JP2021157881A

JP2021157881A - 二次電池

Info

Publication number: JP2021157881A
Application number: JP2020054610A
Authority: JP
Inventors: 潤二中島; Junji Nakajima; 章理出川; Akimichi Degawa
Original assignee: Power Iv Inc
Current assignee: Power Iv Inc
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-10-07
Also published as: TW202137619A; US20210351403A1

Abstract

【課題】高い出入力性能、高容量で小型化が可能な二次電池を提供する。【解決手段】二次電池１００であって、ｐ型半導体として機能する電極１０と、ｎ型半導体として機能する電極２０と、電極１０と電極２０の間に設けられるホール伝達部材３０と、を備え、電極１０は、スパッタ膜または蒸着膜であり、電極２０は、シリコン、グラフェン、及びグラファイトの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、ホール伝達部材３０は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜である。【選択図】図１

Description

本発明は二次電池に関する。

現在、リチウムイオン二次電池が広く普及している。一般的なリチウムイオン二次電池は、リチウム含有遷移金属複合酸化物を活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料を活物質とする負極と、非水電解液と、セパレータと、を備える（例えば、特許文献１参照）。

近年では、二次電池は、携帯型電子機器だけではなく、電気自動車、スマートグリッド、人型ロボット、ドローン、電力負荷平準化システム等の定置用電池等、幅広く使用されるようになった。これにより、従来のリチウムイオン二次電池を上回る高い出入力性能、高容量で小型の二次電池の開発が期待されている。

特開平５−２４２９１１号公報

しかしながら、従来のリチウムイオン二次電池は、単位重さあたりの出力及び容量に限界がある。また、化学電池であるため小型化に限界がある。

本発明は、高い出入力性能、高容量で小型化が可能な二次電池を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池であって、ｐ型半導体として機能する第一電極と、ｎ型半導体として機能する第二電極と、第一電極と第二電極の間に設けられるホール伝達部材と、を備え、第一電極は、スパッタ膜または蒸着膜であり、第二電極は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、ホール伝達部材は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜であることを特徴とする。

本発明によれば、高い出入力性能、高容量で小型化が可能な二次電池を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る二次電池の模式図である。本発明の第１実施形態に係る二次電池が電子機器の電子基板に設けられた状態を示す断面図である。本発明の第１実施形態に係る二次電池が電子機器の電子基板に設けられた状態を示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池の断面図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る二次電池について説明する。

＜第１実施形態＞
図１〜３を参照して、本発明の第１実施形態に係る二次電池１００について説明する。

［二次電池１００の全体構成］
図１に示すように、二次電池１００は、ｐ型半導体として機能する第一電極としての電極１０と、ｎ型半導体として機能する第二電極としての電極２０と、電極１０と電極２０の間に設けられるホール伝達部材３０と、を備える。

電極１０は、正極として機能する。電極１０は、スパッタ膜または蒸着膜であり、例えば酸化ニッケルを含む。電極２０は、負極として機能する。電極２０は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜である。ホール伝達部材３０は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜であり、例えばニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含む。電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０は、それぞれ平面状に成膜されて積層される。電極１０及び電極２０は、スパッタリングにより形成されるスパッタ膜または蒸着により形成される蒸着膜であるため、バインダーを含まない。つまり、電極１０及び電極２０は、バインダーを含まないスパッタ膜または蒸着膜である。電極１０と電極２０はホール伝達部材３０を介して対向し、物理的に接触しない。

ｐ型半導体として機能する電極１０、ｎ型半導体として機能する電極２０、及びホール伝達部材３０を備える二次電池１００では、従来のリチウムイオン二次電池のようなイオンの移動ではなく、ホールの移動により充放電される。具体的には、充電時には、外部電源（図示せず）の高電位端子が電極１０と電気的に接続され、低電位端子が電極２０と電気的に接続されることで、電極１０にホールが生じる。また、電極１０のホールはホール伝達部材３０を通じて電極２０に移動する。放電時には、電極１０の電位は電極２０の電位よりも高く、電極１０と電極２０との電位差により、電極１０のホールが外部負荷（図示せず）を通じて電極２０に移動する。また、電極２０のホールはホール伝達部材３０を通じて電極１０に移動する。これにより、電流は、電極１０から外部負荷（図示せず）を介して電極２０に流れる。

ここで、ホールはイオンよりも小さく、高い移動度を有する。二次電池１００は、イオンの移動よりも高速なホールの移動により作動するため、高い急速充電性能及び高い出入力性能を有する。また、電極２０がグラフェンを有する場合は、充電時の電極２０では、ホールは電極１０での電界方向と垂直方向に進行し、電子はホールと反対方向に蓄積されることを見出している。放電時の電極２０では、誘電分極反応を生じ、電極２０に蓄積された電子は一気に外部に放出され、電極２０のホールは電極１０側に移動する。これにより、二次電池１００は高い出力性能を有する。

また、二次電池１００は、作動時に化学反応を伴わないため、長寿命、高容量、高い出入力性能、高い急速充電性能、及び高い安全性を有する。

このように、二次電池１００はホールの移動により作動するため、半導体電池の原理より成る電池といえる。二次電池１００は、イオンではなくホールの移動により作動するため、高い出入力性能及び高容量を有する。

また、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０はスパッタ膜または蒸着膜である。つまり、電極１０及び電極２０は、材料の混錬及び塗布により形成されるものではないため、電極１０及び電極２０の製造工程を減らすことができ、さらに、電極１０及び電極２０に良好な導電パスを形成することができる。加えて、電極１０及び電極２０は、電極活物質を接着するバインダーが不要であるため、二次電池１００は、長寿命、高容量、高い出入力性能、及び高い急速充電性能を有する。

また、従来のリチウムイオン二次電池は、電極１０及び電極２０が材料の混錬及び塗布により形成されるため、電極１０及び電極２０の小型化に限界があり、そのため、電池の小型化に限界がある。これに対し、本発明の第１実施形態に係る二次電池１００の電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０の各膜は、スパッタリングまたは蒸着により形成される。そのため、例えば２ミリ四方の小さな電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０であっても容易に作成することができ、二次電池１００を従来のリチウムイオン二次電池よりも小型化できる。そのため、以下に記載するように、二次電池１００を小さくチップ状に形成し、電子機器５０の電子基板５１に設けることが可能となる。

図２に示すように、二次電池１００は、電子機器５０の電子基板５１に設けられて電子機器５０の電源または補助電源として機能する。例えば、二次電池１００を電子機器５０としてのパーソナルコンピュータの電子基板５１に設け、補助電源として機能させることで、停電等で主電源からの電力供給が遮断された際の揮発性メモリの内容の保持及び電子部品への衝撃の緩和をすることができる。また、主電源がオフの状態でも、二次電池１００から揮発性メモリに電力を供給し内容を保持することができる。他にも、二次電池１００を電子機器５０としてのペースメーカーの電子基板５１に設け、主電源として機能させることができる。二次電池１００は、作動時に化学反応を伴わないため、高い安全性を有する。さらに、二次電池１００は、従来のペースメーカーに用いられている充電不可能な一次電池ではなく、充電可能な二次電池であるため、ペースメーカーの主電源として好適である。

電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０の各膜は、ケース６０内に形成されて電子基板５１に設けられることが好ましい。ケース６０は、例えば銅などの導電性材料で形成される。ケース６０は、電子基板５１上に搭載される凹状の本体部６１と、本体部６１の開口を塞ぐ蓋部６２と、を有する。本体部６１と蓋部６２の間には、絶縁ゴムなどの絶縁体で形成されるシール部材としてのＯリング６５が設けられ、本体部６１と蓋部６２との電気的接続が防止される。

電極２０は、ケース６０の本体部６１の底板６１ａ上に成膜され、ホール伝達部材３０は、電極２０上に成膜され、電極１０は、ホール伝達部材３０上に成膜される。電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０の各膜は、成膜時にメタルマスクを用いる方法、または、メタルマスクを用いずに、成膜後にリソグラフィ及びエッチングを行う方法で形成される。電極１０は、リード線、ワイヤ、または導電性ペースト等の通電部７０を介して、ケース６０の蓋部６２と電気的に接続される。これにより、負極として機能する電極２０は、本体部６１と電気的に接続され、正極として機能する電極１０は、蓋部６２と電気的に接続される。ケース６０の本体部６１及び蓋部６２が電子基板５１の回路と電気的に接続されることで、二次電池１００は、電子機器５０の電源または補助電源として機能する。

このように、二次電池１００は、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０がスパッタリングにより形成されるスパッタ膜または蒸着により形成される蒸着膜であるため、小型であり、電子機器５０の電子基板５１に設置し電源または補助電源として使用することができる。また、二次電池１００は、充放電時に電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０が化学変化することがないため、従来のリチウムイオン二次電池のような電池の膨張及び収縮が生じず、小さいチップ状の形状を維持することができる。さらに、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０はケース６０内に収容されるため、電子機器５０の熱による二次電池１００の劣化や、電子機器５０が水没した際の漏電が防止される。

なお、電極１０は、通電部７０を介してケース６０の本体部６１の側壁部６１ｂと電気的に接続されてもよい。この場合は、例えば本体部６１の底板６１ａと側壁部６１ｂとの間に絶縁体で形成されるＯリングを設け、底板６１ａと側壁部６１ｂとの電気的接続を防止すればよい。

また、ケース６０は、例えばシリカ等の絶縁材料で形成されてもよい。この場合は、例えば、ケース６０に貫通孔を形成し、貫通孔に通電部７０を設けることで、電極１０及び電極２０をケース６０の外部と電気的に接続すればよい。

また、図３に示すように、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０をシリカ等の絶縁材料で形成された別の部材４０上に予め成膜してユニット化し、それをケース６０内に収容してもよい。具体的には、二次電池１００は、部材４０がケース６０の本体部６１の底板６１ａ上に搭載され、ケース６０内に収容される。電極２０は、部材４０の貫通孔４０ａに設けられる通電部７０を介して本体部６１と電気的に接続されればよい。なお、部材４０は、導電性材料で形成されてもよい。この場合は、部材４０の貫通孔４０ａ及び通電部７０が不要となる。

また、二次電池１００は、ケース６０を介さずに電子機器５０の電子基板５１に設けられてもよい。つまり、二次電池１００は、部材４０を介して電子機器５０の電子基板５１に設けられても、直接電子機器５０の電子基板５１に設けられてもよい。

また、二次電池１００は、図３に示すように、電極１０及び電極２０と電気的に接続されるワイヤレス給電用のコイル８０をさらに備え、コイル８０を介して電力が充電可能であってもよい。これにより、二次電池１００が電子機器５０の電子基板５１に設置された状態であっても、非接触で二次電池１００を充電できる。特に、二次電池１００がペースメーカーの主電源として使用される場合では、二次電池１００が電池切れになる前にワイヤレス給電により充電できる。これにより、ペースメーカーの主電源としての二次電池１００は、二次電池であるために充電可能であり、かつ、ワイヤレス給電により体外から充電可能であるため、従来行っていた手術による電池交換が不要となり、半永久的に使用できる。

［電極１０について］
電極１０は、例えば酸化ニッケルを含む。電極１０は、例えばアンチモン等によりｐドープされる。これにより、電極１０はｐ型半導体として機能し、電極１０にはホールが形成される。酸化ニッケルは、金属イオンに対するホールの量が、マンガン、コバルト、鉄等の一般的な正極材料の中で最も多いことを、ホール測定により確認している。よって、電極１０は、酸化ニッケルを含むことでホールが多くなり、二次電池１００の性能が向上する。

電極１０に酸化ニッケルを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。

・ターゲット：酸化ニッケル
・放電ガス：アルゴンガス
・ガス流量：３０ｓｃｃｍ
・ガス圧力：１．２×１０^-5Ｐａ
・ＤＣ電力：１００Ｗ
・ターゲットと基板の間の距離（ＴＳ距離）：４０ｍｍ
・処理時間：１４０分

酸化ニッケルは溶解性が低く、ウェットエッチングによりパターニングを行うことが難しい。そのため、メタルマスクを用いずにパターニングを行う場合は、成膜後にリソグラフィ及びドライエッチングを行う。

［電極２０について］
電極２０は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含む。シリコンは、例えば、ＳｉＯｘａ（ｘａ＜２）である。グラフェンは、層数が１０層以下のナノレベルの層である。グラフェンを含む電極２０を成膜する際には、グラフェンの一部が凝集してグラファイトが形成される。グラフェンには、カーボンナノチューブが含有されてもよい。また、電極２０は、各種天然黒鉛、人造黒鉛、シリコン系複合材料（シリサイド）、酸化シリコン系材料、チタン合金系材料、及び各種合金組成材料を単独または混合で含んでもよい。

電極２０は、例えば酸化リン、硫黄酸化物、またはヒ素等によりｎドープされる。酸化リンや硫黄酸化物のドープは、例えば高せん断力分散機による添加分散によって行われる。これにより、電極２０はｎ型半導体として機能し、電極１０において発生するイオンやホール、電子を吸蔵及び放出可能となる。なお、電極２０には、他の金属元素がドープされてもよい。例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属や、銅、チタン、亜鉛等の遷移金属がドープされてもよい。

シリコン及びグラフェンは、発熱体として機能しにくいため、二次電池１００の内部短絡が生じた場合でも発熱しにくく、二次電池１００の安全性及び寿命を向上させることができる。特に、電極２０は、シリコン及びグラフェンの混合物を含むことで、ホールの吸蔵効率を向上させることができると同時に電子蓄積層を設けることができる。

電極２０にｎドープされたｎ型シリコンを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。

・ターゲット：ｎ型シリコン
・放電ガス：アルゴンガス
・ガス流量：３０ｓｃｃｍ
・ガス圧力：１．７×１０^-5Ｐａ
・ＤＣ電力：６０Ｗ
・ターゲットと基板の間の距離（ＴＳ距離）：４０ｍｍ
・処理時間：６０分

また、電極２０にグラフェンを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。

・ターゲット：グラフェン
・放電ガス：アルゴンガス
・ガス流量：３０ｓｃｃｍ
・ガス圧力：５．４×１０^-6Ｐａ
・ＤＣ電力：７０Ｗ
・ターゲットと基板の間の距離（ＴＳ距離）：４０ｍｍ
・処理時間：８０分

また、電極２０にシリコン及びグラフェンを含む混合物を適用する場合は、その混合物をターゲットとしてスパッタリングを行う。

［ホール伝達部材３０について］
ホール伝達部材３０は、誘電体、好ましくは強誘電体を含む。誘電体として、例えばニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含む。ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、１０Ｖといった高電位でも使用することができることを実験で確認している。また、ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、他の誘電体よりもコストが安い。よって、ホール伝達部材３０は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことで、二次電池１００を高電位で使用することができ、さらに、二次電池１００のコストが安くなる。なお、ホール伝達部材３０は、その他、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスナトリウム等の誘電体を含んでもよい。

ホール伝達部材３０により、電極１０と電極２０の間でホールが輸送されるとともに、電極１０と電極２０の物理的接触が防止される。よって、ホール伝達部材３０として、例えばシリカ等の絶縁体やエポキシ樹脂等のポリマーを用いると、電極１０と電極２０の間でホールが移動できず、二次電池１００が作動しない。また、ホール伝達部材３０として、ラジカルを有するアクリル樹脂を用いた場合、初期の特性は得られるが酸化還元反応により二次電池１００の劣化が進み、寿命が短いことも確認している。ホール伝達部材３０は、一層もしくは二層以上で形成される。

ホール伝達部材３０にニオブ酸リチウムを適用する場合は、例えば、以下の条件でスパッタリングを行う。

・ターゲット：ニオブ酸リチウム
・放電ガス：アルゴンガス
・ガス流量：３０ｓｃｃｍ
・ガス圧力：１．８×１０^-5Ｐａ
・ＤＣ電力：６０Ｗ
・ターゲットと基板の間の距離（ＴＳ距離）：５０ｍｍ
・処理時間：５０分

また、ホール伝達部材３０に窒化シリコンを適用する場合は、例えば、基板温度３００℃、真空チャンバ内の圧力１．４×１０^-5ＰａでプラズマＣＶＤ処理を行う。

［実施例］
以下に、本発明の第１実施形態に係る二次電池１００の実施例を説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（比較例）
まずは、従来のリチウムイオン二次電池を比較に挙げる。

住友スリーエム株式会社製ニッケルマンガンコバルト酸リチウムＢＣ−６１８、株式会社クレハ製ＰＶＤＦ＃１３２０（固形分１２重量部のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液）、および、アセチレンブラックを重量比率３：１：０．０９で、さらなるＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）とともに双腕式練合機にて攪拌し、正極電極材を作製した。厚さ１３．３μｍのアルミニウム箔に正極電極材を塗布して乾燥させた後、総厚が１５５μｍとなるように圧延し、その後、特定の大きさに切り出して正極の電極を形成した。

一方、人造黒鉛、日本ゼオン株式会社製のスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子結着剤ＢＭ−４００Ｂ（固形分４０重量部）、および、カルボキシメチルセルロース（Ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ：ＣＭＣ）を重量比率１００：２．５：１で適量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、負極電極材を作製した。厚さ１０μｍの銅箔に負極電極材を塗布して乾燥させた後、総厚が１８０μｍとなるように圧延し、その後、特定な大きさに切り出して負極の電極を形成した。

厚さ２０μｍのポリプロピレン微多孔フィルムをセパレータとして正極および負極のそれぞれの電極で挟持して積層構成し、所定の大きさで切断して電槽缶内に挿入した。エチレンカーボネート（ＥｔｈｙｌｅｎｅＣａｒｂｏｎａｔｅ：ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤｉｍｅｔｈｙｌＣａｒｂｏｎａｔｅ：ＤＭＣ）およびメチルエチルカーボネート（ＭｅｔｈｙｌＥｔｈｙｌＣａｒｂｏｎａｔｅ：ＭＥＣ）を混合した混合溶媒にＬｉＰＦ₆を１Ｍ溶解させた電解液をドライエア環境下で電槽缶に注入して一定期間放置した後、０．１Ｃに相当する電流で２０分程度予備充電を行った後で封口し、積層型リチウムイオン二次電池を作製した。なお、その後、常温環境下で一定期間エージング放置した。

（実施例）
次に、本発明の第１実施形態に係る二次電池１００について説明する。

ｎ型シリコンのスパッタリングターゲット、ニオブ酸リチウムを含むスパッタリングターゲット、及び酸化ニッケルを含むスパッタリングターゲットを成膜に用いる。

これらのスパッタリングターゲットを各々スパッタリング装置に取り付け、まず、上記の条件でスパッタリングによりｎ型シリコンを含む電極２０を成膜した。次に、上記の条件でスパッタリングによりニオブ酸リチウムを含むホール伝達部材３０を成膜した。そして、上記の条件でスパッタリングにより酸化ニッケルを含む電極１０を成膜した。ｎ型シリコン：ニオブ酸リチウム：酸化ニッケルの成膜容積比は５：３：１０とした。

上記のように作製した実施例および比較例の電池を、以下に示す方法にて評価した。

（電池初期容量評価）
比較例の仕様電位範囲１Ｖ−３．８Ｖにおける１Ｃ放電容量を１００として二次電池の容量比較性能評価を行った。また、電池の形状は、今回、角型電池缶を用い、積層電池とした。さらに、１０Ｃ／１Ｃの放電容量比を測定した。これによって、高出力性能を評価する。同様に１０Ｃ／１Ｃ充電容量比を測定した。これによって入力性能、急速充電性を評価する。

（釘刺試験）
満充電した二次電池に対して、２．７ｍｍ径の鉄製丸釘を常温環境下で５ｍｍ／秒の速度で貫通させた時の発熱状態及び外観を観測した。下記表１に結果を示す。表１では、二次電池の温度及び外観の変化が生じなかった二次電池を「ＯＫ」と示し、二次電池の温度及び外観の変化が生じた二次電池を「ＮＧ」と示している。

（過充電試験）
充電率２００％を電流維持し、１５分以上外観に変化が生じるか否かを判定した。下記表１に結果を示す。表１では、異常を起こさなかった二次電池を「ＯＫ」と示し、変化（膨れまたは破裂等）が生じた二次電池を「ＮＧ」と示している。

（常温寿命特性）
実施例及び比較例の二次電池を仕様電位範囲１Ｖ−３．８Ｖ仕様の場合、２５℃で１Ｃ／３．８Ｖで充電した後、１Ｃ／１Ｖ放電を３０００サイクル及び１万サイクル実施し、初回目の容量に対して容量低下を比較した。

（評価結果）
表１に上述した評価結果を示す。

このように、高レート充電でも二次電池１００は充電可能となるため、急速充電ができることが示される。また、高レートでの放電特性も良いことから高出力を得られることも示される。

＜第２実施形態＞
図４，５を参照して、本発明の第２実施形態に係る二次電池２００について説明する。図４，５は、二次電池２００の断面図である。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、図中、上記第１実施形態で説明した構成と同一の構成または相当する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

上記第１実施形態では、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０は、平面状に成膜される。これに対して、本第２実施形態では、電極１０及び電極２０の各膜は、櫛歯状に形成され、ホール伝達部材３０を介して互いに対向する。

図４に示すように、具体的には、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０は基材９０上に形成され、電極１０及び電極２０の各膜は、基材９０と垂直に延びる基部１０ａ,２０ａと、基部１０ａ,２０ａから基材９０と平行に延びる複数の櫛歯部１０ｂ,２０ｂと、を有し、電極１０及び電極２０のそれぞれの櫛歯部１０ｂ,２０ｂは、互い違いに配置される。ホール伝達部材３０は、電極１０と電極２０の間に連続して形成される。具体的には、ホール伝達部材３０は、隣接する電極１０の櫛歯部１０ｂと電極２０の櫛歯部２０ｂの間に形成され基材９０と平行に延びる複数の層状部３０ａと、隣接する層状部３０ａ同士をつなぐ接続部３０ｂと、基材９０に最も近い層状部３０ａと基材９０を接続する基材接続部３０ｃと、を有する。ホール伝達部材３０により、電極１０と電極２０との電気的接続が防止される。基材９０は、例えばシリカ等の絶縁体である。電極１０及び電極２０は、例えば銀等の導電性ペースト９１，９２及びリード線９３，９４により、外部の電気回路と電気的に接続される。

電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０は、例えばメタルマスクを用いて、スパッタリングにより各膜を基材９０側から順に積層させることで成膜される。これに代わり、リソグラフィ及びエッチングを利用して成膜してもよい。具体的には、金型を用いてスパッタリングにより電極２０を成膜し、リソグラフィにより電極２０上にレジストを成膜し、スパッタリングによりレジスト上に電極１０を成膜したのち、エッチングによりレジストを除去し、スパッタリングにより電極２０と電極１０の間にホール伝達部材３０を成膜してもよい。

このように、二次電池２００は、電極１０と電極２０とが互いに対向する櫛歯状であるため、単位容積当たりの電極面積が増加し、二次電池２００は高い出入力性能及び高容量を有する。また、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０はスパッタ膜または蒸着膜であるため、電極１０及び電極２０の基部１０ａ,２０ａの長さ及び櫛歯部１０ｂ,２０ｂの数の変更が容易であり、二次電池２００の容量を容易に変更することができる。

なお、基材９０は、例えばｎドープされたｎ型シリコン等の導電体で形成されてもよい。この場合は、例えば図５に示すように、ホール伝達部材３０によって電極１０が基材９０と電気的に接触しないように成膜されればよい。

また、二次電池２００は、第２実施形態に係る二次電池１００と同様に、電子機器５０の電子基板５１に設けられて電子機器５０の電源または補助電源として機能してもよい。つまり、基材９０が電子基板５１であってもよい。また、二次電池２００を、二次電池１００と同様にケース６０内に収容してもよい。つまり、基材９０がケース６０の本体部６１の底板６１ａ、または部材４０であってもよい。

また、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０は、蒸着により形成されてもよい。

以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、および効果をまとめて説明する。

二次電池１００，２００は、ｐ型半導体として機能する電極１０と、ｎ型半導体として機能する電極２０と、電極１０と電極２０の間に設けられるホール伝達部材３０と、を備え、電極１０は、スパッタ膜または蒸着膜であり、電極２０は、シリコン、グラフェン、及びグラファイトの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、ホール伝達部材３０は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜である。

この構成では、二次電池１００，２００はイオンではなくホールの移動により作動するため、高い出入力性能及び高容量を有する。また、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０はスパッタ膜または蒸着膜であるため、二次電池１００，２００を小型化できる。

電極１０は、酸化ニッケルを含む。

この構成では、酸化ニッケルは、金属イオンに対するホールの量が一般的な正極材料の中で最も多いため、二次電池１００の性能が向上する。

ホール伝達部材３０は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことを特徴とする。

この構成では、ニオブ酸リチウム及び窒化シリコンは、１０Ｖといった高電位でも使用することができ、また、他の誘電体よりもコストが安いため、二次電池１００を高電位で使用することができ、さらに、二次電池１００のコストが安くなる。

二次電池１００，２００は、電子機器５０の電子基板５１に設けられて電子機器５０の電源または補助電源として機能する。

この構成では、二次電池１００，２００は小型であるため、二次電池１００，２００を電子基板５１に設置し、電源または補助電源として使用することができる。

電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０の各膜は、ケース６０内に形成されて電子基板５１に設けられる。

この構成では、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０はケース６０内に収容されるため、電子機器５０の熱による二次電池１００，２００の劣化や、電子機器５０が水没した際の漏電が防止される。

二次電池１００，２００は、電極１０及び電極２０と電気的に接続されるワイヤレス給電用のコイル８０をさらに備え、コイル８０を介して電力が充電可能である。

この構成では、二次電池１００，２００はワイヤレス給電用のコイル８０を備えるため、二次電池１００，２００が電子機器５０の電子基板５１に設置された状態であっても、非接触で二次電池１００，２００を充電できる。

二次電池２００は、電極１０及び電極２０の各膜は、櫛歯状に形成され、ホール伝達部材３０を介して互いに対向する。

二次電池２００は、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０は基材９０上に形成され、電極１０及び電極２０の各膜は、基材９０と垂直に延びる基部１０ａ、２０ａと、基部１０ａ、２０ａから基材９０と平行に延びる複数の櫛歯部１０ｂ、２０ｂと、を有し、電極１０及び電極２０のそれぞれの櫛歯部１０ｂ、２０ｂは、互い違いに配置され、ホール伝達部材３０は、電極１０と電極２０の間に連続して形成される。

この構成では、電極１０と電極２０とが互いに対向する櫛歯状であるため、単位容積当たりの電極面積が増加し、二次電池２００は高い出入力性能及び高容量を有する。また、電極１０、電極２０、及びホール伝達部材３０はスパッタ膜または蒸着膜であるため、電極１０及び電極２０の基部１０ａ、２０ａの長さ及び櫛歯部１０ｂ、２０ｂの数の変更が容易であり、二次電池２００の容量を容易に変更することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１０・・・電極（第一電極）、１０ａ・・・基部、１０ｂ・・・櫛歯部、２０・・・電極（第二電極）、２０ａ・・・基部、２０ｂ・・・櫛歯部、３０・・・ホール伝達部材、５０・・・電子機器、５１・・・電子基板、６０・・・ケース、８０・・・コイル、９０・・・基材、１００，２００・・・二次電池

Claims

ｐ型半導体として機能する第一電極と、
ｎ型半導体として機能する第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極の間に設けられるホール伝達部材と、を備え、
前記第一電極は、スパッタ膜または蒸着膜であり、
前記第二電極は、シリコン及びグラフェンの少なくとも一つを含むスパッタ膜または蒸着膜であり、
前記ホール伝達部材は、誘電体を含むスパッタ膜または蒸着膜であることを特徴とする二次電池。
請求項１に記載の二次電池であって、
前記第一電極は、酸化ニッケルを含むことを特徴とする二次電池。
請求項１または２に記載の二次電池であって、
前記ホール伝達部材は、ニオブ酸リチウムまたは窒化シリコンを含むことを特徴とする二次電池。
請求項１から３のいずれか一つに記載の二次電池であって、
前記二次電池は、電子機器の電子基板に設けられて電子機器の電源または補助電源として機能することを特徴とする二次電池。
請求項４に記載の二次電池であって、
前記第一電極、前記第二電極、及び前記ホール伝達部材の各膜は、ケース内に形成されて前記電子基板に設けられることを特徴とする二次電池。
請求項４または５に記載の二次電池であって、
前記第一電極及び前記第二電極と電気的に接続されるワイヤレス給電用のコイルをさらに備え、前記コイルを介して電力が充電可能であることを特徴とする二次電池。
請求項１から６のいずれか一つに記載の二次電池であって、
前記第一電極及び前記第二電極の各膜は、櫛歯状に形成され、前記ホール伝達部材を介して互いに対向することを特徴とする二次電池。
請求項７に記載の二次電池であって、
前記第一電極、前記第二電極、及び前記ホール伝達部材は基材上に形成され、
前記第一電極及び前記第二電極の各膜は、前記基材と垂直に延びる基部と、前記基部から前記基材と平行に延びる複数の櫛歯部と、を有し、
前記第一電極及び前記第二電極のそれぞれの櫛歯部は、互い違いに配置され、
前記ホール伝達部材は、前記第一電極と前記第二電極の間に連続して形成されることを特徴とする二次電池。