ｖであった。
図８に、実施例１の光透過性電池１のサイクル特性を示す。図８より、１８サイクル目も初回の９０％以上の放電容量が維持されていたことが分かった。
このように、実施例１の光透過性電池１は、可逆的な充放電が可能で、ある程度のサイクル安定性を有していることが分かった。
以下では、実施例１を基本として、正極集電体層１２および負極集電体層２２の材料を変えた実施例２〜実施例５、正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚を変えた実施例６〜実施例１０、正極層１３および負極層２３の膜厚を変えた実施例１１〜実施例１５について説明する。
まず、正極集電体層１２および負極集電体層２２の材料を変えた実施例２〜５について説明する。
＜実施例２＞
実施例２の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、材料をＦＴＯとし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
実施例２の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、材料をＦＴＯとし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は１９％であり、実施例１の場合よりも６％低かった。初回放電容量３．５μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．４Ｖであった。１８サイクル目は初回の９８％の放電容量が維持されており、優れたサイクル特性を示した。この結果から、正極集電体層１２および負極集電体層２２にＦＴＯを使用した実施例２においても光透過性電池として動作することが示された。
＜実施例３＞
実施例３の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、ＦＴＯ（５０ｎｍ）／ＩＴＯ（１５０ｎｍ）の積層体とし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。透明筐体１１，２１側をＩＴＯ、正極層１３側および負極層２３側をＦＴＯとした。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
実施例３の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、ＦＴＯ（５０ｎｍ）／ＩＴＯ（１５０ｎｍ）の積層体とし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。透明筐体１１，２１側をＩＴＯ、正極層１３側および負極層２３側をＦＴＯとした。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は２３％であった。初回放電容量３．８μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．５Ｖであり、実施例１と同程度であった。１８サイクル目は初回の９８％の放電容量が維持されており、優れたサイクル特性を示した。この結果から、正極集電体層１２および負極集電体層２２にＦＴＯ／ＩＴＯの積層体を使用した実施例３においても光透過性電池として動作することが示された。
＜実施例４＞
実施例４の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、材料をＳｎＯ２とし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
実施例４の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、材料をＳｎＯ２とし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は１９％であった。初回放電容量３．０μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．３Ｖであり、実施例１の結果よりも容量・電圧ともに低かった。１８サイクル目は初回の８５％の放電容量が維持された。この結果から、正極集電体層１２および負極集電体層２２にＳｎＯ２を使用した実施例４は、実施例１よりも性能が劣るものの、光透過性電池として動作することが示された。
＜実施例５＞
実施例５の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、材料をＺｎＯとし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
実施例５の正極集電体層１２および負極集電体層２２は、材料をＺｎＯとし、実施例１と同様にスパッタリング法により透明筐体１１，２１の片面全面に透明導電膜を形成した。正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は実施例１と同じ２００ｎｍである。その他は実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は２２％であった。初回放電容量３．１μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．１Ｖであり、実施例１の結果よりも容量・電圧ともに低かった。１８サイクル目は初回の８０％の放電容量が維持された。この結果から、正極集電体層１２および負極集電体層２２にＺｎＯを使用した実施例５は、実施例１の場合よりも性能が劣るものの、光透過性電池として動作することが示された。
実施例１〜実施例５の評価結果を次表１に示す。
実施例１〜実施例５の評価結果から、光透過性はＩＴＯが最も優れており、耐久性はＦＴＯ／ＩＴＯの積層体が最も優れていることが確認された。ＦＴＯはＩＴＯよりも薬品耐性に優れているため、正極集電体層１２および負極集電体層２２の正極層１３および負極層２３を接している側をＦＴＯ層とした構造は、ＩＴＯ単層の構造よりも耐久性に優れる。
続いて、実施例１〜実施例５のうち平均透過率が最も高かったＩＴＯを正極集電体層１２および負極集電体層２２に用いた場合において、正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚の影響を調べた実施例６〜実施例１０について説明する。
＜実施例６＞
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を２０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を２０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は３５％であった。初回放電容量２．０μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧１．５Ｖであった。
＜実施例７＞
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は３２％であった。初回放電容量２．５μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧１．７Ｖであった。
＜実施例８＞
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を１００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を１００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は３０％であった。初回放電容量３．５μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．３Ｖであった。
＜実施例９＞
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を３００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を３００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は２２％であった。初回放電容量４．８μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．７Ｖであった。
＜実施例１０＞
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を５００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極集電体層１２および負極集電体層２２のＩＴＯの膜厚を５００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は９％であった。初回放電容量５．０μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．９Ｖであった。
実施例６〜実施例１０の評価結果を次表２に示す。表２では、実施例１の評価結果も合わせて示している。
実施例６〜実施例１０の評価結果から、膜厚が薄い程透過率が高くなるが放電容量は低下することが示された。集電体の膜厚が薄くなることで集電体の抵抗が増加し電気伝導性が低下したためであると考えられる。集電体の膜厚が１００ｎｍよりも薄い実施例６，７は放電容量が低く、集電体の膜厚が３００ｎｍよりも厚い実施例１０は透過率が低くなっている。目視で光の透過性を充分に認識できる透過率２０％以上を保ち、優れた電池性能も確保するためには、ＩＴＯを用いた正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚は１００〜３００ｎｍが妥当であると考えられる。また、他の材料を用いた正極集電体層１２および負極集電体層２２の膜厚も１００〜３００ｎｍが妥当であると考えられる。
続いて、実施例１と同じ膜厚２００ｎｍのＩＴＯを正極集電体層１２および負極集電体層２２に用いた場合において、正極層１３および負極層２３の膜厚の影響を調べた実施例１１〜実施例１５について説明する。
＜実施例１１＞
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は４２％であった。初回放電容量２．９μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．９Ｖであった。
＜実施例１２＞
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも１５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも１５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は２１％であった。初回放電容量４．０μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．３Ｖであった。
＜実施例１３＞
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも２００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも２００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は１７％であった。初回放電容量４．１μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧２．１Ｖであった。
＜実施例１４＞
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも３００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも３００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は８％であった。初回放電容量３．５μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧１．６Ｖであった。
＜実施例１５＞
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも５００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
正極層１３および負極層２３の膜厚をいずれも５００ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製し、充放電性能を評価した。
得られた電池の可視光域の平均透過率は３％であった。初回放電容量３．３μＡｈ／ｃｍ２、放電開始電圧１．２Ｖであった。
実施例１１〜実施例１５の評価結果を次表３に示す。表３では、実施例１の評価結果も合わせて示している。
実施例１１〜実施例１３の評価結果から、正極層１３および負極層２３の膜厚が薄い程透過率が高くなることが確認された。一方、膜厚が薄い程放電開始電圧は高くなり放電容量は低下することが示された。正極層１３および負極層２３の膜厚が薄いと、集電体層までの厚み方向の抵抗が低減されるが、電池反応に消費される物質量が減少するため放電容量が低下したと考えられる。
さらに、実施例１４および実施例１５の評価結果から、正極層１３および負極層２３の膜厚が３００ｎｍ以上の場合、透過率、放電開始電圧ともに大幅に低下することが確認された。導電性の低い電極の厚み分のＩＲ抵抗（ロス）により電圧が低下する。
以上の結果から、目視で光の透過性を充分に認識できる透過率を保ち、電池性能も確保するためには、正極層１３および負極層２３の膜厚は５０〜２００ｎｍが妥当であると考えられる。正極集電体層１２および負極集電体層２２にＩＴＯ以外の材料を用いた場合も同様に、正極層１３および負極層２３の膜厚は５０〜２００ｎｍが妥当であると考えられる。
以上説明したように、本実施形態によれば、光透過性電池１が、絶縁性の透明筐体１１上に正極集電体層１２と正極層１３が積層された正極１０と、絶縁性の透明筐体２１上に負極集電体層２２と負極層２３が積層された負極２０と、対抗する正極層１３と負極層２３の間に配置された透明な電解質３０と、を備え、正極集電体層１２、負極集電体層２２、正極層１３、負極層２３の膜厚はいずれも可視光を透過する厚さとすることにより、可視光を透過する光透過性電池１を提供できる。本実施形態の光透過性電池１を電子機器に搭載する場合は、電池の設置場所や収納箇所の自由度が増し、デバイスの見た目のデザインが損なわれることがないという効果が得られる。特に、透明なデバイスに対して親和性良く搭載できる、という効果も得られる。
１…光透過性電池
１０…正極
１１…透明筐体
１２…正極集電体層
１２ａ…集電タブ
１３…正極層
２０…負極
２１…透明筐体
２２ａ…集電タブ
２２…負極集電体層
２３…負極層
３０…電解質
４０…絶縁性接着剤
４１…電解液注入口
１０…正極
１１…透明筐体
１２…正極集電体層
１２ａ…集電タブ
１３…正極層
２０…負極
２１…透明筐体
２２ａ…集電タブ
２２…負極集電体層
２３…負極層
３０…電解質
４０…絶縁性接着剤
４１…電解液注入口
Claims (6)
- 絶縁性の第１の透明筐体上に正極集電体層と正極層が積層された正極と、
絶縁性の第２の透明筐体上に負極集電体層と負極層が積層された負極と、
対向する前記正極層と前記負極層の間に配置された透明な電解質層と、を備え、
正極集電体層、負極集電体層、正極層、負極層の膜厚はいずれも入射光のうち可視光の吸収を抑制し透過を促進する厚さである
ことを特徴とする光透過性電池。 - 前記正極層および前記負極層は、膜厚が５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、リチウムイオンの挿入および脱離が可能な物質を含む単一金属酸化物または複合金属酸化物からなる単層である
ことを特徴とする請求項１に記載の光透過性電池。 - 前記正極集電体層および前記負極集電体層は、膜厚が１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、スズドープ酸化インジウム、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、酸化亜鉛の少なくとも１種類を含む透明導電膜である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光透過性電池。 - 前記電解質層は水系または有機系の電解液である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光透過性電池。 - 前記電解質層の周囲に配置され、前記正極と前記負極とを接着する絶縁性接着剤と、
前記正極集電体層を露出させた第１の集電タブと、
前記負極集電体層を露出させた第２の集電タブと、を備える
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光透過性電池。 - ２枚のガラスを貼り合わせた面に、
請求項１乃至５のいずれかに記載の光透過性電池を備えた
ことを特徴とする発電ガラス。
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|---|---|---|---|---|
| WO2024105854A1 (ja) * | 2022-11-17 | 2024-05-23 | 日本電信電話株式会社 | リチウム二次電池、及び、リチウム二次電池の製造方法 |
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