JP2013247101A - ハイブリッドバッテリ - Google Patents

Abstract

【課題】総合性能に優れたバッテリを低コストで提供する。
【解決手段】配線１９０，１８０に各々接続された正極板になる二酸化鉛板１１と負極板になる鉛板１２を交互に並べた状態で電解液１００に浸漬してなるバッテリにおいて、隣り合う正極板と負極板が対をなしその間に誘電体又は電解質を挟装してなるユニットでキャパシタセル１０を構成し、複数の前記キャパシタセル１０が正極板と負極板が向かい合って並ぶ配置とされており、この向かい合う正極板と負極板は中間の電解液１００とともに各々電池セル５０を構成している、ことを特徴とするハイブリッドバッテリ１とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリとキャパシタを融合させてなるハイブリッドバッテリに関する。

近年、米国において乗用車の平均燃費（ｋｍ／ｌ）を将来的に２倍にする燃費規制が発表され、ＥＵにおいても２０１５年までにＣＯ^２排出量を１２０ｇ／ｋｍ以下に抑える規制案が発表されて、日本でも２０１５年までに乗用車の燃費を２００４年実績に対し２３．５％改善することが求められており、世界的に自動車のＣＯ^２排出規制・燃費規制が強化される傾向にある。そのため、日本の自動車産業界では斯かる燃費改善・ＣＯ^２排出量抑制に対応した環境対策車の開発が急務となっている。

このような環境対策車として、ＨＶ（ハイブリッド車）・ＥＶ（電気自動車）が周知であるが、その蓄電デバイスとしては、鉛蓄電池よりもエネルギー密度・出力密度の高いニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池が採用されている。しかし、ニッケル水素電池はリチウムイオン二次電池と比べて電池容量が劣り、リチウムイオン二次電池はニッケル水素電池と比べて安全性の面で劣るとされ、また両者とも充電に長時間を要するなど、現状においては一長一短がある。さらに、斯かる蓄電デバイスは材料原価が高いことに加え、安全性対策を講じる必要があるため鉛蓄電池と比べて高コストであり、車両価格の低廉化を困難にしている。

そのため、生産車両の殆どをＨＶやＥＶにすることは非現実的であり、既存のガソリンエンジン車において種々の燃費改善技術を検討しているのが現状である。例えば、信号待ちの間はエンジンを停止させるアイドリングストップ技術が近年普及しつつあり、ＨＶに近い燃費性能を実現しているものもある。この場合、蓄電デバイスは鉛蓄電池であるが、アイドリング停止中であっても車載電子機器やエアコンが作動していることに加え、エンジン停止の度にクランキングによる急速放電を繰り返すため、短期間で容量低下を来して過放電状態となりやすく、またブレーキ制動時の回生電力の充電性能も不充分であることから、その急速充放電性能と耐久性の向上が大きな課題となっている。

斯かる鉛蓄電池は、開発されてから１００年以上が経過した古い技術ではあるが、安価で信頼性が高いことから現在でも車両用として主流の地位にある。しかし、鉛蓄電池の理論エネルギー密度は１６７Ｗｈ／ｋｇとリチウムイオン二次電池の１５０Ｗｈ／ｋｇよりも大きいにもかかわらず、車両の動力用としては主流になり得なかった。また、鉛蓄電池は太陽光発電や風力発電の分野でもその蓄電デバイスとして汎用されているが、この自然エネルギーを利用した発電においても、時々刻々変動する日照量や風量の状態によりその出力レベルが安定しないことから、その変動分を充分に吸収しうる急速充放電性能が求められるとともに、長期間の使用に耐える耐久性も求められている。

したがって、低廉で安全性・信頼性に優れた鉛蓄電池において、急速充放電性能と耐久性を大きく向上させることができれば、車両に使用するニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池の少なくとも一部を代用可能となって、コスト面で極めて有利なものとなり、また、アイドリングストップ技術や自然エネルギー発電における要請にも充分に応えられるようになる。

そこで、特表２００７−５０６２３０号公報には、鉛ベース負極と二酸化鉛ベース正極に加えてコンデンサ負極を設けて鉛蓄電池部分と非対称コンデンサ部分を構成するものとして、高電流の充電・放電が行われる間は非対称コンデンサ部分で電荷の受け入れ・放出が優先的に行われる方式とした鉛蓄電池が提案されている。また、特開２００８−２１０６３６号公報には、正極板と負極板の一方の表面の一部にキャパシタ層を各々形成して、各キャパシタ層に電荷を蓄える方式の鉛蓄電池も提案されている。

このように、キャパシタと同様に電荷を蓄える部分を鉛蓄電池内に設けたことで、この部分が電池電極部分と比べて内部抵抗が小さいことにより高電流の充電・放電を優先的に行うことになるため、充放電性能が向上することに加え電池部分の負担を軽減してバッテリとしての耐久性も３〜４倍程度向上する結果となる。

しかしながら、斯かるハイブリッド式の鉛蓄電池では、その電荷を蓄える部分が実際のキャパシタのように対の電極の内側部分が封止されておらずキャパシタ内部がバッテリ液に曝されているため、完全なキャパシタと同等の耐久性を発揮しにくい状態となっている。また、キャパシタによる電荷を蓄える部分の面積が正・負の電極面積と比較して小さいことから、全体容量に対するキャパシタ機能の貢献割合は実に小さく、さらに、単にキャパシタと電池を融合したのみではエネルギー密度の大幅な改善は期待することができない。そのため、バッテリとしての総合性能の改善は全体的にはさほど大きくはなく、上述した要請への対応は充分に達成されていないのが現状である。

特表２００７−５０６２３０号公報 特開２００８−２１０６３６号公報

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、総合性能に優れたバッテリを低コストで提供することを課題とする。

そこで、本発明は、導電体に各々接続された正極板と負極板を交互に並べた状態で電解液に浸漬してなるバッテリにおいて、隣り合う正極板と負極板が対をなしその間に誘電体又は電解質を挟装してなるユニットでキャパシタセルを構成し、複数の前記キャパシタセルが正極板と負極板が向かい合って並ぶ配置とされており、この向かい合う正極板と負極板は中間の電解液とともに各々電池セルを構成している、ことを特徴とするハイブリッドバッテリとした。

このように、交互に並ぶ正極板と負極板を対にしてキャパシタセルを構成するとともに、複数並んだキャパシタセルの対向面となる正極板と負極板とで電池セルを構成するようにしたことで、正極板と負極板において電池を構成する部分に対しキャパシタで電荷を溜める部分の割合を大きく確保することができ、且つ、対の正極板と負極板で完全なるキャパシタセルになるとともに、対向する正極板と負極板と間の電解液とで完全なる電池セルになるため、バッテリとキャパシタの両機能を充分に発揮しながら、優れた充放電性能と耐久性を実現することができる（従来のキャパシタとバッテリの組み合わせでは複雑な同調回路が必要であり、各電極間でのキャパシタとバッテリの調整が容易ではないという事情もあった）。

またこのハイブリッドバッテリにおいて、その向かい合う正極板と負極板を、電位差のある異なる金属の組み合わせ、例えばＭｇ＞Ａｌ＞Ｚｎ＞Ｃｕというようなイオン化傾向の異なる金属同士の組み合わせとすることにより、電池セルとしての機能を確実に発揮可能なものとなる。この場合、その異なる金属の組み合わせを、二酸化鉛と鉛、銅又は銅合金とアルミニウム又はアルミニウム合金、のいずれかとすることにより、低コストでバッテリ性能とキャパシタ性能の両方に優れたものとなる。

また、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルと電池セルが、共通の電解液を使用する方式とされていることを特徴としたものとすれば、コスト面で有利なものとなる。

さらに、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルを、正極板と負極板の間に挟装された部分が、外周面を除く内部側が電解液に対し密封されていることを特徴としたものとすれば、キャパシタセル内部が電解液側に開放されることによるキャパシタ機能の低下・劣化を回避することができる。

さらにまた、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルを、薄膜化してシート状にした誘電体が正極板と負極板の間に挟装されてフィルムコンデンサを構成してなることを特徴としたものとすれば、キャパシタセルを過剰に厚くすることなく電荷を蓄える部分を充分に確保することができ、装置のコンパクト化が容易なものとなる。

この場合、そのシート状の誘電体を、正極板から延長されたシート状電極と負極板から延長されたシート状電極との間に挟まれた状態で、両シート状電極とともに蛇腹状に折り畳まれて正極板と負極板の間に挟装されたことを特徴としたものとすれば、コンパクトさを維持しながら電荷を蓄える部分の面積を一層大きくすることができ、キャパシタ容量をバッテリ容量に合わせた比率調整（例えば２：８〜３：７）とすることができる。

加えて、上述したハイブリッドバッテリにおいて、その誘電体が主成分をチタン酸バリウムとされていることを特徴としたものとすれば、蓄電デバイスとして高いエネルギー密度を達成しやすいものとなる。

また加えて、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルが電気二重層キャパシタを構成していることを特徴としたものとすれば、大きな静電容量を確保して高いエネルギー効率を実現しやすいものとなる。

さらに加えて、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルを、少なくとも負極板の内面側及び正極板の外面側、又は負極板と正極板の両内面側に活性炭素層が形成されていることを特徴としたものとすれば、その細孔構造で大きな比表面積を確保して高い静電容量を実現しながら、その低い熱抵抗で高い放熱機能を発揮するとともに、その低い電気抵抗で優れた充放電性能を発揮可能なものとなる。この場合、その活性炭素層をナノカーボン材料で構成してなるものとすれば、より優れたキャパシタ性能の発揮が可能となって、総合性能に一層優れた蓄電デバイスとなる。尚、カーボンナノチューブは多層のものを酸処理することで、約７倍の容量を得られることが知られている。

そして、上述したハイブリッドバッテリにおいて、その複数のキャパシタセルが、所定形状の電解液槽の中でその中心軸線に対し平面視放射状かつ互いに同一間隔となるように配設されて、いずれのキャパシタセルも順列上の両端部を構成しない配置とされており、そのキャパシタセルの数と電池セルの数が一致していることを特徴としたものとすれば、キャパシタセルと電池セルの組み合わせにおいて順列上の両端側になる場合のように不完全な部分が形成されないものとなって、全体として高い電池性能を発揮しやすいものとなる。

正極板と負極板を対にしてキャパシタセルを構成するとともに複数並んだキャパシタセルの対向面となる正極板と負極板とで電池セルを構成するものとした本発明によると、低コストでも総合性能に優れたバッテリとすることができる。

本発明における第１の実施の形態のハイブリッドバッテリの構成を示す縦断面図である。 図１のハイブリッドバッテリのキャパシタセルの詳細な構成を示す部分縦断面図である。 （Ａ）は図１のハイブリッドバッテリの応用例の構成を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の応用例を示す縦断面図である。 （Ａ）は図３のハイブリッドバッテリの他の応用例の構成を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の応用例を示す縦断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は本発明における第２の実施の形態のハイブリッドバッテリの構成を示す縦断面図である。 本発明における第３の実施の形態のハイブリッドバッテリの構成を示す縦断面図である。 図１のハイブリッドバッテリにおけるキャパシタセルの構成に関する他の応用例の縦断面図であって、（Ａ）は誘電体部分を折り畳んだ状態、（Ｂ）は誘電体部分を広げた状態である。 図７のキャパシタセルの応用例を示す誘電体部分を広げた状態の縦断面図である。 図８のキャパシタセルのさらなる応用例を示す誘電体部分を広げた状態の縦断面図である。 図１のハイブリッドバッテリにおけるキャパシタセルの配置に関する応用例の構成を示す横断面図である。 電極板およびキャパシタセルを極力薄くした一例を示す斜視図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。尚、本発明において、キャパシタとは電気二重層キャパシタに限定されずに電荷を蓄えることのできる電子部品としてのコンデンサと同義のものとする。

図１は、本発明における第１の実施の形態であるハイブリッドバッテリ１の構成を簡略化して示した縦断面図である。このハイブリッドバッテリ１は、主として車載用の蓄電デバイスを想定したものであるが、太陽光発電や風力発電の蓄電用デバイス等、他の用途にも使用することができる。また、図示の都合上、正極板と負極板の合計数は８枚となっているが、実際はこれよりも多い場合が殆どである。

斯かるハイブリッドバッテリ１は、端子１９，１８に繋がる配線１９０，１８０に各々接続されて、正極になる二酸化鉛板１１，１１，１１，１１と、負極になる鉛板１２，１２，１２，１２を、交互に並べた状態でケーシング６中に溜めたバッテリ液（硫酸電解液）１００に浸漬してなるものであり、隣り合う二酸化鉛板１１と鉛板１２が対をなし、図２に示すように、その間に電解質２００とセパレータ１６を挟装してなるユニットでキャパシタセル１０を各々構成し、キャパシタセル１０，１０，１０，１０の間では二酸化鉛板（正極）１１と鉛板（負極）１２が対向して中間のバッテリ液１００とで電池セル５０を各々構成しており、これが本発明における特徴部分となっている。

即ち、交互に並ぶ正極板と負極板を対のユニットにしてキャパシタセル１０を各々構成し、複数並んだキャパシタセル１０，１０の間で対向する正極板と負極板の組み合わせで電池セル５０を各々構成しており、これらは完全なるキャパシタセルと電池セルであることから、バッテリとキャパシタの両機能が充分に発揮されることになって、優れた充放電性能（短い充電時間・高い出力密度）と優れた耐久性（キャパシタ性能・バッテリ性能の維持）を実現することができる。

また、電池において電極として機能する部分（電極がバッテリ液１００に露出している外面側部分）の面積とキャパシタにおいて電荷を溜める部分（キャパシタセル１０の電極内面側部分）の面積がほぼ同等とされており、従来例と比べて電荷を溜める部分の割合が格段に大きいことから、電池機能とキャパシタ機能のバランスが従来例よりも改善されたものとなっている。

さらに、本実施の形態では、キャパシタセル１０において正極になる二酸化鉛板１１と負極になる鉛板１２とで電解質２００及びセパレータ１６を挟み込んで電気二重層キャパシタを構成しており、大きな静電容量と高い出力密度を実現している。加えて、この二酸化鉛板１１と鉛板１２とで挟んでいる部分の外周面を除く内部側が、外周部分をシール材１５でシールされてバッテリ液１００に対し密封されているため、内部に電解質２００を封止した完全なる電気二重層キャパシタを構成しており、キャパシタとして機能の低下・劣化を回避可能としている。

尚、二酸化鉛板１１と鉛板１２は図において単一の素材で示しているが、少なくとも各電極の表面側（バッテリ液側）部分を構成しているものであれば良く、内面側（キャパシタ内部側）部分は、電荷を蓄えるのに適した素材、例えば後述する活性炭素のほか、導電性ポリマー等の素材で構成しても良く、斯かる機能性素材を用いることでキャパシタの更なる大容量化・高作動電圧化を図ることも可能となる。また、図ではセパレータ１６を用いる構成としたが、両電極板の内面同士が接触する畏れがない場合は、これを省略することができる。

その電解質２００としては、キャパシタに通常用いられる液状又はゲル状のもので良く、その溶媒として非水系のものを用いれば高いエネルギー密度を達成しやすくなり、イオン性液体を用いれば作動電圧を広げやすくなる。尚、電解質２００にゲル状のものを用いた場合、セル外部への漏出を防止しやすくなることに加え、状況によってはセパレータ１６が不要になる。

さらに、電解質２００に液状又はゲル状のものを用いる代わりに、固形の誘電体、例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）や誘電率の高いシート状プラスチック等を二酸化鉛板１１と鉛板１２の内側面に密着させるように挟装してもよく、この場合は、キャパシタセル１０をより薄くしてセル枚数の増量が容易になることに加え、状況によりシール材１５が不要なものとなる。

図３（Ａ）は、図１のハイブリッドバッテリ１における各キャパシタセル１０を、その二酸化鉛板１１と鉛板１２の内面側に活性炭素層１１０，１２０を各々形成してなるキャパシタセル２０としたハイブリッドバッテリ２Ａを示している。これは、キャパシタとして電荷を蓄える部分の面積（比表面積）を拡大しながら電気抵抗を低下させて、さらなる高容量化と充放電の高速化の実現を図ったものである。また、負極になる鉛板１２の内面側のみに活性炭素層１２０を設けた場合でも、前記効果に準じた効果を発揮するものとなり、さらに、図３（Ｂ）に示すように、二酸化鉛板１１の内面側ではなく外面側に活性炭素層１１０設けたキャパシタセル２１としてもよく、この場合はバッテリ性能を一層高めることができる。

その活性炭素層の素材としては、ナノカーボン材料がその電気伝導度の高さと容量密度の高さの観点から推奨される。このナノカーボン材料としては、通常の活性炭素よりも格段に高い電気伝導度を有してミクロ細孔よりもメソ細孔の多いカーボンナノチューブが好適である。また、カーボンナノファイバーや活性炭ナノファイバーも比表面積が大きいことから、優れたキャパシタ性能が期待できる。以下の表１は、活性炭素層にカーボンナノチューブを用いた場合のハイブリッドバッテリの特性について、他の蓄電デバイスと比較したものである（推定値）。

このように、エネルギー密度は従来の鉛蓄電池を大きく上回る性能が期待され、出力密度においては急速な充放電をキャパシタ部分が受け持つため、鉛蓄電池の３００Ｗ／ｋｇに対し、約２０００Ｗ／ｋｇと圧倒的な特性の改善が推定される。また、充電時間も鉛蓄電池の３０〜６０分に対し約半分の２０〜３０分と推定され、その耐久性についても急速な充放電をキャパシタ部分が受け持つことで、鉛蓄電池に対し３〜４倍の寿命が推定される。一方、製造コストではキャパシタ部分を作るために約２０％のコストアップが見込まれるが、前記各特性と３〜４倍の製品寿命を考慮すると、相対的には大幅な特性アップとコストダウンが期待できる。

以上のように、急速充放電性能・耐久性に優れた本発明によるハイブリッドバッテリは、例えばマイルドハイブリッド車におけるブレーキ制動時の回生電力の充電用、発進・加速時のアシスト電力用として好適であり、ＨＶにおける製造コストの低廉化と普及促進において大きな貢献が期待される。また、アイドリングストップ技術においても、回生電力の充電性能に優れるとともに頻繁なクランキングによる急速放電に対応可能として、優れた総合性能を発揮することが期待され、さらに自然エネルギー発電においてもその急速充電性能により、日照量や風量の変動を吸収しやすいものとなる。

図４（Ａ）は、図３（Ａ）のハイブリッドバッテリ２Ａの各キャパシタセル２０の正極になる二酸化鉛板１１の外面にも活性炭素層３１０を設けた応用例としてのハイブリッドバッテリ３Ａを示している。その活性炭素層３１０は、二酸化鉛板１１の外面側において硫酸イオンとの化学反応を行うための部分を確保する観点で、プリント等の手段でドット状又は格子状に設けることが好適である。この例では、活性炭素層３１０が電池セル５５において電荷を蓄える機能を発揮するため、高エネルギー密度化・高出力化が期待できる。また、この活性炭素層３１０は、ボルタ電池の原理を応用して負極になる鉛板１２の外面に設けても良く、さらに、図４（Ｂ）に示すように、キャパシタセル３０の二酸化鉛板１１内側面の活性炭素層１２０を除いたキャパシタセル３１としても良い。

図５（Ａ）は、本発明における第２の実施の形態であるハイブリッドバッテリ１Ｂの構成を示すものであり、鉛板１２，１２の組み合わせによるキャパシタセル１０Ａと、二酸化鉛板１１，１１の組み合わせによるキャパシタセル１０Ｂが交互に並んで間の電解液１００とともに各々電池セル５７，５７，５７を形成している点を特徴としている。このように、同じ材質の電極板でキャパシタセルを構成した場合でも、電解液１００を挟んだ電極板同士に電位差が生じる限り、バッテリとして機能することができる。尚、図５（Ｂ）のように、二酸化鉛板１１，鉛板１２の各内面側に活性炭素層１１０，１２０を形成するとともに二酸化鉛板１１の外面側に活性炭素層３１０を形成した場合も同様であり、前述と同様の機能の発揮が期待できる。

図６は、本発明における第３の実施の形態であるハイブリッドバッテリ４の構成を示すものであり、そのキャパシタセルの正極板と負極板を構成する各素材の組み合わせの応用例として、銅板１３とアルミニウム板１４の組み合わせによるキャパシタセル４０を備えており、且つ、アルミニウム板１４の内面側に活性炭素層１４０、銅板１３の外面側に活性炭素層１３０を各々設けた点を特徴としている。この場合は、活性炭素層１３０として両者ともカーボンナノチューブが好適であるが、多層カーボンナノチューブを予め酸処理することで約７倍の容量を達成することが知られている。

本実施の形態では、銅板１３とアルミニウム板１４の間には透水性のセパレータを有している（間隔が維持できれば不要）ものの、挟まれている内側空間は密封されずに開放されて、バッテリ液（硫酸電解液）１００で満たされている。即ち、内面のカーボンナノチューブによる活性炭素層１４０は硫酸電解液１００に曝されて酸化される環境にあるが、それによりキャパシタ性能が劣化するのではなく逆に一般的な活性炭素と比べて顕著に活性化することが分かっている（予め酸処理をしなくてもカーボンナノチューブが時間の経過により酸処理した場合と同様の状態になる）。また、外面の活性炭素層１３０はバッテリ性能の向上に貢献することから、これらの特性を各々利用した構成としている。その結果、このハイブリッドバッテリ４では、キャパシタの性能及びバッテリの総合性能が大きく改善されたものとなっている。

尚、前述の銅板１３とアルミニウム板１４の組み合わせによるキャパシタセルは上述した各態様の場合にも適用することができ、また、銅板１３の内面に活性炭素層を追加することで、キャパシタ性能の向上も期待できる。さらに、上述した負極板と正極板を構成する素材の組み合わせとしては、電位差のある異なる金属の組み合わせ（例えばＭｇ＞Ａｌ＞Ｚｎ＞Ｃｕ）で対の電気電極を構成するものであれば様々な組み合わせが想定される。例えば、正極の外面側を活性炭素として負極をリチウムとしたキャパシタセルも想定できるが、その場合も上述した各態様に適用することで上述と同様の効果が期待できる。そして、斯かるハイブリッドバッテリは、上述した従来のハイブリッド化した鉛蓄電池と比べて、格段に高いエネルギー密度を実現することができる。

図７（Ａ）は、図１のハイブリッドバッテリ１におけるキャパシタセル１０の構成を変更した応用例としてのキャパシタセル４５を示しており、電気二重層キャパシタではなくフィルムコンデンサ方式のキャパシタとした点を特徴としている。即ち、正極になる二酸化鉛板１１と負極になる鉛板１２とが、薄膜状の誘電体からなるプラスチックフィルム１４５で連結されており、二酸化鉛板１１から延設された電極板としてのアルミ箔１１６がプラスチックフィルム１４５の一方の面に密着し、鉛板１２から延設された電極板としてのアルミ箔１２６がプラスチックフィルム１４５の他方の面に密着して、全体としてフィルムコンデンサを構成している。

また、図７（Ｂ）の展開図に示すように、プラスチックフィルム１４５の両面にアルミ箔１１６，１２６を密着してなるフィルムコンデンサ部分の全長が、二酸化鉛板１１、鉛板１２の幅（長さ）に対し顕著に大きいものとされ、図７（Ａ）の収装状態の図に示すように、これを蛇腹状に折り畳みながら重なる部分にセパレータ１６０を介装し、その外周側にシール部材１７を設けて内部側が密封された状態となっている。これにより、キャパシタ部分の容量を加減することができ、全体的なキャパシタ部分とバッテリ部分の容量の割合を調整することが容易なものとなる。

またこれにより、上述した実施の形態と比べてキャパシタにおける電荷を蓄える部分の単純面積（比表面積ではない）が拡大されており、キャパシタセル４５のコンパクトさを維持しながら、より大きな静電容量・エネルギー密度の実現を可能としている。尚、図示は省略するが、プラスチックフィルム１４５の代わりに、誘電体からなる極薄のフィルム表面にチタン酸バリウム等の誘電性の高い素材を塗布又は蒸着しながら薄膜化して設けた誘電体シートを用いても良く、これにより、さらなる高エネルギー密度化・高出力化が期待できるものとなる。

図８は、図７のキャパシタセル４５の応用例としてのキャパシタセル４６を示している。この例では、アルミ箔１１６，１２６の内面側にカーボンナノチューブのようなナノカーボン材料による極薄の活性炭素層１１１，１２１が形成されており、これらが誘電体であるプラスチックフィルム１４５の各面に密着した構成となっている。このように、コンデンサ電極の内面側を活性炭素層とした場合においても、その大きな静電容量と電気抵抗の低さにより、エネルギー密度と充放電性能の向上が期待できるものである。尚、図９に示すように、キャパシタセル４６における活性炭素層１１１を除いたキャパシタセル４７としても良い。

図１０は、図１のハイブリッドバッテリ１におけるキャパシタセル１０の配置についての応用例の構成を横断面図で示している。上述したように、本発明は複数並んだキャパシタセル間でバッテリ部分を構成するものであるが、上述した実施の形態では、各キャパシタセル１０が互いに平行な状態で真っ直ぐ並んでいるため、両端のキャパシタセル１０，１０の端面側には対向する電極が存在しない。

承知のように、バッテリの機能発現においては電解液中の各イオン濃度が重要であるため、両端の電極においてもある程度のバッテリ機能は発揮されると考えられるが、中間のキャパシタセルと比較してその機能が減弱してしまうことが懸念される。そこで、図のように、円形のケーシング７の内部で各キャパシタセル１０を等間隔の放射状に配置したことにより、両端部分を形成しない配置方法のハイブリッドバッテリ５としたものである。

これにより、各キャパシタセル１０の間は総て同じ形状の空間を形成して、総て同じ条件の電池セル７０を各々構成するため、複数のキャパシタセル１０の中で機能を減弱させる部分が生じる心配がない。また、このハイブリッドバッテリ５は外形が円柱状となるため、用途に応じて配置上有利なケースも想定できる。さらに、図示は省略するが、隣り合うキャパシタセル１０，１０の間の空間部分に、これよりも短いキャパシタセルを挿入してセルの枚数を増量しても良い。尚、斯かる配置方法の応用は、前述した総ての態様においても適用することができる。

尚、図１１に示すように、キャパシタセルを構成する対の電極板として使用する個々の電極板を極力薄くして（例えば二酸化鉛板と鉛板の厚さを０．５〜１．０ｍｍ以下にする等）して各キャパシタセルの重量を軽くすることにより、キャパシタ機能・バッテリ機能の低下を伴わずにバッテリ全体の重量当たりのエネルギー密度を上げることができる。即ち、本発明では電池を構成している電極自体がキャパシタとなっている（電池電極にキャパシタが入っているのと同等）ことから、図のように個々のキャパシタセルを一枚の電極のように薄くすることで、ハイブリッドバッテリの大幅なコンパクト化が実現するとともに、キャパシタによる電池電極の束を捲回した態様で実施することも容易なものとなる。

また、上述した各ハイブリッドバッテリは、バッテリとコンデンサが並列接続した状態とも言えるが、これをガソリンエンジン車に使用した場合、エンジンが駆動している状態では、ダイナモの発電電圧１４．４Ｖがバッテリとコンデンサに印加されて各々充電される。そして、エンジンが停止するとバッテリ電圧は１４．４Ｖから１３〜１２．５Ｖ程度に低下するため、この際のコンデンサ電圧１４．４Ｖとの電圧差により、コンデンサの電荷がバッテリに充電されると考えられる。

以上、述べたように、電池セルとキャパシタセルを最適な状態で融合させた本発明によると、低コストでも総合性能に優れたバッテリとなった。

１，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，４，５ ハイブリッドバッテリ、１０，２０，２１，３０，３０Ａ，３０Ｂ，３１，４０，４１，４５，４６，４７ キャパシタセル、１１ 二酸化鉛板、１２ 鉛板、１３ 銅板、１４ アルミニウム板、１６，１６０ セパレータ、５０，５１，５５，５６，５７，５８，５９，６０，７０ 電池セル、１００ バッテリ液、１１０，１１１，１２０，１２１，１３０，１４０，３１０ 活性炭素層、１１６，１２６ アルミ箔、１４５ プラスチックフィルム、２００ 電解質

Claims (12)

1. 導電体に各々接続された正極板と負極板を交互に並べた状態で電解液に浸漬してなるバッテリにおいて、隣り合う前記正極板と前記負極板が対をなしその間に誘電体又は電解質を挟装してなるユニットでキャパシタセルを構成し、複数の前記キャパシタセルが前記正極板と前記負極板が向かい合って並ぶ配置とされており、該向かい合う正極板と負極板は中間の前記電解液とともに各々電池セルを構成している、ことを特徴とするハイブリッドバッテリ。
2. 前記向かい合う正極板と負極板は、電位差のある異なる金属の組み合わせとされている、ことを特徴とする請求項１に記載したハイブリッドバッテリ。
3. 前記異なる金属の組み合わせは、二酸化鉛と鉛、銅又は銅合金とアルミニウム又はアルミニウム合金、のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載したハイブリッドバッテリ。
4. 前記キャパシタセルと前記電池セルは、共通の電解液を使用する方式とされている、ことを特徴とする請求項１，２または３に記載したハイブリッドバッテリ。
5. 前記キャパシタセルの前記正極板と前記負極板の間に挟装された部分は、外周面を除く内部側が前記電解液に対し密封されている、ことを特徴とする請求項１，２，３または４に記載したハイブリッドバッテリ。
6. 前記キャパシタセルは、薄膜化してシート状にした誘電体が前記正極板と前記負極板の間に挟装されてフィルムコンデンサを構成してなるものである、ことを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載したハイブリッドバッテリ。
7. 前記シート状の誘電体は、前記正極板から延長されたシート状電極と前記負極板から延長されたシート状電極との間に挟まれた状態で、両シート状電極とともに蛇腹状に折り畳まれて前記正極板と前記負極板の間に挟装されている、ことを特徴とする請求項６に記載したハイブリッドバッテリ。
8. 前記誘電体は、その主成分がチタン酸バリウムであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７に記載したハイブリッドバッテリ。
9. 前記キャパシタセルは、電気二重層キャパシタを構成していることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は８に記載したハイブリッドバッテリ。
10. 前記キャパシタセルは、少なくとも前記負極板の内面側及び前記正極板の外面側、又は前記負極板と前記正極板の両内面側に活性炭素層が形成されている、ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９に記載したハイブリッドバッテリ。
11. 前記活性炭素層は、ナノカーボン材料で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載したハイブリッドバッテリ。
12. 前記複数のキャパシタセルは、所定形状の電解液槽の中でその中心軸線に対し平面視放射状かつ互いに同一間隔となるように配設されて、いずれの前記キャパシタセルも順列上の両端部を構成しない配置とされており、前記キャパシタセルの数と前記電池セルの数が一致する、ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１に記載したハイブリッドバッテリ。
    
    

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