JP6903277B2 - Large-capacity capacitor device and secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、第一、第二の電極と誘電体層との境界面に集電層を設けた大容量キャパシタ装置の改良と、その改良されたキャパシタ装置を用いた二次電池とに関する。 The present invention relates to an improvement of a large-capacity capacitor device in which a current collector layer is provided at a boundary surface between the first and second electrodes and a dielectric layer, and a secondary battery using the improved capacitor device.
前記のような大容量キャパシタ装置の従来技術として次の特許文献がある。 There are the following patent documents as the prior art of the large-capacity capacitor device as described above.
ところで前記のような大容量化キャパシタ装置においては、その大容量化が普遍的な課題である。本発明は、この課題に対し、新規な構成の集電層を備えた大容量キャパシタ装置を提供することを目的としている。 By the way, in the above-mentioned large-capacity capacitor device, the large-capacity is a universal issue. An object of the present invention is to provide a large-capacity capacitor device provided with a current collector layer having a new configuration in order to solve this problem.
請求項1に記載の本発明は、第一、第二の電極で誘電体層を挟み、第一、第二の電極と誘電体層との境界面に集電層を設けた大容量キャパシタ装置において、前記集電層は、セラミック微粒子を金属で被覆したマイクロ乃至ピコサイズの導電性微粒子が融着によって3次元的に相互連結された構造であり、かつその導電性微粒子の間が空隙になっていることを特徴とする大容量キャパシタ装置である。The present invention according to claim 1, wherein the dielectric layer is sandwiched between the first and second electrodes, and a current collecting layer is provided at the interface between the first and second electrodes and the dielectric layer. In, the current collecting layer has a structure in which micro to pico-sized conductive fine particles in which ceramic fine particles are coated with a metal are three-dimensionally interconnected by fusion, and gaps are formed between the conductive fine particles. It is a large-capacity capacitor device characterized by being present.
また、請求項2に記載の本発明は、第一、第二の電極で誘電体層を挟み、第一、第二の電極と誘電体層との境界面に集電層を設けた大容量キャパシタ装置において、前記集電層は、プラスチック微粒子を金属で被覆したマイクロ乃至ピコサイズの導電性微粒子が融着によって3次元的に相互連結された構造であり、かつその導電性微粒子の間が空隙になっていることを特徴とする大容量キャパシタ装置である。Further, the present invention according to
また本発明は、前記キャパシタ装置と、充放電制御回路とを備えて構成された二次電池である。 Further, the present invention is a secondary battery configured to include the capacitor device and a charge / discharge control circuit.
本発明は、大容量キャパシタ装置を提供できる。 The present invention can provide a large capacity capacitor device.
図1(a)は、本発明の一実施形態の基本的な構成図である。
この実施形態のキャパシタ装置Aは、第一、第二の電極1、1で誘電体層3を挟み、第一、第二の電極1、2と誘電体層3との境界面に集電層2、2を設けた基本構成であり、絶縁性シート基材4の片面に形成されている。集電層2、2はマイクロ乃至ピコサイズの導電性微粒子2aが3次元的に相互連結し、かつその導電性微粒子2a間が空隙に2dなっている。この空隙2dは所定のガスで満たされている。また第一、第二の電極1、1と、集電層2、2の導電性微粒子2aとは電気的に接続されている。誘電体層3は、例えばチタン酸バリウム等のセラミックからなる。
なおここに云うマイクロサイズ乃至ピコサイズの文言は、導電性微粒子2aの三方向寸法の最大値が1ミリメートル未満かつ1ナノメートル以上であるということである。
また前記ガスは空気であってもよいし、集電層2、2の製造工程で用いられる特定ガスであってもよい。要するに導電性微粒子2aの間隙が固体や液体ではなく、何らかのガスで充填されていればよい。
また第一、第二の電極1、1は、例えば銅、ニッケル等の金属やそれらの合金からなり、出力用リード線5、5に接続されている。
FIG. 1A is a basic configuration diagram of an embodiment of the present invention.
In the capacitor device A of this embodiment, the dielectric layer 3 is sandwiched between the first and second electrodes 1 and 1, and a current collector layer is formed at the boundary surface between the first and
The wording of micro size to pico size referred to here means that the maximum value of the three-way dimensions of the conductive
Further, the gas may be air or a specific gas used in the manufacturing process of the
Further, the first and second electrodes 1 and 1 are made of a metal such as copper or nickel or an alloy thereof, and are connected to the
図1(b)は、集電層の概略断面図である。
この図に示すように、集電層2は、マイクロ乃至ピコサイズの導電性微粒子2aが3次元的に相互連結した立体網目状の構造であり、導電性微粒子2a間の空隙2dは所定のガスで満たされている。またこの例の導電性微粒子2aは、中実な金属微粒子である。微粒子を形成する金属に特段の制限はなく、第一、第二の電極1、1を形成する金属と同一のものとしてもよく、異なるものとしてもよい。ただしその金属は第一、第二の電極1、1と同等以上の電気伝導性を有することが望ましい。
このような金属微粒子を用いた集電層2、2はスパッタリングで形成できる。すなわち金属蒸気を基材上(例えば誘電層)で微粒子状に急速固化させることで基材に積層された形態、つまりスパッタリング形成層として集電層2、2を形成できる。
あるいは金属微粒子とバインダー樹脂との混練物をプレスや押出によってシート化し(グリーンシート)、これをその金属の融点近くまで加熱処理することによって、バインダー樹脂を消失させかつ金属微粒子を相互に融着させることができ、シート状の集電層2、2を形成できる。
キャパシタ装置Aの製造方法について若干補足すると、第一、第二の電極1、1、誘電体層2,2は、いずれも予め準備したシート状のものを用いることも可能であり、スパッタリング等によって基材上に所定順序で形成していくことも可能である。
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the current collector layer.
As shown in this figure, the
The
Alternatively, the kneaded product of the metal fine particles and the binder resin is made into a sheet by pressing or extrusion (green sheet), and this is heat-treated to near the melting point of the metal to eliminate the binder resin and fuse the metal fine particles to each other. It is possible to form sheet-shaped
To supplement the manufacturing method of the capacitor device A, the first and second electrodes 1, 1 and the
本発明は、前記のような特異な構造の集電層2、2に着目したものであり、以下のような効果を奏する。また本発明は、集電層2、2以外の、すなわち第一、第二の電極1、1、誘電体層等については何ら制限しておらず、多様な構成の電極、誘電体層を有する各種キャパシタ装置に広く適用できる。
本発明によれば、集電層2、2に形成された立体網目状の構造は、マイクロ乃至ピコサイズの微細な金属片、薄膜の連続体であり、そのため体積比で巨大な表面積を有する。そのような立体網目状構造の金属を第一、第二の電極1、1に電気的に接続させれば、第一、第二の電極1、1の表面が飛躍的に拡大されることになって、キャパシタ装置Aが大容量される。
The present invention focuses on the
According to the present invention, the three-dimensional network-like structure formed in the
図1A(a)、(b)はいずれも集電層の他例の概略断面図である。
図1A(a)に示す集電層2では、導電性微粒子2aは、所定のセラミック微粒子2bを金属で被覆したものになっている。セラミックの種別は特に制限されない。
このような導電性微粒子2aを用いた集電層2は、金属で被覆されたセラミック微粒子2bとバインダー樹脂との混練物をシート化し、これをその金属の融点近くまで加熱処理することで形成できる。
この例の効果としては、セラミック微粒子2bの形状、寸法、量の適切な選択によって、立体網目状構造の形状を自由にコントロールできる点である。
図1A(b)に示す集電層2では、導電性微粒子2aは、所定のプラスチック微粒子2cを金属で被覆したものになっている。プラスチックの種別は特に制限されない。この例の集電層2も、前記と同様に、金属で被覆された微粒子とバインダー樹脂との混練物をシート化し、これをその金属の融点近くまで加熱処理することで形成できる。なおプラスチック微粒子2cのプラスチック部分は、加熱処理後に残存する場合もあり、消失する場合もある。この例の効果は、前記と同様である。
1A and 1B are schematic cross-sectional views of another example of the current collector layer.
In the
The
The effect of this example is that the shape of the three-dimensional network structure can be freely controlled by appropriately selecting the shape, size, and amount of the ceramic
In the
図2は、実施形態の他例の基本的な構成図である。
この実施形態は、前記実施形態のキャパシタ装置Aを多重に積層させて並列化したものである。並列化されたキャパシタ装置Aのそれぞれは、前記実施形態と同様のものである。このような多重積層による並列化によってキャパシタ装置Aを更に大容量化できる。
FIG. 2 is a basic configuration diagram of another example of the embodiment.
In this embodiment, the capacitor devices A of the above embodiment are stacked in multiple layers and parallelized. Each of the parallelized capacitor devices A is the same as the above-described embodiment. The capacity of the capacitor device A can be further increased by parallelization by such multiple stacking.
図3(a)、(b)はそれぞれキャパシタユニット、二次電池の基本的な構成図である。また図4は、二次電池の基本的な回路図、図5は二次電池の充放電特性図である。
このキャパシタユニットは、図1(a)に示したキャパシタ装置Aを多重円筒巻した構成である。このような構成とすれば、大容量かつ小型のキャパシタユニットが得られる。
二次電池Bは、キャパシタ装置Aを2以上と、充放電制御回路Cとを備えて構成されている。充放電制御回路Cは、キャパシタの一般的特性である急速充電、急速放電を、一般的二次電池のような穏やかなものにする装置であり、DC−DCコンバータ等で構成できる。このような二次電池Bは、従来の鉛、ニッカド蓄電池、リチウムイオン蓄電池等を代替できる。
なお図2に示したキャパシタ装置Aと、前記のような充放電制御回路Cとを組み合わせて二次電池Bを構成していてもよい。
3A and 3B are basic configuration diagrams of a capacitor unit and a secondary battery, respectively. Further, FIG. 4 is a basic circuit diagram of the secondary battery, and FIG. 5 is a charge / discharge characteristic diagram of the secondary battery.
This capacitor unit has a configuration in which the capacitor device A shown in FIG. 1A is wound in multiple cylinders. With such a configuration, a large-capacity and small-sized capacitor unit can be obtained.
The secondary battery B includes two or more capacitor devices A and a charge / discharge control circuit C. The charge / discharge control circuit C is a device that makes rapid charging and rapid discharging, which are general characteristics of a capacitor, gentle like a general secondary battery, and can be configured by a DC-DC converter or the like. Such a secondary battery B can replace a conventional lead, NiCd storage battery, lithium ion storage battery, or the like.
The secondary battery B may be formed by combining the capacitor device A shown in FIG. 2 and the charge / discharge control circuit C as described above.
また本発明によれば、集電層2に用いられる金属が磁化または超伝導化すること、すなわち集電層2の電子流動性を高めることで、キャパシタ装置A、二次電池Bの更なる高性能化が期待できる。
Further, according to the present invention, the metal used for the
また、本発明によれば、導電性微粒子2aを形成するセラミック微粒子2b、プラスチック微粒子2cは、球状、躯体状、テトラポット形状、長繊維状または短繊維状のいずれか、またはそれらを組み合わせた形状を有する。これらの形状のいずれかまたはそれらの組み合わせにより、キャパシタ装置A、二次電池Bの更なる高性能化が期待できる。
Further, according to the present invention, the ceramic
A キャパシタ装置
B 二次電池
C 充放電制御回路
1 電極
2 集電層
2a 導電性微粒子
2b セラミック微粒子
2c プラスチック微粒子
3 誘電体層
4 絶縁性シート基材
A Capacitor device B Secondary battery C Charge / discharge control circuit 1
Claims (5)
前記集電層は、セラミック微粒子を金属で被覆したマイクロ乃至ピコサイズの導電性微粒子が融着によって3次元的に相互連結された構造であり、かつその導電性微粒子の間が空隙になっていることを特徴とする大容量キャパシタ装置。 In a large-capacity capacitor device in which a dielectric layer is sandwiched between the first and second electrodes and a current collector layer is provided at a boundary surface between the first and second electrodes and the dielectric layer.
The current collector layer has a structure in which micro to pico-sized conductive fine particles in which ceramic fine particles are coated with metal are three-dimensionally interconnected by fusion , and there are voids between the conductive fine particles. A large-capacity capacitor device characterized by.
前記集電層は、プラスチック微粒子を金属で被覆したマイクロ乃至ピコサイズの導電性微粒子が融着によって3次元的に相互連結された構造であり、かつその導電性微粒子の間が空隙になっていることを特徴とする大容量キャパシタ装置。 In a large-capacity capacitor device in which a dielectric layer is sandwiched between the first and second electrodes and a current collector layer is provided at a boundary surface between the first and second electrodes and the dielectric layer.
The current collector layer has a structure in which micro to pico-sized conductive fine particles in which plastic fine particles are coated with metal are three-dimensionally interconnected by fusion , and there are voids between the conductive fine particles. A large-capacity capacitor device characterized by.
前記大容量キャパシタ装置は絶縁性シート基材の一方の面に形成されており、かつ多重円筒巻されて円筒状キャパシタユニットを構成していることを特徴とする大容量キャパシタ装置。 In claim 1 or 2,
The large-capacity capacitor device is characterized in that it is formed on one surface of an insulating sheet base material and is wound in multiple cylinders to form a cylindrical capacitor unit.
前記大容量キャパシタ装置は多重に積層させて並列に接続されている大容量キャパシタ装置。 In claim 1 or 2,
The large-capacity capacitor device is a large-capacity capacitor device that is laminated in multiple layers and connected in parallel.
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