東日本大震災の被災者の方々に謹ん でお見舞い申し上げますと共に、一日も 早い被災地の復興をお祈り致します。 この『シリコン電池』の開発により、 全地球に希望の光をお届け出来る よう、実用化に努力を致します。 ファイラックインターナショナル株式会社 1 薄膜全固体 シリコン二次電池 薄膜全固体シリコン 二次電池の実用化 発表者 ファイラックインターナショナル株式会社 代表取締役社長 市村 昭二 2 薄膜全固体 シリコン二次電池 Display IT 3 薄膜全固体 シリコン二次電池 特許取得経過 【特許番号】 特許第 4685192号 【出 願 日 】 2010年7月27日 【認 証 日 】 2011年2月18日 【公報発行日】 2011年5月18日 【国際特許出願】 中国（大陸、台湾） 韓国 米国 EU 4 薄膜全固体 シリコン二次電池 環境に優しく、かつ安全で、資源的に 安定供給できる素材『シリコン』を用い た大容量型電池・蓄電池の開発 地球環境保全 現行『リチウムイオン二次電池』の 課題をクリアする 5 薄膜全固体 シリコン二次電池 金金 Ⅰ Ⅱ 半金属 半導体 半導体 属属 Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 非金属 非金属 Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ｈ Ｌｉ Li 0 Ｈｅ Ｂｅ Ｂ Ｎａ Ｍｇ Na Ｃ Mn Ｍｎ Ｋ Ｃａ Ｓｃ Ｔｉ Ｖ Ｒｂ Ｓｒ Ｙ Ｚｒ Ｎｂ Ｍｏ Ｃｓ Ｂａ Ｌａ Ｈｆ Ｔａ Ｆｒ Ｒａ Ａｃ Ｌａ ＝ Ｌａ Ｃｅ Ａｃ ＝ Ａｃ Ｔｈ C Ｃ Si Ｓｉ Ｎ N Ｏ Ｆ Ｎｅ Ｐ Ｓｅ Ｃｌ Ａｒ Ｆｅ Ｃｏ Ｎｉ Ｃｕ Ｚｎ Ｇａ Ｇｅ Ａｓ Ｓｅ Ｂｒ Ｋｒ Ｔｃ Ｒｕ Ｒｈ Ｐｄ Ａｇ Ｃｄ Ｉｎ Ｓｎ Ｓｂ Ｔｅ Ｉ Ｘｅ Ｗ Ｒｅ Ｏｓ Ｉｒ Ｐｔ Ａｕ Ｈｇ Ｔｉ Ｐｂ Ｂｉ Ｐｏ Ａｔ Ｒｎ Ｐｒ Ｎｄ Ｐｍ Ｓｍ Ｅｕ Ｇｄ Ｔｂ Ｄｙ Ｈｏ Ｅｒ Ｔｍ Ｙｂ Ｌｕ Ｐａ Ｕ Ｎｐ Ａｍ Ｃｍ Ｂｋ Ｃｆ Ｅｓ Ｆｍ Ｍｄ Ｎｏ （Ｌｒ） Ｐｕ 6 薄膜全固体 シリコン二次電池 直径20㎜ 厚さ400μｍ 全固体薄膜 試作単電池の構造 電極 正極 負極 (SiC) (Si3N4) 固体電解質 集電層 基盤 （アルミ箔） 150µm 150µm 100µm 上部 2µm 下部 2µm 2µm 7 薄膜全固体 シリコン二次電池 8 薄膜全固体 シリコン二次電池 性 電気容量 厚さ400µm 能 エネルギー密度 単位Ah/kg 単位 WH/L 理論値 1,900 5,000 実験値 1,300 3,300 試作 シリコン二次電池 9 薄膜全固体 シリコン二次電池 (pSiC | P/A 電解質膜 | n Si3N4 ) セル電圧 (V) 2.7 実線：1,000サイクル 放電充・放電特性 破線：4,000サイクル 2.3 充電 実験では 2.5-2.8V に設定した。 1.9 最も安定した範囲 1.5 0.0 0.2 電解質膜組成 = 0.4 0.6 0.8 1.0 A/Ｐ [P:イオン交換樹脂/A:共重合ポリマー] 10 薄膜全固体 シリコン二次電池 20℃ 電圧(V) 4.0 0℃ 3.0 -10℃ 2.0 1.0 0 500 1000 1500 2000 容量 (mAh／g) 11 薄膜全固体 シリコン二次電池 長寿命シリコン二次電池 5 初 回 充電 4 電 位 3 （ Ｖ 1 万 回 ） 2 放電 1 0 1000 2000 3000 容量（ｍＡｈ/ｇ） 12 薄膜全固体 シリコン二次電池 2.2 端 子 電 圧 （ Ｖ ／ セ ル ） 温度 25℃ 2.1 2.0 1.9 1.8 0.1C 1.7 0.24Ｃ 0.24Ｃ 1.6 ３Ｃ 1.5 1.4 10 100 2Ｃ 0.65Ｃ 1Ｃ 1000 10000 放電持続時間 13 薄膜全固体 シリコン二次電池 シリコン二次電池 充 電 急速充電 充/放電圧 電気容量 1時間 6分 2.0V / 4.6V 1,330Ah/kg （参考） リチウムイオン二次電池 10時間以上 40分 2.9V / 3.7V 500Ah/kg サイクル 寿命 10,000回以上 （約５年間相当） 安全性 原料コスト 熱的に安定で、発火の恐れは無い。 充電過程において発火の恐れがある。 安価 高価 軽量化 資源供給 環境 自己放電 (1万回で5％ダウン) 500回以上 高電気容量により、電池重量が軽量になる。 低電気容量のため、電池重量が重くなる。 地球に広く分布しているため、 供給が安定している。 地域的に偏在しているため、 供給が不安定となる。 環境汚染の恐れがない。 廃棄したときに環境汚染の恐れがある。 自己放電は殆ど見られない 月間約５％の自己放電 14 薄膜全固体 シリコン二次電池 電気容量が大きい為、ＥＶ車の連続走行距離が延 び、充電時間も短縮され、ガソリン車並みとなる。 発熱・発火の恐れが無い為、安全である。 資源的に偏在していない為、安定供給が担保される。 家庭の電化、非常用電源として優れている。 シリコンは環境汚染の恐れが無い。 シリコン太陽電池による充電が容易である。 15 薄膜全固体 シリコン二次電池 2,000 1,500 シリコン二次電池 １次電池 電 気 容 量 理論値 1,900 5,000 ２次電池 (Ah/kg) 200 リチウムイオン 150 アルカリマンガン 100 を 目 指 す ！ マンガン 50 0 目 標 値 ニッケル水素 ニッケルカドミウム 0 100 200 300 400 500 4,000 2 体積エネルギー密度(Wh/cm 5,000 ) 16 薄膜全固体 シリコン二次電池 PN半導体 シリコン二次電池 格子 結 P 正 晶 極 格 結 超 格 子 超 格 子 子 格 子 e- 炭化シリコン SiC 晶 N 負 極 窒化シリコン Si3N4 界 面 界 面 固体電解質 無機イオン交換樹脂と アルホン酸基 カルボキシル基 17 薄膜全固体 シリコン二次電池 正極はSiC化合物 充電時反応式： 2SiC SiC2 ＋ Si＋ ＋e– 放電時反応式： SiC2 ＋ Si＋ ＋ e- 負極はSi3N4化合物 充電時反応式： 3 Si3N4＋ e放電時反応式： 4 Si2N3 ＋ Si－ 2 SiC 4 Si2N3 ＋ Si3Si3N4 ＋ e- 18 薄膜全固体 シリコン二次電池 充電 充電 2SiC＋ 3Si3N４ SiC2 ＋ 4Si2N3 ＋ Si＋＋Si 放電 19 薄膜全固体 シリコン二次電池 窒化シリコン 炭化シリコン 20 薄膜全固体 シリコン二次電池 21 薄膜全固体 シリコン二次電池 【特許出願番号】 特願 2010-285293 【申 請 日 】 2010年12月12日 (早期審査申請中) 22 薄膜全固体 シリコン二次電池 (1） 大容量蓄電池としての活用 太陽光発電、 風力発電 (2) 非常用電源として期待 病院、オフィス、公共施設 （3）窒素収集・アンモニア生成 窒素肥料の原料供給 23 薄膜全固体 シリコン二次電池 正極はSi2C化合物 充電時反応式： Si2C → SiC ＋ Si＋ ＋ e放電時反応式： SiC ＋ Si＋ ＋e– → Si2C 負極はSi2N3化合物 充電時反応式： Si2N3＋ 2 Si ＋＋N2 ＋ １/４O2 ＋ 2e- → 1/2 Si2N2O ＋ Si3N4 放電時反応式： 1/2 Si2N2O ＋ Si3N4 → Si2N3＋ 2 Si ＋＋N2 ＋ １/４O2 ＋ 2e24 薄膜全固体 シリコン二次電池 Si2C＋Si2N3 ＋ Si ＋ ＋ N2 ＋1/4O2 ＋ 2e充電 SiC＋ 1/2 Si2N2O ＋ Si3N4 放電 25 薄膜全固体 シリコン二次電池 窒化酸化ケイ素によるもの と考えられるピーク状況 蛍 光 分 光 強 度 381 382 383 26 薄膜全固体 シリコン二次電池 27 PN半導体 シリコン二次電池 格子 P 正 極 N 超 格 子 超 格 子 N 負 極 １/２Si2N2O e- Si2C Si2N3 界面 界面 固体電解質 無機イオン交換樹脂と アルホン酸基 カルボキシル基 28 薄膜全固体 シリコン二次電池 空気 N O O 充 電 N N N N N N 電子 顕微鏡 画像 N 窒素放出 電極 酸素 O N N N 窒素 窒素 放 電 N 窒素固定 窒素 窒素 窒素 窒素 電極 シリコン太陽発電と容易に直結できる為、大容量蓄電池として期待される。 29 薄膜全固体 シリコン二次電池 窒素固定 N回収 充電 放電（配電） 二次電池 系 充放電 空気 ポンプ O2 分 離 膜 N2回収 触媒 NH3 生成 NH3 回収 NH3の生成は常温・常圧で可能 30 薄膜全固体 シリコン二次電池 【定置用】 窒素固定 家庭用電源 + Si2C シリコン二次電池 グラフェン 炭化シリコン 【移動用】 ＥＶ・携帯電話等 + SiC 電解質（ゼオライト） Si2Ｎ3 - 窒化シリコン グラフェン Si3Ｎ4 - 基盤（アルミ箔） 31 薄膜全固体 シリコン二次電池 次 世 代 電 車 電 気 バ ス 自 動電 車気 航 空 機 電 住池 宅付 フォークリフト 無人搬送車 水 力 発 電 風力発電 クレーン 携帯・パソコン 32 薄膜全固体 シリコン二次電池 豊橋技術科学大学 産業技術総合研究所 静岡理工科大学 ふぁファイラックインターナショナル（株）いらっく ファイラックインターナショナル（株） 33 薄膜全固体 シリコン二次電池 ファイラックインターナショナル株式会社 〒437-1203 静岡県磐田市福田455-1 Tel: 0538(55) 4258 Fax: 0538(58) 2823 E-mail: [email protected] スリーエス株式会社 〒437-1203 静岡県磐田市福田455-7 Tel: 0538(58) 2801 Fax: 0538(58) 2823 E-mail: [email protected] 34 薄膜全固体 シリコン二次電池 [email protected] E-mail 35
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