特許 6483286 蓄電装置及びこれに関する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6483286

(24)【登録日】2019年2月22日

(45)【発行日】2019年3月13日

(54)【発明の名称】蓄電装置及びこれに関する方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/36 20100101AFI20190304BHJP

   H01M 4/36 20060101ALI20190304BHJP

   H01G 11/00 20130101ALI20190304BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/36 A

   H01M4/36 Z

   H01G11/00

【請求項の数】15

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-559526(P2017-559526)

(86)(22)【出願日】2016年4月27日

(65)【公表番号】特表2018-522368(P2018-522368A)

(43)【公表日】2018年8月9日

(86)【国際出願番号】FI2016050270

(87)【国際公開番号】WO2016185082

(87)【国際公開日】20161124

【審査請求日】2017年11月14日

(31)【優先権主張番号】15167921.4

(32)【優先日】2015年5月18日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】315002955

【氏名又は名称】ノキア テクノロジーズ オーユー

(74)【代理人】

【識別番号】100127188

【弁理士】

【氏名又は名称】川守田 光紀

(72)【発明者】

【氏名】ウェイ ディ

(72)【発明者】

【氏名】ザーラ サルバトーレ

【審査官】 神野 将志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１７−５３８２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１８８０５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１６５２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３１５０９６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／３６、４／３６、４／５８３

Ｈ０１Ｇ １１／００

Ｃ０１Ｂ ３２／１９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電荷コレクタと、
イオン層と、
前記第１電荷コレクタ上に設けられる酸化グラフェンと、
前記第１電荷コレクタから離れたところに設けられ、前記第１電荷コレクタより低い仕事関数を有する第２伝導性材料と、
を備え、
前記酸化グラフェンは、前記第２伝導性材料と接合部分で接するように前記第１電荷コレクタから延設されており、
前記イオン層は、前記酸化グラフェンと前記第２伝導性材料とに接し、
前記イオン層は、周辺環境から水分を吸収し、前記水分を、前記酸化グラフェン及び／又は前記第２伝導性材料に供給するように配され、
また前記イオン層は、室温イオン液体と、前記イオン層を室温で固体化させる凝固剤とを備える、
装置。

【請求項2】

前記室温イオン液体が室温で液体である、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記室温イオン液体は、トリエチルスルホニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＴＥＳ−ＴＦＳＩ）含有化合物、
１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＥＭＩＭ−ＴＦＳＩ）含有化合物、
トリオクチルメチルアンモニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＯＭＡ−ＴＦＳＩ）含有化合物、及び
その他のビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＴＦＳＩ）含有化合物、のうちのいずれか１つ以上を含む、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記凝固剤は、共有結合性の高分子網目を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。

【請求項5】

前記イオン層は、共有結合性の高分子網目に固定、埋込み、含有のうちのいずれか１以上がされた室温イオン液体を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。

【請求項6】

前記第２伝導性材料が第２電荷コレクタ上に設けられ、前記第２電荷コレクタは前記第１電荷コレクタから離れたところに設けられ、前記第２伝導性材料は前記第２電荷コレクタから前記接合部分に延設されている、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記第２伝導性材料が、
還元型酸化グラフェン、
水酸化カリウム、
ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸、
基本高分子、
導電性高分子のうちのいずれか１つ上を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。

【請求項8】

前記酸化グラフェンが酸化グラフェンとプロトン伝導体との混合物として提供され、前記プロトン伝導体が疎水性である、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。

【請求項9】

前記イオン層が、室温で２Ｂの鉛筆と同等またはそれ以上の硬度を有する性質、
５０℃以上のガラス転移点を有する性質、
のうちの１つ以上の性質を有する、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。

【請求項10】

バッテリー、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリー及びキャパシタのハイブリッド、電子デバイス、携帯型電子デバイス、携帯型電気通信デバイス、ＰＤＡ、携帯電話機、スマートフォン、ファブレット、タブレット、ノート型コンピュータ、デスクトップコンピュータ、スマートウォッチ、スマートグラス、電子時計、ワイアレスセンサ、電気化学センサ、ウェアラブルデバイス、ＲＦＩＤタグ、エレクトロクロミックデバイス、湿度センサ、及びこれらと同じものの１つまたは複数のモジュール、
のうちの１つ以上である、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。

【請求項11】

請求項１〜１０のいずれかに記載の装置を複数積層したものを備える装置。

【請求項12】

酸化グラフェンを、第１電荷コレクタ上に設けることと、
前記第１電荷コレクタから離れたところに、前記第１電荷コレクタより低い仕事関数を有する第２伝導性材料を設けることと、
前記酸化グラフェンおよび前記第２伝導性材料に接するイオン層を設けることと、
を含む、装置の製造方法であって、
前記酸化グラフェンは、接合部分で前記第２伝導性材料と接するように、前記第１電荷コレクタから伸びるように設けられ、
前記イオン層は、
・ 室温イオン液体と、前記イオン層を室温で固体化させる凝固剤とを含み、
・ 周辺環境から水分を吸収し、前記水分を、前記酸化グラフェン及び／又は前記第２伝導性材料に供給するように配される、
製造方法。

【請求項13】

前記イオン層を提供することは、前記室温イオン液体を含む共有結合性の高分子網目を形成するため、前記室温イオン液体の存在下で架橋性オリゴマーを重合することを含む、請求項１２に記載の製造方法。

【請求項14】

前記室温イオン液体の存在下で前記架橋性オリゴマーを重合することは、前記室温イオン液体、前記架橋性オリゴマー、及びＵＶ架橋開始剤のＵＶ照射を含む、請求項１３に記載の製造方法。

【請求項15】

前記室温イオン液体、前記架橋性オリゴマー、及び前記ＵＶ架橋開始剤の比重は、８５：１０：５、８０：１５：５、７５：２０：５、のうちのいずれか１つである、請求項１４に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は蓄電の分野（例えば、バッテリー、スーパーキャパシタ、バッテリー及びキャパシタのハイブリッドを含む）に関するものである。また、本願はこれに関する方法及び装置に関するものであり、特に、水が存在すると陽子を生成するように構成される酸化グラフェンを備える装置、第１電荷コレクタの上に提供される酸化グラフェン、及びイオン層に関するものである。イオン層は酸化グラフェンの上に設けられ、室温では固体であり、周辺環境から水分を吸収し、吸収した水分を装置／酸化グラフェンに供給するように構成される。このような装置は、特定の実施形態においてプロトン電池、またはプロトン電池に関連するものであると考えられる。本願の特定の例示的態様／実施形態は携帯型の電子デバイス、特に、いわゆる持ち運び用電子デバイスに関するものである。この携帯型の電子デバイスは、手に持って使用可能である（クレードルに設置して使用することも可能であるが）。このような持ち運び用の電子デバイスは、いわゆるＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、スマートウォッチ、タブレットＰＣを含む。

【0002】

本願の例示的態様／実施形態の１つ又は複数に従う携帯電子デバイス／装置は、次のうちの１つ又は複数の機能を提供し得る：オーディオ／テキスト／ビデオ通信機能（例えば、電話通信，ビデオ通信，及び／又はテキスト通信，ショートメッセージサービス（SMS）／マルチメディアメッセージサービス（MMS）／電子メールの機能）；インタラクティブ／非インタラクティブ表示機能（例えば、ウェブ閲覧，ナビゲーション，テレビ／番組表示の機能）；音楽録音／再生機能（例えば、MP3や他のフォーマット及び／又は（FM／AM）ラジオ放送の録音／再生）；データのダウンロード／設定機能；画像録画機能（例えば、（内蔵の）デジタルカメラ）；ゲーム機能。

【背景】

【0003】

現在、最新の電子デバイスに使用するために、既存の蓄電池より大きな蓄電容量を有するより小さな蓄電池を開発するため、調査が行われている。

【0004】

本願の１つ又は複数の態様／実施形態が課題の１つ又は複数を解決してもよく、そうでなくてもよい。

【0005】

本願における公開済み文献または背景の列挙や議論は、こうした文献や背景が当該技術分野の状況の一部であること、または共通の一般知識であることとして必ずしも理解されなくてもよい。

【摘要】

【0006】

第１の態様によれば、イオン層を備える装置が提供される。イオン層は周辺環境から水分を吸収し、その水分を装置に供給するように構成される。前記装置は、第１電荷コレクタ上に配される酸化グラフェンを備え、この酸化グラフェンは水分があるところで陽子を生成するように構成されている。前記装置はまた、第１電荷コレクタから離れたところに配される第２伝導性材料を備え、この第２伝導性材料は第１電荷コレクタより低い仕事関数を有し、酸化グラフェンは第２伝導性材料と接合部分で接するように第１電荷コレクタから延設されている。前記装置はさらに、酸化グラフェンと第２伝導性材料とに接するイオン層を備えている。ここで、イオン層は室温イオン液体および凝固剤を有し、凝固剤はイオン層が室温で固体化するために提供される。

【0007】

前記第２伝導性材料は第２電荷コレクタ上に設けられ、第２電荷コレクタは第１電荷コレクタと物理的および電気的に離れるように設けられ、第２伝導性材料は第２電荷コレクタから接合部分に延設されている。

【0008】

室温イオン液体は室温で液体でいられる。室温は、−１００℃〜＋１００℃、−５０℃〜＋５０℃、＋１５℃〜＋３５℃、＋２０℃〜＋２７℃、の温度範囲のうちのいずれか１つ以上であると考えられる。

【0009】

室温イオン液体は、トリエチレンスルホニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（triethylsulfonium bis(trifluoromethane)sulfonimide；ＴＥＳ−ＴＦＳＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethane)sulfonimide；ＥＭＩＭ−ＴＦＳＩ）、トリオクチルメチルアンモニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（trioctylmethylammonium bis(trifluoromethane)sulfonimide；ＯＭＡ−ＴＦＳＩ）のうちの１つ以上を含むことができる。室温イオン液体は、ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（bis(trifluoromethane)sulfonimide；ＴＦＳＩ）を含む他の化合物を含むことができる。代替的に、室温イオン液体はＴＦＳＩを含まない化合物を含むこともできる。

【0010】

凝固剤には、共有結合性の高分子網目を含むことができる。これはまた、ポリマーマトリクスと考えることもできる。共有結合性の高分子網目は、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、実質的に１００％の重合度を有することができる。

【0011】

室温イオン液体は、共有結合性の高分子網目に固定、埋込み、含有、適用のいずれか一つ以上がなされていてもよい。

【0012】

酸化グラフェンは、第１電荷コレクタにコーティングされてもよい。第２伝導性材料は第２電荷コレクタにコーティングされてもよい。イオン層は、酸化グラフェンと第２伝導性材料にコーティングされてもよい。

【0013】

第２伝導性材料は還元型酸化グラフェン、水酸化カリウム、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）、基本高分子、導電性高分子のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。

【0014】

第１電荷コレクタ上に設けられる酸化グラフェンは、酸化グラフェンとプロトン伝導体の混合物としても使用される。プロトン伝導体は疎水性である場合があり、有機ポリマー、イオノマー、Ｎａｆｉｎ（商標）のうちの一以上を含むことができる。

【0015】

第１及び第２電荷コレクタの一方または両方は、金属、合金、金、銀、銅、アルミニウム、スチール、インジウムスズ酸化物のうちのいずれか１つ以上を含む。

【0016】

装置は基板を備えることができる。基板は、第１電荷コレクタ及び第２電荷コレクタ、酸化グラフェン、第２伝導性材料、及びイオン層を支持するように構成される。基板は、絶縁性、柔軟性、親水性のうちの少なくとも１つ以上を有することができる。

【0017】

室温で固体のイオン層は、下記の１つ以上の性質を有することができる。室温で２Ｂの鉛筆と同等かそれ以上の硬度を有する。５０℃以上のガラス転移点を有する。イオン層が固体化するための他の性質も予測可能である。

【0018】

第１電荷コレクタと第２電荷コレクタとの間の間隔は、２ｍｍ、１ｍｍ、５００μｍ、１００μｍ、５０μｍのいずれかより狭くともよい。

【0019】

酸化グラフェンと第２伝導性材料との間の接合部分の幅は、５００μｍ、１００μｍ、５０μｍ、１０μｍ、１μｍのいずれかより狭くてもよい。

【0020】

装置は、イオン層及び酸化グラフェンのうちの１つ以上が、周辺環境にある水分（例えば、水蒸気）に晒されるよう構成されている。動作中、水分（例えば、液体の水、水蒸気）は特に装置に供給される場合もあり、且つ／または、装置が水源を備える場合もある。代替的に、水分を特に装置に供給しない場合もある。例えば、イオン層／酸化グラフェンは、空気の湿度という形で水分に晒される場合がある。

【0021】

イオン層は、周辺環境から装置／酸化グラフェン／第２伝導性材料に水分を供給するために作用することによって、酸化グラフェンによる陽子生成を促進するように構成されている。さらに、イオン層は装置のイオン伝導率を増加させることにより（例えば、酸化グラフェンのイオン伝導率を増加させることにより）第１電荷コレクタと第２電荷コレクタとの間で、電荷の流れを促進するよう構成されうる。さらに、イオン層は、第２伝導性材料の仕事関数を小さくことにより、装置の出力／開回路の電圧を増加させるように構成されうる。

【0022】

イオン層は、周辺環境からのイオン層による水分吸収、および／または、装置／酸化グラフェン／第２伝導性材料への水分供給を増進するように１以上の塩をさらに含むことができる。１以上の塩は、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、塩化リチウム、塩化ナトリウムのうちの１つ以上を含む。

【0023】

室温イオン液体は、親水性を有していてもよい。

【0024】

装置は、バッテリー、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリー及びキャパシタのハイブリッド、電子デバイス、携帯型電子デバイス、携帯型電気通信デバイス、携帯電話機、ＰＤＡ（a personal digital assistant）、スマートフォン、ファブレット、タブレット、ノート型パソコン、電子時計、ワイアレスセンサ、電気化学センサ、ウェアラブルデバイス、ＲＦＩＤタグ、エレクトロクロミック素子、湿度センサ、これらと同じものの１つまたは複数のモジュール、のうちの１つ以上でありうる。

【0025】

さらに別の態様によれば、前述のように積み重ねて配置された装置を２つ以上含む装置が提供される。

【0026】

さらに別の態様では、装置の製造方法が提供される。この方法は、第１電荷コレクタ上に酸化グラフェンを設けることを含み、酸化グラフェンは水分があるところで陽子を生成するように構成されている。また、この方法は、第１電荷コレクタから離れたところに第２伝導性材料を設けることを含み、第２伝導性材料は第１電荷コレクタより低い仕事関数を有している。また、酸化グラフェンは、接合部分で第２伝導性材料と接するように、第１電荷コレクタから伸びるように設けられる。さらに、この方法は、酸化グラフェン及び第２伝導性材料と接するイオン層を提供することを含み、イオン層は周辺環境から水分を吸収するように構成されている。ここで、イオン層は室温イオン液体と凝固剤を含み、凝固剤はイオン層を室温で固体化するために提供される。

【0027】

第２伝導性材料は第２電荷コレクタ上に設けられ、第２電荷コレクタは第１電荷コレクタと物理的および電気的に離れるように設けられ、第２伝導性材料は第２電荷コレクタから接合部分に延設されている。

【0028】

イオン層は、室温イオン液体存在下での架橋性オリゴマーの重合によって提供され、室温イオン液体を含む共有結合性の高分子網目を形成する。重合は、in-situ又はex-situで実施されうる。

【0029】

重合は、室温イオン液体、架橋性オリゴマー、及びＵＶ架橋開始剤のＵＶ照射を含むことができる。

【0030】

架橋性オリゴマーは、さまざまな分子量の、ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧ−ＤＡ）、ポリエチレングリコールジメタクリラレート（ＰＥＧ−ＤＭＡ）、ポリエチレングリコールジビニルエーテル（ＰＥＧ−ＤＥ）等、両端が同じ官能基で修飾されたポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含むことができる。架橋開始剤はフェノンに限定されることなく、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン（ＨＯＭＰＰ）、ベンゾフェノン（ＢＰ）、４−（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン（ＤＭＢＰ）、その他これに適した開始剤等、これに適したあらゆる化合物を含むことができる。

【0031】

室温イオン液体、架橋性オリゴマー、及びＵＶ架橋開始剤の比重は、８５：１０：５、８０：１５：５、７５：２０：５、のいずれかであってもよい。

【0032】

ＵＶ照射は、１秒〜４５秒、４５秒〜９９０秒、９０秒〜５分、５分以上の範囲で一定時間実施される。

【0033】

室温イオン液体、架橋性オリゴマー、及びＵＶ架橋開始剤のＵＶ照射の間、ＵＶフォトマスクを使用してもよい。フォトマスクは、架橋領域を定義するのに使用可能である。

【0034】

上記構成要素のいずれか１つ以上が基板に設けられうる。基板は装置の一部を形成しうる。代替的に、基板は装置の一部を形成せず、装置の製造中または製造後に除去してもよい。基板は、絶縁性、柔軟性、親水性のうちの１つ以上を有することができる。基板は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）であってもよい。

【0035】

酸化グラフェンは、第１電荷コレクタにコーティングされてもよい。第２材料は第２電荷コレクタにコーティングされてもよい。イオン層は、酸化グラフェンと第２材料に接するようにコーティングされてもよい。

【0036】

第１電荷コレクタ、第２電荷コレクタ、酸化グラフェン、第２材料、イオン層のうちのいずれか１つ以上を、印刷法（例えば、ロール・ツー・ロール印刷またはインクジェット印刷）で設けることができる。代替的に、構成要素のうちのいずれか１つ以上をドロップキャスト法で設けてもよい。第２材料は水溶液として提供／堆積されうる。

【0037】

（第２電荷コレクタを含む）さらなる態様では、互いに離して配される第１電荷コレクタ及び第２電荷コレクタ、イオン層を含む装置が提供され、イオン層は周辺環境から水分を吸収し、吸収した水分を装置に供給するように構成されている。この装置は、第１電荷コレクタ上に配される酸化グラフェンを備え、酸化グラフェンは水分があるところで陽子を生成するように構成されている。さらに、この装置は、第２電荷コレクタ上に配される第２伝導性材料を備え、第２伝導性材料は、第１電荷コレクタより低い仕事関数を有する。また、酸化グラフェン及び第２伝導性材料は接合部分で互いに接するように、それぞれの電荷コレクタから延設されている。この装置はさらに、酸化グラフェンと第２伝導性材料とに接するイオン層を備えている。ここで、イオン層は室温イオン液体および凝固剤を有し、凝固剤はイオン層が室温で固体化するために提供される。

【0038】

本明細書で開示されるあらゆる方法のステップは、当業者によって具体的に提示または理解されない限り、開示したステップと全く同じ順番で実行する必要はない。

【0039】

本明細書で開示される１つ以上の方法を実行する、対応コンピュータプログラム（担体に記録されていても、記録されていなくてもよい）も本願に含まれており、記載されている事例的形態のうちの１以上によって網羅される。

【0040】

本願は、１つ又は複数の態様や事例的実施形態，特徴を個別に、または様々な組合せで含んでいる。こうした事項は、その組合せや個別で具体的に（特許請求の範囲を含めて）記述されているかどうかを問わない。議論される機能の１つ以上を遂行するための対応する手段も、本願の範囲内にある。

【0041】

前述の摘要は、単なる例示的かつ非限定的事項であることが意図されている。

【図面の簡単な説明】

【0042】

本願は以下の添付図面を参照して説明される。ただし、これらは一例に過ぎない。

【図1a】図１ａは、既存のプロトン電池の平面図である。

【図1b】図１ｂは、図１ａのプロトン電池の断面図である。

【図2】図２は、本願に従う装置の一例を記載した図である。

【図3】図３は、異なるイオン層の構成を有する図２の複数の装置の放電曲線を記載した図である。

【図4a】図４ａは、図１の装置の電流−電圧特性を記載した図である。

【図4b】図４ｂは、図2の装置の電流−電圧特性を記載した図である。

【図5】図５は、本願に従う装置の他の一例を記載した図である。

【図6】図６は、図２の装置の製造方法を記載した図である。

【図7】図７は、図６の製造方法によって製造される装置の図である。

【図8】図８は、図６の一以上の製造方法のステップを実行、制御、実現できるよう構成されるコンピュータプログラムを含むコンピュータ読み取り可能な媒体を示す。

【実施例の説明】

【0043】

電気エネルギーのストレージは、携帯型の電子デバイスにとって重要な検討事項である。現在、プロトン電池はこの目的のために開発されている。プロトン電池の一類型のエネルギー生成のメカニズムは、水と接触したときの酸化グラフェンの分解を含む。水分は電池に含有されているか、または、周辺環境から取得できる（例えば、空気の湿度というかたちで）。

【0044】

図１ａ及び１ｂは、既存の酸化グラフェンをベースにしたプロトン電池１０１の平面図と断面図を示す。電池１０１は、酸化グラフェン１０２から形成される第１電極１０２、１０７ａ、還元型酸化グラフェン１０３から形成される第２電極１０３、１０７ｂを備える。第１電極及び第２電極は、それら電極が（少なくとも部分的に）銀の電荷コレクタ１０７ａ、１０７ｂとそれぞれ重ね合わさり、それらの間にある接合部分１０６（例えば、電極材料が相互に混ざる、及び／または重なり合うところ）で相手との接合部分を形成するように配される。一または複数の酸化グラフェン及び第１電荷コレクタが第１電極であると考えることもできるが（酸化グラフェンが伝導性でなかったとしても）、メカニズムの理解の仕方によっては、第１電荷コレクタ１０７ａに伝導性があることを考慮すると、第１電荷コレクタ１０７ａが第１電極であると考えることができる。

【0045】

本明細書では、既存のプロトン電池１０１より大きな電気的出力及び／または電気的ストレージ容量を提供できる装置及びそれに関連する方法を説明する。

【0046】

図２は、本願の装置２０１の一実施形態を示す。これは、一または複数の一次電池または二次電池、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリー及びキャパシタのハイブリッドであってもよく、また、装置２０１の特定の電気化学に応じた一または複数の装置２０１に相当するモジュールであってもよい。装置２０１は、物理的かつ電気的に離れている第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂを備えている。そして、酸化グラフェン２０２及び第２伝導性材料２０３が接合部分２０６で接触するよう、第１電荷コレクタ２０７ａ上には酸化グラフェン２０２が、第２電荷コレクタ２０７ｂ上には第２伝導性材料２０３が配されている。イオン層２０４は酸化グラフェン２０２及び第２伝導性材料２０３の両方と接触するように提供される。イオン層２０４は第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂの両方ではなく、一方のみと接触することができる（短絡を防ぐため）。 本願の具体的事例では、第２伝導性材料２０３が還元型酸化グラフェンであり、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂは両方とも銀である。

【0047】

第１電荷コレクタ２０７ａ上に酸化グラフェン２０２を配し、第２電荷コレクタ２０７ｂ上に第２伝導性材料２０３を配することは、酸化グラフェン２０２／第２伝導性材料２０３が第１電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂそれぞれと機能的に接触するように配すること、すなわち、第１電荷コレクタ２０７ａ、第２電荷コレクタ２０７ｂそれぞれの上、下、側面のいずれかに配することを含むことが理解されるであろう。図２の実施形態では、酸化グラフェン２０２及び第２材料２０３が、電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂそれぞれの側面に配されている。これは、電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂそれぞれの「上に設ける」という表現で説明される場合がある。

【0048】

本実施形態（及び下記に説明する実施形態）は、装置２０１は第２電荷コレクタ２０７ｂを備え、第２電荷コレクタ２０７ｂ上に第２材料２０３が配されていると記述される。第２電荷コレクタ２０７ｂは、物理的にロバストな接合部分を提供可能である。また、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂが外部回路と接続した場合、第２材料２０３から外部回路に電子が流れることを許容する。しかし、将来の技術発展によって、第２電荷コレクタ２０７ｂが必要な場合を除き、第２材料２０３は効率的に外部回路に直接接続するようになることは理解可能であろう。本シナリオでは、本願は第２電荷コレクタ２０７ｂそれ自体を除く、上記のような装置（及びこれに関連する方法）を含むと理解されるべきである。

【0049】

重要なことは、イオン層２０４が室温イオン液体（図示せず）及び凝固材料（図示せず）を含むことである。凝固材料は、イオン層２０４を室温で固体にする。室温で固体化したイオン層２０４は、周辺環境から水分を吸収し、吸収した水分を装置２０１／酸化グラフェン２０２／第２材料２０３に供給するように構成されている。室温イオン液体は、室温（例えば、＋２０℃〜＋２７℃、−５０℃〜＋５０℃）で液体になりうる。

【0050】

酸化グラフェン２０２は、水分があれば陽子を生成するよう構成されている。これにより、第１電荷コレクタ２０７ａと第２材料２０３との間に異なる電位をつくることができる。さらに、第２材料２０３の仕事関数は、第１電荷コレクタ２０７ａの仕事関数より低い。したがって、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂが外部回路（図示せず）によって接続された場合、本装置を通じて第１電荷コレクタ２０７ａ（図２の左側）から第２電荷コレクタ２０７ｂ（図２の右側）に電子を流すことができ、外部回路を通じて第２電荷コレクタ２０７ｂから第１電荷コレクタ２０７ａに電子を流すことができる。電子の流れは、仕事関数の差異（すなわち、電子は酸化グラフェン２０２を通じて、仕事関数の高い材料（第１電荷コレクタ２０７ａ）から仕事関数の低い材料（第２材料２０３）に流れることができる。）、及び、第１電荷コレクタ２０７ａと第２材料２０３との間に生じた（作られた）電位差に依存しうる。さらに、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂが外部回路によって接続された場合、陽子は酸化グラフェン２０２から第１電荷コレクタ２０７ａに流れることができる。第１電荷コレクタ２０７ａ（例えば、銀）及び／または酸化グラフェン２０２（非伝導性であるが）は、第１電極として動作すると考えられる。第２材料２０３（すなわち、還元型酸化グラフェン）は、第２電極として動作すると考えられる。

【0051】

酸化グラフェン２０２の仕事関数が第２材料２０３の仕事関数より高いこと、及び／又は、酸化グラフェン２０２の仕事関数が第１電荷コレクタ２０７ａの仕事関数より低いことが、好都合であるといえる。第２電荷コレクタ２０７ｂの仕事関数が、第２材料２０３の仕事関数より低いことが好都合であるといえる。

【0052】

酸化グラフェン２０２は、非常に強い陽子伝導性とわずかな電子伝導性を有すると考えられる。第２材料２０３は、非常に強い電子伝導性（よって、「伝導性のある第２材料」）とわずかな陽子伝導性を有すると考えられる。酸化グラフェン２０２は、湿度が高いと（例えば湿度５０％）導電性を有し、帯電することができる。これによって、第１電荷コレクタ２０７ａと第２電荷コレクタ２０７ｂとの間の電子流をさらに増加させることができる。

【0053】

固体のイオン層２０４の特徴によって、ストレージ容量と装置２０１の出力電圧との両方が増加することが判明している。また、固体のイオン層２０４の特徴は、装置２０１を高電流で放電させる。固体のイオン層２０４は、周辺環境から装置２０１／酸化グラフェン２０２／第２材料２０３に水分を供給することによって、酸化グラフェン２０２での陽子の生成を促進できる。さらに、イオン層２０４は装置２０１のイオン伝導率を増加させることにより（例えば、酸化グラフェン２０２のイオン伝導率を増加させることにより）、第１電荷コレクタ２０７ａと第２電荷コレクタ２０７ｂとの間の電荷の流れを促進できる。さらに、イオン層２０４は、第２材料２０３の仕事関数を低減させることにより、装置２０１の出力／開回路の電圧を大きくすると考えられる。

【0054】

いくつかの実施形態では（例えば、二次電池、キャパシタ、スーパーキャパシタ、又はバッテリー及びキャパシタのハイブリッド）、イオン層の存在によって、装置２０１が完全に放電された後、外部エネルギーの充当なしで数分以内に再充電可能となる。これは、酸化グラフェン２０２と外部環境２０５からの水分との間の化学反応に起因する。この化学反応により、陽子が生成され、電位差が上昇する。これら実施形態では、そのため、（ｉ）水分があること、（ｉｉ）酸化グラフェン２０２が前の充電サイクルの間に完全に消耗されていないこと、これら条件（ｉ）（ｉｉ）を満たせば装置２０１を再充電できる。しかし、他の実施形態では（例えば、一次電池）、装置２０１は再充電不可能である場合がある。

【0055】

装置２０１は全固体状態の装置であると考えてよい。これは、多くの利点を提供する。室温で固体化するという性質によって、装置２０１は積み重ねたり、曲げたり、触ったり、移動させたり、あらゆる方向に設置したりすることが可能である。さらに、酸化グラフェン２０２及び第２材料２０３の上の固体のイオン層２０４の存在は、装置２０１が曲げられたりした場合に、酸化グラフェン２０２や第２材料２０３が装置２０１から剥がれるのを防止できる。このように、固体のイオン層２０４の存在は、装置の完全性を向上させる。装置２０１は安価で簡単に製造することができる。また、印刷法を使用する等して、商業的に大規模に製造することが可能である。

【0056】

凝固材料は共有結合性の高分子網目（これはポリマー・マトリクスと考えてもよい）を有利に含むことができる。共有結合性の高分子網目は、適用ケースとそれに用いる実施形態ごとに、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、実質的に１００％といったように、異なる重合度を有してよい。

【0057】

室温イオン液体は、共有結合性の高分子網目に固定、埋込み、含有、適用のいずれか一つ以上がなされていると考えてよい。これは、イオン層２０４の製造方法に依存する。製造方法としては、例えば、室温イオン液体の存在下での架橋性オリゴマーのｉｎ−ｓｉｔｕ重合等がある。

【0058】

図２に示す実施形態では、酸化グラフェン２０２及び第２材料２０３は、それらの間にある接合部分２０６（例えば、材料が混ざり合い、又は／及び、互いに重なり合うところ）で互いと接合部を形成するように構成されている。また、イオン層２０４は、酸化グラフェン２０２と第２材料２０３との接合部分２０６と接触している。この構造は比較的簡素な印刷法を用いて作ることができる。

【0059】

一実施形態では、酸化グラフェン２０２は酸化グラフェンとプロトン伝導体との混合物として提供される。プロトン伝導体は疎水性である場合があり、有機ポリマー、イオノマー、Nafin（商標）のうちの一以上を含むことができる。第２材料は水溶液として積層／提供されうる。疎水性のプロトン伝導体を配することよって、より小さな酸化グラフェン２０２／第２材料２０３の接合領域２０６が、装置２０１の製造過程で提供されうる。これは、酸化グラフェン混合物の中の疎水性プロトン伝導体が、これら２つの材料の重なり合い及び／又は混ざり合いを制限して、水溶性の第２材料２０３が混ざるのを阻止するためである。追加的または代替的に、疎水性のプロトン伝導体は、酸化グラフェン混合物中にある水分子を酸化グラフェン２０２側に押しやり、陽子の生成をさらに促進させることができる。代替的に、酸化グラフェン２０２は、それ単独で、又は、別の材料との混合や組み合わせで提供することもできる。

【0060】

図２はまた、第１電荷コレクタ２０７ａと酸化グラフェン２０２とが重なり合う領域２２０ａ、第２電荷コレクタ２０７ｂと第２材料２０３とが重なり合う領域２２０ｂ、それぞれを示している。例えば、酸化グラフェン２０２及び／または第２材料２０３及び／または電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂの材料が、印刷法を用いて設けられる場合、このような領域２２０ａ、２２０ｂが作られる場合がある。これら実施形態は、電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂのそれぞれの上に備えられた酸化グラフェン２０２／第２材料２０３を包含する。

【0061】

装置２０１は、イオン層２０４及び酸化グラフェン２０２のいずれか一方または両方が、周辺環境にある水分に晒されるよう構成されうる。特にこれは、装置２０１を覆ったり密封したりせず、ケースに入れる必要がある場合は水及び／または通気性の良い材料の中に装置２０１を入れること等で達成できる。または、開閉可能な部分を１つ以上有する、装置２０１用のケースを提供することによって達成できる。イオン層２０４を周辺環境２０５にある水分に晒す能力は、装置２０１の改良された電気特性の恩恵を受けるために必要である。なぜなら、水分は酸化グラフェン２０２の陽子の生成を促すと考えられ、イオン層２０４は酸化グラフェン２０２への水分供給を促進することができるためである。いくつかのケースでは、装置２０１は水源を含むこともでき、それにより、陽子（および、これによる電位差）を周辺環境２０５の湿度が比較的低い場合でも生成することができる。例えば、装置２０１はイオン層２０４及び／または酸化グラフェン２０２との流体連結の中で、水分吸収材料（スポンジ等）を備えることができる。代替的または追加的に、その上に電荷コレクタ２０７ａ、２０７bや酸化グラフェン２０２／第２材料２０３が設けられる基板２０８は親水性であってもよい。

【0062】

この実施形態では、イオン層２０４は、水分を装置２０１／酸化グラフェン２０２／第２材料２０３に供給するよう構成されている。他の実施形態では、イオン層２０４は、水分を第２材料２０３には供給しない、且つ／または、酸化グラフェン２０２のみに供給するように構成することもできる。

【0063】

室温イオン液体に適した例としては、トリエチレンスルホニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＴＥＳ−ＴＦＳＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＥＭＩＭ−ＴＦＳＩ）、トリオクチルメチルアンモニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＯＭＡ−ＴＦＳＩ）がある。ＴＦＳＩを含むような他の化合物が適している場合がある。

【0064】

第１及び第２電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂの一方または両方は、金属、合金、金、銀、銅、アルミニウム、スチール、インジウムスズ酸化物のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。第２材料２０３は還元型酸化グラフェン、水酸化カリウム、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）とポリスチレンスルホン酸から成る複合物）、基本高分子、導電性高分子のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。上述したとおり、図２に示す実施形態は電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂを有し、これら電荷コレクタは銀であり、第２材料２０３は還元型酸化グラフェンを含む。

【0065】

図２の装置２０１はさらに、基板２０８を備える。この基板２０８は、第１及び第２電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂ、酸化グラフェン２０２、第２材料２０３、イオン層２０４を支持するよう構成されている。支持している基板２０８は、種々の構成部品が印刷プロセスを用いて形成される場合に特に便利である。なぜなら、印刷可能な材料（インク、液体、ジェル等）は、少なくともそれらが乾く、または、硬化するまで自身を支えることができないためである。代替的に、装置２０１が基板２０８を備えていない場合もある。基板２０８は、装置２０１の製造過程で使用される場合があるが、製造過程または製造完了後に除去される。基板２０８は、絶縁性、柔軟性、親水性のうちの１つ以上を有することができる。図２に示す実施形態では、基板２０８はポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）である。

【0066】

イオン層２０４は、周辺環境２０５からのイオン層２０４による水分吸収、及び／または、装置２０１／酸化グラフェン２０２／第２材料２０３／への水分供給を促進するように構成される１以上の塩をさらに含むことができる。１以上の塩の追加は、酸化グラフェン２０２の中の陽子の生成を促進させることができる。そして、その結果、装置２０１によってさらに多くの電気的エネルギーが生成される。これに適した塩は、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、塩化リチウム、塩化ナトリウムを含む。

【0067】

種々のパラメータまたは特性が、イオン層２０４を固体化するために使用されうる。適した特性とは、室温で2Bの鉛筆と同等またはそれ以上の硬さを有すること、及び／または、５０℃以上のガラス転移点を有することである。イオン層２０４が固体になる他の特性は予想可能であり、本願の範囲内である。

【0068】

第１電荷コレクタ２０７ａと第２電荷コレクタ２０７ｂとの間の間隔は、２ｍｍ、１ｍｍ、５００μｍ、１００μｍ、５０μｍのいずれかより短くてもよい。酸化グラフェン２０２と第２材料２０３との間の接合部分２０６の幅は、５００μｍ、１００μｍ、５０μｍ、１０μｍ、１μｍのいずれかより小さくてもよい。

【0069】

装置２０１は、バッテリー、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリー及びキャパシタのハイブリッド、電子デバイス、携帯型電子デバイス、携帯型電気通信デバイス、ＰＤＡ（a personal digital assistant）、携帯電話機、スマートフォン、ファブレット、タブレット、ノート型パソコン、電子時計、ワイアレスセンサ、電気化学センサ、ウェアラブルデバイス、ＲＦＩＤタグ、エレクトロクロミック素子、湿度センサ、これらと同じものの１つまたは複数のモジュール、のうちの１つ以上でありうる。

【0070】

さらに別の態様によれば、前述の装置２０１を２つ以上積み重ねたものを含む装置が提供される。前述のとおり、上で説明した完全に固体状の装置２０１の性質は積み重ねるのに有利であり、積み重ねられた物理的配列の中で、１つ以上の電気的にシリアル及び／又はパラレルな構成で複数のバッテリーを組み合わせ可能である。

【0071】

本願の装置２０１は、既存のプロトン電池１０１より大きな蓄電容量と出力電圧を示すことが判明しており、大きな電流で放電されうる。これは少なくとも部分的に、固体のイオン層２０４の存在に要因があるといえる。装置２０１の電気的特性をテストするため、多くの実験が行われた。

【0072】

図３は、４つのプロトン電池を用いて実施された実験から得た放電曲線を示す。３つのプロトン電池（図３のａ，ｃ，ｄ）は、固体のイオン層２０４を備える図２の装置２０１の実施形態であった。４番目のプロトン電池（図３のｂ）は液体のイオン層を備える。プロトン電池ａ，ｃ，ｄは固体のイオン層２０４（固体のイオンフィルム）を含む。ここで、イオン層２０４（固体のイオンフィルム）は、共有結合性の高分子網目の中に室温イオン液体を含有する。ここで、室温イオン液体として、ａのプロトン電池には１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタン）イミド（ＥＭＩＭ−ＴＦＳＩ）、ｂのプロトン電池にはトリエチルスルホニウムビス（トリフルオロメタン）イミド（ＴＥＳ−ＴＦＳＩ）（ｃ）、ｄのプロトン電池にはセルロース（９５／５ ｗ／ｗ）との混合物として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロリド（ＢＭＩＭ−ＣＩ）が使用されている。プロトン電池ａ，ｃ，ｄは本願で後述する方法を使用して製造される。プロトン電池ｂは、液体のＴＥＳ−ＴＦＳＩ（プロトン電池ｃのイオン層に含有されている室温イオン液体と同一のもの）でコーティングされている。

【0073】

この実験では終始、還元型酸化グラフェンが第２材料２０３として使用され、銀が第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂとして使用された。周辺環境２０５の湿度（すなわち、周囲湿度）は計測され、約７０％に保たれた。また、周辺環境の温度も計測され、約３０℃に保たれた。

【0074】

プロトン電池ａ及びｂは、放電の初期段階では同程度のパフォーマンスを示すことが判明したが、プロトン電池ａのほうが長時間放電することが判明した。具体的には、プロトン電池ａが１時間、プロトン電池ｂが０．６５時間の放電時間であった。プロトン電池ｂ（液体のＴＥＳ−ＴＦＳＩコーティング）はプロトン電池ｃ（固体のイオン層にＴＥＳ−ＴＦＳＩを含有する）より優れたパフォーマンスを示すことが判明した。すなわち、プロトン電池ｂはプロトン電池ｃの2倍の放電時間であった（ｂが０．６５時間、ｃが０．３時間）。さらに、放電の初期段階の電圧も高かった（プロトン電池ｂが０．７Ｖ、プロトン電池ｃが０．５３Ｖ）。しかし、プロトン電池ｂは前述のとおり、固体状態のプロトン電池の利点を提供しない。プロトン電池ｄ（ＢＭＩＭ−ＣＩ）は、測定可能な放電をしないと考えられる。室温イオン液体を含むＴＦＳＩは、充分な放電特性を提供することが判明した。

【0075】

図４ａ及び４ｂは、第１プロトン電池及び第２プロトン電池に関する電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性をそれぞれ示す。図４ａのプロトン電池は、図１に示す従来技術のプロトン電池１０１であり、固体のイオン層２０４を備えていない。図４bのプロトン電池は、固体のイオン層２０４（イオンの固体フィルム）を備える図２の装置２０１の一実施形態である。固体のイオン層２０４はＥＭＩＭ−ＴＦＳＩを室温イオン液体として含み、室温イオン液体は共有結合性の高分子網目に含有されている。この装置は図３のａのプロトン電池を用いた装置と似ていると考えられる。

【0076】

図４ａ及び図４ｂは、これら特定のプロトン電池に関する放電電流を示す。放電電流は、固体のイオン層がある場合、少なくとも１００の因子によって上昇しうる。図４ａ及び図４ｂは、これら特定の電池用の開回路電圧が、０．８Ｖ以下から０．９５Ｖ近くまで上がったことを示す。これらの電圧上昇は、固体のイオン層２０４による装置２０１／酸化グラフェン２０２／第２材料２０３への水分供給に依存する。この水分供給が酸化グラフェン２０２での陽子の生成、及び／又は、固体のイオン層の存在による装置２０１のイオン伝導率の増加、及び／又は、固体のイオン層２０４の存在による第２材料２０３の仕事関数の減少を促進する。

【0077】

図５は、本願の装置５０１の他の事例を示す。この事例では、電源は本明細書に記載の構成要素のいくつか又はすべてを備える（図５では、電気的ストレージデバイス５０９と示されている）。さらに、この装置は、プロセッサ５１０、記憶媒体５１１、電子表示５１２、送受信機５１３を備え、これらはデータバス５１４によって電気的に接続されている。装置501は、電子デバイス、携帯型電子デバイス、携帯型電気通信デバイス、ＰＤＡ、携帯電話機、スマートフォン、ファブレット、タブレット、ノート型パソコン、電子時計、ワイアレスセンサ、電気化学センサ、ウェアラブルデバイス、ＲＦＩＤタグ、エレクトロクロミック素子、これらと同じものの１つまたは複数のモジュール、のうちの１つ以上でありうる。

【0078】

電気的ストレージデバイス／電源５０９は、他の構成要素の機能を有効にすべく、これら構成要素に電力供給するよう構成されている（図２に関して考察したような構成によって）。この点において、他の構成要素は、上で参照された外部回路であると考えられる。ディスプレイ５１２は、装置５０１に保存された（例えば、記憶媒体５１１に保存された）コンテンツを表示するように構成されている。また、送受信機５１３は無線回線または有線回線を介して、１つ以上の他の装置とデータを送受信するように構成されている。

【0079】

プロセッサ５１０は、他の構成要素に信号を送信したり、他の構成要素から信号を受信したりして、装置５０１の指令操作がそれらの動作を管理するように構成されている。記憶媒体511は、装置501の動作を遂行，制御，または可能にするように構成されるコンピュータコードを格納するように構成される。記憶媒体511は、他のコンポーネント用の設定を格納するように構成されてもよい。プロセッサ510は、他のコンポーネントの動作管理を目的として、コンポーネント設定を読出すために格納媒体511にアクセスしてもよい。

【0080】

プロセッサ５１０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のマイクロプロセッサであってよい。記憶媒体511は、揮発性ランダムアクセスメモリ等の一時記憶媒体でもよい。一方、記憶媒体511は、ハードディスクドライブやフラッシュメモリ，不揮発性ランダムアクセスメモリ等の永久記憶媒体でもよい。

【0081】

図６は、本明細書に記載の装置の製造方法のステップ６１５〜６１７を示す。この方法は、通常、ステップ６１５〜６１７を含む。ステップ６１５では、第１電荷コレクタ上に酸化グラフェンが設けられる。酸化グラフェンは、水分があるところで陽子を生成するように構成されている。ステップ６１６では、第１電荷コレクタから離れたところに第２伝導性材料を設ける。第２伝導性材料は、第１電荷コレクタより低い仕事関数を有する。ここで、酸化グラフェンは、接合部分で第２伝導性材料と接するように第１電荷コレクタから伸びるように設けられる。ステップ６１７では、酸化グラフェンと第２伝導性材料とに接するイオン層を設ける。ここで、イオン層は、周辺環境から水分を吸収し、吸収した水分を装置に供給するよう構成されている。ここで、イオン層は室温イオン液体と凝固剤とを備える。凝固剤は、イオン層を室温で固体化させる。これらのステップは、当業者によって明示または理解されない限り、図６に開示したものと全く同じ順番で実施する必要はない。これらのステップは、種々の異なる製造工程を用いて実施することができる。

【0082】

第２材料２０３は第２電荷コレクタ２０７ｂに提供されうる。

【0083】

酸化グラフェン２０２は、第１電荷コレクタ２０７ａにコーティングされうる。第２材料２０３は第２電荷コレクタ２０７ｂにコーティングされうる。イオン層２０４は、酸化グラフェン２０２と第２材料２０３に接するようにコーティングされうる。第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂは基板にコーティングされうる。

【0084】

有利に、酸化グラフェン２０２、第２材料２０３、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂ、イオン層２０４のうちのいずれか１つ以上が印刷法（具体的には、インクジェット印刷及び／又はロール・ツー・ロール印刷）によって提供されうる。これは、低コストで簡易、かつ拡大縮小可能な製造技術を提供しうる。印刷法を採用した場合、イオン層２０４を印刷する際に、イオン層２０４が電荷コレクタ２０７ａ及び２０７ｂの両方と接触しないように留意すべきである。両方ともに接触すると、装置２０１が短絡してしまうためである。代替的または追加的に、構成要素のうちのいずれか１つ以上をドロップキャスト法で設けてもよい。

【0085】

前述のとおり、製造方法によっては、イオン層２０４の凝固材料として共有結合性の高分子網目を使用してもよい。室温イオン液体は、共有結合性の高分子網目に固定、埋込み、含有、適用のいずれか一つ以上がなされていると考えてよい。イオン層２０４とその室温イオン液体を含有する共有結合性の高分子網目は、室温イオン液体の存在下での、架橋性オリゴマー材料の重合によって形成されうる。代替的に、高分子網目に室温イオン液体をドープしてもよい。

【0086】

重合はＵＶ照射によってなされるが、他の重合方法（熱開始、他の種類の電磁放射等）も本願の範囲内にある。ＵＶ照射を含む本実施形態では、照射される混合物として室温イオン液体、架橋性オリゴマー材料、ＵＶ架橋開始剤を含む。

【0087】

重合は、元の位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）（例えば、混合物が重合前に酸化グラフェン２０２及び第２材料２０３にドロップキャストされうる）又は元の位置以外（ｅｘ−ｓｉｔｕ）（例えば、イオン層２０４が酸化グラフェン２０２及び第２材料２０３の上に設けられうる）に形成されうる。

【0088】

混合物は、波長３６５ｎｍかつ強度２２５ｍＷ／ｃｍ２のＵＶ照射に一定時間さらされる。具体的には、１秒〜４５秒、４５秒〜９９０秒、９０秒〜５分、５分以上である。異なる波長及び／または異なる強度のＵＶ照射に対して異なる時間範囲が使用され、固体のイオン層を提供するのに必要な重合度が提供される。

【0089】

ＵＶ照射による重合の間、ＵＶフォトマスクが使用され、架橋範囲のパターンが定義される。フォトマスクを使用した混合物のＵＶ照射後、溶剤を使用して、装置２０１の非重合オリゴマー（及び、残留した室温イオン液体、ＵＶ架橋開始剤）を洗浄してもよい。
室温イオン液体、架橋性オリゴマー、及びＵＶ架橋開始剤の比重は、８５：１０：５、８０：１５：５、７５：２０：５、のいずれかであってもよい。

【0090】

上記構成要素のいずれか１つ以上が基板２０８に設けられうる。基板２０８は装置２０１の一部を形成しうる。基板２０８は装置２０１の一部を形成しなくてもよく、構成要素のいずれか１つ以上が基板上に設けられた後、除去してもよい。基板２０８はポリエチレンナフタレート等、絶縁性かつ柔軟性がある方が好ましいであろう。基板は親水性であってもよい。

【0091】

室温イオン液体は、トリエチルスルホニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＴＥＳ−ＴＦＳＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＥＭＩＭ−ＴＦＳＩ）、トリオクチルメチルアンモニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＯＭＡ−ＴＦＳＩ）、ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＴＦＳＩ）を含むその他の化合物であってよい。架橋性オリゴマーは、さまざまな分子量の、ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧ−ＤＡ）、ポリエチレングリコールジメタクリレート（ＰＥＧ−ＤＭＡ）、ポリエチレングリコールジビニルエーテル（ＰＥＧ−ＤＥ）等の両端が同じ官能基で修飾されたポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含んでもよい。架橋開始剤はフェノンに限定されることなく、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン（ＨＯＭＰＰ）、ベンゾフェノン（ＢＰ）、４−（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン（ＤＭＢＰ）、その他これに適した開始剤を含むことができる。第２材料２０３は還元型酸化グラフェン、水酸化カリウム、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸、基本高分子、導電性高分子のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。第１及び第２電荷コレクタ２０７ａ、２０７ｂの一方または両方は、金属、合金、金、銀、銅、アルミニウム、スチール、インジウムスズ酸化物のうちのいずれか１つ以上を含む。特定の実施形態では、イオン層は、重合ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧ−ＤＡ）の共有結合性網目に積層されている室温イオン液体ＥＭＩＭ−ＴＦＳＩを含有する。また、第２材料２０３は還元型酸化グラフェンを含み、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂは銀を含む。

【0092】

上記方法の代替手段は予測可能であり、本願の範囲内にある。代替手段として、異なる材料の使用、異なるＵＶ照射時間、異なる重合方法がある。

【0093】

図６の方法の一実施形態は、図３のａ，ｃ，ｄのプロトン電池を製造するのに用いられる。第１及び第２の銀の電荷コレクタ（２０７ａ、２０７ｂ）は、絶縁性かつ柔軟性のあるポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）の基板２０８の上にコーティングされる。酸化グラフェン２０２及び（第２材料２０３としての）還元型酸化グラフェンは、第１電荷コレクタ２０７ａ及び第２電荷コレクタ２０７ｂ上にそれぞれコーティングされ、これらコレクタ（２０７ａ及び２０７ｂ）の間の接合部２０６を形成する。イオン層２０４は、室温イオン流体の存在下で架橋性オリゴマーのｉｎ−ｓｉｔｕＵＶ照射開始重合によって提供される。架橋性混合物（架橋性インク）は、１．７ｇのＲＴＩＬ（後述のとおり、さまざまな使用用途がある）、０．２ｇの架橋性オリゴマー（ポリエチレングリコールジアクリレート、ＰＥＧ−ＤＡ、アベレージＭ_ｎ５７５）、０．１ｇのＵＶ架橋開始剤（２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン、ＨＯＭＰＰ）を混ぜることによって製造される。混合物は低温で保存され、不本意な架橋が起こるのを避けるために光から保護される。架橋性混合物は、装置２０１の酸化グラフェン２０２及び還元型酸化グラフェン２０３の上にドロップキャストされる。そして、装置２０１は１分間、ＵＶ光（波長３６５ｎｍで２２５ｍＷ／ｃｍ２の明度を有するランプ）に晒される。第２材料２０３の仕事関数は４．２ｅＶで測定され、第１電荷コレクタ２０７ａの仕事関数は４．９〜５．０ｅＶで測定される。

【0094】

前述のように、様々な室温イオン液体がプロトン電池の固体のイオン層で使用される。室温イオン液体は、トリエチルスルホニウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＥＭＩＭ-ＴＦＳＩ）、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム（ＢＭＩＭ）チオシアン酸塩を含む。ＴＦＳＩイオンを含むイオン層２０４は、図５に示すように、十分に機能することが判明している。

【0095】

図７は、図６の方法で製造された装置（プロトン電池）を示す。本方法に従うと、プロトン電池は固体のイオン層でコーティングされる。図７は、プロトン電池を傾けても、固体のイオン層はプロトン電池のその他の部分に対して移動しないことを示している。このイオン層の固形性は、上述のとおり、大きな利点をもたらす。

【0096】

図８は、一実施形態に従うコンピュータプログラムを提供するコンピュータ／プロセッサ可読媒体８１９を概略的に示す。コンピュータプログラムは、図６のステップ６１５−６１７の１つ以上を実行、制御、可能にするよう構成されたコンピュータコードを含むことができる。この実施例では、コンピュータ／プロセッサ可読媒体８１９はデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）やコンパクトディスク（ＣＤ）等のディスクである。他の実施例では、コンピュータ／プロセッサ可読媒体８１９は、本発明の機能を遂行するようぬプログラムされた任意の媒体でもよい。コンピュータ／プロセッサ可読媒体８１９は、メモリスティック又はメモリカード（ＳＤ、ｍｉｎｉＳＤ、ｍｉｃｒｏＳＤ、ｎａｎｏＳＤ）等の脱着可能なメモリデバイスであってもよい。

【0097】

前述した任意の装置／デバイス、及び／又は前述した装置／デバイスのうちのある特定のものに関する他の特徴が、所望する動作を遂行するように構成される装置によって提供されてもよいことは、当業者が読めば理解されよう。ただし、こうした動作が可能である場合、例えば、電源が入れられているような場合に限る。このような場合、装置は、不可能な状態（例えば、電源が入っていない状態）で適切なソフトウェアをアクティブメモリにロードする必要がなく、可能な状態（例えば、電源が入れられた状態）のときだけ適切なソフトウェアをロードすればよい。装置はハードウェア回路および／またはファームウェアを備えてもよい。装置はメモリにロードされるソフトウェアを備えてもよい。こうしたソフトウェア／コンピュータプログラムは、同一のメモリ／プロセッサ／機能ユニット、および／または１つ以上のメモリ／プロセッサ／機能ユニットに記憶されていてもよい。

【0098】

実施形態によっては、前述の装置／デバイスのうちの特定のものは、所望する動作を遂行するように適切なソフトウェアで予めプログラムされていてもよい。ここで適切なソフトウェアは、例えば、ソフトウェアと関連機能を解除／有効化するためにユーザが「キー」をダウンロードすることによって利用可能になってもよい。こうした実施形態に関連する利点には、デバイスが追加機能を必要する場合、必要なデータダウンロードを減らせることが含まれる。これは、ユーザが有効化しない機能に関する予めプログラムされたソフトウェアを格納できるだけの十分な容量をデバイスが持っているとされる実施例では、有用となり得る。

【0099】

前述した任意の装置／回路／要素／プロセッサは、前述した機能以外の他の機能を有していてもよく、こうした機能が同一の装置／回路／要素／プロセッサで遂行されてもよいことは、理解されるであろう。開示した態様の１つ又は複数は、関連するコンピュータプログラムの電子配置と、適切なキャリア（メモリ，信号等）に記憶されたコンピュータプログラム（送信元／送信途上で符号化されたものでもよい）を包含してもよい。

【0100】

本願で記載される「コンピュータ」は全て、１つ以上の個別のプロセッサ／処理要素を集めたものを含んでおり、こうしたプロセッサ／処理要素は、同一の回路基板や特定の回路基板における同一の領域／場所、または同一のデバイスに配置されてもよく、そうでなくてもよいことは理解可能であろう。実施形態によっては、前述した任意のプロセッサの１つ以上は、複数のデバイスに分散されていてもよい。同一のまたは別々のプロセッサ／処理装置が本願に記載された機能の１つ以上を遂行してもよい。

【0101】

前述した任意のコンピュータおよび／またはプロセッサ、およびメモリ（ROM，CD-ROM等を含む）のあらゆる議論を参照することで、これらがコンピュータプロセッサや特定用途向け集積回路（ASIC），フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（FPGA），および／または本発明の機能を遂行するようにプログラムされたその他のハードウェアコンポーネントを含んでもよい。

【0102】

本願において出願人は、本願に記述された個別の特徴の各々を分けて開示してきたが、こうした特徴を２つ以上組合せてそれらを拡張することは、当業者に共通の一般知識に照らせば本明細書全体に基づいて実行することが可能である。その際、こうした特徴またはその組合せが本願で開示された課題のどれを解決するかには関係なく、本願の特許請求の範囲を限定するものではない。本出願人は、開示した態様／実施形態が個別の特徴またはその組合せの何れかから成り得ることを示唆している。前述の記載に照らせば、本開示の範囲内で様々な変形が可能であることは、当業者には明白であろう。

【0103】

本願において、種々の実施形態に適用されるような基本的で新規性を有する特徴が示されたり、記載されたり、指摘されたりしてきたが、記載したデバイスと方法の形態と細部において様々な削除や代用，変更を行うことは、当業者であれば本発明の精神を逸脱しない限り可能であることも理解されよう。例えば、実質的に同じ方法で同一の結果を達成するために、実質的に同じ機能を遂行するこうした要素および／または方法のステップの全ての組合せも本発明の範囲内であることは自明である。また、開示した任意の構造または実施形態に関連して示されたおよび／または記載された構造および／または要素および／または方法のステップは、適宜選択しうる一般的事項として、開示／記述／示唆したその他任意の構造または実施形態に組込まれてもよい。さらに、特許請求の範囲におけるミーンズ・プラス・ファンクションの節は、記載した機能を遂行するものとして本願で記載した構造を包含することを意図しており、構造的な等価物だけでなく等価な構造も包含するものである。

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】