專利名稱：場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法、場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置和場(chǎng)效應(yīng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子材料技術(shù)和電能儲(chǔ)存技術(shù)。
背景技術(shù)：
電能對(duì)于人類文明具有重要的作用。然而電能的高效大量?jī)?chǔ)存一直是困擾人們的問題。電能儲(chǔ)存的主要問題包括①高密度大容量電能儲(chǔ)存；②快速充放電；③減小電池內(nèi)阻(即大電流使用)；@提聞電池壽命；⑤減小電池對(duì)環(huán)境的污染。目如電能的儲(chǔ)存有兩種方法其一是二次電池即化學(xué)方法,例如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、電化學(xué)超級(jí)電容器等。這種電能儲(chǔ)存法是利用電化學(xué)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流，充放電時(shí)氧化還原反應(yīng)方向相反。其二是電容器即物理方法，例如用鐵電材料或反鐵電材料制作的陶瓷超級(jí)電容器。這種電能儲(chǔ)存方法是利用固體電介質(zhì)在電場(chǎng)下的極化產(chǎn)生束縛電荷，同時(shí) 在表面電極產(chǎn)生等量的相反自由電荷而儲(chǔ)存電能。從原理上講電池方法可儲(chǔ)存大電量Q(IO5 μ C/cm2數(shù)量級(jí))，但電壓V低(IO0V數(shù)量級(jí))；電容器方法儲(chǔ)存的電能電壓V可以很高(IO3V數(shù)量級(jí))，但電量很小(IO2 μ C/cm2數(shù)量級(jí))。儲(chǔ)存電能總量為1/2CV2=1/2QV，因而現(xiàn)有的電能儲(chǔ)存方式限制了儲(chǔ)能密度的進(jìn)一步提高。采用鐵電材料制作的電容器，當(dāng)工作在高壓時(shí)由于非線性效應(yīng)，其介電系數(shù)將大幅度下降，即電容量C較低壓時(shí)明顯減小而使儲(chǔ)能受限；而反鐵電體又存在壽命問題。電化學(xué)電池因其固有特性，決定了其充放電速度慢、電池內(nèi)阻大、壽命有限，鉛酸電池還污染環(huán)境。因此要從根本上解決電能的大量高效儲(chǔ)存，必須找到一種電能儲(chǔ)存的新原理、新方法、新材料、新結(jié)構(gòu)，才能突破現(xiàn)有電能儲(chǔ)存的極限，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、克服缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種大容量的電能儲(chǔ)存技術(shù)，包括儲(chǔ)存方法和儲(chǔ)存裝置。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法，其特征在于，采用半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體作為電能儲(chǔ)存媒質(zhì)，在電能儲(chǔ)存媒質(zhì)與電極之間設(shè)置絕緣層，將儲(chǔ)能媒質(zhì)中的載流子與電極中的自由電荷隔離。進(jìn)一步的說，所述絕緣層厚度為l(Tl00nm,絕緣材料為無機(jī)絕緣材料或有機(jī)高分子絕緣材料。所述電能儲(chǔ)存媒質(zhì)為單晶半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體。更進(jìn)一步的，所述電能儲(chǔ)存媒質(zhì)的材料可以為半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體，半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體包覆有絕緣材料，粉體包覆的絕緣材料作為絕緣層，絕緣層厚度為l(Tl00nm，半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體粒徑為20ηπΓ5 μ m。本發(fā)明還提供一種場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于，包括上電極板、下電極板和設(shè)置于上電極板和下電極板之間的儲(chǔ)能層，儲(chǔ)能層包含一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能單元包括儲(chǔ)能塊和設(shè)置于儲(chǔ)能塊與電極板之間的絕緣層，所述儲(chǔ)能塊的材料為半導(dǎo)體材料或快離子導(dǎo)體材料。
所述絕緣層為絕緣材料,厚度為l(Tl00nm。進(jìn)一步的，儲(chǔ)能層包含多個(gè)儲(chǔ)能單元，所述儲(chǔ)能塊為半導(dǎo)體粉體，半導(dǎo)體粉體外包覆有作為絕緣層的絕緣材料，絕緣材料厚度為l(Tl00nm?；蛘撸瑑?chǔ)能層包含多個(gè)儲(chǔ)能單元，所述儲(chǔ)能塊為快離子導(dǎo)體粉體，快離子導(dǎo)體粉體外包覆有作為絕緣層的絕緣材料，絕緣材料厚度為l(Tl00nm。所述半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體的粒徑為20ηπΓ5 μ m。或者,所述儲(chǔ)能層由絕緣材料和分散于絕緣材料中的半導(dǎo)體粉體構(gòu)成。本發(fā)明還提供含有前述場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置的場(chǎng)效應(yīng)電池，其特征 在于，包括電能儲(chǔ)存區(qū)、正性端電極和負(fù)性端電極，所述電能儲(chǔ)存區(qū)由至少兩層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置重疊構(gòu)成，各層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置的正性電極板連接到正性端電極，負(fù)性電極板連接到負(fù)性端電極。本發(fā)明還提供第二種含有場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置的場(chǎng)效應(yīng)電池，其特征在于，包括電能儲(chǔ)存區(qū)、正性端電極和負(fù)性端電極，電能儲(chǔ)存區(qū)由一層或多層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置卷繞形成，正性電極板連接到正性端電極，負(fù)性電極板連接到負(fù)性端電極。本發(fā)明的有益效果是，具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高、充放電速度快、電池內(nèi)阻小(可大電流使用)、電池壽命長、對(duì)環(huán)境友好、原材料價(jià)格便宜、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在能源、交通、通訊及日常生活中具有廣泛的用途。例如太陽能發(fā)電站及風(fēng)能發(fā)電站的大型電能儲(chǔ)存設(shè)備，電動(dòng)汽車及電動(dòng)自行車動(dòng)力電源，強(qiáng)激光電源，無人值守機(jī)站及鐵路公路交通信號(hào)和通訊應(yīng)急電源，便攜式電源，家庭備用電源等等。


圖I是本發(fā)明的原理圖。圖中，al為金屬電極，a2為絕緣層，a3為N型半導(dǎo)體，a4為電子積累層，a5為空間電荷區(qū)。圖2是本發(fā)明的實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是表明了儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)的實(shí)施例I的示意圖。圖4是多個(gè)儲(chǔ)能單元單層并列排布示意圖(實(shí)施例2)。圖5是多個(gè)儲(chǔ)能單元雙層排布示意圖(實(shí)施例3)。圖6是圖4、圖5中的儲(chǔ)能單元31的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是球形儲(chǔ)能單元的結(jié)構(gòu)示意圖(實(shí)施例4)。圖8是具有多個(gè)球形儲(chǔ)能單元的實(shí)施例示意圖(實(shí)施例4)。圖9是實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖(剖視)。圖10是實(shí)施例6中，具有相互接觸情形的半導(dǎo)體粉體的示意圖。圖11是實(shí)施例7的結(jié)構(gòu)示意圖(縱向剖視)。圖12是本發(fā)明的實(shí)施例7的結(jié)構(gòu)示意圖(立體狀態(tài)剖視)。圖13是FEB材料樣品的極化強(qiáng)度⑵隨電場(chǎng)(E)變化曲線圖(左)及其相位圖(右)。圖14是FEB材料樣品2500V恒壓充電曲線圖。圖15是FEB材料樣品O. 5mA恒流充電曲線圖。圖16是鐵電體、反鐵電體、線性電介質(zhì)及FEB材料的P_E圖。
圖17是本發(fā)明的第二種FEB場(chǎng)效應(yīng)電池的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(實(shí)施例8)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用的電能儲(chǔ)存原理為場(chǎng)效應(yīng)原理，采用該原理儲(chǔ)存電能的新方法稱為“場(chǎng)效應(yīng)法”(Field Effect Method)，用場(chǎng)效應(yīng)法儲(chǔ)存電能的電池稱為“場(chǎng)效應(yīng)電池”(FieldEffect Battery),簡(jiǎn)稱 “FEB”。場(chǎng)效應(yīng)原理早已為人們所熟知，并被廣泛應(yīng)用于微電子的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，然而這一原理用作電池尚無人提及。圖I是場(chǎng)效應(yīng)法電能儲(chǔ)存原理。在半導(dǎo)體材料的上下兩面分別制作一層很薄(通常為IOOnm以下)的絕緣材料，在絕緣層外面再分別制作一層金屬電極，這就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)效應(yīng)電池。在外加電源E的作用下，半導(dǎo)體(例如η型)中的載流子(例中電子)在電場(chǎng)作用下將向某一電極(圖中正極)運(yùn)動(dòng)，由于受到絕緣層的阻擋而停留在半導(dǎo)體表面形成積累層，同時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)部留下電離的離子實(shí)，形成耗盡層甚至反型層空間電荷區(qū)。為保持電中性，在上下電極中將出現(xiàn)電量相等，符號(hào)相反的自由電荷，去掉外電場(chǎng)后，這一狀態(tài)將繼續(xù)保留，以上過程為充電過程。若將充完電的電池短接或接上用電器，處在兩電極的相反自由電荷將經(jīng)外電路放電，同時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部的積累層電荷也會(huì)與空 間電荷區(qū)的電荷復(fù)合，從而完成放電過程。本發(fā)明所用半導(dǎo)體材料可以是單晶半導(dǎo)體(例如Si、Ge、GaAs等)、陶瓷(多晶)半導(dǎo)體(例如ZnO、SiC等)、有機(jī)半導(dǎo)體(例如P3HT、聚苯胺等)，其導(dǎo)電類型既可以是η型，也可以是P型。絕緣層可用具有高電阻率(可有效阻擋載流子)，抗電強(qiáng)度高、易于制成納米薄膜的無機(jī)絕緣材料或有機(jī)高分子絕緣材料。金屬電極材料可用電導(dǎo)率高、價(jià)格相對(duì)便宜的各類金屬材料制成薄膜、厚膜或塊體，情況視電流大小而定。本發(fā)明中的半導(dǎo)體材料也可以用快離子導(dǎo)體材料取代。在這種情況下，參與充放電過程的載流子，將由“電子”或“空穴”變?yōu)椤半x子”。其相應(yīng)材料為各種快離子導(dǎo)體材料(例如 P-Al2O3 等)。作為儲(chǔ)存方法的實(shí)施方式，本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法采用半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體作為電能儲(chǔ)存媒質(zhì)，在電能儲(chǔ)存媒質(zhì)與電極之間設(shè)置絕緣層，將儲(chǔ)能媒質(zhì)中的載流子與電極中的自由電荷隔離。絕緣層厚度為l(Tl00nm,絕緣材料為無機(jī)絕緣材料或有機(jī)高分子絕緣材料。電能儲(chǔ)存媒質(zhì)為單晶半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體。電能儲(chǔ)存媒質(zhì)的材料可以為半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體，半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體包覆有絕緣材料，粉體包覆的絕緣材料作為絕緣層，絕緣層厚度為l(Tl00nm，半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體粒徑為20ηπΓ5 μ m。關(guān)于電能儲(chǔ)存裝置的實(shí)施方式，參見圖2 9。場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置包括上電極板I、下電極板2和設(shè)置于上電極板I和下電極板2之間的儲(chǔ)能層3,儲(chǔ)能層3包含一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能單元31,儲(chǔ)能單元31包括儲(chǔ)能塊310和設(shè)置于儲(chǔ)能塊310與電極板之間的絕緣層4，所述儲(chǔ)能塊310的材料為半導(dǎo)體材料或快離子導(dǎo)體材料。實(shí)施例I :參見圖2、參見圖3。本實(shí)施例的儲(chǔ)能層3包含一個(gè)儲(chǔ)能單元31，儲(chǔ)能單元31包括儲(chǔ)能塊310和設(shè)置于儲(chǔ)能塊310與電極板之間的絕緣層4，絕緣層4為絕緣材料，厚度為l(Tl00nm。實(shí)施例2 :參見圖4、圖6。作為場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置的第二個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例的儲(chǔ)能層3包含多個(gè)儲(chǔ)能單元31,如圖4所示。儲(chǔ)能單元31的結(jié)構(gòu)參見圖6,包括儲(chǔ)能塊310和絕緣層4。實(shí)施例3 :參見圖5、圖6。作為場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置的第三個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例的儲(chǔ)能層3包括兩層并列的儲(chǔ)能單元31，如圖5所示。儲(chǔ)能單元31的結(jié)構(gòu)參見圖6，包括儲(chǔ)能塊310和絕緣層4。實(shí)施例4 :參見圖7、圖8。
作為場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置的第四個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例的儲(chǔ)能層3內(nèi)包含了多個(gè)球形的儲(chǔ)能單元31。球形的儲(chǔ)能塊310外包覆由絕緣層4，形成儲(chǔ)能單元31。實(shí)施例廣4公開了幾種形狀的儲(chǔ)能單元及不同的排布方式。實(shí)際上，儲(chǔ)能單元的形狀可以為各種幾何體，實(shí)施例公開的形狀及排布方式并非對(duì)本發(fā)明權(quán)利范圍的限制。實(shí)施例5本實(shí)施例的儲(chǔ)能塊310為半導(dǎo)體粉體。儲(chǔ)能層3包含多個(gè)儲(chǔ)能單元31，半導(dǎo)體粉體外包覆由絕緣材料，形成儲(chǔ)能單元。絕緣材料厚度為l(Tl00nm。包覆方式可以參考圖7、圖8，但本實(shí)施例的粉體的粒徑為20ηπΓ5μπι，其尺寸比例不受圖例所限?？梢岳斫鉃閷D7所示的儲(chǔ)能單元尺寸調(diào)整至納米級(jí)或微米級(jí)，即為本實(shí)施例的儲(chǔ)能單元。實(shí)施例6 :參見圖9、圖10。本實(shí)施例的儲(chǔ)能層3由絕緣材料40和分散于絕緣材料40中的半導(dǎo)體粉體構(gòu)成。半導(dǎo)體粉體即為儲(chǔ)能塊310，其周圍的絕緣材料即為絕緣層?；蛟S會(huì)有兩個(gè)或兩個(gè)以上相接觸的粉體，如圖10所示，并未如同理想狀態(tài)相互完全獨(dú)立，在此情況下，其等效于一個(gè)具有不規(guī)則形狀的、體積較大的半導(dǎo)體微粒。以上各實(shí)施例中，儲(chǔ)能塊的材料可以是半導(dǎo)體，也可以是塊離子導(dǎo)體。實(shí)施例5和實(shí)施例6涉及的粉體的進(jìn)一步的說明，可參見下文實(shí)施例7、8中對(duì)半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體粉體的說明。關(guān)于場(chǎng)效應(yīng)電池的第一種實(shí)施方式實(shí)施例7 :參見圖11、圖12。場(chǎng)效應(yīng)電池含有前述場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置，具體的說，包括電能儲(chǔ)存區(qū)100、正性端電極101和負(fù)性端電極102，所述電能儲(chǔ)存區(qū)100由至少兩層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置重疊構(gòu)成，各層場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置的正性電極板連接到正性端電極101，負(fù)性電極板連接到負(fù)性端電極102。圖12中1201為包裹有絕緣層的半導(dǎo)體材料或快離子導(dǎo)體材料，1202為內(nèi)電極，1203為端電極。本實(shí)施方式結(jié)構(gòu)與多層陶瓷電容器相似，所不同的是采用的材料。多層陶瓷電容器利用的是陶瓷介質(zhì)粉體作瓷料。本發(fā)明則是采用半導(dǎo)體材料或快離子導(dǎo)體(通常為rim或μ m級(jí))粉體，在其外面包裹一層納米級(jí)厚度的絕緣層(無機(jī)絕緣材料或有機(jī)聚合物)形成殼芯結(jié)構(gòu)制得，本發(fā)明稱其為FEB材料。所用半導(dǎo)體“芯”可以是η型或P型，也可以是β -Al2O3等快離子導(dǎo)體，其載流子分別為電子、空穴或離子。所述半導(dǎo)體除常規(guī)單晶半導(dǎo)體材料外，更重要的是氧化物半導(dǎo)體，例如ZnO、BaTi03、SnO2, SiC等氧化物半導(dǎo)體材料，這些材料的電阻率可通過施主摻雜及制備工藝控制，它們?cè)诎鼩r(shí)工藝兼容性好。絕緣層“殼”可以為陶瓷(無機(jī)非金屬材料)，也可以是有機(jī)高分子聚合物材料，其厚度在保證顆粒間充分絕緣(阻擋載流子穿越顆粒間界)及能承受足夠高電場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，愈薄愈好，通常應(yīng)在l(TlOOnm。上述納米殼-芯結(jié)構(gòu)材料的制備方法可采用現(xiàn)有的各種粉體修飾(即包裹)技術(shù)，例如射頻濺射、水熱法、噴霧干燥、化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠等。制成儲(chǔ)能裝置或電池時(shí)，可根據(jù)不同材料類型及工藝具體需求添加(或不添加)少量絕緣粘結(jié)劑。以半導(dǎo)體材料為例，半導(dǎo)體“芯”材料采用摻Al2O3的ZnO粉體，Al2O3的添加量為O. lm019T5mol%，ZnO的粒徑為20ηπΓ5 μ m。絕緣層“殼”采用聚酰亞胺，即先將聚酰亞胺粉末溶入有機(jī)溶劑中，再與已摻雜的ZnO粉體混合，進(jìn)行噴霧干燥實(shí)現(xiàn)包裹。將包裹好的粉體壓成Φ IOX Imm圓片，并經(jīng)一定溫度熱處理得到材料樣品。圖13是這種材料的典型極化強(qiáng)度(P) 電場(chǎng)(E)曲線及其相位圖，圖14是恒壓充電曲線，圖15是恒流充電曲線。從以上曲線可見，當(dāng)充電時(shí)間為IOOs (即掃描頻率為
O.OlHz)時(shí)，材料的面電荷密度已達(dá)到104C/cm2以上，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的任何一種鐵電材料；隨著充電時(shí)間的進(jìn)一步延長(即掃描頻率的進(jìn)一步降低)和充電電壓的進(jìn)一步增大，材料的面電荷密度還會(huì)大幅提高。將性能滿足要求的材料，采用類似于多層陶瓷電容器(MLCC)的工藝作成圖12所示多層式FEB，形成單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)電池。將多個(gè)FEB并聯(lián)形成場(chǎng)效應(yīng)電池組便可實(shí)現(xiàn)高壓超大容量電能儲(chǔ)存。關(guān)于場(chǎng)效應(yīng)電池的第二種實(shí)施方式實(shí)施例8 :如圖17所示，本實(shí)施例包括電能儲(chǔ)存區(qū)200、正性端電極201和負(fù)性端電極202，電能儲(chǔ)存區(qū)由一層或多層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置卷繞形成，正性電極板連接到正性端電極，負(fù)性電極板連接到負(fù)性端電極。這種FEB電池即是圖I的擴(kuò)展，以柔性的金屬(如鋁薄)、柔性的有機(jī)聚合物絕緣層(如聚四氟乙烯)、柔性的有機(jī)半導(dǎo)體(如P3HT等)基帶為基礎(chǔ)，卷繞、封裝、制端電極而成。其結(jié)構(gòu)與有機(jī)薄膜電容相似。卷繞的目的在于擴(kuò)大電池面積，提高儲(chǔ)存的電量。電池的半導(dǎo)體層和內(nèi)絕緣層既可采用無機(jī)非金屬材料，也可采用有機(jī)聚合物材料。當(dāng)采用無機(jī)非金屬材料時(shí)，可采用現(xiàn)有的厚/薄膜工藝制膜。實(shí)施例9 :本實(shí)施例FEB采用半導(dǎo)體粉體與絕緣材料復(fù)合或混合，經(jīng)軋制成基帶，并在基帶兩面制備電極而成。通過以上各實(shí)施例可知，本發(fā)明的電能儲(chǔ)存原理與電容器完全不同。電容器儲(chǔ)存電量是因?yàn)榻橘|(zhì)材料在電場(chǎng)下產(chǎn)生極化，因而具有比真空高的介電系數(shù)(ε^> I)。材料介電系數(shù)愈高，相同尺寸下電容器儲(chǔ)存的能量1/2CV2=1/2QV愈高。由極化產(chǎn)生的電流為位移電流；位移電流超前電壓90度相位。由于極化過程中電荷(電子、離子或偶極子)只在局部區(qū)域(通常為A量級(jí))移動(dòng)，因而電容器存儲(chǔ)的總電量有限(目前鐵電材料的最大極化強(qiáng)度為IO2 μ C/cm2量級(jí))。本發(fā)明儲(chǔ)存電量是利用場(chǎng)效應(yīng)原理，電荷在材料內(nèi)部的移動(dòng)是一個(gè)長程過程。正因?yàn)槭禽d流子的長程運(yùn)動(dòng)，因而FEB電池能儲(chǔ)存比電容器更多的電量(可達(dá)IO5 μ C/cm2以上)，這也是將其稱為“電池”的原因。本發(fā)明又有別于傳統(tǒng)電池。由于傳統(tǒng)電池是由氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差，所有原子(離子)得失電子所產(chǎn)生的能量差由參與反應(yīng)物質(zhì)的電負(fù)性(電離能或電子親合勢(shì))所決定，電負(fù)性之差最多不超過5eV，因而電化學(xué)電池的電壓只有幾伏特。在FEB中，不存在化學(xué)反應(yīng)，最高電壓僅由半導(dǎo)體和絕緣層材料自身的性質(zhì)(如電阻率、抗電強(qiáng)度、界面性質(zhì))及厚度所決定，因而電壓可以很高(IO3V以上)。圖16為鐵電電容器、反鐵電電容器、線性電容器及FEB極化強(qiáng)度(單位體積內(nèi)的偶極矩即單位面積儲(chǔ)存的電量)與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖，其中陰影部分對(duì)應(yīng)的是可輸出的能量密度即材料的儲(chǔ)能密度。如前所述，一般線性電容器儲(chǔ)能為1/2QV，即儲(chǔ)能密度為1/2PE。從圖16可以看出FEB極化強(qiáng)度隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加按指數(shù)規(guī)律增大，儲(chǔ)能密度在1/2PE PE之間，在相同場(chǎng)強(qiáng)和極化強(qiáng)度下，儲(chǔ)能效率高于一般電容器。正是由于FEB既具有很高工作電壓，又能儲(chǔ)存大量電荷且具有高儲(chǔ)存效率，因而其儲(chǔ)能密度將很大，有可能突破現(xiàn)有電能儲(chǔ)存的極限。FEB的充放電過程為載流子在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)過程。對(duì)于用半導(dǎo)體材料制作的FEB，不存在宏觀物質(zhì)(離子與原子)的運(yùn)動(dòng)和變換過程，因此具有充放電速度快、電池內(nèi)阻小、可大電流使用、電池壽命長的優(yōu)勢(shì)。FEB的材料可選范圍靈活性大，因而可選那些價(jià)格便宜、環(huán)境友好、可回收處理后再利用的原材料種類。無論是多層式(圖10)或是卷繞式(圖17)FEB，其生產(chǎn)工藝與現(xiàn)有的電容器基本相同，因而可大規(guī)模生產(chǎn)，從而有效降低FEB電池的 生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法，其特征在于，采用半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體作為電能儲(chǔ)存媒質(zhì)，在電能儲(chǔ)存媒質(zhì)與電極之間設(shè)置絕緣層，將儲(chǔ)能媒質(zhì)中的載流子與電極中的自由電荷隔離。
2.如權(quán)利要求I所述的場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法，其特征在于，所述絕緣層厚度為IO^lOOnm,絕緣材料為無機(jī)絕緣材料或有機(jī)高分子絕緣材料。
3.如權(quán)利要求I所述的場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法，其特征在于，所述電能儲(chǔ)存媒質(zhì)為單晶半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體。
4.如權(quán)利要求I所述的場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法，其特征在于，所述電能儲(chǔ)存媒質(zhì)為半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體，半導(dǎo)體粉體或快離子導(dǎo)體粉體包覆有絕緣材料，粉體包覆的絕緣材料作為絕緣層，絕緣層厚度為l(Tl00nm,包覆有絕緣材料的半導(dǎo)體粉體或包覆有絕緣材料的快離子導(dǎo)體粉體粒徑為ZOnnrSiim。(包含了絕緣層的厚度)。
5.場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，包括上電極[I]、下電極[2]和設(shè)置于上電極[I]和下電極[2]之間的儲(chǔ)能層[3]，儲(chǔ)能層[3]包含一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能單元[31]，儲(chǔ)能單元[31] 包括儲(chǔ)能塊[310]和設(shè)置于儲(chǔ)能塊[310]與電極之間的絕緣層[4]，所述儲(chǔ)能塊[310]的材料為半導(dǎo)體材料或快離子導(dǎo)體材料。
6.如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述絕緣層[4]為絕緣材料，厚度為10 100nm。
7.如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，儲(chǔ)能層[3]包含多個(gè)儲(chǔ)能單元[31]，所述儲(chǔ)能塊[310]為半導(dǎo)體粉體，所述絕緣層[4]為包覆于半導(dǎo)體粉體外的絕緣材料，絕緣材料厚度為l(Tl00nm。
8.如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，儲(chǔ)能層[3]包含多個(gè)儲(chǔ)能單元[31]，所述儲(chǔ)能塊[310]為快離子導(dǎo)體粉體，所述絕緣層[4]為包覆于快離子導(dǎo)體粉體外的絕緣材料，絕緣材料厚度為l(Tl00nm。
9.如權(quán)利要求7或8所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能單元[31]的粒徑為20nm 5 u m。
10.如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能層[3]由絕緣材料和分散于絕緣材料中的半導(dǎo)體粉體構(gòu)成。
11.含有權(quán)利要求5、6、7、8、9或10所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置的FEB場(chǎng)效應(yīng)電池，其特征在于，包括電能儲(chǔ)存區(qū)[100]、正性端電極[101]和負(fù)性端電極[102]，所述電能儲(chǔ)存區(qū)[100]由至少兩層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置重疊構(gòu)成，各層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置的正性電極連接到正性端電極[101]，負(fù)性電極連接到負(fù)性端電極[102]。
12.含有權(quán)利要求5、6、7、8、9或10所述的場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置的FEB場(chǎng)效應(yīng)電池，其特征在于，包括電能儲(chǔ)存區(qū)[200]、正性端電極[201]和負(fù)性端電極[202]，電能儲(chǔ)存區(qū)[200]由一層或多層場(chǎng)效應(yīng)電能存儲(chǔ)裝置卷繞形成，正性電極連接到正性端電極[201]，負(fù)性電極連接到負(fù)性端電極[202]。
全文摘要
場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法、場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置和場(chǎng)效應(yīng)電池，涉及電子材料技術(shù)和電能儲(chǔ)存技術(shù)。本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)電能儲(chǔ)存方法采用半導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體作為電能儲(chǔ)存媒質(zhì)，在電能儲(chǔ)存媒質(zhì)與電極之間設(shè)置絕緣層，將儲(chǔ)能媒質(zhì)中的載流子與電極中的自由電荷隔離。本發(fā)明具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高、充放電速度快、電池內(nèi)阻小(可大電流使用)、電池壽命長、對(duì)環(huán)境友好、原材料價(jià)格便宜、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在能源、交通、通訊及日常生活中具有廣泛的用途。
文檔編號(hào)H02J15/00GK102969798SQ20121047327
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者楊傳仁 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)