Настоящее изобретение относится к устройству накопления энергии и, в частности, но не исключительно, к устройству накопления энергии для применения в обеспечении энергией электрических устройств, таких как электрические транспортные средства.
Ограничения обычных электрических батарей, применяемых для обеспечения энергией электрических транспортных средств, подробно описаны в уровне техники, при этом вес батареи и время зарядки значительно ограничивают потенциал накопления энергии. Емкость и вес батареи также являются существенными факторами в портативных электронных устройствах.
Автор настоящей заявки определил необходимость в улучшенной форме устройства накопления энергии для преодоления или, по меньшей мере, облегчения проблем, связанных с известным уровнем техники.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставлено устройство накопления энергии, содержащее: пористую проводящую подложку; изоляционный слой, соприкасающийся с внутренними поверхностями пористой проводящей подложки; и проводящий слой (например, внешний проводящий слой), соприкасающийся с внешними поверхностями изоляционного слоя.
Таким образом, устройство накопления энергии содержит структуру конденсатора, в которой площадь контакта между пористой проводящей подложкой и изоляционным слоем значительно увеличена по сравнению с обычным пластинчатым конденсатором, в котором площадь контакта ограничена площадью поперечного сечения проводящей пластины.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка образует сеть взаимосвязанных пустот (например, при этом каждая пустота соединена с внешней поверхностью пористой проводящей подложки).
В одном варианте осуществления сеть взаимосвязанных пустот проходит от одной боковой стороны пористой проводящей подложки к противоположной боковой стороне пористой проводящей подложки.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка обладает средним эффективным диаметром пор, равным 10-300 нм (например, 20-100 нм или 50-100 нм).
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка выполнена с помощью золь-гель процесса.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка представляет собой углеродный аэрогель.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка является по существу плоской.
В одном варианте осуществления изоляционный слой выполнен на внутренних поверхностях пористой проводящей подложки (например, в виде сплошного слоя).
В одном варианте осуществления проводящий слой выполнен на внешних поверхностях изоляционного слоя (например, в виде твердого слоя).
В одном варианте осуществления изоляционный слой дополнительно соприкасается с внешними поверхностями пористой проводящей подложки (например, выполнен на них).
В одном варианте осуществления изоляционный слой содержит первый и второй покровные слои изоляционного материала, нанесенные последовательно. Таким образом, может быть уменьшен риск появления дефектов или «точечных отверстий», проходящих сквозь всю толщину изоляционного слоя, поскольку дефекты в любом одном слое вряд ли будут сформированы в одинаковом месте на двух отдельно сформированных слоях. В одном варианте осуществления изоляционный слой дополнительно содержит третий покровный слой, нанесенный после второго покровного слоя изоляционного материала (например, для дополнительного уменьшения риска возникновения дефектов, проходящих сквозь всю толщину изоляционного слоя).
В одном варианте осуществления каждый от первого до третьего покровный слой изоляционного материала имеет толщину 2-10 нм (например, около 4 нм). Таким образом, может быть оптимизирована диэлектрическая прочность каждого покровного слоя, так как обычно свойства диэлектрической прочности материала улучшаются (по толщине) при уменьшении толщины.
В одном варианте осуществления изоляционный слой содержит первый слой, выполненный из первого изоляционного материала, и второй слой, выполненный из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала. Таким образом, может быть предоставлен многослойный диэлектрик, в котором могут быть реализованы преимущества обоих материалов.
В одном варианте осуществления первый изоляционный материал обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал (например, по меньшей мере в 10 раз больше, по меньшей мере в 50 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше диэлектрической прочности второго материала). В одном варианте осуществления первый изоляционный материал содержит оксид кремния или алмазоподобный углерод.
В одном варианте осуществления второй материал обладает большей диэлектрической постоянной, чем первый материал. В одном варианте осуществления второй материал содержит слой титаната стронция, оксида титана или полимера (например, нанесенный погружением или прокаткой).
В одном варианте осуществления по меньшей мере один или оба из первого и второго слоев обладают толщиной менее приблизительно 50 нм (например, менее приблизительно 20 нм). Таким образом, толщина каждого слоя может быть выбрана таким образом, чтобы не превышать длину волны де Бройля другого слоя, позволяя сохранять характеристики напряжения, как если бы другой материал почти полностью «отсутствовал». В одном варианте осуществления по меньшей мере один из первого слоя и второго слоя обладает толщиной, приблизительно равной 10 нм.
В одном варианте осуществления каждый или по меньшей мере один из первого и второго слоев обладает толщиной, превышающей приблизительно 5 нм (например, для уменьшения эффективной утечки, вызванной квантовым туннелированием).
В одном варианте осуществления второй слой обладает толщиной, по существу равной или меньшей, чем толщина первого слоя.
В одном варианте осуществления изоляционный слой дополнительно содержит третий слой, выполненный из изоляционного материала, отличающегося от второго изоляционного материала и нанесенный на второй слой.
В одном варианте осуществления третий слой обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал (например, по меньшей мере в 10 раз больше, по меньшей мере в 50 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше диэлектрической прочности второго материала). В одном варианте осуществления третий слой выполнен из такого же материала, что и первый слой.
В одном варианте осуществления проводящий слой обладает толщиной, равной 1-20 нм.
В одном варианте осуществления изоляционный слой содержит: первый слой накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на пористую проводящую подложку и проводящий слой (например, при этом пробивное напряжение первого слоя накопления электроэнергии превышает пороговое напряжение); и второй слой накопления электроэнергии, выполненный с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на пористую проводящую подложку и проводящий слой (например, при этом перед переходом от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации напряжение перехода второго слоя накопления электроэнергии (при котором происходит изменение электроизоляционной конфигурации на электропроводящую конфигурацию) равно или меньше компонента порогового напряжения на втором слое накопления электроэнергии).
Таким образом, перед накоплением энергии с помощью поляризации необходимо выполнить работу для преобразования второго слоя накопления электроэнергии из электроизоляционной конфигурации в электропроводящую конфигурацию, тем самым увеличивая емкость устройства. Данную дополнительно накопленную энергию затем высвобождают при преобразовании второго слоя накопления электроэнергии обратно в электроизоляционную конфигурацию на этапе разрядки.
В одном варианте осуществления пороговое напряжение составляет по меньшей мере 100 вольт (например, по меньшей мере 1000 вольт или даже по меньшей мере 10000 вольт).
В одном варианте осуществления второй слой накопления электроэнергии является ионизируемым, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение второго слоя накопления электроэнергии, на второй слой накопления электроэнергии.
В другом варианте осуществления второй слой накопления электроэнергии содержит множество полупроводниковых деталей (например, деталей, содержащих по меньшей мере один слой легированного полупроводника), электрически расположенных последовательно между пористой проводящей подложкой и проводящим слоем, при этом каждой полупроводниковой детали соответствует пороговое напряжение, при котором ее электрические свойства изменяются от электроизоляционных до электропроводящих.
В одном варианте осуществления второй слой накопления электроэнергии обладает относительной диэлектрической проницаемостью, которая меньше относительной диэлектрической проницаемости первого слоя накопления электроэнергии.
В одном варианте осуществления второй слой накопления электроэнергии содержит твердое тело.
В одном варианте осуществления второй слой накопления электроэнергии содержит текучую среду (например, газ).
В одном варианте осуществления изоляционный слой дополнительно содержит третий слой накопления электроэнергии, расположенный на стороне первого слоя накопления электроэнергии, противоположной второму слою накопления электроэнергии, при этом третий слой накопления электроэнергии выполнен с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на пористую проводящую подложку и проводящий слой (например, при этом перед переходом от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации напряжение перехода третьего слоя накопления электроэнергии меньше или равно компоненту порогового напряжения на третьем слое накопления электроэнергии).
В одном варианте осуществления второй и третий слои накопления электроэнергии обладают разными электрическими свойствами (например, один выбран за свою способность принимать электроны, в то время как другой выбран за свою способность отдавать электроны).
В одном варианте осуществления по меньшей мере один из первого, второго и третьего слоев накопления электроэнергии выполнен по существу равномерной толщины.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предоставлен способ изготовления устройства накопления энергии, включающий этапы: предоставления пористой проводящей подложки; предоставление изоляционного слоя, соприкасающегося с внутренними поверхностями пористой проводящей подложки; и предоставление проводящего слоя, соприкасающегося с внешними поверхностями изоляционного слоя.
В одном варианте осуществления этап приведения изоляционного слоя в соприкосновение с внутренними поверхностями пористой проводящей подложки включает формирование изоляционного слоя на внутренних поверхностях пористой проводящей подложки.
В одном варианте осуществления этап создания проводящего слоя включает формирование проводящего слоя на внешних поверхностях изоляционного слоя.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка остается пористой после этапа формирования изоляционного слоя.
В одном варианте осуществления этап формирования проводящего слоя включает нанесение проводящего материала на внешние поверхности изоляционного слоя.
В одном варианте осуществления этап нанесения изоляционного слоя включает: нанесение первого покровного слоя изоляционного материала на внутренние поверхности пористой проводящей подложки; и после по существу полного формирования первого покровного слоя изоляционного материала нанесение второго покровного слоя изоляционного материала на внешние поверхности первого покровного слоя изоляционного материала.
В одном варианте осуществления этап нанесения изоляционного слоя дополнительно включает: после по существу полного формирования второго покровного слоя изоляционного материала нанесение третьего покровного слоя изоляционного материала на внешние поверхности второго покровного слоя изоляционного материала.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка образует сеть взаимосвязанных пустот, проходящих от одной боковой стороны пористой проводящей подложки к противоположной боковой стороне пористой проводящей подложки.
В одном варианте осуществления изоляционный слой дополнительно выполнен на внешних поверхностях пористой проводящей подложки (например, нанесен на них).
В одном варианте осуществления по меньшей мере один этап нанесения включает нанесение путем осаждения тонкой пленки (например, путем осаждения атомного слоя).
В одном варианте осуществления каждый слой выполнен по существу постоянной толщины.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка обладает средним эффективным диаметром пор, равным 10-300 нм (например, 20-100 нм или 50-100 нм).
В одном варианте осуществления структура выполнена с помощью золь-гель процесса.
В одном варианте осуществления структура представляет собой углеродный аэрогель.
В одном варианте осуществления каждый от первого до третьего изоляционного слоя имеет толщину 2-10 нм (например, около 4 нм).
В одном варианте осуществления этап нанесения изоляционного слоя включает нанесение первого слоя, выполненного из первого изоляционного материала, и нанесение второго слоя, выполненного из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала (например, после формирования первого слоя).
В одном варианте осуществления первый изоляционный материал обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал (например, по меньшей мере в 10 раз больше, по меньшей мере в 50 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше диэлектрической прочности второго материала). В одном варианте осуществления первый изоляционный материал содержит оксид кремния или алмазоподобный углерод.
В одном варианте осуществления второй материал обладает большей диэлектрической постоянной, чем первый материал. В одном варианте осуществления второй материал содержит слой титаната стронция, оксида титана или полимера.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один или оба из первого и второго слоев обладают толщиной менее приблизительно 50 нм (например, менее приблизительно 20 нм). В одном варианте осуществления по меньшей мере один из первого слоя и второго слоя обладает толщиной, приблизительно равной 10 нм.
В одном варианте осуществления каждый или по меньшей мере один из первого и второго слоев имеет толщину, превышающую приблизительно 5 нм.
В одном варианте осуществления второй слой обладает толщиной, по существу равной или меньшей, чем толщина первого слоя.
В одном варианте осуществления этап нанесения изоляционного слоя дополнительно включает нанесение на второй слой третьего слоя, выполненного из изоляционного материала, отличающегося от второго изоляционного материала.
В одном варианте осуществления третий слой обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал (например, по меньшей мере в 10 раз больше, по меньшей мере в 50 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше диэлектрической прочности второго материала). В одном варианте осуществления третий слой выполнен из такого же материала, что и первый слой.
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка содержит по существу плоское тело, образующее центральную продольную ось, и этап формирования (например, нанесения) по меньшей мере одного из слоев, включает вращение пористой проводящей подложки относительно устройства для нанесения слоя вокруг центральной продольной оси.
В одном варианте осуществления этап формирования дополнительно включает одновременное вращение центральной продольной оси пористой проводящей подложки относительно устройства для нанесения слоя вокруг еще одной оси, расположенной под углом относительно центральной продольной оси (например, расположенной под углом около 45 градусов к центральной продольной оси).
В одном варианте осуществления пористую проводящую подложку вращают вокруг центральной продольной оси и еще одной оси на частотах, представляющих собой равные или гармонические частоты.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предоставлен конденсатор, содержащий первую и вторую проводящие детали, разделенные изоляционным слоем, при этом изоляционный слой содержит первый слой, выполненный из первого изоляционного материала, и второй слой, выполненный из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала.
В одном варианте осуществления первый изоляционный материал обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал (например, по меньшей мере в 10 раз больше, по меньшей мере в 50 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше диэлектрической прочности второго материала). В одном варианте осуществления первый изоляционный материал содержит оксид кремния или алмазоподобный углерод.
В одном варианте осуществления второй материал обладает большей диэлектрической постоянной, чем первый материал. В одном варианте осуществления второй материал содержит слой титаната стронция, оксида титана или полимера.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один или оба из первого и второго слоев обладают толщиной менее приблизительно 50 нм (например, менее приблизительно 20 нм). В одном варианте осуществления по меньшей мере один из первого слоя и второго слоя обладает толщиной, приблизительно равной 10 нм.
В одном варианте осуществления каждый или по меньшей мере один из первого и второго слоев обладает толщиной, превышающей приблизительно 5 нм (например, для уменьшения эффективной утечки, вызванной квантовым туннелированием).
В одном варианте осуществления второй слой обладает толщиной, по существу равной или меньшей, чем толщина первого слоя.
В одном варианте осуществления изоляционный слой дополнительно содержит третий слой, выполненный из изоляционного материала, отличающегося от второго изоляционного материала и нанесенный на второй слой.
В одном варианте осуществления третий слой обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал (например, по меньшей мере в 10 раз больше, по меньшей мере в 50 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше диэлектрической прочности второго материала).
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предоставлено устройство накопления энергии, содержащее: первую и вторую проводящие детали, удаленные друг от друга и применяемые для вырабатывания напряжения между ними, превышающего пороговое напряжение; первую деталь для накопления электроэнергии (например, первую электроизоляционную деталь), расположенную между первой и второй проводящими деталями, при этом первую деталь для накопления электроэнергии применяют для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на первую и вторую проводящие детали (например, при этом первая деталь для накопления электроэнергии обладает пробивным напряжением, превышающим пороговое напряжение); и вторую деталь для накопления электроэнергии (например, вторую электроизоляционную деталь), расположенную между первой деталью для накопления электроэнергии и одной из первой и второй проводящих деталей, при этом вторая деталь для накопления электроэнергии выполнен с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на первую и вторую проводящие детали (например, при этом перед переходом от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации напряжение перехода второй детали для накопления электроэнергии (при котором происходит изменение электроизоляционной конфигурации на электропроводящую конфигурацию) меньше или равно компоненту порогового напряжения на второй детали для накопления электроэнергии).
В одном варианте осуществления пороговое напряжение составляет по меньшей мере 100 вольт (например, по меньшей мере 1000 вольт или даже по меньшей мере 10000 вольт).
В одном варианте осуществления вторая деталь для накопления электроэнергии является ионизируемой, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение второй детали для накопления электроэнергии на второй детали для накопления электроэнергии.
В другом варианте осуществления вторая деталь для накопления электроэнергии содержит множество полупроводниковых деталей (например, деталей, содержащих по меньшей мере один слой легированного полупроводника), электрически расположенных последовательно между первой и второй проводящими деталями, удаленными друг от друга, при этом каждой полупроводниковой детали соответствует пороговое напряжение, при котором ее электрические свойства изменяются от электроизоляционных до электропроводящих.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна из первой и второй проводящих деталей содержит проводящую пластину.
В одном варианте осуществления первая деталь для накопления электроэнергии является по существу неподвижной относительно первой и второй проводящих деталей.
В одном варианте осуществления вторая деталь для накопления электроэнергии обладает относительной диэлектрической проницаемостью, которая меньше относительной диэлектрической проницаемости первой детали для накопления электроэнергии.
В одном варианте осуществления вторая деталь для накопления электроэнергии содержит твердое тело.
В одном варианте осуществления вторая деталь для накопления электроэнергии содержит текучую среду (например, газ).
В одном варианте осуществления первая проводящая деталь содержит пористую проводящую подложку (например, с открытопористой структурой).
В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка представляет собой аэрогель (например, проводящий углеродный аэрогель).
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна из первой и второй деталей для накопления электроэнергии содержит пористую структуру. Например, если вторая деталь для накопления электроэнергии содержит текучую среду (например, уплотняемую текучую среду), первая деталь для накопления электроэнергии может содержать пористую структуру и текучая среда второй детали для накопления электроэнергии может проходить в пористую структуру.
В одном варианте осуществления пористая деталь для накопления электроэнергии представляет собой аэрогель (например, аэрогель на основе кремния, легированный для предоставления электрических свойств, желательных для первой и второй деталей для накопления электроэнергии).
В одном варианте осуществления вторая деталь для накопления электроэнергии содержит текучую среду, по меньшей мере одна из первой и второй проводящих деталей может содержать покровный слой (например, покровный слой на своей внутренней поверхности, обращенной к первой детали для накопления электроэнергии), выполненный из того же материала, что и первая деталь для накопления электроэнергии.
В одном варианте осуществления устройство дополнительно содержит третью деталь для накопления электроэнергии (например, третью электроизоляционную деталь), расположенную на стороне первой детали для накопления электроэнергии, противоположной второй детали для накопления электроэнергии, при этом третья деталь для накопления электроэнергии выполнена с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на первую и вторую проводящие детали (например, при этом перед переходом от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации напряжение перехода третьей детали для накопления электроэнергии (например, пробивное напряжение) меньше или равно компоненту порогового напряжения на третьей детали для накопления электроэнергии).
В одном варианте осуществления вторая и третья детали для накопления электроэнергии обладают разными электрическими свойствами (например, одна выбрана за свою способность принимать электроны, в то время как другая выбрана за свою способность отдавать электроны).
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна из первой, второй и третьей деталей для накопления электроэнергии выполнена по существу равномерным слоем.
Варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны в качестве примеров со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показан схематический вид в поперечном сечении устройства накопления энергии согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показаны фрагменты структуры устройства накопления энергии по фиг. 2;
на фиг. 3 показано устройство, применяемое на этапе изготовления устройства накопления энергии по фиг. 1;
на фиг. 4 показан схематический вид в поперечном сечении устройства накопления энергии согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 показан схематический вид в поперечном сечении устройства накопления энергии согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 6 показан схематический вид в поперечном сечении устройства накопления энергии согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 7 показан схематический вид в поперечном сечении устройства накопления энергии согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1 показано устройство 100 накопления энергии, содержащее по существу плоскую пористую проводящую подложку 110, твердый изоляционный слой 120, выполненный на внутренних поверхностях 112 и внешних поверхностях 114 пористой проводящей подложки 110; и твердый внешний проводящий слой 130, выполненный на внешних поверхностях 122 изоляционного слоя 120.
Пористая проводящая подложка 110 образует сеть взаимосвязанных пустот (например, каждая пустота соединена с внешней поверхностью пористой проводящей подложки), сеть взаимосвязанных пустот проходит от одной боковой стороны пористой проводящей подложки к противоположной боковой стороне пористой проводящей подложки. В одном варианте осуществления пористая проводящая подложка 110 представляет собой проводящий углеродный аэрогель (например, выполненный с помощью золь-гель процесса) и обладает средним эффективным диаметром пор, равным 10-300 нм (например, 20-100 нм или 50-100 нм).
Изоляционный слой 120 содержит: внутренний слой 140 накопления электроэнергии, сформированный непосредственно на пористой проводящей подложке 100 и выполненный с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на пористую проводящую подложку 110 и внешний проводящий слой 130; и внешний слой 150 накопления электроэнергии, используемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на пористую проводящую подложку 110 и проводящий слой 130.
Внутренний слой 140 накопления электроэнергии может содержать ионизируемое твердое тело.
Внешний слой 150 накопления электроэнергии может содержать диэлектрический материал.
Как показано на фиг. 2, внутренний и внешний слои 140, 150 накопления электроэнергии обладают малой толщиной поперечного сечения по сравнению с размером пор пористой проводящей подложки 110 и проникают в пористую проводящую подложку 110. Внешний проводящий слой 130 может иметь большую толщину поперечного сечения, но из-за малой толщины поперечного сечения внутреннего и внешнего слоев 140, 150 накопления электроэнергии также проникает в пористую проводящую подложку 110. Таким образом между каждой парой прилегающих слоев обеспечена значительная площадь поверхностного контакта.
Каждый внутренний и внешний слой 140, 150 накопления электроэнергии содержит три последовательно нанесенных покрытия из материала слоя накопления электроэнергии. Таким образом, может быть уменьшен риск появления дефектов или «точечных отверстий», проходящих сквозь всю толщину изоляционного слоя, поскольку дефекты в любом из слоев вряд ли будут сформированы в одинаковом месте на трех отдельно сформированных слоях. В одном варианте осуществления каждый от первого до третьего покровного слоя материала накопления электроэнергии имеет толщину 2-10 нм (например, около 4 нм). Таким образом, может быть оптимизирована диэлектрическая прочность каждого покровного слоя, так как обычно свойства диэлектрической прочности материала улучшаются (по толщине) при уменьшении толщины.
На фиг. 3 показано устройство 200, применяемое на этапе изготовления устройства 100 накопления энергии по фиг. 1 в ходе формирования внутреннего и внешнего слоев 140, 150 накопления электроэнергии. Устройство 200 содержит установочное устройство 210 для фиксации пористой проводящей подложки 110 и устройство 220 для нанесения слоя (например, устройство для осаждения атомного слоя).
Установочное устройство 210 содержит зажимную деталь 212, выполненную с возможностью захвата одного края пористой проводящей подложки 110, первую деталь 214 вращения, выполненную с возможностью вращения зажимной детали 212 относительно устройства 220 для нанесения слоя вокруг первой оси вращения, проходящей вдоль центральной продольной оси пористой проводящей подложки 110, и вторую деталь 216 вращения, выполненную с возможностью вращения первой детали 214 вращения вокруг второй оси вращения, расположенной под углом относительно центральной продольной оси (например, расположенной под углом около 45 градусов к центральной продольной оси).
В одном варианте осуществления установочное устройство 210 выполнено с возможностью вращения пористой проводящей подложки 110 вокруг центральной продольной оси «А» и еще одной оси «В» на частотах, представляющих собой равные или гармонические частоты.
На фиг. 4 показано устройство 300 накопления энергии, основанное на устройстве 100 накопления энергии по фиг.1 и содержащее по существу плоскую пористую проводящую подложку 310, твердый изоляционный слой 320, выполненный на внутренней и внешней поверхностях пористой проводящей подложки 310; и твердый внешний проводящий слой 330, выполненный на внешних поверхностях 322 изоляционного слоя 320.
Изоляционный слой 320 содержит внутренний слой 340 накопления электроэнергии, сформированный непосредственно на пористой проводящей подложке 300 и выполненный с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на пористую проводящую подложку 310 и внешний проводящий слой 330; центральный слой 350 накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на пористую проводящую подложку 310 и проводящий слой 330; и внешний слой 360 накопления электроэнергии, выполненный (подобно внутреннему слою 340 накопления электроэнергии) с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на пористую проводящую подложку 310 и внешний проводящий слой 330.
Как и в устройстве 100 накопления энергии, внутренний, центральный и внешние слои 340, 350, 360 накопления электроэнергии содержат три последовательно нанесенных покрытия материала слоя накопления электроэнергии для уменьшения риска возникновения дефектов или «точечных отверстий», как было описано ранее.
На фиг. 5 показано устройство 400 накопления энергии, содержащее первую и вторую проводящие пластины 410, 420, разделенные изоляционной конструкцией 430.
Изоляционная конструкция 430 содержит: первый твердый слой 440 накопления электроэнергии, выполненный с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на первую и вторую проводящие пластины 410, 420; центральный твердый слой 450 накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на первую и вторую проводящие пластины 410, 420; и второй твердый слой 460 накопления электроэнергии, выполненный (подобно первому слою 440 накопления электроэнергии) с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на первую и вторую проводящие пластины 410, 420.
На фиг. 6 показано устройство 500 накопления энергии, содержащее первую и вторую проводящие пластины 510, 520, разделенные изоляционной конструкцией 530.
Изоляционная конструкция 530 содержит: корпус 532, содержащий первую камеру 534, содержащую первую текучую среду 540 для накопления электроэнергии (например, жидкость или газ), выполненную с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на первую и вторую проводящие пластины 510, 520; центральный твердый слой 550 накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на первую и вторую проводящие пластины 510, 520; вторую камеру 536, содержащую вторую текучую среду 560 для накопления электроэнергии, выполненную (подобно первой текучей среде 540 для накопления электроэнергии) с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на первую и вторую проводящие пластины 510, 520; и уплотнения 538 для изоляции первой и второй камер 534, 536 для предотвращения смешивания первой и второй текучей среды 540, 560 для накопления электроэнергии.
В одном варианте осуществления первая и вторая текучая среда 540, 560 для накопления электроэнергии содержат ионизируемый газ (например, благородный газ) или ионизируемую жидкость.
На фиг. 7 показано устройство 600 накопления энергии, содержащее первую и вторую проводящие пластины 610, 620, разделенные изоляционной конструкцией 630.
Изоляционная конструкция 630 содержит: корпус 632, содержащий первую камеру 634, содержащую первую текучую среду 640 для накопления электроэнергии (например, жидкость или газ), выполненную с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на первую и вторую пористые проводящие пластины 610, 620; центральный твердый слой 650 накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на первую и вторую пористый проводящие пластины 610, 620; вторую камеру 636, содержащую вторую текучую среду 660 для накопления электроэнергии, выполненную (подобно первой текучей среде 540 для накопления электроэнергии) с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на первую и вторую пористые проводящие пластины 610, 620; и уплотнения 638 для изоляции первой и второй камер 634, 636 для предотвращения смешивания первой и второй текучей среды 640, 660 для накопления электроэнергии.
Для минимизации площади контакта между первой и второй текучей средой 640, 660 для накопления электроэнергии и центральным твердым слоем 650 накопления электроэнергии, при этом центральный твердый слой 650 накопления электроэнергии содержит центральную деталь 652 с высоким значением диэлектрической постоянной k и первую и вторую внешние пористые детали 654, 656 с высоким значением диэлектрической постоянной k, в которые проникает первая и вторая текучая среда 540, 560 для накопления электроэнергии.
В одном варианте осуществления первая и вторая текучая среда 540, 560 для накопления электроэнергии содержат ионизируемый газ (например, благородный газ) или ионизируемую жидкость.
Для уменьшения воздействия любого отложения материала в результате ионизации первой и второй текучей среды 540, 560 для накопления электроэнергии первая и вторая пористые проводящие пластины 610, 620 содержат первый и второй внешние покровные слои 612, 622, выполненные из того же материала, что и первая и вторая внешние пористые детали 654, 65 с высоким значением диэлектрической постоянной k. При использовании устройства циклическим образом (например, с переменным током) изменения полярности будет устранять любое перемещение материалов.
Изобретение относится к устройству накопления энергии и может быть использовано в электрических транспортных средствах. Устройство (100) накопления энергии содержит пористую проводящую подложку (110); изоляционный слой (120), соприкасающийся с внутренними поверхностями (112) пористой проводящей подложки (110); и проводящий слой (130), соприкасающийся с внешними поверхностями (122) изоляционного слоя (120), при этом изоляционный слой содержит первый слой накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на пористую проводящую подложку и проводящий слой, также изоляционный слой содержит второй слой накопления электроэнергии, выполненный с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на пористую проводящую подложку и проводящий слой, причем второй слой накопления электроэнергии является ионизируемой текучей средой, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение второго слоя накопления электроэнергии, на второй слой накопления электроэнергии. Повышение емкости устройства накопления энергии за счет увеличения площади контакта пористой проводящей подложки с изоляционным слоем является техническим результатом изобретения. 6 н. и 38 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Устройство накопления энергии, содержащее: пористую проводящую подложку, которая образует сеть взаимосвязанных пустот, соединенных с внешней поверхностью пористой проводящей подложки и образующих внутренние поверхности пористой проводящей подложки; изоляционный слой, соприкасающийся с внутренними поверхностями пористой проводящей подложки; и проводящий слой, соприкасающийся с внешними поверхностями изоляционного слоя, при этом:
изоляционный слой содержит первый слой накопления электроэнергии, применяемый для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на пористую проводящую подложку и проводящий слой; и
изоляционный слой содержит второй слой накопления электроэнергии, выполненный с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения, превышающего пороговое напряжение, на пористую проводящую подложку и проводящий слой, причем второй слой накопления электроэнергии является ионизируемой текучей средой, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение второго слоя накопления электроэнергии, на второй слой накопления электроэнергии.
2. Устройство накопления энергии по п. 1, отличающееся тем, что изоляционный слой дополнительно соприкасается с внешней поверхностью пористой проводящей подложки.
3. Устройство накопления энергии по п. 1 или 2, отличающееся тем, что изоляционный слой выполнен на внутренних поверхностях пористой проводящей подложки.
4. Устройство накопления энергии по п. 3, отличающееся тем, что проводящий слой выполнен на внешних поверхностях изоляционного слоя.
5. Устройство накопления энергии по п. 3, отличающееся тем, что изоляционный слой, образующий первый слой накопления электроэнергии, содержит первый и второй покровные слои изоляционного материала, нанесенные последовательно.
6. Устройство накопления энергии по п. 5, отличающееся тем, что изоляционный слой дополнительно содержит третий покровный слой, нанесенный после второго покровного слоя изоляционного материала.
7. Устройство накопления энергии по п. 5, отличающееся тем, что каждый покровный слой изоляционного материала имеет толщину, равную 2-10 нм.
8. Устройство накопления энергии по п. 3, отличающееся тем, что изоляционный слой, образующий первый слой накопления электроэнергии, содержит первый слой, выполненный из первого изоляционного материала, и второй слой, выполненный из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала.
9. Устройство накопления энергии по п. 8, отличающееся тем, что первый изоляционный материал обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал.
10. Устройство накопления энергии по п. 8, отличающееся тем, что второй материал обладает большей диэлектрической постоянной, чем первый материал.
11. Устройство накопления энергии по п. 8, отличающееся тем, что по меньшей мере один или оба из первого и второго слоев обладают толщиной менее приблизительно 50 нм.
12. Устройство накопления энергии по п. 8, отличающееся тем, что второй слой обладает толщиной, по существу равной или меньшей, чем толщина первого слоя.
13. Устройство накопления энергии по п. 8, отличающееся тем, что изоляционный слой, образующий первый слой накопления электроэнергии, дополнительно содержит третий слой, выполненный из изоляционного материала, отличающегося от второго изоляционного материала, и нанесенный на второй слой.
14. Устройство накопления энергии по п. 13, отличающееся тем, что третий слой обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал.
15. Устройство накопления энергии по п. 1, отличающееся тем, что пороговое напряжение составляет по меньшей мере 100 вольт.
16. Устройство накопления энергии по п. 1, отличающееся тем, что изоляционный слой дополнительно содержит третий слой накопления электроэнергии, расположенный на стороне первого слоя накопления электроэнергии, противоположной второму слою накопления электроэнергии, при этом третий слой накопления электроэнергии выполнен с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на пористую проводящую подложку и проводящий слой, причем третий слой накопления электроэнергии является ионизируемой текучей средой, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение третьего слоя накопления электроэнергии, на третий слой накопления электроэнергии.
17. Устройство накопления энергии по п. 16, отличающееся тем, что второй и третий слой накопления электроэнергии обладают разными электрическими свойствами.
18. Способ изготовления устройства накопления энергии, включающий:
предоставление пористой проводящей подложки;
предоставление изоляционного слоя, соприкасающегося с внутренними поверхностями пористой проводящей подложки; и
предоставление проводящего слоя, соприкасающегося с внешними поверхностями изоляционного слоя,
при этом этап нанесения изоляционного слоя включает нанесение первого слоя, выполненного из первого изоляционного материала, и нанесение второго слоя, выполненного из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что этап приведения изоляционного слоя в соприкосновение с внутренними поверхностями пористой проводящей подложки включает формирование изоляционного слоя на внутренних поверхностях пористой проводящей подложки.
20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что этап предоставления проводящего слоя включает формирование проводящего слоя на внешних поверхностях изоляционного слоя.
21. Способ по п. 19 или 20, отличающийся тем, что пористая проводящая подложка остается пористой после этапа формирования изоляционного слоя.
22. Способ по п. 19 или 20, отличающийся тем, что этап формирования проводящего слоя включает нанесение проводящего материала на внешние поверхности изоляционного слоя.
23. Способ по п. 19 или 20, отличающийся тем, что этап нанесения изоляционного слоя включает:
нанесение первого покровного слоя изоляционного материала на внутренние поверхности пористой проводящей подложки; и
после по существу полного формирования первого покровного слоя изоляционного материала нанесение второго покровного слоя изоляционного материала на внешние поверхности первого покровного слоя изоляционного материала.
24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что этап нанесения изоляционного слоя дополнительно включает:
после по существу полного формирования второго покровного слоя изоляционного материала нанесение третьего покровного слоя изоляционного материала на внешние поверхности второго покровного слоя изоляционного материала.
25. Способ по п. 23, отличающийся тем, что каждый изоляционный слой имеет толщину, равную 2-10 нм.
26. Способ по п. 18, отличающийся тем, что первый изоляционный материал обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал.
27. Способ по п. 18, отличающийся тем, что второй материал обладает большей диэлектрической постоянной, чем первый материал.
28. Способ по п. 18, отличающийся тем, что по меньшей мере один или оба из первого и второго слоев обладают толщиной менее приблизительно 50 нм.
29. Способ по п. 18, отличающийся тем, что этап нанесения изоляционного слоя дополнительно включает нанесение на второй слой третьего слоя, выполненного из изоляционного материала, отличающегося от второго изоляционного материала.
30. Способ по п. 29, отличающийся тем, что третий слой обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал.
31. Способ по любому из пп. 18-20, отличающийся тем, что пористая проводящая подложка содержит по существу плоское тело, образующее центральную продольную ось, и этап формирования по меньшей мере одного из слоев включает вращение пористой проводящей подложки относительно устройства для нанесения слоя вокруг центральной продольной оси.
32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что этап формирования дополнительно включает одновременное вращение центральной продольной оси подложки относительно устройства для нанесения слоя вокруг другой оси, расположенной под углом относительно центральной продольной оси.
33. Конденсатор, содержащий первую и вторую проводящие детали, разделенные изоляционным слоем, при этом изоляционный слой содержит первый слой, выполненный из первого изоляционного материала, и второй слой, выполненный из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала,
при этом изоляционный слой дополнительно содержит третий слой, выполненный из изоляционного материала, отличающегося от второго изоляционного материала, и нанесенный на второй слой.
34. Конденсатор по п. 33, отличающийся тем, что первый изоляционный материал обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал.
35. Конденсатор по п. 33 или 34, отличающийся тем, что второй материал обладает большей диэлектрической постоянной, чем первый материал.
36. Конденсатор по п. 34, отличающийся тем, что по меньшей мере один или оба из первого и второго слоев обладают толщиной менее приблизительно 50 нм.
37. Конденсатор по п. 33 или 34, отличающийся тем, что второй слой обладает толщиной, по существу равной или меньшей, чем толщина первого слоя.
38. Конденсатор по п. 33, отличающийся тем, что третий слой обладает большей диэлектрической прочностью, чем второй изоляционный материал.
39. Устройство накопления энергии, содержащее:
первую и вторую проводящие детали, удаленные друг от друга и предназначенные для вырабатывания напряжения между ними, превышающего пороговое напряжение;
первую деталь для накопления электроэнергии, расположенную между первой и второй проводящими деталями, при этом первая деталь для накопления электроэнергии предназначена для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на первую и вторую проводящие детали; и
вторую деталь для накопления электроэнергии, расположенную между первой деталью для накопления электроэнергии и одной из первой или второй проводящих деталей, при этом вторая деталь для накопления электроэнергии выполнена с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на первую и вторую проводящие детали, при этом вторая деталь для накопления электроэнергии является ионизируемой текучей средой, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение второй детали для накопления электроэнергии, на вторую деталь для накопления электроэнергии,
причем устройство накопления энергии конфигурировано так, что:
перед накоплением энергии с помощью поляризации в первой детали для накопления электроэнергии необходимо выполнить работу для преобразования второй детали для накопления электроэнергии из электроизоляционной конфигурации в электропроводящую конфигурацию, и
энергию, накопленную при преобразовании второй детали для накопления электроэнергии из электроизоляционной конфигурации в электропроводящую конфигурацию, высвобождают при преобразовании второй детали для накопления электроэнергии обратно в электроизоляционную конфигурацию на этапе разрядки.
40. Устройство накопления энергии по п. 39, отличающееся тем, что пороговое напряжение составляет по меньшей мере 100 вольт.
41. Устройство накопления энергии по п. 39, отличающееся тем, что первая деталь для накопления электроэнергии содержит пористую структуру, и ионизируемая текучая среда, образующая вторую деталь для накопления электроэнергии, проходит в пористую структуру.
42. Устройство накопления энергии по п. 39 или 40, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит третью деталь для накопления электроэнергии, расположенную на стороне первой детали для накопления электроэнергии, противоположной второй детали для накопления электроэнергии, при этом третья деталь для накопления электроэнергии выполнена с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на первую и вторую проводящие детали, причем третья деталь для накопления электроэнергии является ионизируемой текучей средой, и электропроводящая конфигурация является ионизированной конфигурацией, образованной путем подачи напряжения, равного или превышающего пробивное напряжение третьей детали для накопления электроэнергии, на третью деталь для накопления электроэнергии.
43. Устройство накопления энергии, содержащее: пористую проводящую подложку, изоляционный слой, сформированный на внутренних поверхностях пористой проводящей подложки; и проводящий слой, соприкасающийся с внешними поверхностями изоляционного слоя,
при этом изоляционный слой, образующий первый слой накопления электроэнергии, содержит первый слой, выполненный из первого изоляционного материала, и второй слой, выполненный из второго изоляционного материала, отличающегося от первого материала.
44. Устройство накопления энергии, содержащее:
первую и вторую проводящие детали, удаленные друг от друга и предназначенные для вырабатывания напряжения между ними, превышающего пороговое напряжение;
первую деталь для накопления электроэнергии, расположенную между первой и второй проводящими деталями, при этом первая деталь для накопления электроэнергии предназначена для накопления энергии в поляризованной конфигурации при подаче напряжения на первую и вторую проводящие детали; и
вторую деталь для накопления электроэнергии, расположенную между первой деталью для накопления электроэнергии и одной из первой или второй проводящих деталей, при этом вторая деталь для накопления электроэнергии выполнена с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на первую и вторую проводящие детали,
причем устройство дополнительно содержит третью деталь для накопления электроэнергии, расположенную на стороне первой детали для накопления электроэнергии, противоположной второй детали для накопления электроэнергии, при этом третья деталь для накопления электроэнергии выполнена с возможностью изменения между электроизоляционной конфигурацией и электропроводящей конфигурацией, при этом переход от электроизоляционной конфигурации к электропроводящей конфигурации происходит в ответ на подачу напряжения на первую и вторую проводящие детали.
| Струйно-акустический датчик температуры | 1973 |
|
SU487317A1 |
| US 2007030623 A1, 08.02.2007 | |||
| US 6215651 B1, 10.04.2001 | |||
| US 2004136140 A1, 15.07.2004 | |||
| US 5742471 A, 21.04.1998 | |||
| Устройство для определения предела текучести | 1979 |
|
SU953996A3 |
