薄膜全固体シリコン二次電池の実用化

 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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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。
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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 )
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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
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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-
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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
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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
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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)
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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
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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
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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。
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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
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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)
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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
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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)
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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: info@firac.com
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: info@firac.com
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薄膜全固体 シリコン二次電池
info@firac.com
E-mail
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