エネルギーハーベストおよびマイクロバッテリー の研究開発動向と応用 委託調査報告書 2010 年 3 月 社団法人新化学発展協会 The Association for the Progress of New Chemistry
新化学発展協会御中 エネルギーハーベストおよびマイクロバッテリーの研究開発動向と応用 報告書 平成 21 年 12 月 株式会社カネカテクノリサーチ
< 目次 > 1. はじめに - エネルギーハーベストを取り巻く状況 - 2 2. エネルギーハーベストの研究開発動向 3 2.1 エネルギーハーベスティング技術 3 2.2 変換素子技術 13 2.3 特許出願動向 18 2.4 国内外プロジェクト等の状況 20 2.5 研究機関 研究者 23 2.6 競合品との比較 36 2.7 現在の問題点と研究開発課題 37 3. マイクロバッテリーの研究開発動向 40 3.1 はじめに 40 3.2 リチウムイオン二次電池 43 3.3 リチウムポリマー電池 48 3.4 固体薄膜二次電池 49 3.5 電気二重層キャパシタ 52 3.6 特許出願動向 54 3.7 研究機関 研究者 58 3.8 現在の問題点と研究開発課題 64 4. 応用用途および製品例 66 5. 市場動向予測 70 6. 技術課題と今後の方向性 - まとめ - 73 7. 将来展望 - 素材メーカーに対する提言 - 74 1
1. はじめに - エネルギーハーベストを取り巻く状況 - 全世界の総人口は既に 66 億人を突破し 今世紀半ばには 90~100 億人に達すると予測されている これに伴って 世界のエネルギー需要は 2030 年までに現在の 1.5 倍に増加し 電力に限ってみると 2050 年には現在の 2.6 倍に増加するとの予想がある このエネルギー需要増加に伴う化石燃料の消費増加に伴い その枯渇懸念や CO2 の大量放出に伴う地球温暖化が問題となっている そこで代替エネルギー源として太陽光や風力等 自然や環境に存在するエネルギーの活用や研究開発が 盛んに行われている また ユビキタスの環境が志向され 情報の無線ネットワークが形成され生活のいたるところにセンサー等の小型電気機器が入り込みつつある これ等の機器は 通常 家庭用電源からコードで電力が供給されるが 全てのセンサーにコードから電力を供給すると コードの延長距離は大変なものとなる ちなみに 自動車の電子化も進んでいるが必要とする電力をコードで供給すると一台あたりのコードの長さは 3kmにも達し ヘリコプターでは 20km 飛行機では 100kmを超えると言われている その為 高性能の一次電池が必要となり 多くの機器に電池が使用される事となる 日本でもリチウム電池は年間 9 億個以上が生産されている 一方で 資源有効活用という観点やエコ意識の高まりから 二次電池の需要が大幅に伸び 小型のリチウムイオン蓄電池は国内で 10 億個 容量換算で 16 億 Ahが生産されている しかし 二次電池とはいえ メンテナンスが必要であり 特に 生活に入り込んでいる各種機器や ビルや橋など 構造物のメンテナンスに用いられるワイヤレスセンサーの電力を全て電池で賄った場合 電池自体のメンテナンスに関わる労力も膨大なものになる また 代表的な二次電池であるリチウムイオン電池の用いるコバルト酸リチウムは コバルトが希尐金属であるため 将来にわたって安定的な供給に丌安がある 従って 太陽光発電や風量発電のような大電力を賄うようなものではないが 環境にある 揺らぎエネルギー を利用して必要とする電力を調達し 見かけ上の永久機関を構成する目的で 環境エネルギーを用いた発電 電力貯蔵 ( エネルギーハーベスト ) が注目を浴びている この種の技術は 欧米が先行し 政府の資金による研究開発が推進され 市場へ数々の製品が提供され また 普及に向けたワイヤレスネットワークに関する統一規格の議論もなされている また 2009 年 11 月には 環境発電技術の国際会議 展示会がアメリカで開催されるなど 関心の高まりを見せている 日本での取り組みも活発化し 幾つかの実用品が市場に提供されつつある 本調査では 分散電源と分散消費 を目的とした小型発電デバイス及び小型の蓄電デバイス ( マイクロバッテリー ) に注目し エネルギーハーベスト技術 エネルギー変換技術及びマイクロバッテリーの研究開発動向と応用製品の現状を広く調査し 材料メーカーが今後果たすべき役割について提言を纏めた 2
2. エネルギーハーベストの研究開発動向 2.1 エネルギーハーベスティング技術 周辺に微弱に分散して存在する様々なエネルギーをあたかも果実を収穫するがごとく利 用しようというのがエネルギーハーベスティング (Energy Harvesting) 技術である 21 世紀に入り ディジタルデバイスの急速な発展により mw μw でも利用できるよ うになり エネルギーハーベスティング技術が注目されている エネルギーハーベスティング技術 ( 希薄分散エネルギー活用技術 ) では これまで利用 されていなかった希薄なエネルギー ( 例えば : 自然振動 人体動作 体温 廃熱 電磁波 等 ) を利用しやすい電気エネルギー - に変換し 電力として活用する 利用可能なエネルギー源を分類し 表 2.1-1 に示す エネルギー源としては 機械エネルギー 熱エネルギー 電磁波エネルギー ハイブリッド ( 複合型 ) その他に大きく分類した 但し 大型のソーラー( 太陽光発電 ) は除外している 尚 渦励振も比較的大電力用途でありエネルギーハーベストの範疇とは言えないが ここでは取り上げ< 補足 >でも解説した 表 2.1-1 利用可能なエネルギー源 エネルギー源 例 機械エネルギー 振動 構造物振動 橋 橋の自然振動から 10μW の電力を得る発電機を試作 ( オムロン ) 首都高速道路で荒川にかかる五色桜大橋は自動車の振動を利用して発電 イルミネーション点灯 ( 音力発電 ) 道路 振動発電機システムを高速道路に設置 車載センサに ( オムロン 旭硝子 ) 床 JR 東京駅の改札口で発電床の実証実験 照明 エスカレータ駆動に ( 音力発電 ) 車両振動 タイヤ タイヤ振動を利用した発電器とセンサ タイヤ空気圧モニタに ( オムロン Schrader Electronics) サスペンション 車両のサスペンションによるショック振動を水圧に変換し 水圧の変化で発電 (MIT/Levant Power) 流体振動 渦励振 海流/ 川流の利用し 電力に ( ミシガン大 /Vortex Hydro Energy) 風渦励振 塔状構造物の風渦励振の制振と発電( 九大 ) 風 車両に搭載した圧電素子により発電し バッテリー充電 ( ニューヨーク市立大 ) 音波 ( 騒音 ) 高速道路の自動車の騒音を利用して発電 防音壁に ( 音力発電 ) 音波 ( 話声 ) 通話を利用し 携帯電話に( 音力発電 ) 3
人体の振動 歩行 人体の歩行動作による振動から電力を得る発電機を試作 万歩計に ( 三洋電機 ) 歩行 歩行の運動エネルギーとして 67W の取出しが可能 MIT: 中敷に PLZT を組み込み SRI: 電歪ポリマーでヒザに取り付け 腕 腕の動きで発電する腕時計( セイコーエプソン ) 心拍 心房の圧力差を利用した発電器 心臓ペースメーカーに ( 英 SIMM フ ロシ ェクト ) その他 キーボード キーボードのタイピング振動で発電 雤粒 スイッチ 雤粒の衝撃で発電 スイッチの ON/OFF で電磁誘導により発電 住宅照明の点灯に (EnOcean) 水力河川 水路 小水力発電 ( 川崎重工業 ) 熱エネルギー 体温 体温を熱源とした腕時計を発売( セイコ ーインスツル ) 体温利用の腕時計を発売 ( シチズン時計 ) 体温と室温の温度差を利用 (KELK) 廃熱自動車排ガス熱 自動車排ガスの熱を利用 ( 東芝 ) ガス燃焼熱 可燃性ガスの燃焼エネルギーと gigatopaz を組み合わせて熱電発電自動車試作 ( 大阪産業大学 ) 電磁波エネルギー 光 微弱太陽光 ソーラーエネルギーをハーベスト ワイヤレスセンサに (TI) 電波 遠方のテレビ塔からの RF 電波をエネルギー源とし RFID タグ (LCD 温度計 / 湿度計 ) に (Intel) ハイブリッド ( 複合型 ) その他 Tree Power ( 木 ) 浸透圧 携帯電話アンテナや TV マストなどから放出された無線波をハーベスト 携帯電話に (Nokia) 印刷部品を用いた無線給電方式 有機 E L 照明に ( 独コンソーシアム ) 携帯電話/TV 無線波とソーラーからハーベスト 携帯電話に (Nokia) 熱エネルギや太陽エネルギ 電磁波エネルギ 振動エネルギなどを回収し 無線センサネットワークに (Jennic) 植物の持つ微弱電流を利用 ワイヤレスセンサに ( ワシントン大 ) 浸透圧利用 (Energy Recovery Statkraft) 4
(1) 機械エネルギー 機械エネルギー ハーベストでは 振動エネルギーの利用が多い 構造物振動エネルギー利用では オムロンが 2008 年 11 月 橋の自然振動から 10μW の電力を得る発電機を試作した また同社は旭硝子と共同し 振動発電機システムを高速道路に設置し 自動車側で信号受信するシステムを試作している 1,2 また 首都高速道路で荒川にかかる五色桜大橋は 自動車の振動を利用して発電したもので イルミーネーション点灯に使っている 3 音力発電は JR 東京駅の改札口で発電床の実証実験 照明 エスカレータ駆動を試みて いる 乗降客が多い平日には 500 kw/ 秒の発電を実現 100W の電球を約 80 分間点灯でき たとされている 3 車両振動エネルギー利用では 米国ではタイヤ振動を利用した発電器の開発が進んでいる TREAD 法の成立に伴い 2007 年 9 月以降 自動車にタイヤ空気圧モニタシステムの設置が義務付けられた 今後 タイヤ空気圧センサは大きな市場になると期待されている 4 車両のサスペンションによるショック振動を水圧に変換し 水圧の変化で発電を行う試みがなされている 従来の技術はソレノイドの様な発電機を各ショックアブソーバーに取り付けて発電していたが 水圧に変換して発電機に集中させることが特徴という 5 流体振動エネルギー利用では ミシガン大学 /Vortex Hydro Energy 社は 海流 / 川流の渦励振の利用した発電システムの開発に注力している (< 補足 > 参照 ) 流体振動で空気流の風渦励振を利用した発電も九州大学等で行われている 6 また 車両に搭載した圧電素子により風を利用して発電し 自動車バッテリーの充電に応用するという事例も報告されている 7 音波を利用した開発の試みが ( 株 ) 音力発電で取り組まれている 同社では 高速道路の自動車の騒音 ( 空気振動 ) を利用して発電して防音壁に活用 携帯電話での話言葉を利用して携帯電話の充電に使用している 3 1 EE Times Japan, 2008/12/17 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/news/20081114/161291/?ss=imgview&fd=3530154 2 計測と制御, Vol.48, No,7, p.579-586(2009) 3 http://www.blwisdom.com/advancedpeople/02/ http://www.ecob100.com/entry/soundpower.html 週刊ダイヤモンド 2009/04/11, p.46-47 4 IEEJ Journal, Vol.128, No.7, p.435-438(2008) 5 EE Times, 02/10/2009 6 機論, 66-650, C(2000), p.3233-3241. 7 EE Times, 12/01/2009 5
人体の振動エネルギー利用では 2008 年 11 月 三洋電機は人体の歩行動作による振動から 40μW の電力を得る発電機を試作し 万歩計に応用した 1 歩行のエネルギー利用で 67W の取出しが可能という報告がある MIT: 中敷に PLZT を組み込み 8.3mW 取り出し (MIT) 電歪ポリマーで 800mW 取り出し / ヒザに取り付け 5W 発電 (SRI) などが紹介されている 4 8 人体の 心拍 振動の利用もある 心臓ペースメーカーの電源として 心房の圧力差を利用した発電器を併用 必要とする電力の 1/3 を供給できた 今後 100% 供給を目指しているという 9 尚 1988 年に セイコーエプソンは腕の動きで発電する キネティック と呼ばれる腕時計を開発している 2,10 振動エネルギー利用では キーボードのタイピング振動で発電 雤粒の衝撃で発電など の事例もある 4 スイッチの ON/OFF で電磁誘導により発電し 住宅照明の点灯に使うという EnOcean 社 / 加賀電子の事例もある 4,11 機械エネルギー利用の振動エネルギー以外では 小規模水力や小規模風力の利用がある 川崎重工業は 兵庫県三田市の大川瀬ダムで小規模水力発電の実証実験を行った 河川 の小さな落差 農業用水路なども利用できるという 12 < 補足 > 渦励振 ミシガン大学 /Vortex Hydro Energy 社は 海流 / 川流の渦励振の利用した発電システムの 開発に注力している 13 渦励振 (Vortex induced vibration) についてゆっくりと移動する水の自然な動きをエネルギー源とする流体力学を応用した新しい発電機が ミシガン大学の研究技術者によって考案された これを用いれば 広大な海域をエネルギー生産に使うことが出来 これまで大手石油会社の海底石油掘削装置にとっての悩みの種が 再生可能エネルギーには恩恵をもたらす可能性がある この発電機を考案した Michael Bernitsas は 自分のアイデアを商業化するために 米 Vortex Hydro Energy 社を設立した この構想の開発をさらに進めるための資金として 全米科学財団 (NSF) 米国海軍 米エネルギー省などが共同で およそ 200 万ドルを Vortex 社に出資している 8 http://www.itmedia.co.jp/news/0011/10/shoes.html 9 EE Times, 11/11/2008 10 http://www.seiko-watch.co.jp/technology/quarts/kinetic/index.html 11 日経産業新聞 2009/6/8 12 読売新聞 2009/8/3 13 WIRED VISION, 2008/10/31(http://wiredvision.jp/news/200810/2008103122.html), DAVIES Sean, Engineering & Technology, Vol.4, No.14, Page.54-56(2009) 6
Bernitsas は 渦によって生じた力学的エネルギーを捕捉するエネルギー捕獲機の試作装置 Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy(VIVACE) を開発した 海流によって生じた渦が バネで水中につり下げられた直径 5 7 センチメートルのシリンダー群を上下に動かす この力学的エネルギーを 回転式あるいはリニア式の発電機を通じて電力に変換する 将来的には 50 キロワットの発電能力を持つモジュール式装置を作成したいと Bernitsas は考えている より大規模な応用例として この装置をさらに集積し 1 ギガワット級の電力を生む発電所にすることも可能とみられる エネルギーの専門家たちは 海流の運動について 最大で米国のエネルギー需要の 10% を供給できる 未開発の巨大なクリーンエネルギー源だと考えている Vortex Hydro Energy 社は 渦励振の原理を利用したシステムを開発し デトロイト川の水深 13.5m に設置し 6 カ月間の実地試験を実施する 直径 25cm 長さ 2m の円柱 6-8 本で構成する 試作システム自身の価格は約 25000 ドルで設置工事費と試験経費を含め総額は約 100 万ドルになる 自然界の流れは大部分が 1 ノット以下だからその有効なエネルギー採取の方法として期待できるという 7
(2) 熱エネルギー 熱エネルギー利用は 人体の体温利用と廃熱利用が主である セイコーとセイコーインスツルメンツ ( 現セイコーインスツル ) は 1998 年に体温を熱源とした腕時計 セイコーサーミック を発売した 14,15 また シチズン時計は 同じく体温利用の腕時計 エコ ドライブサーモ を 1999 年に発売している 14,16 KELK( 旧小松エレクトロニクス ) も 体温と室温の温度差利用に取り組んでいる 14 一方 廃熱利用では 東芝は自動車排ガスの熱の利用を進めている 14,17 また 大阪産業大学は 可燃性ガスの燃焼エネルギーと gigatopaz を組み合わせた 1 人 乗りの自動車 熱電発電ビークル (TEGV) を開発している 出力は 150W である 14,18 熱エネルギー利用のその他では バージニア大は 焦電効果 ( 温度の変化に応じて自発 分極をもつセラミック ( チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) など ) の表面に帯電する電荷が増減 する現象 ) を利用して 自然界の環境温度の揺らぎを利用 発電している 19 14 EE Times Japan, 2009/03/18 15 http://udedokei-web.hp.infoseek.co.jp/japan0179.htm 16 http://citizen.jp/cs/tec-joho/yasasii/netsu/netsu.htm 17 http://kagakukan.toshiba.co.jp/06energy/newtech101.html, 102html 18 http://www.osaka-sandai.ac.jp/document/080512.pdf 19 http://www.leang.com/academics/pubs/xiej_2008.pdf 8
(3) 電磁波エネルギー 電磁波エネルギー利用は 光エネルギー利用と電波エネルギー利用に分けられる 光エネルギー ( 微弱太陽光 ) 利用では TI 社は ソーラーエネルギーをハーベストし ワイヤレスセンサに応用している 20,21 電波エネルギー利用では Intel 社は 4.1km 遠方のテレビ塔からの RF 電波をエネルギー源として LCD 温度計 / 湿度計を駆動させている RFID+TV の組み合わせを念頭におき TV 電波を電源として RFID タグにセンサー情報のログを貯め LCD 温度計 / 湿度計を駆動させるという 22,23 Nokia 社は 携帯電話アンテナや TV マストなどから放出された無線波をハーベストし 携帯電話の充電に使用している 24 20 EE Times Europe, 01/19/2009 21 http://focus.ti.com/lit/ml/sprt506/sprt506.pdf 22 EE Times Europe, 01/26/2009 23 http://eetimes.jp/article/22747 24 EE Times Europe 06/11/2009 9
(4) ハイブリッド ( 複合型 ) 機械エネルギー 熱エネルギーや電磁波エネルギーを複合してハーベストする研究開発 が 最近 活発になっている Nokia 社は 携帯電話 /TV 無線波とソーラーからハーベスティングし 携帯電話に応用している 英 Jennic 社は 各種エネルギ ハーベスティング向けシステムを開発している 米 Powercast 社と共同してエネルギ ハーベスティング装置を開発し 熱エネルギーや太陽エネルギー 電磁波エネルギー 振動エネルギーなどを回収した ZigBee PRO や 6LoWPAN などの IEEE 802.15.4 規格に準拠した無線センサー ネットワークを駆動している 25 (5) その他 米 Washington 大学は Tree( 木 )Power 植物の持つ微弱エネルギーを利用し ワイ ヤレスセンサ ネットワークを駆動させている 26,27 Energy Recovery 社は 海水の浸透圧を利用して発電している 28,29 25 EE Times, 2009/11/16 26 EE Times 09/11/2009 27 http://www.uwnews.org/article.asp?articleid=51869 28 EE Times 11/30/2009 29 http://nextgenlog.blogspot.com/2009/11/energy-osmotic-power-generators-harvest.html 10
( 参考 ) エネルギー密度 様々な微弱分散エネルギーのエネルギー密度を 表 2.1-2 に示す いずれも 太陽光 ( 屋外の直尃日光 ) に比べると ケタ外れに小さいエネルギー密度である しかし デジタルデバイスの急速な発展により mw μw でも利用できるようになってきた 30 表 2.1-2 様々な微弱分散エネルギーのエネルギー密度 エネルギー源 機械エネルギー機械の振動機械の動き 振動数 khz 当り エネルギー密度 ( 単位 ) 0.8 mw/cm 3 人体の振動 流体の振動 人間の動き 振動数 Hz 当り 空気流 30 L/min 0.004 mw/cm 3 1 mw/cm 2 熱エネルギー温度差 5 電磁波エネルギー電波電波源が近くにない場合 0.06 mw/cm 2 <0.001 mw/cm 2 電波 光 専用電波源がある場合 室内 <1 mw/cm 2 0.1 mw/cm 2 ( 参考 ) 太陽光 ( 屋外の直尃日光 ) 100 mw/cm 2 30 電子情報通信学会誌, Vol.92, No.8, p.695-699(2009) 11
( 参考 ) エネルギー発電量と素子 / システムの消費電力 現状の希薄分散エネルギーで得られる電力と素子やシステムの消費電力比較 31 を 表 -2.1-3 に示す 31 表 2.1-3 エネルギー発電量と素子 / システムの消費電力 エネルギー発電量熱電発電 :~10μW( 腕時計用 ) マイクロエレクトレット振動発電 :~10μW 歩行時の体重による靴底発電 : 数 mw 応用素子やシステムの消費電力腕時計 :~10μW RFID タグ :~150μW( アクティブ型 ) センサノード ( 計測 ~ 送受信 ): 数 100μW 低消費電力 CPU:~mW 携帯電話 :~50mW 31 戦略プログラム希薄分散エネルギー活用技術 ( 科学技術振興機構 )(2008) 12
2.2 変換素子技術 ハーベストエネルギー源を電気エネルギーに変えるための変換方法 素子を 表 2.2-1 に示す 表 2.2-1 変換方法 素子 エネルギー源機械エネルギー熱エネルギー電磁波エネルギー 振動発電 変換方法 素子 圧電型 : ピエゾ素子 電磁誘導 : コイル 静電誘導 : エレクトレット 熱電変換 : ゼーベック素子 電磁波変換 レクテナ ( 整流変換アンテナ ) 電磁誘導型 光電変換 : 太陽電池 (1) 圧電変換 振動発電 振動エネルギーを電力に変換する方法には 圧電型 電磁誘導型 静電型がある 圧電変換 振動発電の方式の開発動向を 表 2.2-2 に示す 表 2.2-2 圧電変換 振動発電の方式の開発動向 2 エネルギー源発電方式 材料開発先発電電力 環境振動 構造物振動 車両振動 流体振動等 圧電型 : 圧電素子 UC Berkeley 校 ( 米 ) ( カリフォルニア大バークレー校 ) 200[μW] 圧電型 : 圧電薄膜 IMEC( ベルギー ) 40~60[μW] 電磁誘導型 Ferro Solutions( 米 ) 1~10[mW] 静電型 : エレクトレット膜 東京大 オムロン 三洋電機 10[μW] 40[μW] 人体振動 EnOcean 社 ( 独 ) 200[μW] 圧電素子 長岡高専 MIT( 米 ) 300[μW] 1~8[mW] 静電ポリマー SRI International( 米 ) 800[mW] 圧電床 音力発電 0.3~1[W] 機械式回転 MIT( 米 ) 60~250[mW] 水圧 水流 Pittsburgh 大 ( 米 ) NTT 環境エネルギー研究所 250~700[mW] 1.2~2.5[W] 圧電ワイヤ Georgia 工科大 ( 米 ) ~50[mW] 13
(1.1) 圧電型 2 圧電型は 材料が振動によって伸縮変形する際に発生する電位差を電力として回収する 発電量が尐なく 材料の変形により务化するのが欠点だが 構造が容易で小型化が可能である UC Berkley( カリフォルニア大学バークレー校 ) の S.Roundy らは 圧電セラミック材を用いた片持ち梁に機械的な振動エネルギーを不えて 200μW 以上の電力を得ている ベルギー IMEC(Interuniversity Microelectronics Center) では 微細加工技術 (MEMS) をもとに作成した片持ち梁のデバイス上に圧電薄膜を形成し 外部からの振動で 60μW 程度の発電をしている (1.2) 電磁誘導型 2 電磁誘導型は コイルと磁石を組み合わせた素子を利用することで 外部から振動が加わると永久磁石とコイルは相対運動し コイルに交差する磁束が変化することによって誘導起電力が生じる仕組みである コイルの巻き数など構造的な要素が発生電力に大きく左右する欠点があるが 比較的電力を取り出しやすい 開発動向では 1988 年にセイコーエプソンは腕の動きで発電する キネティック と呼ばれる腕時計を開発した 近年では 英 Perpetuum や米 Ferro Solutions などで携帯機器や工業用無線機器向けの振動発電機を市販している 研究機関では 東京大の保阪らはコマの歳差運動を利用する回転式電磁誘導発電機を紹介している 高速回転するロータに傾斜振動が加わるとロータは歳差運動を起こし 傾斜方向と直角方向に回転運動を始める その回転力により自転速度を増速するものである MEMS デバイス分野 (MEMS 技術 ) でも研究開発が進められており 香港中華大学では微細加工技術を用い小型でありながら 0.8mW 程度の電力を起こし さらにこの電力を使って無線機器を駆動している (1.3) 静電誘導型 2 静電型の発電機は 2つの平面状の基板がお互いに向かい合った構造をとる 片方の基板には電荷を半永久的に帯びた エレクトレット と呼ばれる材料をくし型状に配置し もう片方の基板には やはりくし型の対向電極を置く 振動によって エレクトレットと対向電極の位置関係がずれることで起電力が生じる仕組みである 最近の日本国内の開発動向としては 三洋電機や東京大と共同開発を行ったオムロンなどは各社が想定する応用によって人体の歩行動作による振動もしくは 自然振動などを利用する用途開発を行っている 応用として オムロンは工場の機械 自動車 橋など自然界に存在する数十 Hz 以下の低周波を対象とした振動発電機を開発した さらに旭硝子やネクスコ東日本エンジニアリングと共同で 無線センサネットワーク向けの電源としての応用を検討している 14
(1.4) 人体振動利用 2 人体の運動からの発電としては 腕時計用の振動発電機がすでに実用化されているが 最も大きな出力が期待できる歩行の際のエネルギーや瞬間的に打つ力もしくは押す力の利用がある 研究開発の例として MIT では中敷きに圧電セラミクスを組み込んだ靴により数 mw の発電を起こし SRI では電歪ポリマーを用いて数百 mw の出力を得ている 最近の無線機器への応用研究としては NTT 環境エネルギー研究所は靴の中を液体が移行する際に小型タービンを回して発電する仕組みで平均 1W を超え携帯電話機の通話時に十分な電力供給ができる能力を備えている発電機を開発した またパックやひざに取り付けることによって振動で数 Wを発電する装置の開発も行われている 産業界では人体からのエネルギーを電力に変換する環境発電機として 独シーメンスから設立された EnOcean では室内オートメーション向けのエネルギーハーベストデバイスを開発した 壁の電灯スイッチと同じ形状のデバイス内部に電磁誘導発電機を組み込み スイッチ動作によって得られる電力で無線回路を動作させて照明などをワイヤレスで点灯させる 建築時にあらかじめ設置する電気配線を減らし スイッチを任意の場所に設置できる利点がある その他の研究事例としては 長岡高専は 圧電素子を用いた衝撃振動による磁気発電のドアアラームなどを開発した 人がドアを開くときの衝撃振動に変換し蓄電した後 無線装置を駆動し ドアの開いたことを感知通報する防犯用自家発電型無線警報装置である また 米の Georgia 工科大は 圧電材料である酸化亜鉛のナノワイヤを高密度に作成する技術を開発し 大型の酸化亜鉛ワイヤ数本から 10mW 程度の発電を起こした 15
(2) 熱電変換 熱電発電は 温度差によって起電力を生じるゼーベック効果を利用した発電方式である 熱電発電方式では 性能指数 Z(Z=S2p/k, S はゼーベック係数 V/K pは導電率 kは熱伝導率 ) の高い材料の開発が最も重要な課題となっている 発電量を決めるのは性能指数と温度差であり 人間活動に起因するような温度差 例えば体温と外気温の差では十分な発電量が取れないため 材料の性能指数が重要となる 性能指数 Z あるいは ZT が高くなるほど 発電効率が高くなる ZT が高い材料 すなわち導電率 pが大きく熱伝導度 k が小さい材料は多くなく ( 金属ではpとkが比例する ) 長らく ZT=1 程度が限界であった しかし 2000 年前後から ナノ構造化した材料により 大幅な ZT の向上が報告されている 高温域ではあるが ZT=4.1 という材料も報告されてい る 30 開発動向では 腕時計の中に微小な熱電半導体材料を多数配列して外気温との温度差を利用して発電する腕時計がセイコーインスツルメントとシチズンから製品化された これらの実用化がきっかけとなり 熱電変換素子がエネルギーハーベストデバイスとして注目され さまざまな研究開発が進んでいる また センサネットワーク用の自立電源としてのデバイス試作が行われている ベルギー IMEC では 無線センサネットワークのノード駆動電源として 体温を利用して熱発電を行う熱電変換デバイスの可能性を検討している 腕時計のような手首に巻きつけて固定するベルトを用い 無線送信機を備えた熱発電デバイスをマウントしたセンサノードとしての性能を確認した 特に動脈付近の体温熱が有効に利用されて日中で 250μW 程度の発電を行うことが示された NTT は シリコンウェハー上に熱電変換も含めた微弱発電デバイスを集積し さまざまな環境発電を可能にした素子を試作している 2 また 自然界の環境温度の揺らぎを利用して焦電効果により発電している例もある 熱源と環境とで 10 の温度差があれば 2.4mW の発電が可能である 業界で熱電変換デバイスを小型化し市販している開発先を 表 2.2-3 に示す 2 表 2.2-3 小型熱電素子の開発動向 開発先製品名温度差電力量 HI-Z Technology 社 ( 米 ) Hz-2 HZ-14 HZ-20 200 2~20[W] 東芝 Giga Topaz 480 15[W] 温度差発電 フェローテック TMG-127 125 4.5[W] Micropelt 社 ( 独 ) MPG-D901 40 87[mW] シチズン Eco-Drive Themo 1 14[μW] セイコーインツルメント Body Heat powered Watch 1 10[μW] 16
(3) 電磁波変換 電磁波を用いた電力伝送方式として 電磁波受信アンテナと整流回路を組み合わせたレ クテナ (rectenna=rectifying antenna) 方式 電磁誘導方式 電場または磁場の共鳴方式が 検討されている 31 RF( 高周波 ) の場合 電磁波エネルギーから電気エネルギーへの変換はアンテナを用いたエネルギーハーベスト後の周波数変換のみであり 通常は高効率変換のためにダイオードを用いて直流変換する事がほとんどである 20 このような技術を 無線電力伝送技術 と呼び 1960 年代以降様々な研究が行われてきた 無線電力伝送は 様々な得失があり 実用化に再して有線送電 バッテリー 太陽電池等との競争で効率やコスト等で決定的な優位性が見出せなかったためである しかし 21 世紀に入り RFID という情報と電力を同時に伝送する商用システムが実用化し始め 微弱なエネルギー密度でも情報と同時伝送で有用性がある無線電力伝送システムが注目されている 太陽光を電力に変換する太陽電池は広く普及しているが 希薄分散エネルギー活用という観点からは 暗所でも使える二次電池機能や 室内光のような微弱な光でも高効率に電力に変換できる技術が必要である シリコン太陽電池は 光量が小さくなると指数関数的に変換効率が低下するという問題があり また現状では低コスト化の課題が残されている 色素増感太陽電池は 微弱光でも効率が落ちないという特長があり また二次電池機能も可能であることから 希薄分散エネルギー活用技術の一つとして有望である 21 17
2.3 特許出願動向 (1) 日米欧の特許出願動向 エネルギー ハーベスティング技術分野は多岐にわたり IPC( 国際分類 ) による妥当 な抽出は困難である 従って ここでは 特許全文フリーワードによる検索を採用した エネルギー ハーベスティング技術に関する特許特許公報 ( 日本公開 US 公開 EP 公 開 WO 公開 ) の 2005 年以降の件数推移を 表 2.3-1 及び図 2.3-1 に示す 海外出願特許が高水準となっており 当該分野での研究開発は欧米優位の状況にある 表 2.3-1 エネルギー ハーベスティング技術に関する特許公報動向 ( 日本 海外 ) ( 対象 : 日本公開 US 公開 EP 公開 WO 公開 ) 2005-2009 年 公開年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 計 日本公開 6 7 5 13 9 40 US 公開 62 89 182 306 259 898 EP 公開 7 21 27 65 70 190 WO 公開 22 46 107 152 140 467 特許公報動向 ( 日本 海外 ) 300 250 200 件数 150 100 50 日本公開 US 公開 EP 公開 WO 公開 0 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 公開年 図 2.3-1 エネルギー ハーベスティング技術に関する特許公報動向 ( 日本 海外 ) ( 対象 : 日本公開 US 公開 EP 公開 WO 公開 ) 18
(2) 国内特許出願動向 エネルギー ハーベスティング技術に関する日本特許公報 ( 公開 公表 再公表 ) の 2005 年以降の総件数は 134 件である ( 公開 40 件 公表 92 件 再公表 2 件 ) 上位出願人と件数を 表 2.3-2 に示す クアルコム ( 米国 ) からの出願が最も多く 次いで ゼネラル エレクトリック ( 米国 ) メディミューン( 米国 ) パナソニックが続いている 表 2.3-2 エネルギー ハーベスティング技術に関する日本特許公報 ( 公開 公表 再公表 ) の上位出願人 No. 出願人 件数 1 クアルコム ( 米 ) 25 2 ゼネラル エレクトリック ( 米 ) 8 3 メディミューン ( 米 ) 7 4 パナソニック 4 < 調査方法 > ( 国内特許公報 ) 公報種別: 日本公開 公表 再公表特許公報 期間( 公報発行日 ):2005 年 1 月 1 日 ~2009 年 11 月 25 日 検索式 FW( 全文 )=( 環境発電 +エネルギーハーベスト+エネルギー ハーベスト +エネルギーハーベスティング+エネルギー ハーベスティング +エネルギー * ハーベスト+エネルギー * ハーベスティング ) 件数 134 件 ( 公開 :40 件 公表 92 件 再公表 2 件 ) ( 海外特許公報 ) 公報種別及び期間:US 公開 2005 年 1 月 1 日 ~2009 年 11 月 19 日 EP 公開 2005 年 1 月 1 日 ~2009 年 11 月 25 日 WO 公開 2005 年 1 月 1 日 ~2009 年 11 月 19 日 検索式 FW( 全文 )= energy harvest* 件数 US 公開 898 件 EP 公開 190 件 WO 公開 467 件 19
2.4 国内外プロジェクト等の状況 エネルギーハーベスティングという言葉が急増したのは 2005 年以降である その背景 にはデジタルデバイスの低消費電力化とともに ヨーロッパにおける様々な研究プロジェ クトの存在があった 30 (1) 海外の状況 ヨーロッパ 米国とも エネルギーハーベスティングの取り組みは 応用として大半が センサネットワークに焦点が当てられている (1.1) ヨーロッパエネルギーハーベスティングに関する取り組みが活発化している 例えば フライブルグ大学 ( 独 ) の IMTEK(Institute for Microsystem Technology) では Micro Energy Harvesting プロジェクトが GRF(German Research Foundation) と民間 (SIEMENS Enocean SICK EH Weidmuller 社等 ) からの支援をうけてスタートしている この研究課題は DC-DC Converter AC-DC Converter Electromagnetic Energy Harvester Multiwire Coils Microelectronic Conversion Circuits Variable Supply Custom Microcontrollers が掲げられており エネルギー変換技術分野や エネルギー蓄積技術 エネルギー送受信技術 システム制御技術 低消費電力回路技術 パッケージング技術等の共通技術分野の研究者による分野融合的な取り組みが特徴である フライブルグ市は 基幹系統電力へ再生可能エネルギーを活用する取り組みで国際的にも有名であり それをフライブルグ大学が技術面で支えている またフラウンホーファー研究所 ( 独 ) では 小型電源に関する横断的な組織を発足させ 2006 年からは Fraunhofer Symposium Micro Energy Technology をスタートさせている 表 2.4-1 ヨーロッパの最近のエネルギーハーベスティングに関する主な取り組み 31 発電方式 エネルギー源 研究機関 MEMS( 電磁式 ) 自然振動 IMTEK University of Freiburg 光電変換 燃料電池 太陽光 Fraunhofer Institute 光電変換 太陽光 Imperial College London MEMS 人体の動き Imperial College London 光電変換 熱電変換 統合化技術 太陽光 太陽熱 University of Naples Federico University of Cambridge Polytechnic University of Catalonia MEMS( 圧電変換 ) 自然振動 IMEC 20
(2.2) 米国エネルギーハーベスティングは 米国でもその取り組みが活発である この発電システムの一つである Power MEMS は 1990 年代後半に MIT で命名され MEMS を使った小型の発電システムをさす語として定着している 現在 MIT の Electrical Engineering and Computer Science 学部では Power MEMS の概念を広げて様々な分野で広範な取り組みをしている 政府レべルでは DARPA( 国防高等研究計画局 ) が軍事用途での電源の重要性を認識して いくつかのプロジェクトを実施してきた 例えば MTO(Microsystems Technology Office) では気圧変動 太陽光 自然振動の3 種類のエネルギー変換方式を統合化して プロトタイプまで作製している DSO(Defense Sciences Office) では Micro Power Sources プログラムが進行中で マイクロ燃料電池 自立型バッテリー及び Energy Scavenging Micro Sources と 3 次元マイクロ電池が課題となっている NSF(National Science Foundation; アメリカ国立科学財団 ) では エネルギーハーベスティング関連のプログラムを大学主体に約 80 件実施している またファンディング機関ごとに SBIR(Small Business Innovation Research) というベンチャー支援を積極的に行っている さらには エネルギーハーベスティングフォーラムというベンチャー主体の分野融合的な動きもある 表 2.4-2 米国の最近のエネルギーハーベスティングに関する主な取り組み 31 発電機構 エネルギー源 研究機関 MEMS( 圧電式 ) 自然振動 MIT MEMS( 電磁式 ) 自然振動 University of Michigan MEMS( 静電式 ) 自然振動 California Institute of Technology MEMS( 電磁式 ) 自然振動 MIT 音響発電デバイス 航空機騒音 University of Florida 統合化 ( 太陽電池 振動 圧力 ) 太陽光 自然振動 気圧変動 University of California,Berkeley (UCB) 人工光合成 太陽光 MIT 放尃性同位体振動発電デバイス 放尃能 Cornell University MEMS( 圧電式 ) 自然振動 Simon Fraser University 21
2.5 研究機関 研究者 発表論文を中心に エネルギーハーベストのエネルギー源および変換素子に関連する研 究者を抽出し 表 2.5-1 および表 2.5-2 に それぞれ研究機関 研究者リストとして纏め た 日本では 東京大学大学院の鈴木雄二准教授のグループが活発な研究を進めている 安定化させたエレクトロレットを用いた静電誘導型の発電機を開発し 電極厚み 150μm エレクトレット圧み 20μm ギャップ 40μm で 振動数 20Hz 振幅 1.2mm の振動から 0.7mW の出力を得ている また 東北大学大学院の江刺正喜教授のグループも Power MEMS( マイクロ発電デバイ ス ) の開発 携帯電話への応用に注力している 23
表 2.5-1 エネルギー ハーベスト ( エネルギー源 ) の研究機関 研究者リスト エネルギー 研究機関 所属 ( 学部 学科 ) 機械エネルギー 構造物振動 ( 橋梁 ) Royal Melbourne Inst. Technol.( 豪 ) 役職 研究者名 テーマ 応用 研究室 URL AWAJA N. et al. 電磁微小発電機に使用する薄板ばねのモデリングとシミュレーション 研究室 TEL FAX E-Mail 機械エネルギー 構造物振動 Chinese Univ. Hong Kong( 中 ) LIANG J. R et al. 構造減衰における圧電ハーベスティングと散逸 機械エネルギー車両振動福岡工業大 室蘭工業大 工学部 / 電気工学科 工学部 / 電気電子工学科 / 電気システム工学講座 准教授 准教授 大山和宏 川口秀樹 永久磁石リニアパワー発電機を使用する電気自動車の振動により得る電気動力 機械エネルギー 車両振動 Univ. Minnesota ( 米 ) VIJAYARAGH AVAN K. et al. バッテリーレス無線交通センサ センサ 機械エネルギー 車両振動 ( エンジン ) Univ. Maryland ( 米 ) CHOI Young-Tai et al. 自己発電磁気レオロジーダンパ 機械エネルギー 車両振動 ( ドア開閉 ) 名古屋大大学院 東北大大学院 工学研究科 工学研究科 教授 教授 福田敏男 新井史人 機械的蓄積機構を利用した小型発電デバイスの機構設計と最適化 携帯型電子機器や緊急時の電源用 24
機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) 横浜国大大学院工学研究院 横浜国大大学院工学府 横浜国大 システムの創生部門 / システムのデザイン分野システム統合工学専攻 / 海洋宇宙システム工学コース工学部建設学科 / 海洋空間のシステムデザインコース統合的海洋教育 研究センター 准教授 西佳樹 渦励振を活用する新たな 自然エネルギー獲得技 術の開発 http://gakufu.e ng.ynu.ac.jp/sta ff/00000032/in dex.html 機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) 大阪府立高専 総合工学システム学科 / メカトロニクスコース 准教授 土井智晴 カルマン渦列による共振現象を応用した発電実験 Flat Ring Tube の振動現象を用いた発電の研究 機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) 長岡技術科学大 機械系 / 人間環境システム工学講座 / 流体工学研究室 教授 白樫正高 渦励振発電を利用した電 力自立型河川監視装置 の開発 河川監視装置 http://ntic.naga okaut.ac.jp/see ds_7edition/017. html http://www.nag aokaut.ac.jp/j/k enkyu/souran /teacher/shirak ashi_masataka.h tml TEL: 0258-47-9730,FAX: 0258-47-9770, Kashi@mech.n agaokaut.ac.jp 機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) 九州共立大 工学部 / メカエレクトロニクス学科 教授 宇野美津夫 円柱の渦励振現象を活用したマイクロ水力発電の提案河川の流れを想定した渦励振型マイクロ水力発電流体による振動現象を利用したマイクロ発電 http://www.kyu kyo-u.ac.jp/p_sy stem/index.php?type=teacher& execmode=vew &cd=66 http://www3.ky ukyo-u.ac.jp/t/ k031/index.htm mitsuo@kyuky o-u.ac.jp 25
機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) 東工大大学院 理工学研究科 / 機械宇宙システム専攻 教授 大熊政明 振動エネルギーからの発 電システムの開発 http://www.mec h.titech.ac.jp/~d osekkei/kuma/ TEL: 03-5734-2784 mokuma@mec h.titech.ac.jp 機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) 三重大環境エネルギー工学研究センター 工学研究科 / 機械工学専攻 教授 ( センター長 ) 前田太佳夫 ゲート式マイクロ水力発電システムの開発研究 http://kyoin.mie -u.ac.jp/profile/ 1517.html maeda@mach. mie-u.ac.jp 機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) Technische Univ.( 独 ) EBERMEYER et al. 流動媒体中の短い圧電片持梁を用いる電気エネルギーの発生 センサシステム 機械エネルギー 流体振動 ( 渦励振 ) Universidad Politecnica de Madrid( スペイン ) SANCHEZ-S ANZ et al. 矩形プリズム周囲の Karman 渦列により生成される力に基づくエネルギーハーベスト マイクロ共振器 機械エネルギー 流体振動 ( 潮流 ) 東京海洋大 博士課程学生 三木基弘 バルク高温超電導体を用いた潮流発電用高効率発電機に関する研究 機械エネルギー 流体振動 ( 波力 ) 佐賀大 助教授教授教授 木上洋一瀬戸俊明金子賢二 波力発電用 Wells タービンのヒステリシス特性 機械エネルギー 流体振動 ( 風渦励振 ) 長崎大 工学部 / 構造工学科 教授 吉武裕 フラフープを使用する塔状構造物の渦振動の抑制と電力の発生 2 スロット発電機を利用した水平振り子型制振発電装置による渦励振の制振と発電 http://www.st.n agasaki-u.ac.jp/ ken/yoshitake/i ndex.html TEL: 095-819-2589 yoshitak@nag asaki-u.ac.jp 26
機械エネルギー 流体振動 ( 風渦励振 ) 九大 工学研究院 教授 末岡淳男 複数のフラフープを用い た塔状構造物の渦励振 の制振と発電 http://www.ap.k yushu-u.ac.jp/a ppphy/research -core/comp_en g/index.htm 機械エネルギー 流体振動 ( 風渦励振 ) 横浜国大大学院 工学研究院 / システムの創生部門 / システムのデザイン分野 教授 鈴木和夫 回転翼を利用しない潮流 発電用ダクト型水車の研 究 kaz@ynu.ac.jp 機械エネルギー 流体振動 ( 気流 ) 名古屋大 エコトピア科学研究所 准教授 北川徹哉 高速道路走行の自動車が発生させる気流変動 ( ガスト ) のエネルギー回収 http://www.esi. nagoya-u.ac.jp/ staff/kankyo/tk itagawa.html t-kitagawa@e si.nagoya-u.ac.jp 機械エネルギー 流体振動 ( 音響 ) California Inst. Technol.( 米 ) SHERRIT Stewart 物理音響学 機械エネルギー 振動 東北大大学院 工学研究科 / ナノメカニクス専攻 / ナノテクノロジー講座情報ナノシステム分野桑野 長澤研究室 教授 桑野博喜 広帯域インテリジェント発 電システム 機械エネルギー 振動 Rensselaer Polytechnic Inst.( 米 ) 機械エネルギー 振動 Yale Univ.( 米 ) Dep. of Electrical Engineering 機械エネルギー 振動 Inst. National des Sci. Appliquees de Lyon (INSA-Lyon) ( 仏 ) DWARI Suman et al. MARINKOVIC Bozidar et al. LALLART Mickaeel et al. 振動を利用した低電圧環境発電システム 広帯域幅振動エネルギーハーベスティングプラットフォーム 環境発電方式 27
機械エネルギー 振動 Duke Univ.( 米 ) SCRUGGS J.T. 振動エネルギーを利用した環境発電 機械エネルギー 振動 CSIRO Energy Technol.(AUS) 機械エネルギー 振動 Univ. Central Florida(UCF) ( 米 ) WARD John K. et al. 振動エネルギー環境発電 振動型エネルギーハーベスティングシステム 機械エネルギー 人体振動 ( 歩行 ) Simon Fraser Univ.(CAN) LI Q. et al. 生体力学的環境発電 Univ. of Pittsburgh( 米 ) WEBER D. J. Univ. of Michigan( 米 ) KUO A. D. 機械エネルギー 人体振動 Tyndall National Inst., Univ. Coll. Cork(Ireland) SAHA C.r. et al. 人体の運動からのエネルギーハーベスト用の電磁発電機 人体装着センサ 機械エネルギー 空気圧 Aquarian Microsystems (CA) HENNING Albert K. 空気圧式エネルギーハーベストマシン 熱エネルギー 廃熱 ( エンジン ) 東京農工大 秋澤淳 エンジン排熱で駆動する 高 COP 吸着冷凍サイク ルの実現 電磁エネルギー マイクロ波 京都大学 生存圏研究所 篠原真毅 バッテリーレス社会に向 けたエネルギーハーベス ティング技術 http://www.kur asc.kyoto-u.ac.j p/plasma-group /people/shino/ TEL: 0774-38-3818 FAX: 0774-31-8463 shino@rish.ky oto-u.ac.jp 28
電磁エネルギー 高周波 / マイクロ波 Univ. Colorado at Boulder( 米 ) PAING Thurein et al. 低電力 RF エネルギーハーベスティング ハイブリッド ( 複合型 ) 振動熱 INSA Lyon( 仏 ) GUYOMAR Daniel et al. 環境振動と熱からのエネルギーハーベスティング その他 燃料 東北大大学院 工学研究科 / ナノメカニクス 専攻 教授准教授 江刺正喜田中秀治 パワー MEMS 携帯機器 http://www.me ms.mech.tohoku.ac.jp/esashilab /top.html その他 浸透圧 東京工大大学 院 理工学研究科有機 高分子物質専攻谷岡研究室 教授 谷岡明彦 正浸透膜を利用した浸透 圧発電 http://www.op.t itech.ac.jp/lab/t anioka/ TEL: 03-5734-2426 Fax: 03-5734-2876 atanioka@o.cc.titech.ac.jp その他 ( 独 ) 科学技術振興機構 研究開発戦略センター 主任調査員 伊東義曜 希薄分散エネルギー活用技術 29
表 2.5-2 エネルギー ハーベスト ( 変換素子 ) の研究機関 研究者リスト 変換素子 研究機関 所属 ( 学部 学 科 ) 役職 研究者名 テーマ 応用 研究室 URL 研究室 TEL FAX E-Mail 圧電変換 振動 エレクトレット 東京大大学院 工学研究科 / 機械工学 専攻 准教授 鈴木雄二 環境振動発電のためのマイクロエレクトリック発電器マイクロ環境振動発電パワー マイクロマシン- 高付加価値のエネルギーマイクロ環境発電デバイスの研究 センサネットワーク輸送機器用センサビル管理システム体内埋め込み医療デバイス農畜産業 http://www.thtl ab.t.u-tokyo.ac.j p/users/ysuzuk i/index-j.html TEL: 03-5841-6411 Fax: 03-5802-8858 ysuzuki@thtla b.t.u-tokyo.ac. jp 圧電変換 振動 ポリ尿素薄膜 東京工大 精密工学研究所 / 極微デバイス部門 / 中村研究室 准教授 中村健太郎 ポリ尿素圧電薄膜の振 動を使った電力発生 http://www-ue ha.pi.titech.ac.jp /index-j.html TEL: 045-924-5090 knakamur@so nic.pi.titech.ac.jp 圧電変換 振動 エレクトレット 東大大学院 工学系研究 科機械工 学専攻 教授 笠木伸英 環境発電に適用する低共振振動数マイクロエレクトレット発電装置 ボタン型電池に取って代る RSIDs 用等の電源 http://www.thtl ab.t.u-tokyo.ac.j p/users/kasagi /index-j.html TEL: 03-5841-6417 FAX: 03-5800-6999 kasagi@thtlab. t.u-tokyo.ac.jp 圧電変換 振動 圧電素子 Pennsylvania State Univ.( 米 ) LIU Yiming et al. アクティブ圧電エネルギーハーベスティング一般的原理と実験検証 30
圧電変換 振動 圧電素子 Central South Univ., Hunan ( 中 ) ANG Zengtao et al. 広帯域圧電電力ハーベスタとしての結合された振動圧電バイモルフ梁 圧電変換 振動 圧電素子 Washington State Univ.( 米 ) MORRIS Dylan J. et al. 可変共振周波数の伸縮モード圧電環境発電メカニズム 通信ネットワーク 圧電変換 振動 圧電素子 Virginia Tech ( 米 ) ERTURK A. et al. 圧電環境発電機の数学的モデリングにおける問題 圧電変換 振動 圧電素子 Sangmyung Univ.( 韓 ) Sangmyung Univ. LEE Hyun-kyung マイクロ発電装置用の二層構造圧電気屈曲デバイス 圧電変換 振動 形状記憶合金 Texas A&M Univ.( 米 ) LAGOUDAS Dimitris C. et al. 磁性形状記憶合金における磁場誘起された可逆的な相変態 センサー 圧電変換 振動 イオン液体 - ポリマー Macromolecules and Interfaces Inst.( 米 ) Center for Intelligent Material Systems and Structures( 米 ) DUNCAN Andrew J. et al. イオン性液体の存在下に調製された新規イオン性高分子の電気機械的性質ならびに膜安定性 センサー 圧電変換 振動 圧電 / イオン導電性ポリマー Los Alamos National Lab. ( 米 ) FARINHOLT Kevin M. et al. 圧電ポリマーとイオン導電性ポリマーのエネルギーハーベスティング比較 31
圧電変換 振動 Univ. Barcelona (ESP) BRUFAU-PENEL LA J. et al. 複素共役インピーダンスマッチングによる圧電エネルギーハーベスティング改善 圧電変換 振動 City Coll. New York( 米 ) ELVIN Niell G. 圧電発電装置解析のための有限要素 回路シミュレーション結合モデル 圧電変換 振動 無機単結晶 Univ. Pittsburgh ( 米 ) SUN Chengliang et al. 単結晶 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xP btio3(pmn-pt) 装置を使用した圧電エネルギーハーベスティング 圧電変換 振動 Clemson Univ. ( 米 ) DAQAQ Mohammed F. et al. パラメータ励振による電力ハーベスティングの研究 圧電変換 振動 Virginia Tech ( 米 ) ERTURK Alper et al. 無人機への適用に関する L 型梁 質量構造からの圧電エネルギーハーベスティングのモデリング 圧電変換 振動 Arizona State Univ.( 米 ) LIAO Yabin et al. 電力ハーベスティングの構造影響とエネルギー変換効率 圧電変換 振動 Pennsylvania State Univ.( 米 ) KAUFFMAN Jeffrey L. et al. 圧電エネルギーハーベスティング装置の設計に対する低次数モデル 32
圧電変換 振動 Arizona State Univ.( 米 ) LIAO Yabin et al. RC 回路を有する圧電エネルギーハーベスタの最適パラメータとパワー特性 圧電変換 振動 Univ. Lyon( 仏 ) GARBUIO Lauric et al. SSHI 非線形技法に基づく超低しきい値整流によるメカニカルエネルギーハーベスタ 圧電変換 振動 Univ. Witwatersrand (ZAF) ELVIN Alex A. 圧電発電機用一般相当回路モデル 圧電変換 振動 圧電セラミック (PZT) Virginia Tech,( 米 ) ERTURK A.. et al. 片持ち梁型圧電振動エネルギーハーベスタの機械的モデリング 圧電変換 振動 圧電セラミック繊維複合材料 Advanced Cerametrics (NJ) CASS Richard et al. 電力電子部品へのエネルギーハーベスト用の圧電セラミック繊維複合材料 圧電変換 振動 電歪ポリマー Prince of Songkla Univ. (THA) Dep. of Physics PUTSON C. 電歪高分子複合材料のハーベスティング性能のキャラクタリゼーション 圧電変換 振動 NeFeB 磁石 METU(TUR) SARI Ibrahim et al. 振動数増幅変換技術に基く低振動数の環境振動による電磁マイクロ出力発電装置 圧電変換 振動 エレクトレット Univ. Freiburg, ( 独 ) BARTSCH U. et al. 二次元エレクトレットによる共振マイクロ環境発電装置 33
圧電変換 振動 圧電素子 Chinese Univ. Hong Kong( 中 ) 圧電変換 振動 圧電素子 ACS Sensors Lab.( 中 ) GUAN M. J. et al. XU Zheng-yi et al. 圧電環境発電システムにおけるエネルギー貯蔵装置の特性 振動エネルギーハーベスト用の MEMS 利用圧電発電器アレイ 圧電変換 振動 圧電素子 Univ. Florida ( 米 ) XU Shengwen et al. エネルギーハーベスティングのための低周波パルス共振形コンバータ 熱電変換 熱電素子 東京理科大 基礎工学部 / 材料工学科 / 飯田研究室 准教授 飯田務 熱電変換素子 http://web.mac. com/iida_lab/ TEL:04-7124- 1501 FAX:04-7122- 1499 tsutomu@rs.n oda.tus.ac.jp 熱電変換 InSe 結晶 Samsung Advanced Inst. of Technol.( 韓 ) RHYEE Jong-Soo et al. In4Se3-δ 結晶で高い熱電性能を得る手段としてのパイエルスひずみ 光電変換 豊田工大 産業技術総合研 機械システム分野 / マイクロメカトロニクス研究室 生産計測技術研究センター / 応力発光技術チーム 教授 教授 佐々木実 徐超男 (XU Chao-Nan) 機器のヘルスモニタリング用 MEMS センサについての考察 センサ http://ttiweb.to yota-ti.ac.jp/14 32/pub_semi_sh ow.php?s=107 info.acho@m.a ist.go.jp 34
光電変換 Univ. California ( 米 ) 光電変換 太陽電池 CSIC-Univ. Politecnica de Valencia(ESP) 光電変換 デンドリマ Univ. East Anglia( 英 ) 光電変換 フラーレン Mount Sinai Hospital and Univ.(CAN) Univ. Massachusetts ( 米 ) Ontario Cancer Inst. and Univ. Toronto(CAN) GUILAR Nathaniel J. et al. RODRIGUEZ Isabelle et al. ANDREWS David L. et al. YU Chi et al. 集積 2D 回折貯蔵用キャパシタンスを備えた環境発電フォトダイオード 光電気化学太陽電池における太陽エネルギーハーベスティング デンドリマ高分子におけるエネルギー流の隣接行列定式化 分子ミセル類似光増感剤 FC4S の自己集合ナノスフェアからの一重項酸素の生成効率 電磁波変換 ハイブリッド圧電変換 電磁波変換 スパイラルコイル 圧電材 / 永久磁石 大阪大大学院 Virginia Tech ( 米 ) Penn State( 米 ) 工学研究科 / 電気電子情報工学専攻 / 杉野研究室 教授 杉野隆 スパイラルコイルを用いた MEMS 環境発電デバイスの検討電磁場 Cu めっきを用いた環境発電 MEMS 用マイクロコイルの作製プロセス環境発電 MEMS 用めっき軟磁性膜の透磁率に対する下地および磁場の影響 TADESSE Yonas, PRIYA Shashank ZHANG Shujun マルチモーダル エネルギーハーベスティングシステム http://steem.ee i.eng.osaka-u.ac.jp/ 06-6879-7699 35
2.6 競合品との比較 競合品は いわゆるボタン電池である しかし 環境発電の意義は系統電源から分離した小電力デバイスを長期間保守なしに使 用可能とする付加価値の高いエネルギー源を提供するところにある また 資源有効活用という点で貢献できる 尚 その他の競合として 最近発表されている超小型原子力電池 ( 核電池 ) について紹 介する 今後の動きを注視する必要がある 超小型原子力電池 ( 核電池 ) について米ミズーリ大学コロンビア校の Jae Kwon 准教授のグループは 1セント硬貨程度の大きさと厚みながら エネルギー密度が化学電池の 100 万倍もある超小型の原子力電池 ( 核電池 ) を開発した 半導体部分には固体でなく液体を使い 放尃エネルギーによるダメージを最小限に抑えたという 原子力電池は放尃性元素が原子核崩壊する際のエネルギーを熱電変換素子で電気に換えて利用する 化学反応を利用した通常の電池に比べエネルギー密度が格段に高い 長寿命なことから以前は人工衛星や心臓ペースメーカーなどにも使われていたが 安全性を考慮し 現在では太陽電池やリチウム電池に置き換わっている 同大学の研究者はこの電池が安全で 微小電気機械システム (MEMS) などに幅広く使えるとしている 33,, 34 また 米国の Widetronix 社は 25 年間使える超小型の原子力電池を開発した エネルギー ハーベスティング ( 環境発電 ) とは違って 一次電池の一種であるが 同じような用途への活用が想定されている 軍事用 体内埋め込み用 各種センサーネットやアクティブ RFID の電源への活用が考えられている 35 33 日刊工業新聞 2009/10/12 34 http://news.cnet.com/8301-17938_105-10372233-1.html 35 http://wirelessbroadband.seesaa.net/article/135531263.html 36
2.7 現在の問題点と研究開発課題 エネルギーハーベスティングでは 微弱エネルギーゆえに高効率でエネルギーを変換す る必要がある 現在の最大の問題は その変換効率である 変換効率の向上が求められている 従って 最大の研究開発課題はエネルギー変換効率の向上であるが 最近 独立行政法 人科学技術振興機構研究開発センターから 下記の具体的研究開発課題が提唱されてい る 31 (1) 各エネルギー源別の研究開発課題 機械エネルギー MEMS を用いた振動発電の一つであるマイクロエレクトレット発電では エレクトレットの電荷密度を如何に上げるかが効率向上に直結する そのため新しいエレクトレット膜材料の研究開発が必要である - 環境振動発電用エレクトレット膜新材料の開発 ( 分子設計 計算科学 ) 熱エネルギー近年 熱電変換素子を微細化すると 薄膜 量子細線 量子ドットの順に エネルギー変換効率が大きくなることが理論的に明らかになってきた しかしこれらの素子作製プロセスがまだ丌十分なため まだ十分な実証はなされていない 高効率実現のための 素子作製プロセス 計算科学を用いた新材料の設計や新構造の研究開発が必要である また希尐元素に代わる材料の創出も課題である 従って以下のような重要な研究開発課題が挙げられる - 熱電変換性能指数の高い新材料の研究開発 - 希尐資源を使わない熱電変換用新材料の研究開発 電磁波エネルギー - 弱電用整流回路の開発 ( 低入力整流に適したダイオードの開発 ) - アンテナの実効面積拡大のための設計技術 尚 室内照明光は電磁波と同様に人工的な希薄分散エネルギーと捉えられ 以下のような課題がある - 壁紙状の発電シートの研究開発 - 塗料による大面積発電素子の研究開発 37
(2) 各変換素子別の研究開発課題 圧電変換 振動発電材料の観点からは 表面電荷密度を向上できる新しい材料開発が課題である また電荷トラップメカニズムの解明 分子設計 計算科学等も必要となる さらに 可動デバイスであることから MEMS デバイスに共通の疲労特性の解析も必要である エレクトレット発電の出力電圧は 100Vを超える高い電圧のため 電子回路での 高効率減圧回路の開発も課題である - 新材料の開発 ( 計算科学 ) - 設計 加工技術の開発 - 電子回路の研究開発 ( 参考 ) 振動発電としては圧電変換 ( ピエゾ素子 ) やコイルと永久磁石を使った電磁誘導によるものが多い ピエゾ素子では出力電圧は比較的高いがインピーダンスも高いため 大きな電流を取り出すことができない 一方 電磁誘導を使った振動発電ではピエゾ素子に比べて一般に電圧が低いが インピーダンスも低く電流は取り出しやすい コイルの巻き数を増やすことにより 電圧を高くすることができるがインピーダンスも増えるため 許容寸法などと合わせて適切に設計する必要がある 2 熱電変換ゼーベック係数が大きく 電気伝導率 / 熱伝導率の大きい材料を用いればよいことになるが しかし後者については 例えば金属では一般に電気伝導率が熱伝導率と比例関係にあるため 電気伝導率が大きく熱伝導率が小さい材料を見出すことは難しい 低次元構造 ( 量子細線 量子ドット ナノ粒子 ) を用いることで性能アップできることが示されており 計算科学による新材料の創生が期待される また材料に関しては 現状で性能指数の高い材料がビスマスやアンチモン等の希尐資源を含む材料であり これら元素含まない 入手し易い材料の開発も課題である - 熱電変換性能指数の高い新材料の開発 ( 低次元構造 : 量子細線 量子ドット ナノ粒子 計算科学 : 新材料の創生 ) - 希尐資源を使わない新材料の開発 - 熱電変換素子での T を大きくするパッケージ材料 実装技術の開発 ( 参考 ) ゼーベック素子に温度差を不えると起電力が発生する 市販されている素子の起電力は 20 の温度差で最大でも1V 程度である ( 上面を放熱板による自然空冷とした場合での熱源と周囲空気との温度差 ) 無線機を駆動するためには昇圧が丌可避であるが 素子のインピーダンスが 14Ω 程度と比較的高く 1Vの起電力では十分な電流を流すことができない このため 必要な電力を取り出す試みが行われている 2 38
電磁波エネルギー変換電磁波受信アンテナと整流回路を組み合わせたレクテナ (rectenna=rectifying antenna) 方式を用いた電源は 変換効率が高く 軽く 小さく 薄い等の特徴をもっている しかし 整流用ダイオードに起因する微細入力時の変換効率が小さいことや アンテナの実効面積低下による変換効率の低下等の問題がある これら問題の改善のため為に 以下の研究開発が必要である - 低入力整流に適したダイオードの開発 - アンテナの実効面積拡大のための設計技術 (3) 応用研究開発課題希薄分散エネルギーは微弱だけでなく 丌安定なエネルギーであることも大きな特徴である そのため 得られた電気エネルギーは設置環境の影響を大きく受ける 実際の応用に際しては これらの特徴を考慮したシステム設計が必要である 例えば 太陽電池一種類でエネルギー変換システムを構成した場合 夜間や曇りの日は利用できない等の制約がでてくる 実際のシステムを考えると この制約以外にも小型 軽量 環境低負荷材料等の検討が必要である これらに対応するためには いくつか複数のエネルギー変換方式を用いて エネルギー蓄積技術 エネルギー送受信技術 システム制御技術 低消費電力回路技術 パッケージング技術等の共通技術を組み合わせ 集積化する必要がある また 希薄分散エネルギー活用技術に特有の LSI や異種材料接合等の研究開発も必要である - 小型 軽量 環境低負荷材料を用いた SiP 化技術 - 蓄電回路 昇圧 減圧回路 送受信回路 整流回路の超低消費電力化 - 出力波形制御超低消費電力 LSI - 異種材料接合技術 - 複数エネルギー変換技術統合プロセス技術 39
3. マイクロバッテリーの研究開発動向 3.1 はじめに 光や振動 熱 電磁波等の環境に薄く広く存在するエネルギー ( 希薄分散エネルギー ) は 極めて微弱なものがほとんどである しかし近年これら環境エネルギーから電力を取り出し 小型化や省電力化の進歩が著しい電子デバイスの駆動に活用する環境発電が ユビキタスな社会をめざす流れとも合致して注目されている 環境エネルギーのなかでは太陽光が最も一般的に利用され 太陽電池が小型電卓や腕時計などに広く用いられている しかし直尃日光下では 10-1 W/cm 2 のエネルギー密度があるものの 室内では 10-4 W/cm 2 以下に減尐する 他のエネルギー源である振動で 10-3 W/cm 2 熱で 10-5 W/cm 2 電磁波で<10-6 W/cm 2 と微弱である しかもこれらの環境エネルギーは変動するのが常である この様に微弱で変動する環境エネルギーを有効利用するには 蓄積 活用し易い電気の形でバッテリーに蓄電するのが最も有効と考えられる 一方近年の小型電子デバイスやそれらを組込んだ製品は 常に消費電力を減らす省電力の方向に進歩してきている 例えば携帯電話の消費電力は数 10mW 程度で 希薄分散エネルギーを活用して得られる電力と比較するとまだ大きい しかし希薄分散エネルギーを活用して得られる電力を常に充電に使用することができるようになれば 主電源である小型リチウム電池の充電や交換サイクルの延長が可能となり これら機器の利便性が高まる また 現在の自動車で燃料が有効活用されているのは 30% 程度で 残りは熱等として放出されている 自動車だけでなく電車やエレベーターの制動エネルギーを 回生電力として蓄電し有効利用する動きも広まりつつあり 蓄電デバイスの性能 UP( 小型軽量化 高効率 高容量化 ) に対する取組みが盛んである 40
蓄電デバイスは 大きく二次電池とキャパシタに分類される 希薄分散エネルギーは微弱なので 蓄電するデバイスとしては電力の蓄電のために一定 の電圧が必要な二次電池よりも 小さな電圧から入力可能なキャパシタのほうがエネルギ ー利用率は高くなる しかし 二次電池の方がエネルギー密度が高いので 大容量の蓄電 をする場合は二次電池が有利となる したがって キャパシタと二次電池の組合せもあり 得る 表 3.1-1 二次電池とキャパシタの比較 種類 代表例 特徴 二次電池 リチウム (Li) イオン二次電池ニッケル水素電池 エネルギ密度が高い 鉛電池 キャパシタ 電気二重層キャパシタ (EDLC) リチウムイオンキャパシタ 出力密度が高い 長寿命 安全性が高い また 主な二次電池の性能比較表を 表 3.1-2 に示す 表 3.1-2 二次電池の性能比較表 種類 電圧エネルギー密度出力効率 E/$ サイクル寿命 (V) (Wh/kg) (Wh/L) (W/kg) (%) (Wh/$) (#) ( 年 ) 鉛蓄電池 2.1 30-40 60-75 180 70%-92% 5-8 500-800 3 ( 自動車用 ) 20 ( 定置式 ) ニッケル カドミウム 蓄電池 1.2 40-60 50-150 150 70%-90% 1500 ニッケル 水素蓄電池 1.2 30-80 140-300 250-1000 66% 1.37 1000 リチウムイオン二次電池リチウムイオンポリマー二次電池レドックス フロー電池 ( バナジウム ) 3.6 160 270 1800 99.9% 2.8-5 1200 2-3 3.7 130-200 300 3000+ 99.8% 2.8-5.0 ~0.5 1.15-1.6 25-35 15-25 >10000 10-20 41
二次電池の中でもリチウムイオン二次電池は放電電圧が高く エネルギー密度も高いので小型 軽量化が可能である 一般的なエネルギーロスも 5%/ 月でニッケル水素蓄電池の 20%/ 月より小さい 携帯電話やデジタルカメラ ノートパソコン等の携帯 モバイル機器に使用されていてシェアが大きい 理論エネルギー密度も大きいのでさらなる小型化も含めて開発研究が精力的に行われている 以下 エネルギーハーベスト関連で使用され得るリチウムイオン二次電池 リチウムポ リマー電池 固体薄膜二次電池 電気二重層キャパシタ等について説明する 42
3.2 リチウムイオン二次電池 世界最初のリチウムイオン二次電池の市販は 1,987 年に行われ 正極にポリアニリン 負極に Li-Al 合金を用いたコイン型が出発点であった それに代わって 1991 年に市場に出現したのが 現在も使用されているリチウムイオン移動型の原理に基づくリチウムイオン二次電池である 最近 電池に関する市場は大きく変貌しつつある ハイブリッド自動車や電気自動車への搭載 太陽電池と組み合わせた家庭用電源としての使用 携帯電話やモバイル PC 等が一般化し これらの電源としても軽量で高出力容量 かつ安全で長寿命の電池が強く要望されている これらのニーズに応えるため性能の飛躍的向上が期待されているのがリチウムイオン二次電池である そのため性能 価格 安全性などの条件を満たす電池材料の開発 及びその作製プロセスの革新が求められている リチウムイオン二次電池は負極 正極 セパレータ 電解質で構成されている (1) 負極材料リチウムは数ある金属の中でも最も負の酸化還元電位値 (-3.0V) を持ち 最も軽い金属 ( 原子量 :6.94g) のため負側の電極に使うと 高容量のエネルギーの出し入れができるためである しかしいまだ充放電時の界面上でのリチウムの反応をコントロールできず 負極には金属リチウムやその合金は使えていない リチウムを挿入した炭素系材料が使われている 金属系 炭素系 シリコン系 スズ系 その他 36 表 3.2-1 負極候補材料の理論容量 Li(metallic) LiAl 負極材料 LiC 6( グラファイト ) ソフトカーボン ハードカーボン Li 4.4Si SiOx,SiO-C Li 4.4Sn Li 13Cu 6Sn 5 Li 7MnN 4 Li 4Ti 5O 12 理論容量 (Ah/kg) 3861 790 339~372 330~600 300~450 2010 1200 790 358 210 167 36 現代化学, 2009 年 10 月, p.20-27(2009) 43
さらに容量アップを目指し Li と合金化しやすいシリコン系やスズ系の検討がなされており 体積当りで既存の炭素系の 3~4 倍ものリチウムを蓄え 放出可能で 重量当りの理論容量が 5 倍以上のものもある しかし充放電時に体積が 3 倍以上に大きく変化するため微粉化や剥離で容量の务化と界面抵抗の増加が問題である 関連する動きとして 東芝は CEATEC JAPAN 2008 で従来品より 4 倍以上で急速充電できる Li イオン二次電池 (SCiB) を使用したノートパソコンを参考出品した 負極材料にチタン酸リチウムを使用している 充放電回数も 6000 回と従来の 500 回から大幅に増えている 37 尚 負極にチタン酸リチウムを用いて安全性 寿命 出力を高めた Li イオン二次電池は 米 EnerDel 社も 2,009 年 1 月から量産工場を稼動予定という 38 (2) 正極材料正極材料としては層構造内でリチウムイオンを可逆的に出し入れできるコバルト酸リチウムが主力であるが 過充電に弱く安全性の向上が大きなポイントである 層状構造の支えになっているリチウムイオンが負極に移動しすぎると コバルト酸リチウムの層状構造が丌安定になり発熱 酸素解離 ショートして発火に至ることもある コバルトが希尐金属で高価なことも問題である 表 3.2-2 正極候補材料の理論容量と出力電圧 36 正極候補材料の理論容量と出力電圧 正極候補材料 LiCoPO4 LiCoMn 1.5O 4 LiNi 0.5Mn 1.5O 4 Li[MnFe]PO 4 Li 1+xMn 2-XO 4 LiNiO 2 LiCoO 2 LIFePO 4 Poly(TTN) PAN 理論容量 (Ah/kg) 150 145 145 170 115 200 165 167 235 190 出力電圧 (Vvs.Li/Li +) 5.0 5.0 4.75 4.1 4.0 3.8 3.8 3.4 3.8 3.4 Poly(TTN): ポリテトラチオナフタレン PAN: ポリアニリン 37 http://plusd.itmedia.co.jp/mobile/articles/0810/01/news065.html 38 http://eco.nikkeibp.co.jp/article/news/20090514/101408/ 44
注目をあつめているのがオリビン型化合物で 環境負荷の尐ない材料としてリン酸鉄リチウム (LiFePO 4 ) が 300 でも酸素が解離せず安全性が高いため 自動車など大型電池用に注目されている しかしエネルギー密度が低い ( 特に高温下 ) という問題を抱えている また高い出力電圧 (4V 5V 級 ) を目指す開発の流れがある 高電圧を要求される自動車用など直列に電池を並べる場合に有利である Poly(TNN) 等の含硫黄導電性高分子には 200~300 Ah/kg で 3.0~4.0V を示す化合物もあり エネルギー密度の向上や分子設計の容易さで将来性ある材料である キノン 導電性高分子 ニトロキシド等の有機系材料にも実用化の可能性がある 最近の動きでは 産業技術総合研究所は田中化学研究所と共同で Li イオン 2 次電池用の Co フリー酸化物正極材料を開発した 放電電圧が 3.5~3.7V で既存の 4.0V に近づき 希尐金属の Co を含まず安価な Fe が全遷移金属量の 20% なので省資源化 / 低コスト化が期待できるとしている 39 (3) 電解質電解液として要求される特性 物性は 1 広い温度範囲 (-30~+80 ) で使用可能 2 高い伝導性 低い粘性でリチウムイオンが動きやすい 3 化学的に安定で燃え難く無害である 4 低価格 5 広い電位窓を持ち充放電時の電圧で変化しないなどである 通常カーボネート系の複数の有機溶媒が混合された溶媒に 六フッ化リンのリチウムイオン塩 (LiPF 6 )1.0~1.2M が電解質として溶けている 近年 第 4 級アンモニウム系及びイミダゾリウム系カチオンとイミドアニオン等からなるイオン液体の電解液も検討されている 丌揮発性で難燃性を持つため安全性が高いのが特徴である しかしコストが高く低温でのイオン電導度が低いといった欠点がある 39 http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090817/pr20090817.html 45
(4) リチウムイオン二次電池の課題 リチウムイオン二次電池の主な課題をまとめて 表 3.2-3 に示す 表 3.2-3 リチウムイオン二次電池の主な課題 負極材料正極材料液体電解質全般 Li や Li 合金が使えていない 充電に時間がかかる 多用されている LiCoO 2 の構造 ( 層状 ) 丌安定性とコスト高 開発中の LiMn 2O 4 の Mn 溶出 液漏れ対策に伴う小型軽量化の壁 電解質の分解や発火自己 充電電圧制御用電子回路のコスト高と要スペース化 リチウムイオンのデンドライト生長による短絡事敀など 充放電サイクル寿命( 回数 ) の限界 46
リチウムイオン二次電池のマイクロバッテリーの動向では セイコーインスツルメンツ (SII) が 自社生産の直径 4.8~5.8mm 厚さ 1.2~1.8mm のマイクロバッテリーを紹介 している 40 MS リチウムイオン二次電池 : 独自開発の高容量シリコン酸化物を負極 リチウム マンガン複合酸化物を正極に採用し 類似二次電池の 20 倍の高容量 充放電サイクルや過放電特性に優れた 3V タイプ 型式 MS412FE 公称電圧 (V) 3 充電 ( 標準 ) 電圧 (V) 2.8~3.3(3.1) 公称容量 (mah) 1.0 内部インピーダンス (Ω) 100 標準充放電電流 (ma) 0.010 最大放電電流 ( 連続 )(ma) 0.10 サイクル寿命 ( 回 )100% 充放電 100 サイクル寿命 ( 回 )20% 充放電 1000 寸法直径 (mm) 4.8 寸法厚さ (mm) 1.2 質量 (g) 0.07 TS リチウムイオン二次電池 : 正極にチタン酸化物 負極に自社開発のリチウム シリコン酸化物を使用し 大容量 広 い充電電圧 長いサイクル寿命 優れた長期信頼性を実現した 1.5V タイプ 型式 TS518FE 公称電圧 (V) 1.5 充電 ( 標準 ) 電圧 (V) 1.5~3.0 1.5(1.5-1.0) 公称容量 (mah) 2.5(1.8-1.0) 内部インピーダンス (Ω) 120 標準充放電電流 (ma) 0.015 サイクル寿命 ( 回 )100% 充放電 50 サイクル寿命 ( 回 )20% 充放電 1000 寸法直径 (mm) 5.8 寸法厚さ (mm) 1.8 質量 (g) 0.12 40 http://www.natureinterface.com/j/ni04/p066-069/ 47
3.3 リチウムイオンポリマー二次電池 溶液系の電解質を使用すると短絡防止のため 厚さ 20~50 μmのセパレータを入れる また 液漏れを防ぐシールが必要となる そこで新しい支持塩 ゲルポリマー材料 無機系 有機系固体電解質材料およびイオン性液体の開発が行われている ゲルポリマーは約 5~10 重量 % のポリマー支持体に電解液を含有 保持したもので ポリアルキレンオキシドやポリシロキサンの架橋体 ポリフッ化ビニリデン等の提案がある この系は高い電流密度下で負極表面に生成しやすいリチウムの針状結晶の樹状生長を ポリマー網が抑制する効果があるという 有機系材料をベースにした固体ポリマー電解質の研究も続けられており 常温でのイオン電導度も 10-4 S/cm のレベルまできている イオンの移動が可逆的かつスムーズとなるよう活物質電極との接合界面の制御もキーである リチウムイオンポリマー二次電池はリチウムイオン二次電池の一種であり 狭義のポリ マー電池は 電解質にポリマーを使用したものである 広義のポリマー電池には 電解質 以外にも負極 正極の活物質に導電性高分子などを用いたものも含まれる ポリマー固体電解質 (SPE) を用いたリチウムイオン電池 すなわち全固体リチウムイオンポリマー電池 (LIPB) は 液系リチウムイオン電池の進化系として期待され 90 年代に産業界 大学で盛んに研究がなされたが実用化に至らなかった 主な問題点は 1 SPE の電位窓が 3.6V 付近のため LiCoO2 の 4V 正極では使用できない 2 炭素系負極と SPE の相性が悪く特に丌可逆容量が大きい ということであった 電力中研の小林らは 耐酸化性に優れた無機系の固体電解質 (SIE) を正極材料と SPE との間に介在させた 無機 高分子コンポジット電解質 として Li3PO4 や Al2O3 とエーテル系ポリマーとの可能性を検討している 48
3.4 固体薄膜二次電池 岩手大学の馬場教授 ( 工学研究科フロンティア材料機能工学専攻 ) は 次世代電池として固体薄膜二次電池を発表している 基板上に電極物質 V 2 O 5 Li 3 PO 4 LiMnO 4 電極物質を順次スパッタリングで積層したもので 従来のバッテリーと比較して以下の特徴をあげている 1 全固体型 液漏れや爆発などの問題がない 2 安全性 耐熱性 非リチウム金属 高耐熱材料を使用 3 超薄型 軽量 基板を除いた厚さが全体で数μmポリマー電池 ( 厚さ数百μm )) と比べてもより薄型軽量 4 折り曲げ可能 極薄型基板や可撓性基板の使用 5 高再現性 高信頼性 スパッタ製造プロセス 6 分散型 超分散型電源 モバイル機器 マイクロデバイス ジオマテック社は 岩手大学との共同開発品である薄膜 ( 超薄型 全固体 ) 二次電池を紹介している 保持する基板が必要だが 薄膜二次電池そのもの厚さは数 μm 120 までの耐熱安定性を実現 10,000 回以上の充放電のサイクル安定性を実現している 全て固体なので液漏れや破裂の危険性がない プラスチックやフィルムなど可撓性基板を使えば曲げられる二次電池になる 用途としては 太陽電池との組合せでメンテナンスフリーバッテリー 埋め込み基板への組み込み電源 高温環境用電源 可撓性基板を用いたフレキシブルディスプレイ用電源などが挙げられている 41 岩手大学はまた 馬場教授 ( 工学研究科フロンティア材料機能工学専攻 ) の研究シーズデータとして 光充電薄膜二次電池を紹介している ガラス基板上の薄膜シリコン太陽電池の上に有効動作面積 2.8cm 2 の固体薄膜二次電池を積層した複合型高機能薄膜電池である ユニットセルを 2 枚直列に積層した 6V 級の高電圧薄膜二次電池も実現している 非接触 能動型 IC カード及び RF-IC タグ搭載用超薄型電池の製品化を目指している 42 アルバックとアルバックマテリアルは 厚さ 50μm の全固体薄膜リチウムイオン二次電池を一貫量産可能な成膜装置群を開発した 2008 年 12 月 3~5 日に 幕張メッセで開催された セミコン ジャパン 2008 では 同装置を用いて製造した韓国 Nuricell 社の試作品が展示された 薄膜であるため 曲げにも強い IC カードへの内蔵用途を中心に RFID タグとの一体化 エネルギ ハーベスティング技術や太陽光発電と組み合わせての利用を想定している さらに 薄膜堆積技術を用いて製造するため 半導体の製造プロセスと組み合わせやすく 電池を内蔵した MEMS デバイスを製造することも可能と謳っている 43 41 http://www.geomatec.co.jp/product/develop/battery.html 42 http://www.ccrd.iwate-u.ac.jp/liaison/theme/79.pdf 43 EE Times Japan, 2009/01/21 49
韓国 Nuricell 社が試作した薄膜 Li イオン電池内蔵の IC カードの電池の大きさは 20mm 20mm 50μm 容量は 0.5m~1mAh( 起電力 3.0~4.1V 出力電流 15mA) 動作温度は-20 ~120 1 万回以上の充放電が可能である 開発した電池は マイカ基材の上に電極活物質層と電極集電層 固体電解質層を積層し 全体を封止した構造を採る 固体電解質は LiPON 封止膜はポリ尿素から成っている 5 段階のスパッタ工程後に 2 段階の工程がさらに必要である スパッタ工程として (1) 基材上に厚さ 100nm の Pt( 白金 ) と同 60nm の Ti( チタン ) から成る正極集電層を形成する (2) 厚さ 2μm の LiCoO 2 ( コバルト酸リチウム ) 正極を形成する (3) 正極を結晶化させるため大気圧の Ar( アルゴン ) 雰囲気中で 500~600 のアニーリング (RTA:Rapid Thermal Annealing) を施す (4)Li 3 PO 4 ( リン酸リチウム ) を N 2 ( 窒素 ) 雰囲気中でスパッタリングすることで厚さ 1.0μm の LiPON( リン酸リチウムオキシナイトライド ) 固体電解質層を形成する (5)Ni( ニッケル ) または Cu( 銅 ) からなる厚さ 250n~300nm の負極集電層を形成する 次いで (6) Li 負極を蒸着し (7) 厚さ 2.5μm のポリ尿素封止膜を形成している 開発が難しかった部分は (2) の正極と (4) の固体電解質層 (7) の封止層の形成という LiCoO 2 正極は膜が厚いため 高速に成膜しないと単位時間当たりの製造枚数が尐なくなる 成膜速度は他社の 1.5μm/h に対し 5.4μm/h へと 3 倍以上高速化したという 固体電解質層では 電解質としての性能を損なわないようにするため 非晶質膜として形成しなければならないことに加え プラズマによる損傷を低くすることが必要だった 同電池は水蒸気によって务化するため 大気中で 3 年以上 水蒸気の透過を防ぐことが可能な封止膜を設けた 透過量は 0.1mg/m 2 / 日である 一方 スイス STMicroelectronics(ST) は 二次電池の開発メーカーである米 Front Edge Technology(FET) とライセンス契約を締結した この契約によって ST 社は FET 社の固体薄膜リチウムイオン二次電池技術 NanoEnergy のライセンスを取得した FET 社が開発した固体薄膜リチウムイオン二次電池は Oak Ridge National Laboratories が開発したセラミック電解質 LiPON を使用し 2 分間で 70% まで充電できるとしている 100% 放電で 1000 回以上のサイクル寿命を謳っている 44 米 Infinite Power Solutions(IPS) は 厚さ 0.17mm の薄膜リチウムポリマー電池 THINERGY MEC (micro-energy cell) の市販を開始した 45 使用温度範囲は -40ºC から +85ºC 自己放電が尐なく 低抵抗でハイパワーと謳っている Device Voltage Capacity Current Size(mm) MEC125 4.1V 0.11mAh 0.2mAh 7.5mA 12.7 x 12.7 x 0.17 MEC120 4.1V 0.2mAh 0.3mAh 0.4mAh 15mA 25.4 x 12.7 x 0.17 44 http://www.frontedgetechnology.com/gen.htm 45 http://www.infinitepowersolutions.com/product 50
パッケージの厚さが 0.17mm と薄くフレキシブルであるため 他社製品では設置が丌可能な場所 例えばプリント基板などの内部に埋め込んだり 上に積み重ねることが可能である 二次電池としての性能は 高いエネルギ密度のほか 電流が数百 na と尐ない場合でも充電が可能であること 充電状態に依存するものの 数秒から数分と短い時間で高速充電が可能であることが特長である 他社の二次電池に比べ より長いサイクル寿命を達成し 電荷のもれは年間 1% 未満と極めて低い 46 Infinite Power Solutions は ENERGY HARVESTING & STORAGE USA 2009 において エネルギーハーベストに最適で 1μW から 150mW の 10 年間貯蔵が可能と発表している また 米国 Cymbet 社は 2009 年 3 月 30 日 太陽電池などによるハーベスティングのための電源管理デバイス EnerChip EH モジュールを発表した 太陽電池と組み合わせて 室内のワイヤレスセンサーネットワークの電源として利用できるとしている EnerChip EH CBC5300 は 業界標準の 24-pin DIP パッケージで 同社の固体薄膜バッテリー EnerChip CBC050 を 2 個搭載する 多種のエネルギー ハーベスティング変換器から 0.25V~4V の動作電圧を受け入れ 3.6V 100μAh のエネルギーを供給する 47 Parameter Condition Min Typical Max Units Parasitic Load Current Boost Converter Off - 800 - na VOUT, 2μA Load Battery Charged 3.5 3.55 3.6 V VIN Operating 0.25-4 V VBAT Charging Voltage 25 C - 4.06 - V Self-Discharge (non-recoverable average) 25 C - 2.5 - % per year Operating Temperature - 0 25 70 C Recharge Cycles (to 80% of rated capacity; 4.1V charge voltage) 25 C 40 C 10% depth-of-discharge 5000 - - - 50% depth-of discharge 1000 - - - 10% depth-of-discharge 2500 - - - 50% depth-of discharge 500 - - - Recharge Time (to 80% of rated capacity) From 50% state-of-charge - 10 - minutes From deep discharge - 50 - minutes Capacity 16 μa discharge; 25 C - 100 - μah 46 EE Times Japan, 2009/07/01 47 http://dkc1.digikey.com/jp/ja/ph/cymbet/cbc5300.html 51
3.5 電気二重層キャパシタ 電気二重層キャパシタは外部から電圧が加わると 電解質中の陽イオンと陰イオンが正負二つの電極の表面で分子一層分の厚みの狭い領域で電気二重層を形成して電荷が蓄積される 蓄積可能な電荷量は外部からの電流量と電解質中のイオン量 イオンを吸着することで電荷を蓄える電極の表面積で決まる 表面積を大きくするため賦活処理された活性炭を電極とするのが一般的である 電気二重層キャパシタの特徴は 1 内部抵抗が低く大電流を短時間で充放電できる 2 充放電は物理変化なので务化が尐なく製品寿命が長い 3 化学反応ではないので充放電の電圧は一定ではなく 0 V から 2 ないし 2.5V の範囲で直線的に変化する ことである 電気二重層キャパシタ (EDLC) は 従来のバックアップ用電源としての用途から脱却し 来るべきユビキタス社会の実現に向けて各種モジュールへエネルギーを供給する蓄電デバイスとしての活躍が期待されている しかしながら現状の EDLC はまだエネルギー密度に改善の余地が残されている 活性炭など使って電極表面積を大きくしているので既往のキャパシタよりも 2 桁以上も大きいが ニッケル水素電池と比較すると十分の一程度である これに対しイオン液体は有力な電解質材料として検討の対象になっている イオン濃度が極めて高いのでエネルギー密度の向上が期待でき 難燃性 低揮発性といったイオン液体特有の性質も有利である しかしイオンのみから構成されるため互いの静電的相互作用による高い粘度が欠点とされ 低粘度化が課題である 種々の分子構造のイオン液体が検討されているが 関西大学の石川らはイオン伝導性の高い 1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート (EMI-BF4) を対象に報告している 48 富士電機や NTT は 高機能の新炭素材料 グラフェン の実用化研究を加速している グラフェンは炭素原子がシート状になった材料で現在の半導体に使うシリコンより 100 倍超も電子を流しやすく 安定性や強度にも優れる キャパシタや電池の炭素材料への使用も可能性ある 49 米国テキサス大学オースチン校の研究グループは グラフェンの表面積に注目して電気二重層キャパシタの容量倍増を目指している Ruoff 教授は グラフェンの表面積は 2,630m 2 /g 約 1g でサッカー場一つ分に相当する面積であり 驚異的なレベルで電荷を蓄えられる可能性がある と言う 通常の活性炭の表面積 500~1500m 2 /g に勝るとも务らないレベルである 50 48 自然エネルギー発電システム研究報告書 2, p.53-61(2008) 49 日本経済新聞 2009/09/07 50 Motor Vehicle, Vol.59, No.1, p 60-61(2009) 52
村田製作所は CEATEC Japan 2009 において 開発中のフィルム型電気 2 重層キャ パシタを展示した 18mm 20mm 厚さ 1.2~2.0mm のサイズながら 業界最高レベルの パワー密度 エネルギー密度を実現したとする 最大の特徴は低い ESR 値でより大きな 電流が流せることで LED フラッシュ向けなどに好適であり 主にモバイル機器など小型 電子機器のピークアシスト 急速充電 負荷変動補償の用途を目指す シングルセル ダブルセル 18mm 20mm 厚さ (mm) 1.2 2.0~ 初期容量値 (mf) 850~1000 200~500 ESR( 等価直列抵抗 )(mω) 50 100 定格電圧 (V) 2.0~2.75 4.0~5.5 動作温度範囲 ( ) -20~70-20~70 また 日清紡は自社で開発したイオン液体を使用した電気二重層キャパシタ (EDLC) を市販している 開発したイオン液体は 脂肪族 4 級アンモニウム塩 51 その他 容量を大きくするため キャパシタハイブリッド型二次電池や金属電極キャパシタの技術がある キャパシタハイブリッド型二次電池の代表例は リチウムイオンキャパシタである リチウムイオンキャパシタは電気二重層キャパシタの正極と 炭素系材料にリチウムイオンをプレドープしたリチウムイオン二次電池の負極を組み合わせた構造を持つ そのため負極は従来の電気二重層キャパシタに比べ数十倍程の静電容量を持ち 電圧も 2.5~3V ないし 4V 近くまで上昇可能となり セルのエネルギー密度は飛躍的に上昇する さらに 出力密度 寿命 メンテナンスも電気二重層キャパシタと同等 自己放電が小さい リチウムイオン二次電池と比べ熱暴走を起し難く安全性が高い 下限電圧に制限がある 過放電でセル务化するため電圧監視の制御回路が必要 電気二重層キャパシタと比べ高温特性に優れる 等の特徴がある マイクロバッテリーへの応用が期待される 51 http://www.nisshinbo.co.jp/r_d/ion/index.html 53
3.6 特許出願動向 (1) 国内出願動向 2,000 年以降公開の特許で 名称 要約 請求項に マイクロバッテリー を含む特許 件数は 21 件 マイクロキャパシタ を含む特許件数は 22 件と尐ない 以下に 主な特許について 表 3.6-1 および表 3.6-2 に示す 1 公開番号出願人 特表 2009-544141 シンベット コーポレイション 表 3.6-1 マイクロバッテリー関連の主な特許 名称 フォトリソグラフィーによるソリッドステートマイクロ電池の製造 概要 フォトリソグラフィー処理によって 部分的にパターン化する 2 特表 2008-525954 コミッサリアタレネルジーアトミーク ナノ構造のマイクロ電池向けの電極 リチウムマイクロ電池の新規アノードの構成に関する ナノチューブ又はナノスレッドを用いて異なる要素間に残るスペースの放電に伴う膨張を補償 3 特表 2008-508671 コミッサリアタレネルジーアトミーク リチウム化電極製造方法 本方法により得られるリチウム化電極 交互の非リチウム化電極材料層およびリチウム層からなり 非リチウム化電極材料層で始まり終わっている積層体を形成させるための沈着 ; ならびに形成された多層の熱アニール化を含む方法 4 特表 2007-514277 コミッサリアタレネルジーアトミーク リチウム マイクロ電池の製造方法 集電体と正極とが設けられた基板上に リチウム化された化合物を含む電解質が 電解質性薄膜と リチウムに対して化学的に丌活性な保護薄膜と マスキング薄膜とを 順次堆積させることによって形成する 公開番号出願人 表 3.6-2 マイクロキャパシタ関連の主な特許 名称 概要 1 特開 2008-78632 国立台湾科技大学 ハイブリッド電極およびその製造方法 高容量および高出力特性を備えるハイブリッド電極およびその製造方法を提供する 水和酸化ルテニウムを含む 2 特開 2005-175087 TDK マイクロコンデンサ及びその製造方法並びにマイクロコンデンサを備える回路基板 非常に小型で且つ特性のばらつきが尐ないマイクロコンデンサを提供する 回路基板上に載置された誘電体粒子と誘電体粒子の対向する両側面にそれぞれ電極とを備える 54
また リチウムイオン二次電池 電気二重層キャパシタの特許で エネルギーハーベス トに関連するものを抽出し 表 3.6-3 表 3.6-4 に示した 日本ではまだエネルギーハーベストが一般的でなく それに関連したバッテリーやキャ パシタの開発も特に意識してなされておらず 小型 薄型化 軽量化の延長線上で考えら れているようである 尚 電気二重層キャパシタ関連のほうがリチウムイオン二次電池関連よりも件数が多く 自然エネルギー関連では優勢の傾向がみられる 表 3.6-3 エネルギーハーベストに関連するリチウムイオン二次電池の主な特許 公開番号出願人 名称 概要 1 特開 2007-259509 日立マクセル 電源システムおよびそれを備えたセンサシステム 自然エネルギーを利用して二次電池を充電する電源システムで 二次電池の充電制御を最適化することで务化を防止 長期にわたり安定した電源供給を可能とする 2 特開 2007-124780 日立産機システム 蓄電システム及び風力発電所 火力発電所など主系統の調整能力が丌足した場合 風力発電装置の出力変動を調整して損失を抑制し 自然エネルギーから得る電力を最大限利用する 表 3.6-4 エネルギーハーベストに関連する電気二重層キャパシタの主な特許 公開番号出願人 名称 課題 解決手段 1 特開 2009-247108 古河電池 蓄電装置及びその充放電制御方法 課題 自然エネルギーを無駄なく有効利用すると共に優れた種々の電気的特性の蓄電装置を提供する 解決手段 複数の蓄電器群を管理制御する 2 特開 2008-131736 安川電機 分散型電源システムと昇降圧チョッパ装置 課題 単独 系統連携どちらの運転でも自然エネルギー発電装置の丌安定電力を平滑化する分散型電源システムと昇降圧チョッパ装置を提供する 3 特開 2006-333563 明電舎 複数種類の分散型電源による負荷追従運転制御方法 課題 負荷や分散型電源の変動を周波数帯域で分離して追従運転を可能とし 急峻な負荷変動や追従できない電力変動を補償可能とする 4 特開 2006-302175 エクセル 自動販売機の電源供給装置および同電源供給方法 課題 自然エネルギーを有効利用 解決手段 ソーラー発電の余剰電力は電気 2 重層コンデンサまたはバッテリーに蓄電する 5 特開 2006-288039 新日軽 屋外照明装置 課題 太陽電池と電気二重層コンデンサを用い 商用電源で丌足を補う屋外照明装置を提供する 6 特開 2005-295621 松下電器産業 独立電源装置 解決手段 蓄電池の電圧により太陽電池および風車からの充電方法を変更する 55
7 特開 2004-312798 東芝 分散エネルギーシステムおよびその制御方法 課題 種々の発電機器 蓄電機器 蓄熱機器などを統合制御し最適なエネルギー運用を行う 8 特開 2002-325368 明電舎 バッテリ充電装置 解決手段 昇圧チョッパ回路で電気二重層コンデンサに高圧充電し 降圧チョッパ回路でバッテリーに大電流で短時間充電する 9 特開 2002-291176 日本システムプロダクツ 2 次電池実装集積回路 課題 太陽光や熱等の自然エネルギーでの自己充電や 電波照尃による人為充電できる 2 次電池をチップ化してプリント配線板に装着する 10 特開 2002-78205 エヌ ティ ティ ファシリティーズ 自然エネルギー発電装置用電力平準化装置 解決手段 電気二重層コンデンサと蓄電池等で 自然エネルギーの発電出力の変動に拘わらず所定電力を供給可能とした 11 特開 2001-145396 明電舎 複合発電システム 解決手段 風力と太陽光の発電装置からの直流電力を時分割で出力し 交互に選択できるようにした < 調査方法 > ( 国内特許公報 ) 公報種別: 日本公開 公表 再公表特許公報 期間( 公報発行日 ):2000 年 1 月 1 日 ~2009 年 12 月 3 日 検索式と件数 1 FW( 発明の名称 要約 請求項 )=( マイクロバッテリー + マイクロ電池 + 微小バッテリー + 微小電池 + ミクロバッテリー + ミクロ電池 ) 件数 21 件 2 FW( 発明の名称 要約 請求項 )=( マイクロコンデンサ + マイクロキャパシタ + 微小コンデンサ + 微小キャパシタ+ミクロコンデンサ + ミクロキャパシタ ) 件数 22 件 3 FW( 発明の名称 要約 請求項 )=( リチウムイオン電池 + リチウムイオン二次電池 + リチウム二次電池 + リチウムイオン 2 次電池 + リチウム 2 次電池 )*FW( 発明の名称 要約 請求項 )=( 自然エネルギー + 自然発電 + 環境発電 + 環境エネルギー + 希薄エネルギー + 分散エネルギー + ハーベスト+ハーベスティング ) 件数 2 件 4 FW( 発明の名称 要約 請求項 )=( 電気二重層コンデンサ + 電気二重層キャパシタ + 電気 2 重層コンデンサ + 電気 2 重層キャパシタ + スーパーキャパシタ + スーパーコンデンサ + ウルトラキャパシタ + ウルトラコンデンサ )*FW( 発明の名称 要約 請求項 )= ( 自然エネルギー + 自然発電 + 環境発電 + 環境エネルギー + 希薄エネルギー + 分散エネルギー + ハーベスト+ハーベスティング ) 件数 13 件 56
(2) 海外出願動向 欧米のエネルギーハーベストに関連するバッテリー キャパシタに関する特許出願は 日本に比べて桁違いに多い 表 3.6-4 エネルギーハーベストに関連するバッテリー特許の件数推移 2,000 2,001 2,002 2,003 2,004 2,005 2,006 2,007 2,008 2,009 US 公開 - 43 297 519 572 530 496 483 479 513 EP 公開 140 157 159 172 157 187 231 202 220 189 WO 公開 157 221 210 223 218 251 245 265 341 269 表 3.6-5 エネルギーハーベストに関連するキャパシタ特許の件数推移 2,000 2,001 2,002 2,003 2,004 2,005 2,006 2,007 2,008 2,009 US 公開 - 1 10 8 16 20 14 17 26 41 EP 公開 1 1 1 3 3 4 9 11 8 6 WO 公開 1 1 5 4 7 6 10 14 15 16 < 調査方法 > ( 海外特許公報 ) 公報種別及び期間:US 公開 2000 年 1 月 1 日 ~2009 年 12 月 3 日 EP 公開 2000 年 1 月 1 日 ~2009 年 12 月 2 日 WO 公開 2005 年 1 月 1 日 ~2009 年 11 月 26 日 検索式 (1)FW(Title, Abstract, Claims)=(batter* + cell*)*harvest* (2)FW(Title, Abstract, Claims)=(capacitor* + condenser*)*harvest* 57
3.7 研究機関 研究者 発表論文を中心に マイクロバッテリーに関連する研究者を抽出し 表 3.7-1 に研究機 関 研究者リストとして纏めた エネルギーハーベストを意識したマイクロバッテリーに関連する研究は尐ない 以下 個別に 主な研究例を挙げる <リチウムイオン二次電池 > 東大 宮山教授は 電極活物質の開発研究を行っている テトラブチルアンモニウム等の嵩高いイオンのインターカレーションに起因する層間剥離によるナノシート合成 それを応用したリチウムイオン二次電池電極の高速充放電特性の研究等である 山形大 立花准教授は 有機電解液中における丌働体化やブレークダウン電圧の低下を検討し 電解液の分解抑止 接触抵抗の低減などへの応用を考えている <リチウムポリマー電池 > 電解液を使用したリチウムイオン二次電池の課題である液漏れや安全性を改善する一つの手段がポリマー化である 電力中研 小林主任研究員は 4V 以上の高電圧正極と高分子固体電解質 (SPE) と炭素負極の最適組合せの研究開発を行っている 正極材料と SPE の間に種々の方法で無機固体電解質を介在させたコンポジットとし 耐酸化性を確認している < 固体薄膜二次電池 > リチウムイオン二次電池をエネルギーハーベストに適用するとすれば 究極の目標がこの形になると思われる 小型 薄型化してデバイスの中に組み込んだり 基板上に印刷等で製膜して作製が可能になるからである 国内での研究も比較的多い 岩手大 馬場教授のスパッタ法による製膜に関する報告が多く発表されている < 電気二重層キャパシタ> 電気二重層キャパシタは内部抵抗が小さく充放電のサイクル寿命も長いので 微弱なエネルギーを対象とするエネルギーハーベストには好適と考えられる しかしエネルギー密度がリチウムイオン二次電池より小さいので その改善のための電極物質の検討が精力的に行われている 電極に使用する炭素材料としてカーボンナノチューブやその複合材の報告が 信州大 遠藤教授や九大 辻教授からなされている また 総合研究大学院大学 西教授らから 銀アセチリドを前駆体とする多孔質ナノカーボン材料の報告がなされている 58
表 3.7-1 マイクロバッテリーの研究機関 研究者リスト マイクロバッテリー 研究機関 所属 ( 学部 学科 ) 役職 研究者名 テーマ 研究室 URL 研究室 TEL FAX E-Mail リチウムイオン二次電池 東大先端科学技術研究センター 化学認識機能材料分野 / 宮山研究室 教授 宮山勝 層状結晶ナノシートによる超 薄膜電池 キャパシタの開発 http://www.crm.rcast.u-tokyo. ac.jp/ Tel:03-5452-5037 FAX:03-5452-5083 miyayama@rcast.u-to kyo.ac.jp リチウムイオン二次電池 山口大 工学部 / 応用化学工学科 / 精密応用化学講座 / 電子化学研究室 教授 森田昌行 エネルギー貯蔵技術二次電 池 http://web.cc.yamaguchi-u.ac.j p/~morita/ リチウムイオン二次電池 山形大大学院 理工学研究科 准教授 立花和宏 バルブメタルの陽極酸化時の絶縁破壊とその応用非水カソード材料とアルミニウム不働態皮膜のブレークダウン電圧 http://yudb.kj.yamagata-u.ac.j p/outside?istactid=schko C0020RIni001&ISTKidoKbn=&I STFormSetKbn=&ISTGamenId =&ISTFormNm=&userId=725&l ang_kbn=0&keyword1=&keywor d2=&keyword3= リチウムイオン二次電池 産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 / 蓄電デバイス研究グループ グループ長 辰巳国武 リチウムイオン電池の車載用途に向けた課題と材料技術からのアプローチ リチウムポリマー電池 財団法人電力中央研究所 材料科学研究所エネルギー変換 貯蔵材料領域 主任研究員 小林陽 全固体リチウムイオンポリマー電池の研究開発 http://criepi.denken.or.jp/jp/m aterials/index.html 59
リチウムポリマー電池 東京工大大学院 理工学研究科 特任准教授 黒木重樹 次世代全固体型リチウムポリマー電池 充放電特性の解析 http://www.op.titech.ac.jp/ind ex.html skuroki@polymer.titec h.ac.jp 固体薄膜二次電池 東大大学院 理学系研究科 教授 中村栄一 有機フラーレンの合成と機能 http://www.chem.s.u-tokyo.ac. jp/users/erato/index.html nakamura@chem.s.utokyo.ac.jp 固体薄膜二次電池 東大大学院 理学系研究科 / 光電 変換化学講座 特任教授 松尾豊 有機フラーレンの合成と機能 http://www.chem.s.u-tokyo.ac. jp/users/erato/index.html matsuo@chem.s.u-to kyo.ac.jp 固体薄膜二次電池 岩手大大学院 工学研究科 / フロンティア材料機能工学 教授 馬場守 固体薄膜二次電池と高機能化 http://dragon.elc.iwate-u.ac.jp /babanisi/batheme.html 固体薄膜二次電池 静岡大 工学部 / 物質工学科 / 化学システム工学 コース / 入山研究室 准教授 入山恭寿 リチウム二次電池の高出入力 化へ向けた界面制御全固体 薄膜電池の開発 http://cheme.eng.shizuoka.ac.j p/~iriyamalab/index.html 固体薄膜二次電池 東北大多元物質科学研究所 教授 河村純一 全固体電池材料の薄膜化とそ の電気的特性 http://www.tagen.tohoku.ac.jp /labo/kawamura/index_j.html kawajun@tagen.tohok u.ac.jp 固体薄膜二次電池 長崎大 工学部 / 応用化学科 / 応用物理化学研究 室 准教授 山田博俊 化学気相法によるリチウムイ オン伝導性超薄膜の作製 TEL/FAX: 095-819-2861 h-yama@nagasaki-u.a c.jp 電気二重層キャパシタ 大分大 工学部 / 応用化学科 / 機能物質化学 教授 豊田昌宏 電気化学処理手法による炭素 材料の微小化と機能材料への 応用 http://www.appc.oita-u.ac.jp/i norgchem/toyoda/top.html Tel/Fax: 097-554-7904 toyoda22@cc.oita-u.a c.jp 60