儲存和釋放電能的層合裝置的製作方法

2023-11-06 12:41:37

本發明涉及一種電荷或電能儲放的層合結構元器件。

背景技術：

普通的電容器和充電電池是用於儲存和釋放電荷或電能的常見元器件。

傳統的含有PN結的半導體，外加正向電壓時電荷和電流在其內部能夠傳導，施加反向電壓時不導通，很低的反向電壓（比如>5V）就可能將其擊穿。

超級電容器，又叫雙電層電容器、電化學電容器，它是一種電化學元件，通過極化電解質來儲能。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，實際上形成兩個容性存儲層，多孔電極板的比表面積巨大，所以電容很大。超級電容器正常工作狀態下電壓為3V以下，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解。所以其儲存的能量不如蓄電池大。而蓄電池放電功率小，超級電容大。蓄電池充電較慢，超級電容充電較快。兩者都只能在-40度到70度之間工作。

2015年9月，中國科學院上海矽酸鹽研究所和北京大學的崔厚磊、黃富強等研究者發現了一種全新的超級電容器性能優異的氮化鈮電極材料和氮摻雜的有序介孔石墨烯電極材料。增加了電化學儲能活性，又沒有降低材料的高導電率，比容量高很大，組裝成的對稱器件能快速充電和快速放電，但是耐電壓較低，只有幾伏特（<6V）。

專利申請號為992578353的半導體蓄電池，由殼體、導線、充電極板、絕緣體、pn型半導體板、良導體板組成。它是在殼體內由左至右裝上充電極板、絕緣體和焊接為一體的兩邊是良導體板中間是p、n型半導體板的組合體，殼體兩側和中間分別引出充電極板和良導體板的三根導線。當充電時，由左側充電極板導線連接外加直流電源正極，右側良導體板引出導線連接直流電源負極。放電時，殼體中間引出的良導體板導線和殼體右側良導體板導線與負荷串連。事實上該裝置基本不具有實用價值，因為絕緣體的存在，使其基本不能充電，只能在絕緣體的兩側集聚正負電荷，緊密相連的p、n型半導體板不起任何作用，基本不能放電。

申請號為2006100883842的發明涉及一種高壓電容的電介質配方，為解決目前的電介質在高壓應用領域中存在的耐壓值低、介電常數低、介質損耗大的缺點，本發明鈦酸鋇BaTiO380％、鈦酸鈣CaTiO38-10％、氧化鋅ZnO 0.1-2％、二氧化錳MnO20.1-1％、三氧化二鏑Dy2O34-8％、鈦酸鎂MgTiO33-5％組成電介質，這樣就可以將電容的交流耐壓值提高到1.5kV/mm，介電常數ε≈6000，在100Hz-10kHz的交流工作電流中，介質損耗≤0.0006，適用於作旁路，耦合使用或用於在低頻損耗和電容量高、穩定性都非重要的鑑頻電路中。該發明給出了製造耐高壓電容的有益啟示。

技術實現要素：

發明目的：

本發明提供一種儲能較大、耐壓較高、功率較大的儲存電能和釋放電能的裝置。

技術方案：

一種儲存電能的層合裝置，具有多個連接在一起的內部元件，具有類似電容的結構，在其外圍或者有絕緣體或保護殼體，具有依次連接的第一集電體、第一半導體、介電體、第二半導體、第二集電體，第一集電體和第二集電體上具有能夠分別連接電源正極和負極的引出裝置（類似於電極，所述的集電體厚度介於1μm~5.0mm），以便連接電源後充正負電荷，在兩個集電體之間具有電壓，正負電荷分別位於介電體兩側的集電體內表面（靠近半導體的那面）和半導體內部空間中，能夠實現分別儲存較多的正負電荷和電能的功能；而且充電後正負電荷或傳導電流基本不能在介電體中通過（類似電容器兩極板之間僅供位移電流通過）。

一個或多個該裝置能夠並聯或者串聯，可以共用引出裝置，可以共用絕緣體或保護殼體。

所述的集電體為良導體製成（良導體是以金、銀、銅、鉑金、石墨或者石墨烯等導電率高的材料為主要成分）；所述的半導體主要成分為IVA族元素（C\Si\Ge\Sn\Pb）、IIA~VIA族（優選IIIA~VA族，成本較低，製造較容易）元素的化合物或者IB~VIB族元素（過渡族元素，優選IIIB~VB，成本較低，製造較容易）的化合物；

所述的介電體為絕緣材料層或者為浸漬電解質的隔膜層（電解質的隔膜兩側具有電解質，電解質中的小離子或正負電荷能夠穿越電解質隔膜）製成；

介電體為絕緣材料層時，厚度介於0.01mm-10mm，耐電壓為50V-10KV以上）；介電體為浸漬電解質的隔膜層時，其中的隔膜厚度介於5μm~0.5mm；半導體的厚度介於0.001μm~5mm。

介電體為浸漬電解質的隔膜層時，第一半導體與介電體之間還有鋰離子電池正極材料（含鋰化合物，LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiFeO、LiWO 等），或者第一半導體與鋰離子電池的正極材料組合、複合或聚合為第一結合體；介電體與第二半導體之間還有鋰離子電池負極材料（負極化合物有LiC、TiS、WO、NbS、VO、焦炭、石墨等），或者第二半導體與鋰離子電池的負極材料組合、複合或聚合為第二結合體；（所述的組合是指半導體與鋰離子電池電極材料的片材或者塊材之間的層合或嵌合，所述的複合是指半導體與鋰離子電池電極材料的纖維、顆粒或基體之間的結合，所述的聚合是指構成半導體與構成鋰離子電池電極材料的原子、原子團或者分子鏈之間的結合）。

介電體為浸漬電解質的隔膜層時，第一半導體與介電體之間還有超級電容使用的多孔正極材料，或者，第一半導體與超級電容使用的多孔正極材料組合、複合或聚合為第一結合體；介電體與第二半導體之間還有超級電容使用的多孔負極材料，或者，第二半導體與超級電容使用的多孔負極材料組合、複合或聚合為第二結合體。

該裝置類似於電容，但是與單純的平行板電容器不同，其電荷聚集的空間位置非面狀，而是在三維空間分布，具有特殊的電學特性，經過具體實施數據驗證，其電容的實際數值不同於傳統的平行板電容計算公式計算得出的結果；該裝置的電容特性也不同於PN結的勢壘電容和擴散電容，正反向加電壓時，均可以具有電容，而且一般遠大於勢壘電容和擴散電容。

本發明中，所述的半導體優選是N型半導體或者P型半導體，P型半導體為摻雜IIA或IIIA族元素的半導體，N型半導體為摻雜VA或VIA族元素的半導體，它們的摻雜濃度介於1015-1022/g的數量級之間（優選1018~1021/g，自由電荷更多，能夠儲存電能的能量更大，濃度太大了摻雜不易實現）。

本發明中，所述的第一半導體與第二半導體可以是不同品種的半導體（採用不同類型的半導體，加載相同的電壓後，儲存的電量比採用相同類型的半導體更多。優選所述的第一半導體是N型半導體，第二半導體是P型半導體，正負電荷在充電電路或外電路中的移動更順暢；或者，第一半導體是P型半導體，第二半導體是N型半導體，與它們在介電體中產生的內電場方向一致，可以加強充電瞬間介電體中位移電流的通過能力），自由電子和空穴分別流向電源的正極或負極，使得所充正負電荷和可以釋放的電荷更多，儲存電能的能量更大。

本發明中，所述的集電體厚度介於1μm~5.0mm（優選0.02~2.0mm，滿足大電壓電流和體積較小的要求）；介電體厚度介於1μm~10mm（優選厚度為0.1mm~2mm，使得該裝置耐高壓，電容容量又較大，點功率更大）；半導體的厚度介於0.001μm ~5mm（優選1μm ~1mm，使得該裝置中自由電子和空穴較多，耐較大電壓電流，裝置的電容容量又不太小）。

本發明中，該裝置可以是平行板狀、柱狀、塊狀、纏繞狀；或者，半導體包裹在集電體內部，介電體包裹在半導體內部；或者，集電體包圍在半導體中，半導體預埋在介電體中。可以數個該裝置並聯或者串聯後再共用正負極引出裝置。

本發明中，在第一集電體的外側可以依次連接有含PN結的元件（或含PN結的半導體，單向通電）、第三集電體，PN結的P區連接第三集電體，PN結的N區連接第一集電體。第三集電體具有能夠連接電極的引出裝置。作用是充電容易進行；充電或斷電時，防止誤操作接反，防止漏電。

該裝置儲存電能或充電時，充電電源的正極連接第一集電體或者第三集電體，充電電源的負極連接第二集電體。

本發明中，P型半導體、N型半導體中，各自摻雜元素的摻雜濃度在不同部位有所變化。兩側加電壓後，在內電場的影響下，自由電子和空穴在半導體內部分布更加均勻，而不是靠近集電體表面或者介電體表面，便於儲存更多電荷。

本發明中，介電體或者半導體的表面可以有良導體面層。

本發明中，優選介電體是介電常數為1000~20000的鈦酸鹽為主要成分的陶瓷（如介電陶瓷或者壓電陶瓷），該裝置電容較大，並且能耐10V~10000V的電壓（可以集中在100V~1000V的市電電壓區間，使用更加方便）。

本發明中，優選P半導體為摻雜硼元素或鎵元素的單層或多層石墨烯、碳納米管、碳氣凝膠、活性碳纖維或多孔石墨，N型半導體為摻雜氮元素或磷元素的石墨烯、碳納米管或多孔石墨導電性更好，自由電子或空穴移動的速度接近光速，衝放電荷速度更快。上述的儲存電能的裝置可以直接連接用電元器件（電動機或燈、顯示屏、控制器等）放電；也可以先與電感器或電容器或電阻連接，然後與用電元器件連接，電路中能夠產生振蕩（甚至諧振或接近諧振），使得該裝置的放電時間延長，用電元器件能夠長久工作。

該裝置釋放電能或放電時，用電元器件的正極連通第一集電體，用電元器件的負極連通第二集電體。

本發明先再連接整流電路、變壓電路或者整流濾波電路（產生直流電或者穩壓電流供給用電器使用，類似電池的功能），然後與用電元器件連接。

本發明可以在50-200℃的溫度下使用，半導體中會產生更多的電子-空穴對，能夠儲存和釋放的電能能量更多。

本發明的P型半導體電極層+介電體層+N型半導體電極層與傳統的PN結不同，電荷和電流在其內部完全不能傳導，傳導電荷和電流只能在連接充電電源或用電元器件時在外電路中存在並通過。

另外，釋放電能的裝置可以作為電池或超級電容器使用，用於驅動用電元器件；也可與蓄電池並聯應用於發動機的電啟動系統，能有效保護蓄電池，延長其壽命，特別是在低溫和蓄電池容量不足的情況下，確保可靠啟動。有益效果：

與傳統的超級電容器（電化學電容器、電雙層電容器）、電解電容器均不同（大比表面積電極，極小距離的雙電荷層，電解液傳輸電荷，高分子隔膜做隔離材料）；與傳統的平行板電容器也不同（極板是半導體，而且兩級是不同類型的摻雜半導體）。

由於本發明具有高介電常數的介電體存在，不易擊穿，耐高壓（100V~1000V，傳統的超級電容器、電解電容器、電池的耐壓<10V）、耐大電流（不易擊穿）、無電解質和隔膜（耐高低溫、不爆炸）、比超級電容略小的大電容（C=εS/4πkd，ε大，d大，表面積與平行板電容器類似，但是源於三維空間可儲存的電荷與超級電容器相當，實際積存電荷的表面積相當於大得多）、大比能量（由於電壓高）、大比功率、更快速充放電（自由電子和空穴在半導體中的充放速度接近光速，尤其是摻雜的石墨烯或石墨層，而超級電容器的電解質中電荷的移動速度慢很多）、充放電循環次數很多、壽命長久。釋放電能時間、電流大小、電壓大小可調控。

本發明在溫度升高時，電子可以獲得更高能量躍遷到導帶上，產生更多的電子-空穴對，產生的電壓電流、能量和功率更大，傳統的超級電容器和電解電容，是不能高溫工作的。

附圖說明

圖1是發明的一種剖面結構示意圖；

圖2是發明的另一種剖面結構示意圖；

圖中，1-空穴；2-第一集電體；3-第一半導體；4-介電體；5-第二半導體；6-第二集電體；7、自由電子；8-負極的引出裝置；9、10-正極的引出裝置；11、PN結，12-第三集電體。

具體實施方式

如圖2所示的儲存電能的層合裝置，具有類似電容的結構，具有依次連接的第三集電體、含PN結的半導體、第一集電體、第一半導體、介電體、第二半導體、第二集電體，第一集電體和第二集電體、第三集電體具有能夠分別連接電源正極和負極的引出裝置，以便充電荷後在兩個集電體之間具有電壓，實現儲存電能和釋放電能的功能。

所述的集電體為良導體製成；所述的半導體主要成分為IVA族元素或者IIIA-VA族元素的化合物；是N型半導體或者P型半導體，P型半導體為摻雜IIA或IIIA族元素的半導體，N型半導體為摻雜VA或VIA族元素的半導體，它們的摻雜濃度介於1018-1020/cm3的數量級。所述的介電體為絕緣材料製成。

所述的集電體厚度介於0.2-2.0mm；介電體厚度介於0.1~2mm；半導體的厚度介於0.1μm ~0.5mm。當介電體的介電常數為1000~10000時，其單位面積的電容數值與只有介電體和集電體（或稱電極板）的普通平行板電容（其介電體厚度與本發明的介電體相同或者為與本發明的介電體厚度與半導體厚度之和相同時）電容數值具有相關性，與半導體的品種和其中的摻雜濃度也有密切相關性。遠大於普通PN結的兩種電容的電容數值。

該裝置充電時，充電電源的正極連接第一集電體或者第三集電體，充電電源的負極連接第二集電體。該裝置放電時，用電元器件的正極連通第一集電體，用電元器件的負極連通第二集電體。可以儲存和釋放較多的電荷，實現儲能和放電的功能。