極東極楽 ごくとうごくらく

豊饒なセカンドライフを求め大還暦までの旅日記

ビバ!蓄電池革命

2018年01月26日 | デジタル革命渦論

 

                   万章篇(ぱんしよう)    /    孟子    

                                  
   
        ※ 地位を得る目的:万章が孟子にたずねた。「伊尹は料理人になって
                  湯王にとりいったのだ、という説をなす者があります。そうでしょ
                  うか」「いや、ちがう。伊尹は有莘の片田舎で農耕をしながら堯・
                  舜の道を楽しんでいたのだ。義に反し道にはずれることがあれば、
         たとい天下を与えるといわれても見向きもせず、四千頭の馬を贈る
         といわれても目もくれなかった。また、義に反し道にはずれること
         であれば、一物たりとも人に贈らなかったし、人から受け取りもし
         なかった。湯王が贈り物をもたせて使者をやり、かれを招こうとし
         たが、伊尹は冷淡に、『そんなものをもらって出仕する必要がどこ
         にあろう。田園生活をしながらひとり堯・舜の道を楽しんでいたほ
         うがよい』とことわった。しかし湯王が再三使者を立てて招いたの
         で、ついに伊尹も気持を変え、『田園生活をしながら、ひとり堯
         舜の道を楽しむことよりも、湯王を堯・舜のような名君にし、人民
         を堯・舜時代のような人民にすることが大切だ。

         そんな世の中をこの目で見とざけたいものだ。天は、この世に人間
         を生み出したとき、先んじて真理を自覚した者が、おくれている者
         の自覚をうながすようにしたのだ。わたしは、天の生んだ先覚者だ。
         いま、わたしは堯・舜の道によって後覚の人民を導こうと思う。そ
         れをするのはわたしをおいてない』と決意した。天下万民の中に、
         堯・舜の世と同じ恩沢に浴さぬ者が一人でもいれば、伊尹は自分が
         その者をドブにつき落としたかのように感じた。自らに、天下を双
         肩に担う大任を課していたからである。だからこそ、湯王に仕え、
         暴虐な夏の梁王を討って人民を救うよう進言したのだ。おのれをま
         げて他人を正した話は耳にしたことがない。まして、自分が恥ずべ
         き行為をしながら天下を正したなど、前代未聞だ。聖人の行動は固
         定したものではない。

         あるときは隠遁し、あるときは官途につく。地位を去ることもある
         し、踏みとどまることもある。いずれの場合でも、要は身の潔白を
         持することだ。伊尹が亮・舜の道を実践するために湯王に仕えたと
         は承知しているが、料理人になってとりいったとは聞いていない。
         書経の伊訓箱にはこうある。『天詠は牧官(梨王の宮殿)を攻めた
         ときに始まるが、わたし(伊尹)は堯(湯王の都)に来たときから
         すでに始めていたのだ』」

         【解説】「出世」を軽蔑する考え方を、孟子はたしなめている。問
         題は「出世」の内容と目的なのだ。天命を具現するためには、地位
         と力が必要である。そのための努力と、たんに権力者にとりいろう
         とすることとは、本質的な差違がある、というのである。「わたし
         は天民の先覚者だ」という伊尹の言葉は、そのまま孟子の自覚でも
         ある。近代中国革命の父、孫文は『三民主義』の中で、「先知先覚」
         として「後知後覚」をめざめさせることが革命家の使命だと説いて
         いる。 

      
     
No.137

Jul. 21, 2017

 【ビバ!蓄電池革命:最新全固体型蓄電池技術】

● 高品質蓄電池の技術課題

このにきて、全固体型蓄電池などの技術開発に拍車がかかっている。このように現在研究開発が行われ
ている革新蓄電池には、リチウム(Li)金属負極や囚体電解質を適用し、LIBを進化させる電池と、リチ
ウム空気電池,マグネシウム(Mg)をはじめとする多価イオン電池,リチウム硫黄電池などのLIBとは
動作原理が異なる電池がある(これら革新蓄電池の理論エネルギー密度を下表1、2、下図1に革新蓄
電池の代表例として、LIB進化系の全囚体電池と新原理系のリチウム空気電池の模式目を示す。革新蓄
電池は、LIBの1、5倍以上の体積エネルギー密度が期待されている。尚、理論エネルギー密度は,正負
極活物質のみから計算した値であり、実電池には集電休,セパレータや機構部品などが必要なため,実
電池のエネルギー密度は、理論エネルギー密度の50‰以下になる。

 May 10 ,2017

高品質蓄電池は,デバイスとして必要な特性、高い信頼性と安全性を実現するうえで,解決すべき課
題といえば、例えば、❶
リチウムイオンが正負極問を移動する蓄電池はリチウム金属が負極活物質とし
て最も理論容量が高く、
LIB正極に対し負極にLi金属負極を用いることで、高いエネルギー密度をもつが
Li金属は活性が高いため,電解液との副反応が生じ、充放電効率が低い。さらに、充電時に,より比表
面積が大きく,反応性の高いLiデン
ドライト(樹柱状結晶)が成長しやすい。電解液添加剤による充放
電効率の改善、金属表
面への電解質層被覆やカチオン添加によるデンドライト生成抑制が目下の課題で
となっている。❷全固体
電池は、電解液を固体電解質にしたもので、リチウム
系では硫化物系固体電解
質圃などがある。金属負極を用いた場合,そのエネルギー密度は金属負極電池と同じ、化学的安定性の
高い無機固体電解質を用いることにより不燃化,高充電電圧化の他、バイポーラ電極構造化による体積
エネルギー密度向上が期待されているものの、固体電解質の伝導度が電解液に比べ低く、また、固体電
解質/電極活物質問の界面形成(電気化学的接合)が難しい。これらの問題の改善に、電解液を超える
伝導度を有する硫化物系固体電解質や、電極活物質表面への伝導性酸化物の
被覆による界面形成の研究
報告がある。

❸リチウム空気電池は、放電時にLiと空気中の酸素が反応して過酸化リチウム(Li202)が生成し、電気を
取り出す電池。これらは軽い元素で、
理論重量エネルギー密度が高い。放電反応は比較的起きやすいが、
充電時に逆反応の過酸化リチウム分解過電圧が非常
に高く過酸化リチウムの標準酸化還元電位は2.96V
だが、
充電のためには4.4
V程度の電圧を必要とし、.過電圧は電力を効率よく活用する電池のエネルギー
ロスになるため,改善は大変重要
であり、無機触媒や有機の酸化還元媒体を用いた過電圧低減の研究が
されている。❹マグネシウム電池の場合、資源量が多く、原子価が2価であり、比重も大きく積当たり
約2倍の容量を得られるが、電解液と反応し、その表面に不動態膜を形成し、可逆溶解析出が困難であ
ったが、2000年に溶解析出が可能な電解液を発見された。一方、エネルギー密度は低く、実用化
には、
正負極両方で分解せずに充放電が可能となる電解液や、高電位な正極活物質の創出が必須となり、この
ため副反応を抑制し、両極で作動可能な電解質の研究が行なわれている。 



このように、車載電池分野における2025年の電池市場は、4兆円規模と予想され、電池の高エネルギー
密度化かその鎚を握
る。課題としてはこのほか、セルパッケージング技術や充放電制御技術など、まだ
多く問題を残しているが、実用化が実現すれ
ば、電気自動車市場が本格化するとともに、蓄電やICT
野や再生可能エネルギ0ー分野への
波及により、2025年の電池市場は6兆円規模以上になると期待され
ている――事実、
材料およびプロセス技術の進化で、LIBは、20年間で約3倍の高エネルギー密度化
を実現している。

 株式会社日本マイクロニクス


● 二次電池にも量子電池!

❏ 最新事例:特開2017-228415 シート状二次電池及びシート状二次電池の製造方法

【概要】

基本構成が薄板状(シート状)に構成されている電池がある。このようなシート状の単位電池(以下
単にシート状電池tと呼称)形成に、対向電極を成膜する際に、形の決まったマスクを用いて電極を区
分し、シート状電池をカットして所定サイズの複数の電池を形成。有機薄膜太陽電池の製造方法に関す
特許文献1の記載技術は、マスクを用いて下部の電極を形成し、複数の単位セルを製造する。この技
術は、有機薄膜太陽電池の有機層を成膜する前に、セルを構成する下部電極が、隣接するセルの下部電
極と、完全に電気的に絶縁。ところで、近年、固体薄膜化した全固体型の二次電池の研究、開発が進展
し、小型化、ダウンサイジング(デジタル革命=第2則)の実現が期待されている。このような二次電
池の1つとして、特許文献2に記載されるものがあり、金属酸化物半導体の光励起構造変化を利用して、
バンドギャップ中に新たなエネルギー準位を形成し電子を捕獲する動作原理に基づく二次電池が開示さ
れている。この電池は、第1電極と第2電極との間に、絶縁性の被膜に覆われた微粒子のn型金属酸化
物半導体が充填された充電層を備え、その充電層は、紫外線照射による光励起構造変化現象により、n
型金属酸化物半導体のバンドギャップ内に新たなエネルギー準位形成され、そのエネルギー準位に電子
を捕獲しエネルギーを充電する。ここで、本件ではこのような金属酸化物の光励起構造変化を利用した
全固体型の二次電池を「量子電池」と称する。

しかしながら、上述の従来技術では、形の決まったマスクを用いて電極を分割して規格化された形状の
電池を切り出すため、任意の形状の電池に加工できなかった――例えば、リチウムイオン二次電池等の
化学電池は、そのサイズが規格で規定され、規格化された形状の電池を形成できるが、小片化した電池
を形成できず、対向する電極間に電解質等を注入して電池を製造するため、電池製造後に、電池形状を
変更できない。また、従来技術は、マスクを用いて電極を成膜するので、製造コスト高という問題もあ
る。さらに、さらに、従来技術のように、電極の成膜後、マスクを用いて区分した電極をカットする場
合、対向する電極間に配置された充電層が薄いため、カットによる応力が働き、電極が変形し、特に端
面でこの電極が他方の電極と接触して短絡するおそれがある。このように
シート状二次電池から任意の
形状の複数の小電池を容易に形成でき、且つショートを回避しながらシート状二次電池から複数の小電
池を形成するシート状二次電池及びシート状二次電池の製造方法を下図のように提供する。

第1のシート状電池は、正極層及び負極層の間に充電層を有するシート状二次電池において、(1)充
電層の一方の面に成層された正極層と、他方の面に成層された負極層のうちいずれか一方/双方が、膜
厚方向に除去されて形成された複数の溝部と、(2)複数の溝部により区分される複数の小電池とを有
することを特徴とし、第2の本発明に係るシート状二次電池の製造方法は、正極層及び負極層の間に充
電層を有するシート状二次電池の製造方法において、(1)充電層の一方の面に正極層を成層し、充電
層の他方の面に負極層を成層するステップと、(2)充電層に成層された正極層と負極層のうちいずれ
か一方/双方を膜厚方向に除去し、複数の溝部を形成する溝部形成ステップとを有することを特徴とす
る。

【符号の説明】

1…シート状電池、2…負極層、3…正極層、6…充電層、4…スクライブ領域、5…溝部、10…電
池、7…凸部

Jan. 9, 2018


最新事例:US 9,865,859 B2 Stacked-type secondary battery
:積層型二次電池

 【概要】

充放電可能な二次電池としては、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池など
が開発されて実用化されており、高性能なリチウムイオン近年、二次電池が注目されている。リチウム
イオン二次電池は、有機溶媒を使用し、正極活物質、負極活物質、有機溶媒電解液などを最適化するこ
とにより、様々な用途に使用されている。二次電池は、二次電池の電池セルを多層に積層して電気的
に並列に接続して蓄電容量を増加させるように構成されている。 特許開示されたリチウムイオン二次
電池では、シート状のセパレータ7をアコーディオンのように折り畳み、上図22に示すように、正極と
負極を交互に挿入した構造を採用している。 正極板8および負極板9には、セパレータの連続体から対
向する側に突出するリード部8a、9aが設けられており、カソード部およびアノード部のリード部8a、9a
は、それぞれ別々に集められて電気的に接続されているお互いに。セパレータ7の連続体は、ポリオレ
フィン系樹脂などの合成樹脂製の細孔が形成された多孔質膜からなる。正極板8は、シート状の金属箔
の両面にリチウム遷移金属複合酸化物などの正極活物質を塗布して形成される。陽極板9は、シート状
の金属箔の両面に炭素材料等の負極活物質を塗布して形成されている。複数のカソードプレートと複数
のアノードプレートは、単位セルが並列に連結されるように互いに分離して集められる。リチウムイオ
ン二次電池は、可燃性の有機溶媒電解液を使用しているため、電極反応により有機溶媒電解質溶液が分
解して電池外装缶を膨張させ、電解液の漏れを生じることがあるため、小型化、軽量化、安全性の向上
を目的として、リチウムイオン二次電池が開発されている。これは、従来のリチウムイオン二次電池に
用いられている電解液の代わりに、ゼラチン状の電解質を用いたものである。ゼラチン状電解質は、電
解液を含み、さらにポリエチレンオキサイド、ポリフッ化ビニリデン - 六フッ化プロピレン共重合体、
ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル等のマトリックスポリマーを含有する。

このゲル状の電解質を用いたリチウムイオン二次電池は、例えば、単電池が、端子タブ2が突出した陰
極板3から構成されたリチウムイオン二次電池 端部から突出したゲル状の電解質4と、セパレータSと、
端部から突出した端子タブ5を有する陽極板6とを備え、複数の単位電池が交互に積層されて加熱プレス
されて複数の陰極板と複数の陽極板とを別々に集めて、上図23に示すように単位電池を並列に接続する
ように、積層膜電極接合体をラミネートフィルムなどで梱包して封止する。また、全固体リチウムイオ
ン二次電池の積層構造として開示されている構造は、リチウムイオンが出入りする正極活物質と、負極
活物質 隣り合う2つの固体電解質層が絶縁層で接続された固体電解質層と、隣接する2つの積層体とが
積層されて構成されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 それぞれのスタック4を構成す
るカソード層または各スタック4を構成するカソード層は互いに接触している。積層体の一対の側面に
は、第1の集電体と第2の集電体がそれぞれ配置されている。

第1の集電体は、カソード層と接触しているがアノード層と接触していないので、第1の集電体およびア
ノード層は絶縁層によって分離されている。また、第2の集電体は、アノード層と接しているが、カソー
ド層と接していないので、第2の集電体とカソード層とが絶縁層によって分離されている。左右端に端子
部が配置され、その下端部に集電箔が配置され、端子部を介して締結荷重が加えられる。積層された積
層体は、第1の集電体を陰極として、第2の集電体を陽極として、互いに並列に電気的に接続されている。
全固体リチウムイオン二次電池の積層構造としては、固体電解質層が隣接するセル間の電子伝導対の絶
縁膜となることを利用した構造が、特許文献4および特許文献5に開示されている。



また、積層体が一体焼結体であり、二次電池の電池セルが直列に積層された複数のブロックが並列に接
合されている。各直列ブロックには、正極集電体層、正極活物質層、イオン伝導性無機材料層(固体電
解質材料層)、負極活物質層および負極電流をそれぞれ有する複数の電池セルユニットコレクタ層の順
に接合されている。最外層に配置されたもの以外の正極集電体層および負極集電体層は、直列ブロック
の端面には延出しておらず、最外層に位置する正極集電体層および負極集電体層は、前記複数の直列ブ
ロックの最外層に位置する前記正極集電体層および前記負極集電体層の全てが、少なくとも前記直列ブ
ロックの端面の異なる部分に延在していることを特徴とする。それぞれスタックの端面に当接する。全
固体リチウムイオン二次電池の積層構造としては、固体電解質層が隣接するセル間の電子伝導対の絶縁
膜となることを利用した構造が、特許文献4および特許文献5に開示されている。積層体が一体焼結体で
あり、二次電池の電池セルが直列に積層された複数のブロックが並列に接合されている。各直列ブロッ
クには、正極集電体層、正極活物質層、イオン伝導性無機材料層(固体電解質材料層)、負極活物質層
および負極電流をそれぞれ有する複数の電池セルユニットコレクタ層の順に接合されている。最外層に
配置されたもの以外の正極集電体層および負極集電体層は、直列ブロックの端面には延出しておらず、
最外層に位置する正極集電体層および負極集電体層は、前記複数の直列ブロックの最外層に位置する前
記正極集電体層および前記負極集電体層の全てが、少なくとも前記直列ブロックの端面の異なる部分に
延在していることを特徴とする。それぞれスタックの端面に当接する。

積層型電池は、負極活物質層からなる薄膜固体リチウムイオン二次電池である複数の電池セルからなる
多層積層構造であり、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極活物質層と、これらの間に配置され、
電子伝導的に分離・分離する機能を有する固体電解質層と、機能を有する金属膜からなるカソード側お
よびアノード側集電体層活物質層の直上および直下に電流を集めることができる。さらに、積層型電池
は隣接するセル間での電子伝導対の絶縁膜となる固体電解質層の機能を利用し、活物質間の対イオン伝
導のための絶縁膜となる集電体層(金属膜)固体電解質層と集電体層とによって、周囲の外側の位置に
カソードおよびアノードの活物質層の周囲を被覆して絶縁することができる。また、集電体層の外縁部
は、外縁部の外側の位置で固体電解質層によって覆われて絶縁されている。積層構造では、個々の電池
セルの間に新たな絶縁膜を用いることなく、各層を順に積層することにより、複数の段階の構造が1つ
の基板上に形成される。

特許文献5の積層型電池は、負極活物質層からなる薄膜固体リチウムイオン二次電池である複数の電池
セルからなる多層積層構造であり、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極活物質層と、これら
の間に配置され、電子伝導的に分離・分離する機能を有する固体電解質層と、機能を有する金属膜から
なるカソード側およびアノード側集電体層活物質層の直上および直下に電流を集めることができる。さ
らに、積層型電池は、隣接するセル間での電子伝導対の絶縁膜となる固体電解質層の機能を利用し、物
質間の対イオン伝導のための絶縁膜となる集電体層(金属膜)固体電解質層と集電体層とによって、周
囲の外側の位置にカソードおよびアノードの活物質層の周囲を被覆して絶縁することができる。また、
集電体層の外縁部は、外縁部の外側の位置で固体電解質層によって覆われて絶縁されている。積層構造
では、個々の電池セルの間に新たな絶縁膜を用いることなく、各層を順に積層することにより、複数の
段階の構造が1つの基板上に形成される。また、特許文献6には、全固体型電池の電極端子を取り出すこ
とが容易であり、電池セルを積み重ねるだけで複数の電池の電気的並列接続を実現することができる全
固体型電池構造が開示されているの二次電池を構成する。



別ウィンドウ(タブ)の大きな表示で見る図24に示すように、上下には金属パターン102(取り出し電
極)とコンタクトホール104とを有する絶縁基板106が配置され、カソード集電体、陰極、固体電解質と、
アノードと、アノード集電体とが積層されて構成されている。
例えば、発電素子108の陰極集電体及び
陰極集電体の一方は、コンタクトホール104を介して覆われた絶縁基板106の金属パターン102のいずれ
かに電気的に接続され、他方の集電体は、コンタクトホール104を介して絶縁基板106の金属パターン
102を覆っている。
上下の絶縁基板106を貼り合わせて発電素子を封止し、発電要素108を挟んだ絶縁基
板106を貫通するスルーホール110を介して、接続された金属パターン102から金属パターン102で導通
させる封止体の表面のコンタクトホール104を介して、裏面のコンタクトホール104を介して接続されて
いない金属パターン102に電気的に接続されている。

単位電池の上面に取出し電極である陰極端子と陽極端子が存在し、下面にも同様に陰極端子と陽極端子
が存在する全固体型電池構造物単位セルを積み重ねるだけで電気的並列接続が可能になる。
また、形状
の変更や容量調整が容易な電池を提供することが可能な電極組立体が開示されている。電極アセンブリ
のセグメントの整列したアレイにおいて、セグメントは、1つの仮想平面内で一方向に並べて配置され
ている。
並べて配置されたセグメントの仮想平面の数は2以上であり、仮想平面内でセグメントが延び
る方向は異なる。1つの仮想平面内のセグメントは、90°の差を有し、別の平面内のセグメントを交差
することができる。セグメントの間隔は0であるか、または電池の成形加工性を提供できる任意の大き
さ、例えば5μm?数千μmである。いくつかの実施形態では、並んで配置されて延びるセグメントからな
る平面の間に、分離フィルムがさらに配置される。

先行技術文献

特許文献1:特開2009-140707号公報
特許文献2:特開2013-182735号公報
特許文献3:国際公開第2010/089855号パンフレット
特許文献4:特開2008-198492号公報
特許文献5:特開2004-158222号公報
特許文献6:特開2003-168416号公報
特許文献7:特開2013-535802号公報

上述したように、二次電池の積層構造には様々な提案がなされているが、二次電池の構成要素を利用し
たリチウムイオン電池の積層構造は、正極と負極を別々の要素固体電解質層を伸長させて絶縁体とする
ことで、他の構造の二次電池には適用できない。
特許文献2に記載されているように、端子タブを正極
及び負極に設けた構造は、積層体の厚みを考慮したものではなく、正極集電体上の正極活物質負極板の
場合には、負極集電体上の正極板および負極活物質を端子タブの接続部の幅を避けて充電するので、二
次電池としての容量が低下する。さらに、すべての陰極および陽極に端子タブを1つずつ設ける必要が
ある。電池セルの電極層の側面から電池セルを積層して電極を外部に取り出す構造は、電極が厚い場合
は物理的に可能であるが、 例えば1μm以下の薄い膜厚で蒸着やスパッタリングなどの方法で導電性電
極を製作する。また、取り出し電極及びコンタクトホールである金属パターンを有する絶縁基板を電池
セルの上下に配置して電池セルを積層する構造では、積層型二次電池が厚くなる 絶縁基板が介在するた
め、高密度実装が要求されない。(後略)

発明の効果

本発明では、二次電池の単位である電池セルを積層構造に積層し、電池セルを電気的に並列に接続に引
き出し電極を電極間に挿入する。 リード電極をシート状の電極ではなく、短冊状または線状の電極に
形成することにより、電池セルの電極よりも小さい領域に取り出し電極を配置し、全ての引き出し電
極が同時に重なり合うことを防止する 電池セルを積層した場合のリード電極による厚みの増加を最小
限に抑えることが可能となる。
また、電池セルを積層する際に、電池セルの電極の一方を引き出し電極
と重なる引き出し電極とすることで、引き出し電極の数を減らすことができ、製造が容易になるだけで
なく 費用も削減できる。複数の積層型二次電池の引き出し電極を共通化した構造では、積層型二次電
池の並列接続と積層型二次電池の重ね合わせを容易に行うことができる。 また、外側に位置するリー
ド電極を切断することにより、個々の積層型二次電池とすることができ、積層型二次電池の大量生産を
容易に行うことができるという効果を奏する。(以下、紙面制約上割愛)

尚、「特集|最新全固体型電池技術」の一部しか掲載できなかったが、セラミック系、ハイブリッド系、
グラファイト(バッキー)系、ハイブリッド系など様々な全固体型イオン系、さらには金属-空気型電
池の開発がポスト東京オリンピックの雌雄を決する技術開発/市場獲得競争が展開されていくものと考
えられる。マテリアルバルクの解体→新規マテリアルの再構築を背景として『ビバ!直電池革命の季節』
の到来だ。これは実に面白い。 

● ソーラータイル事業篇KURO-for Europe

  Jan. 25, 2018

 

  ● 今夜の一曲

この『雪椿』は曲名が小林の出身地である越後の花であることや、中越地震のエピソードもあって、小
自身は同曲のことを「宝物」と語っている小林幸子の43枚目のシングル。1987年6月25日に発売
されている。

   やさしさとかいしょのなさが
   裏と表についている
   そんな男に惚、れたのだから
   私かその分がんばりますと
   背をかがめて微笑み返す
   花は越後の花は越後の雪椿

   夢にみた乙女の頃の
   玉の輿には遠いけと
   まるで苦労を楽し仁ように
   寝顔を誰にも見せないあなた
   雪の谷間に紅さす母の
   愛は越後の愛は越後の雪櫓

                                 歌  小林 幸子
                                作詞: 星野 哲郎
                                作曲: 遠藤  実

 

 

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