用於產生電力的裝置及方法

2024-01-22 11:40:15

專利名稱：用於產生電力的裝置及方法
技術領域：
本發明在其某些實施例中涉及能量轉換，且更明確地但非排他性地涉及用於產生電力的裝置及方法。
背景技術：
能量轉換系統接收一種形式的能量並將其轉換成另一種形式的能量。例如熱電轉換器接收熱能並產生電力。一種類型的熱電轉換器採用塞貝克熱電效應(Seebeck thermoelectric effect)，根據該效應電流是在相異導電材料的兩個結點之間產生。基於kebeck的熱電產生器通常被用作還被稱為熱電偶的溫度傳感器，但是還已試圖使用熱電產生器來給電子電路供電(例如參見國際專利公開第WO 07/149185號)。另一種類型的熱能轉換器是採用熱離子發射效應的熱離子轉換器，根據該效應在充分高的溫度下可自固體表面發射出電子。熱離子轉換器通常包括熱體及冷體且熱梯度為至少幾百攝氏度。為了發生熱離子發射效應，使該熱體保持在充分高的溫度(通常大於 IOOO0C )下。電子自該熱體的表面發射且與該冷體的表面碰撞，由此產生跨越所述表面之間的空隙的電壓。熱離子轉換器的說明可在美國專利第7，109，408號中找到。該熱離子轉換器的操作原理不同於熱電產生器的操作原理。一個差異在於跨越該裝置的電荷傳輸的性質。在熱離子轉換器中，電荷傳輸是通過自由電子的運動而管控的，而在熱電產生器中，電荷傳輸是通過處於物理接觸的導體中的電子及空穴的擴散而管控的。附加類型的熱轉換器為採用量子力學隧穿效應的熱隧穿轉換器，根據該效應粒子可穿透高於其動能的勢壘。熱隧穿轉換器包括熱表面及冷表面，且通常在真空中操作。使所述表面保持充分地彼此接近以便允許電子通過隧穿自熱表面移動至冷表面。熱隧穿轉換器的說明在美國專利第3，169，200號及第6，876，123號中找到。合併所述熱離子及熱隧穿原理的混合能量轉換器在美國專利第6，489，704號中公開。還感興趣的是J. M. Dudley 在 hfinite Energy Magazine 66 (2006) 21 中發表的名禾爾為「Maxwell』 s Pressure Demon and the Second Law of Thermodynamics，，的論文。Dudley描述一種包括一對鋁板的裝置，其中在所述鋁板之間有兩個玻璃纖維篩網 (screen)且在所述玻璃纖維篩網之間有銅箔。Dudley聲稱當在所述鋁板上施加壓力時增加跨越該裝置的電壓降。Dudley試圖不考慮環境溼度以便排除或減少電化學反應的影響並認定該電壓降起因於隧穿效應。

發明內容
本發明的某些實施例涉及用於產生電力的裝置，其自氣體分子的熱運動取得能量。在本發明的某些實施例中，該裝置包括一對隔開的由不同材料製成的表面、及位於所述表面之間的氣體介質。每個該表面對及中間的氣體在文中可稱為電池。氣體分子在該對的第一表面處變成帶電且通過熱運動而移動至該對的第二表面以將淨電荷自該對的第一表面轉移至該對的第二表面。在本發明的某些實施例中，整個系統是在環境或接近環境溫度下操作。不想受任何特定理論束縛，據信在所述表面之間的電荷的傳輸受兩種機制之間的相互作用的影響。第一機制為該氣體介質與熱源(其可以是環境)之間的熱交換。第二機制為氣體介導的電荷轉移，其在下文中被進一步詳述且在隨後的示例章節中被例證。該熱交換維持氣體分子的熱運動，且該氣體介導的電荷轉移維持兩個表面之間的電位差。由於其熱能，充分快的氣體分子可將電荷自一個表面傳輸至另一表面。由於所述氣體分子與表面之間的相互作用，所以可發生電荷轉移。如在下文中所述，該相互作用可為瞬時的(例如經由彈性或非彈性碰撞過程)或持久的(例如經由吸附-解吸附過程)。當氣體分子與該第一表面相互作用時，該第一表面可例如通過將電子轉移至該氣體分子或自該氣體分子轉移電子而使該分子帶電。當帶電的氣體分子與該第二表面相互作用時，該第二表面可自帶電的氣體分子接收過量電荷。因此，該第一表面用作電荷施體 (donor)表面且該第二表面作為電荷受體(receiver)表面，或反之亦然。可選地在沒有任何外部施加的電壓的情況下，轉移的電荷在所述表面之間產生電位差，且可用以產生電流。據信作為由於氣體分子在跨越該空隙傳輸電荷時作功(克服其像電荷的吸引力) 而減慢的結果，該氣體冷卻。為了提供穩態系統，優選地例如自環境將熱能轉移至該氣體。由於所述表面之間的電位差是通過用作電荷傳輸器的分子自一個表面至另一表面的熱運動而產生，所以不需要維持所述表面之間的溫度梯度。因此，這兩個表面可在彼此的50°C內或在10°C內或在1°C內。在本發明的某些實施例中，所述表面的以開爾文溫標 (Kelvin scale)表示的溫差小於5%或小於3%或小於2%，例如1%或更小。在本發明的各種示例性實施例中，這兩個表面可基本上處於相同溫度下。雖然就該電池或裝置的操作而言不需要極端的溫度條件，但是能夠成為高效電荷傳輸器的高速氣體分子的比例隨溫度而增加。因此，預期任何特定電池或裝置的效率在其操作範圍內隨溫度的增加而增加。在本發明的各種示例性實施例中，這兩個表面處於在400°C以下或在 200°C以下或在100°C以下或在50°C以下的溫度下。在本發明的某些實施例中，這兩個表面是處於小於30°C且大於15°C的溫度下，例如處於室溫(例如約25°C)或在其附近。在本發明的某些實施例中，這兩個表面處於小於15°C且大於0°C的溫度下，且在本發明的某些實施例中，這兩個表面處於小於0°C的溫度下。在本發明的各種示例性實施例中，該第一表面將特定極性的電荷轉移至氣體介質的能力不同於該第二表面將電荷轉移至氣體介質的能力。該配置允許所述氣體分子在與表面之一相互作用時獲得電荷且在與另一表面相互作用時失去電荷。當所述表面經由電觸點而連接到外部電力負載時，電流通過該負載自更可能使氣體介質失去負電荷的表面流至更可能自氣體介質得到負電荷的表面。理解的是，為了提供高效的電荷轉移，大量的帶電分子應該自該第一表面行進至第二表面。在本發明的優選實施例中，所述表面之間的距離足夠小，使得符合本條件。充分小的空隙減少分子間的碰撞數並降低通過該帶電分子而產生的像電荷勢壘，因此增加充分快的分子離開第一表面的附近以成功越過該空隙且不會與其它氣體分子碰撞並將電荷移至該第二表面的可能性。優選地，所述表面之間的空隙大約為所述氣體分子的平均自由程。一般而言，期望的是，所述表面之間的距離為在操作的溫度及壓力下所述分子的平均自由程的小於10倍且優選地小於5倍、2倍或者某個更小或中間倍數。其理想地應該是一個平均自由程或更小。一般而言，期望的是，所述表面之間的距離小於1000納米(nm)、更優選地小於100納米、更優選地小於10納米、且理想地(但不必)小於2納米。不管上述理論的正確性，本發明人已發現在特定環境下，電流及電壓可通過系統的兩個元件之間的氣體介導的電荷轉移而產生，其中除了經由所述氣體分子的熱能外未將能量輸入到該系統。可將數個該電池布置在一起以形成電源裝置。在本實施例中，將所述電池布置於其中以便允許電流在以串聯布置的相鄰電池之間流動。該電池優選地串聯及/或並聯布置，其中與單一電池相比該串聯布置提供增加的電壓輸出且該並聯布置提供增加的電流。根據本發明某些實施例的方面，提供用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；該第一表面可用來將電荷轉移至與該第一表面相互作用的氣體分子，且該第二表面可用來自與該第二表面相互作用的氣體分子接收該電荷；其中在不存在外部施加的電壓的情況下所述表面之間的電位差通過該電荷轉移而產生。根據本發明某些實施例的方面，提供用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；該第一表面可用來將電荷轉移至與該第一表面相互作用的氣體分子，且該第二表面可用來自與該第二表面相互作用的氣體分子接收該電荷；其中該空隙小於1000納米。根據本發明某些實施例的方面，提供用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；該第一表面可用來將電荷轉移至與該第一表面相互作用的氣體分子，且該第二表面可用來自與該第二表面相互作用的氣體分子接收該電荷；其中該第一表面與第二表面在彼此的50°C內。根據本發明某些實施例的方面，提供用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；該第一表面可用來將電荷轉移至與該第一表面相互作用的氣體分子，且該第二表面可用來自與該第二表面相互作用的氣體分子接收該電荷；其中該第一表面與第二表面處於小於200°C的溫度下。根據本發明的某些實施例，該第一表面具有正電荷可轉移性，而該第二表面具有負電荷可轉移性。根據本發明某些實施例的方面，提供用於產生電力的電池裝置。該電池裝置包括 與第一電觸點電連通(communication)的第一表面；與第二電觸點電連通且在該第一表面的50°C內的第二表面；以及位於所述表面之間的空隙內的氣體介質；其中該第一表面具有正電荷可轉移性，且其中所述電觸點可連接至負載以使負載電流自第一表面流經該負載到
第一表面。根據本發明的某些實施例，至少一個表面為導電襯底的表面。
根據本發明的某些實施例，至少一個表面為具有小於10_9S/m的導電率的襯底的表面。根據本發明某些實施例的方面，提供電源裝置。該電源裝置包括多個如文中所述的電池裝置，其中至少一對相鄰電池裝置通過導體而互連，使得電流通過該導體自該對的第一裝置的第二表面流至該對的第二裝置的第一表面。根據本發明的某些實施例，所述相鄰電池裝置對是以串聯及並聯布置而布置的， 使得該電源裝置的電流大於任何單一電池的電流且使得該電源裝置的電壓大於任何一個電池裝置的電壓。 根據本發明某些實施例的方面，提供電源裝置。該電源裝置包括第一導電電極及第二導電電極；在所述電極之間的第一電池裝置堆(stack)及第二電池裝置堆，每個電池裝置如文中所述；其中在每個堆中，該堆的每個相鄰電池裝置對通過導體而互連，使得電流通過該導體自該對的第一電池裝置的第二表面流至該對的第二電池裝置的第一表面；且其中該第一堆及第二堆自第一電極將電荷輸送至第二電極。根據本發明的某些實施例，該導體為具有兩側的導電襯底，該襯底的一側構成一個電池裝置的表面，而相對側構成相鄰電池裝置的表面。根據本發明的某些實施例，該導體為塗覆有導電材料的襯底，使得在該襯底的第一側與該襯底的第二側之間產生導電性，其中該導體為具有兩側的導電襯底，該襯底的一側構成一個電池裝置的表面，而相對側構成相鄰電池裝置的表面。根據本發明的某些實施例，所述電池的表面以有序或隨機方式彼此重疊，使得單一襯底的表面是部分由至少兩電池共享。根據本發明某些實施例的方面，提供將熱能直接轉換成電力的方法。該方法包括 提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與該第一表面相互作用以將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；並使一部分所述氣體分子與第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將該電荷轉移至第二表面，由此在所述表面之間產生電位差；其中該空隙小於1000納米。根據本發明某些實施例的方面，提供將熱能直接轉換成電力的方法。該方法包括 提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與該第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；並使一部分所述氣體分子與第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將該電荷轉移至第二表面，由此在所述表面之間產生電位差；其中該第一表面及第二表面在彼此的50°C內。根據本發明某些實施例的方面，提供將熱能直接轉換成電力的方法。該方法包括 提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與該第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；並使一部分所述氣體分子與第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將該電荷轉移至第二表面，由此在所述表面之間產生電位差；其中該第一表面及第二表面處於小於200°C的溫度下。根據本發明某些實施例的方面，提供將熱能直接轉換成電力的方法。該方法包括 提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與該第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；並使一部分所述氣體分子與第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將該電荷轉移至第二表面，由此在所述表面之間產生電位差；其中所述表面之間的電位差在不存在外部施加的電壓的情況下通過該電荷轉移而產生。根據本發明的某些實施例，表面之一使所述氣體分子帶電且另一表面中和 (neutralize)所述帶電的氣體分子。根據本發明的某些實施例，這兩個表面都使氣體分子帶電，一個表明使氣體分子帶正電，而另一表面使氣體分子帶負電。根據本發明的某些實施例，所述表面之間的任何電壓在不存在外部施加的電壓的情況下通過該電荷轉移而產生。根據本發明的某些實施例，該裝置進一步包括用於防止該氣體介質洩露的密封外
tJXi O根據本發明的某些實施例，該密封外殼內的壓力高於環境壓力。根據本發明的某些實施例，該密封外殼內的壓力低於環境壓力。根據本發明的某些實施例，該密封外殼內的壓力高於1. 1個大氣壓。根據本發明的某些實施例，該密封外殼內的壓力高於2個大氣壓。根據本發明的某些實施例，該空隙小於1000納米或小於100納米或小於10納米或小於5納米或小於2納米。根據本發明的某些實施例，該第一表面與第二表面在彼此的50°C內或在10°C內或在rc內。根據本發明的某些實施例，該第一表面與第二表面處於小於200°C或小於100°C 或小於50°C的溫度下。根據本發明的某些實施例，該第一表面與第二表面基本上是平滑的且通過隔片 (spacer)而隔開。根據本發明的某些實施例，該空隙通過自所述表面中的至少一個向外突起的粗糙特徵而維持。根據本發明的某些實施例，所述表面中的至少一個包括至少一個選自由以下所組成的群組的磁性或非磁性物質金屬、半金屬、合金、本徵或摻雜、無機或有機半導體、介電材料、層狀材料、本徵或摻雜聚合物、導電聚合物、陶瓷、氧化物、金屬氧化物、鹽、冠醚、有機分子、季銨化合物、金屬陶瓷、及玻璃與矽酸鹽化合物。根據本發明的某些實施例，所述表面每個都獨立地包括至少一個選自由以下所組成的群組的磁性或非磁性物質鋁、鎘、鉻、鈷、銅、釓、金、石墨、石墨烯(graphene)、鉿、鐵、 鉛、鎂、錳、鉬、鈀、鉬、鎳、銀、鉭、錫、鈦、鎢、鋅；銻、砷、鉍；氧化石墨、氧化矽、氧化鋁、二氧化錳、氧化鎳錳、二氧化鎢、三氧化鎢、氧化錫銦、氧化鈣、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化鍶、 氧化銅鋇鈣釔；黃銅、青銅、鋁鋼(duralumin)、殷鋼(invar)、鋼、不鏽鋼；硫化鋇、硫化鈣； 本徵或摻雜矽晶圓、鍺、矽、砷化鎵鋁、硒化鎘、砷化錳鎵、碲化鋅、磷化銦、砷化鎵及聚乙炔； MAC0R\氮化鋁、氮化硼、氮化鈦、六硼化鑭；碳化鉿、碳化鈦、碳化鋯、碳化鎢；鈦酸鋇、氟化鈣、鈣鹽、稀土鹽、鋯鹽、錳鹽、鉛鹽、鈷鹽、鋅鹽；矽化鉻、Cr3Si-SiO2, Cr3C2-Ni、TiN-Mo ；玻璃及金雲母(phlogopite mica)、苯胺黑(nigrosine)、石油磺酸鈉(sodium petronate)、聚乙烯亞胺、馬拉加膠(gum malaga) ,0L0A 1200、卵磷脂、基於本徵及摻雜的硝酸纖維素的聚合物、基於聚氯乙烯的聚合物、及丙烯酸樹脂。根據本發明的某些實施例，所述表面包括至少一個獨立地選自由以下所組成的群組的物質鋁、鉻、釓、金、鎂、鉬、不鏽鋼、矽石、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原的氧化石墨、石墨、石黑烯、矽化鉻矽石、氟化銫、H0PG、碳酸鈣、氯酸鎂、玻璃、金雲母、氮化鋁、氮化硼、玻璃陶瓷、摻雜硝酸纖維素、經硼摻雜的矽晶圓、及經磷摻雜的矽晶圓。根據本發明的某些實施例，該第一表面及第二表面中的每一個通過石墨烯襯底而支撐。根據本發明的某些實施例，該第一表面及第二表面中的每一個通過石墨襯底而支撐。根據本發明的某些實施例，該第一表面及第二表面中的每一個是改性石墨或石墨烯襯底。根據本發明的某些實施例，該第一表面及第二表面中的一個是改性石墨或石墨烯襯底，而另一個為未改性石墨或石墨烯襯底。根據本發明的某些實施例，該第一表面包括至少一個選自由以下所組成的群組的物質金、鎂、氟化銫、H0PG、碳酸鈣、鋁、鉻、釓、鉬、不鏽鋼、矽石、金雲母、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原的氧化石墨、石墨、石墨烯、矽化鉻矽石、經硼摻雜的矽晶圓、經磷摻雜的矽晶圓、及氮化硼。根據本發明的某些實施例，該第二表面包括至少一個選自由以下所組成的群組的物質金、氯酸鎂、鋁、玻璃陶瓷、摻雜硝酸纖維素、玻璃、矽石、氮化鋁、及經磷摻雜的矽晶圓。根據本發明的某些實施例，該氣體介質包括至少一個選自由以下所組成的群組的元素商素、氮、硫、氧、含氫的氣體、惰性氣體、鹼性氣體及稀有氣體。根據本發明的某些實施例，該氣體介質包括至少一個選自由以下所組成的群組的氣體At2、Br2、C12、F2、12、WF6、PF5、SeF6、TeF6、CF4、AsF5、BF3、CH3F、C5F8、C4F8、C3F8、C3F6O、C3F6、 GeF4, C2F6, CF3COCl、C2HF5、SiF4, H2FC-CF3^ CHF3> CHF3> Ar, He、Kr、Ne、Rn, Xe、隊、NF3> NH3> NO、 NO2, N2O, SF6, SF4, SO2F2, 02、CO、CO2, H2、氘、i-C4H10, CH4, Cs、Li、Na、K、Cr、Rb 及 Yb。根據本發明的某些實施例，該氣體介質包括至少一個選自由以下所組成的群組的氣體六氟化硫、氬、氦、氪、氖、氙、氮、甲烷、四氟化碳、八氟丙烷(octofluoropropane)^K 蒸汽及空氣。根據本發明的某些實施例，該氣體介質在裝置操作期間不被消耗。根據本發明某些實施例的方面，提供一種方法，其包括提供至少一個具有第一表面及第二表面的電池裝置，其中位於所述表面之間的空隙填充有其中具有電活化粒種 (species)的液體介質，該空隙小於50微米；在該第一表面與第二表面之間施加電壓以誘發該電活化粒種與至少一個表面的電化學或電泳相互作用，由此使該經相互作用的表面的表面性質改性；並排出至少一部分液體以便使該空隙減少至少50%。根據本發明的某些實施例，就多個電池裝置而言同時執行該方法。根據本發明的某些實施例，該排出使空隙減少至少90%。根據本發明的某些實施例，在進行表面改性前，該第一表面及第二表面由相同材料製成，且所述電活化粒種選擇為使得在電沉積後，該第一表面的特性電荷可轉移性不同於第二表面的特性電荷可轉移性。根據本發明的某些實施例，該相同材料為石墨烯。
根據本發明的某些實施例，該相同材料為石墨。根據本發明的某些實施例，所述電活化粒種選自由鹽及染料組成的群組。除非另有定義，文中使用的所有技術及/或科學術語具有如本發明所屬領域的普通技術人員普遍理解的相同意義。雖然可使用與文中所述的類似或相當的方法及材料以實踐或測試本發明的實施例，但是下面描述示例性方法及/或材料。如果互相牴觸，則該專利說明書(包括定義)應該適用。此外，所述材料、方法、及示例僅用於闡明並無意成為必要性限制。


參考以下附圖及圖像，僅作為示例在文中說明本發明的某些實施例。現在詳細參考附圖，強調的是，所示的細節是作為示例且用於本發明實施例的闡明性論述的目的。關於這點，所述附圖所附的說明使本領域技術人員顯而易見可如何實踐本發明實施例。在所述附圖中
圖IA及IB為根據本發明各種示例性實施例的用於產生電力的電池的圖解。圖1C-1F為圖IA的電池或其經改性變體內的電位的圖解。圖IC及ID示出跨越經修改而具有相同表面的圖IA的電池的空隙的像電荷電位。圖IE及IF示出跨越圖IA的電池的空隙的電位，其中所述表面是不同的。圖IG及IH示出作為圖IA的電池內的空隙大小的函數的勢壘(圖1G)及每表面積的電流(圖1H)。圖2A及2B為根據本發明各種示例性實施例的電源裝置的圖解。圖3為用於測量以響應於流經網孔(mesh)的氣體噴流而在目標網孔與噴嘴之間所產生的電流表示的電荷可轉移性的、根據本發明某些示例性實施例所使用的實驗設備 (setup)的圖解。圖4示出在圖3中所闡明的設備中所測量的、各種材料的尖峰電流。圖5示出在存在各種氣體時各種材料的開爾文探針測量值。圖6為用於通過氣體分子的熱運動而產生電流的、根據本發明某些實施例所使用的實驗設備的圖解，其中所述表面處於非直接或間接接觸。圖7A-7C為在根據本發明某些實施例使用圖6中所闡明的實驗設備所執行的實驗期間所獲得的典型示波器輸出。圖8為根據本發明的某些實施例的用於功函數修改的實驗設備的圖解。圖9為根據本發明的某些實施例的用於分析用作隔片的幾種非導電材料的實驗設備的圖解。圖10示出根據本發明某些實施例使用圖9中所闡明的實驗設備而被研究用作隔片的幾種材料的放電圖。圖11為用於通過氣體分子的熱運動而產生電流的根據本發明某些實施例所使用的實驗設備的圖解，其中所述表面通過凸凹不平或隔片而處於直接或間接接觸。圖12示出在根據本發明某些實施例使用圖11中所闡明的實驗設備所執行的實驗期間針對幾種氣壓而測量的、作為時間的函數的電流。箭頭指示氣壓的變化。圖13為示出在根據本發明某些實施例所執行的實驗中所測量的、用於在特定設備中獲得最大電流的閾值壓力的圖。所述壓力呈現為該氣體分子的直徑平方的倒數(reciprocal diameter square)白勺Ml數。圖14示出在根據本發明某些實施例使用圖11中所闡明的實驗設備所執行的實驗期間針對幾種溫度所測量的、作為時間的函數的電流。圖15示出在根據本發明某些實施例所執行的8次實驗操作(experiment run)中所測量的、作為溫度的函數的電流。圖16示出在根據本發明某些實施例所執行的實驗中經過數分鐘(底橫坐標)後跨越單對表面(連續線)或經過數小時(頂橫坐標)後跨越表面堆(虛線)所測量的、隨時間所累積的電壓。圖17示出在根據本發明某些實施例所執行的實驗中同時測量的、作為時間(橫坐標)的函數的電流(左縱坐標)的變化及室溫度(右縱坐標)的波動。圖18示出在根據本發明某些實施例所執行的9次實驗操作中所測量的、作為隔片大小的函數的在閾值壓力下的電流。圖19示出在不存在或存在隔片下根據本發明某些實施例所執行的9次實驗操作中所測量的、作為所述氣體分子的直徑平方的倒數的函數的、為獲得最大電流所需的閾值壓力。圖20A-20D示出在根據本發明某些實施例所執行的實驗中所測量的、作為所施加電壓的函數的電流(圖20A及20C)及功率(圖20B及20D)。圖21示出在根據本發明某些實施例所執行的實驗中所測量的、作為壓力的函數的電流。
具體實施例方式本發明在其某些實施例中涉及能量轉換，且更明確地但非排他性地涉及用於產生電力的裝置及方法。在詳細解釋本發明至少一個實施例前，要理解本發明在其應用上不必受限於以下說明書中所公開的及/或附圖及/或示例中所闡明的元件及/或方法的構造及布置的細節。本發明能夠有其它實施例或者以各種方式來實踐或執行。而且，雖然本發明人認為針對各種實施例的操作所給出的理論解釋是正確，但是所述並要求保護的裝置及方法不取決於所述理論。各種實施例不必互相排斥，因為某些實施例可與一個或多個其它實施例合併以形成新的實施例。為了清楚起見，一些附圖中的某些元件未按比例闡明。所述附圖不要被視為藍圖規範。現在參考所述附圖，圖IA闡明根據本發明的各種示例性實施例的用於產生電力的裝置10(單一電池)。電池裝置10包括一對隔開的表面12及14、及位於表面12與14 之間的氣體介質16。表面12及14分別為襯底32及34的一部分或由它們支撐。氣體分子 18將電荷自第一表面12傳輸至第二表面14。所述氣體分子的運動由它們的熱能而引起且由該氣體的溫度確定。該氣體的溫度通過由如下文中進一步詳述的貯熱器20所供應的熱能22而維持。在圖IA的圖解內，表面12在該分子與表面12的相互作用期間將負電荷轉移至電中性分子，因此使該分子帶電有負電荷。當該帶負電的分子抵達表面14並與其相互作用時，表面14自該分子接收負電荷以中和該分子。所述分子與表面的相互作用可為瞬時的，例如經由彈性或非彈性碰撞過程；或持久的，例如經由吸附-解吸附過程。如文中使用的，「吸附-解吸附過程」或「吸附-解吸附電荷轉移過程」意指其中該分子首先被表面吸附充分長的時間以使得該分子失去大量的其動能且隨後自該表面進行解吸附的過程，其中該吸附前的分子的淨電荷不同於該解吸附後的分子的淨電荷。在一些吸附-解吸附過程中，在該分子被吸附的時間間隔期間該分子及表面處於熱平衡。在吸附的時間期間，該分子可被視為表面的一部分。因此，在該時間間隔期間，該表面的電子波函數包括表面處的所有分子(包括被該表面所吸附的那些分子)的電子波函數。通常但不必，經吸附的分子位於該表面的最外分子層。分子與表面之間的「瞬時過程」是指其中該氣體分子充分接近表面以允許在該表面與分子之間的電荷轉移的過程，其中該過程的時間間隔顯著短於為在該分子與表面之間達到熱平衡所需的時間。典型的瞬時過程類型為碰撞。如果分子的電子波函數與表面的電子波函數之間存在至少一部分空間重疊，則氣體分子與固體表面被說成處於「碰撞」。通常，當氣體分子的中心與固體表面的最外原子之間的距離小於10埃或替代地小於5埃時，該氣體分子與固體表面被視為處於碰撞。當碰撞前的動能等於碰撞後的動能時，該碰撞被說成是「彈性」，且當碰撞前的動能高於碰撞後的動能時，該碰撞被說成是「非彈性」。所述分子與該表面之間的碰撞可為彈性或非彈性。雖然圖IA闡明該分子當自表面14移動至表面12時為中性且當自表面12移動至表面14時帶負電，但是情況不必如此，因為所述分子可替代地當自表面14移動至表面12 時帶正電且當自表面12移動至表面14時為中性。在任一種上述方案中，如圖IA所示，普通技術人員將明白該過程使表面12帶正電並使表面14帶負電。因此，根據本發明的實施例，所述氣體分子介導自表面12至表面14的負電荷轉移及/或自表面14至表面12的正電荷轉移。在本發明的各種示例性實施例中，自表面12至所述分子的電荷轉移、及自所述分子至表面14的電荷轉移通過轉移電子而促進。因此，在這些實施例中，所述分子接收來自表面12的電子並將電子轉移至表面14。圖IB以圖解方式闡明其中是採用雙向電荷轉移的實施例中的裝置10。在這些實施例中，如圖IA所示，當自表面12移動至表面14時，所述分子帶負電，且當自表面14移動至表面12時帶正電。這些實施例的優點為熱能轉換過程的效率較高。現在將說明根據本發明某些實施例的雙向電荷轉移。考慮剛才已接收來自表面12的負電荷且正沿著表面14的方向移動的分子。假定該帶負電分子與表面14碰撞並與其相互作用。該碰撞過程不是瞬時的。在該分子在表面 14附近度過的時間期間，該分子可轉移單一負電荷至表面14 (或相等地自表面14接收單一正電荷)_或可轉移大於單一電荷。例如在該相互作用的第一半段期間(當該分子接近表面14或被其吸附時)，該分子可將第一負電荷轉移至表面14以變成電中性，且在該相互作用的第二半段(當該分子退縮或自表面14解吸附時)，該分子可將第二負電荷轉移至表面 14以變成帶正電。也可在表面12的附近發生互補性電荷轉移過程。例如在帶正電分子與表面12相互作用的第一半段期間，該分子可接收來自表面12的第一負電荷以變成電中性，且在相互作用的第二半段期間，該分子可接收來自表面12的第二負電荷以變成帶負電。當所述分子自一個表面將電荷傳輸至另一表面時，表面12變成帶正電而表面14變成帶負電， 因此在所述表面之間產生電位差。可通過連接負載M (例如經由電觸點26)至所述表面而利用該電位差。電流i通過該負載自表面12流至表面14。因此，可將裝置10併入供應電流至電路、器具或其它負載的電源裝置中。在本發明的各種示例性實施例中，所述氣體分子的動能僅歸因於氣體的溫度。在這些實施例中，不需要額外機制(諸如外部電壓源)來維持所述氣體分子的運動，其完全歸因於熱能。而且，雖然該氣體與所述操作表面相互作用，但是不像燃料電池，該相互作用未含有不可逆化學反應且氣體在該過程中未被消耗。當裝置10達到穩態時，通過該負載的電荷量與通過所述氣體分子而轉移至相應表面的電荷量近似相同，且，就特定負載及溫度而言，所述表面之間的電位差近似恆定。所述表面之間的小溫差即使存在，也在上述電荷轉移機制中未起重大作用。表面12及14上的電荷的存在產生電位，其對所述將電荷自一個表面傳輸至另一表面的分子產生勢壘。當所述分子自它們的相應表面彈開時，該勢壘顯示其自身作為通過表面12或14對帶相反電荷的分子施加的吸引力及對帶同樣電荷的分子施加的排斥力。在熱隔離條件下，通過在所述表面之間彈跳的分子而進行的電荷轉移(且這樣做，克服勢壘)將持續降低氣體分子的平均動能，導致將氣體介質冷卻至所述氣體分子的動能不再能克服勢壘的溫度。然而，由於裝置10與貯熱器20熱連通，所以熱能22持續供應至該氣體介質，因此再補充所述氣體分子的動能。貯熱器20可以例如是在其中操作裝置 10的環境(例如自然環境)，且可通過傳導、對流及/或輻射而將熱能供應至裝置10，並進而轉移至該氣體介質。一旦所述表面之間的電位差達到穩態，由於電荷在所述表面累積後已積聚的電場而抑制電荷轉移。當裝置10連接至負載M時，已累積的電荷通過負載而自所述表面傳導， 由此允許持續該電荷轉移的過程。由於流經該負載的電流，所以在該負載處產生熱或其它有用功。因此，負載M使用至少部分自貯熱器20轉移至氣體介質16的熱能以執行有用功。一般而言，在特定非零溫度下，雖然所有氣體分子處於運動，但是不是所有分子具有相同速率。因此，在自帶電錶面彈開後，不是所有帶電氣體分子都能夠成功地越過所述表面之間的空隙。僅通過勢壘後具有足夠動能的分子可跨越該空隙並確保電荷轉移。較慢 (較小能量)的分子不能克服該勢壘且未參與該電荷傳輸過程。就特定熱力學條件而言，可通過統計力學，尤其麥克斯韋一玻爾茲曼(Maxwell-Boltzmarm)速度分布(其是描述分子在特定速度範圍內移動(或等同地，具有特定動能)的概率的標量函數)，而分析氣體分子的運動。因此，可使用該麥克斯韋-玻爾茲曼分布來估計具有足以克服表面12與14之間的勢壘的能量的氣體分子的分數。注意的是，就任何正動能而言，該麥克斯韋-玻爾茲曼分布為正。因此，總是存在發現充分能量的分子的非零概率。在通過本發明人而執行的實驗中，通過負載M觀測到顯著大於背景噪聲的電流信號，其表示至少一些氣體分子成功地克服該勢壘。下面描述這些實驗。分子離開表面的方向取決於許多參數，諸如該分子抵達表面的速率(即速度及方向)、及該分子與表面之間的相互作用類型(例如參與該碰撞的表面原子的數目、位置及取向)。一旦該氣體分子以特定方向離開表面時，其行進特定距離，直到其與表面或另一氣體分子碰撞並改變方向為止。氣體分子的兩個連續碰撞之間的平均距離被稱為平均自由程， 且由希臘字母λ表示。λ值取決於該分子的直徑、氣壓及溫度。在本發明的各種示例性實施例中，就任一給定壓力及氣體組成而言，所述表面之間的空隙d充分小以便限制分子間的碰撞數。該配置增加充分能量的分子成功地越過該空隙而不與其它氣體分子碰撞的概率。 除降低分子間的碰撞數外，如現在將參考圖1C-1F所解釋，充分小的空隙也降低通過該帶電分子與所述表面之間的相互作用而產生的像電荷勢壘。該像電荷勢壘為兩個表面的所述像電荷電位的貢獻的總和。兩個表面之間的任一帶電氣體分子被吸引至兩個表圖IC闡明針對其中所述表面是相同且通過2納米的空隙而分離的情況下表面12 與14之間的像電位。電位的ζ相關性被示為曲線62並且針對其中一個電子至該氣體分子的電荷轉移以離該表面5埃(A)的距離發生的情況進行計算。該像電位具有局部最大值64 的點，其大約跨越該空隙的半途，在該點處沒有像電荷力作用在該帶電分子上。在局部最大值64的像電荷電位以Vmax表示且其值取決於d(該空隙的大小)。圖ID闡明當該空隙的大小d增加至10納米從而導致Vmax水平增加時的情況。圖 IE及IF描述當表面12與14不相同(文中以0. 5eV的功函數的差異闡明)時跨越相同2納米及10納米示例性空隙的電位。在此情況下，該標繪的電位對應於像電荷電位及由於功函數差異的電位。對該帶電分子無淨力作用的局部最大值64朝具有較高功函數的表面偏移且該勢壘Vmax隨空隙大小的增加而增加。因此，當該空隙的大小降低時，克服該勢壘(包括像電荷勢壘)所需的動能量也降低，允許較慢的帶電分子跨越該空隙。優選地，表面12與14之間的空隙d大約為在裝置10的操作溫度及壓力下所述氣體分子的平均自由程。例如d可小於平均自由程的10倍、更優選地小於平均自由程的5 倍、更優選地小於平均自由程的2倍。例如，d可以近似為平均自由程或更小。表面12與 14之間的空隙d的典型值小於或約1000納米、更優選地小於約100納米、更優選地小於約 10納米、更優選地小於或約2納米。可以不止一種方法維持表面12與14之間的分離。在本發明的某些實施例中，將一個或多個非導電性隔片觀插入在所述表面之間以維持分離。該隔片在其防止該空隙中的短路的意義上為「非導電的」。隔片觀的大小根據空隙的大小d而選擇。優選地，該隔片的尺寸為所期望間隔。該隔片可以例如是任何形狀的納米結構。在基本上與所述表面平行的平面中所述隔片的截面積優選地基本上小於表面12與14的面積(例如，小於表面12與 14的面積的10%)，以便允許所述表面充分有效地彼此暴露。在本發明的某些實施例中，通過表面的向外突起的粗糙特徵(這裡未示出，但是為了闡明起見參見圖2B)而維持所述表面之間的分離。當表面12與14中的至少一個表面由具不良導電的材料製成時，這些實施例特別有用。分子18自表面提取電荷並經由氣體介導的電荷轉移效應而將電荷轉移至另一表面，因此氣體分子一旦與表面相互作用時獲得或失去電荷。例如該氣體分子可通過自表面提取電子而獲得電子或通過提供電子至該表面而失去電子。可通過不止一種機制而進行該氣體介導的電荷轉移。電子轉移至分子實體可導致分子-電子單元，其中在該分子實體的電子與帶正電原子核之間存在特定結合能。然而，在該(短程)電子結合與(長程)庫侖排斥(Coulombic r印ulsion)之間存在互相作用，其影響該分子-電子單元的穩定性。廣泛地說，分子-電子單元的量子力學態可為穩定的、亞穩定的或不穩定的。當結合能充分高時，該量子力學態是穩定的且該分子-電子單元被說成是離子。 就較低結合能而言，該電子僅寬鬆地附著至該分子且該量子力學態是亞穩定的或不穩定的。針對電子附著尤其針對亞穩定或不穩定分子單元的形成的研究在以下文獻中找到參見，例如 Cadd 等人,「Electron attachment to molecules and its use for molecular spectroscopy", Acta Chim. Slov. 51 (2004) 11-21; R. A. Kennedy and C. A. Mayhew, "A study of low energy electron attachment to trifluoromethyl sulphur pentafluoride, SF5CF3: atmospheric implications」，International Journal of Mass Spectrometry 206 (2001) i-iv； Xue-Bin Wang and Lai-Sheng Wang, 「Observation of negative electron-binding energy in a molecule，，， Letters to Nature 400 (1999) 245-248 ο本發明的發明人已發現由於該分子-電子量子力學態的壽命通常比該分子-電子單元越過所述表面之間的空隙所需的平均時間更長，具有寬鬆附著電子的分子-電子單元可將電子自表面12傳輸至表面14。預期所述表面之間的電荷轉移主要是經由在亞穩定或不穩定量子力學態下的分子-電子單元。然而，不排除經由電離分子的電荷轉移。在本發明的構思及付諸實施期間，已預期電子與所述氣體分子或表面的附著並自所述氣體分子或表面的分離可通過與摩電效應類似或有關的氣體介導機制而進行。該摩電效應(也稱為「接觸帶電」或「摩擦電力」)為兩個一起摩擦或關於彼此相對運動的不同對象的帶電以及電子自一個對象至另一對象的剪切。可輕易地以絲及玻璃說明該帶電效應。本發明人已發現並相信似摩電效應也可通過氣體而介導。在本發明的各種示例性實施例中，一旦例如經由如上文進一步詳述的吸附-解吸附或碰撞過程而接觸該表面時，所述分子獲得或失去電子。根據本發明某些實施例的在所述表面之間所進行的氣體介導的電荷轉移是在基本上在400°C以下或在200°C以下或在100°C以下或在50°C以下的溫度下發生。然而在某些實施例中，該氣體介導的電荷轉移也在高於400°C的溫度下發生。在本發明的各種示例性實施例中，這兩個表面處於小於30°C並大於15°C的溫度下，例如處於室溫(例如約25°C)下或在其附近。在本發明的某些實施例中，這兩個表面處於小於15°C且大於0°C的溫度下，且在本發明的某些實施例中，這兩個表面處於小於0°C的溫度下。由於所述表面之間的電位差通過用作自一個表面至另一表面的電荷傳輸器的分子的熱運動而產生，所以不需要維持該表面之間的溫度梯度。因此，這兩個表面可處於基本上相同的溫度下。這不像傳統熱電轉換器，其中相對於收集電極，使發射電極保持在高溫下並通過塞貝克效應而維持電子流經該電負載。在這種傳統熱電轉換器中，沒有用作電荷傳輸器的氣體分子。相反，所述熱電子自熱發射電極直接流至冷收集電極。表面12及14可具有任何類型。通常如圖IA及IB中所闡明，所述表面為平面，但是也預期非平面配置。表面12及14通常由不同材料製成或是相同材料的表面改性以便允許氣體分子經由該氣體介導的電荷轉移效應而當接觸表面12時獲得負電荷(例如通過獲得電子)及/或當接觸表面14時獲得正電荷(例如通過失去電子)。本實施例的氣體介導的電荷轉移歸因於該電荷可轉移性。如文中使用的「電荷可轉移性，，意指表面將電荷轉移至所述氣體分子或自所述氣體分子接收電荷的能力、或替代地氣體分子將電荷轉移至該表面或自該表面接收電荷的能力。該電荷可轉移性由所述表面或氣體分子的性質確定且也可取決於溫度。電荷可轉移性描述該特定表面與特定氣體分子之間的相互作用並反映通過該相互作用而導致的電荷轉移的可能性、電荷轉移的程度以及電荷轉移的極性。在本文件中，當該氣體分子使表面帶正電時，該表面被說成具有正電荷可轉移性，且當該氣體分子使表面帶負電時，該表面被說成具有負電荷可轉移性。例如，具有正電荷可轉移性的表面為可以失去電子給氣體分子以中和該氣體分子或形成分子-電子單元的表面。具有負電荷可轉移性的表面為自中性氣體分子或分子-電子單元接收電子的表面。電荷可轉移性取決於這兩個表面及參與該電荷轉移的氣體。電荷可轉移性也可取決於溫度，因為溫度影響所述氣體分子的動能以及許多材料性質，諸如能隙、熱膨脹、導電率、功函數等。數量上，以Θ表示的電荷可轉移性可以能量單位表示。例如正電荷可轉移性可定義為 =Esmin，其中Esmin為自該表面移除電子並使其附著於中性氣體分子所需的最低能量，而負電荷可轉移性可定義為 =-EMmin，其中Esfmin為自中性氣體分子移除電子並將其轉移至該表面所需的最低能量。明白的是，當Θ以如上文定義的能量單位表示時，其值在某些情況下不必等於用於將該電荷轉移至中性分子所需的能量，因為當已經使所述分子及/或表面帶電時，也可發生電荷轉移。因此，如現在將更詳細解釋，為自該氣體分子移除電子並使電子與該表面結合所需的能量可高於或低於EMmin，且為自表面移除電子並使電子附著於該氣體分子所需的能量可高於或低於Esmin。當氣體分子帶正電時，在該分子與電子之間存在庫侖吸引力。因此，在自該表面移除電子並使電子附著於該帶正電的分子時所作的功可小於Esmin，因為該分子便於該附著作用。另一方面，在自該帶正電的分子移除電子並將電子轉移至該表面時所作的功可高於 EMmin，因為帶正電的分子不便於電子從中的分離。當氣體分子帶負電時，該情況被逆轉。尤其在其中電子是寬鬆地附著於該分子的情況下，在自該帶負電的分子移除電子並將電子轉移至該表面時所作的功可低於EMmin。這是因為寬鬆連接的電子的結合能低於中性分子的價電子的結合能。在自該表面移除電子並將電子附著於帶負電的分子時所作的功可高於Esmin，這是由於該電子與分子的庫侖排斥力所致。Esmin及EMmin取決於該固體表面以及氣體介質的性質。因此，描述特定固體表面與一種氣體介質的相互作用的電荷可轉移性不必與描述相同固體表面與另一氣體介質的相互作用的電荷可轉移性相同。就某些固體表面而言，該表面的電荷可轉移性與該表面的功函數有關。然而，這兩個量不相同。該表面的功函數定義為自該表面釋放電子(一般而言到真空)所需的最低能量，而該電荷可轉移性與為移除電荷並將該電荷附著於氣體分子所需的能量有關，且因此其是與該氣體分子的性質以及表面的那些性質有關。注意，在真空中具有特定功函數的固體材料可在存在氣體介質時不同地表現且可在各種氣態環境中顯示不同的接觸電位差。本說明書從頭至尾且在權利要求書中，該術語電荷可轉移性描述在存在特定氣體介質下而非在真空中特定固體表面的行為。除該功函數外，表面的電荷可轉移性也取決於其介電常數且取決於該氣體分子接收或失去電荷的能力。該氣體分子接收或失去電荷的能力受該氣體介質的電子親和力、電離電位、電負性及電正性的影響，其因此也大致上與電荷可轉移性有關。本發明人已發現一種評估測試材料的電荷可轉移性的技術。在本技術中，使用超音速氣體噴嘴以產生超音速氣體噴流，其指向由該測試材料製成或用該測試材料塗覆的導電目標網孔。電流計連接在該目標網孔與噴嘴之間。流經該電流計的電流的方向及大小表示在存在該氣體下與測試材料有關的電荷可轉移性的正負號及水平。通過本發明人而執行的超音速氣體噴流實驗的代表性結果提供在隨後的示例章節的示例2及圖3中。在本發明的某些實施例中，該電荷可轉移性Θ通過測量文中稱為Imesh的量而評估，其中Inresh為響應於流經預定密度的網孔的超音速氣體噴流而在目標網孔與噴嘴間所產生的電流。Inresh的某些例證性測量描述在下面的示例章節(參見示例2)中。在本發明的各種實施例中，描述表面12與該氣體介質的相互作用的電荷可轉移性是正的。通常但不必，描述表面14與該氣體介質的相互作用的電荷可轉移性是負的。明白的是，表面12的電荷可轉移性為正就足以，因為當具有寬鬆附著的電子的分子與表面14 碰撞或由其吸附時，即使當表面14的電荷可轉移性對中性分子不是負的時，其具有將電子轉移至表面14的不可忽略的概率。可通過正確地選擇氣體介質及製成表面12與14所用的材料(其可以是表面32及 34的表面改性)而獲得用於每個表面的適當電荷可轉移性。可使用由合適材料製成的襯底而沒有任何改性。替代地，一旦選擇襯底時，根據本發明某些實施例，相應表面可經改性或塗覆以便使電荷可轉移性增強或減少至所期望水平。表面改性可包括該襯底表面的更改、 添加一種或多種材料至該襯底的表面、自該表面移除一種或多種材料、或這些程序的組合。 表面改性也可包括添加材料至該表面，使得該襯底下面的材料仍然是該表面的一部分且參與電荷轉移過程。該襯底表面的更改可包括化學反應，該化學反應包括但不限於氧化或還原。對該表面添加一種或多種材料可包括而不限於通過一層或多層而進行的塗覆、一層或多層分子或原子的吸附等。自該表面移除一種或多種材料包括而不限於抬離(lift off) 技術、蝕刻等。該表面改性中的任一種在文中都可稱為表面活化。表面改性可包括塗覆。可以用不止一種方法來實現該襯底的塗覆。在某些實施例中，形成相應表面的材料直接塗覆該襯底。在某些實施例中，在該襯底與形成相應表面的材料之間提供、插入一個或多個底塗層。該襯底的表面的改性或塗覆可允許相同材料用於襯底32及34，因此使用不同的表面處理程序來實現表面12及14的特性電荷可轉移性的差異。例如，襯底32及34都可以由首先用金塗覆以形成用於導電性的底塗層的玻璃製成。就表面12而言，該金底塗層可進一步用氟化銫(CsF)或碳酸鈣(CaCO3)塗覆，且就表面14而言，該金底塗層可進一步用氯酸鎂(Mg(ClO3)2)塗覆。也可通過薄膜塗覆領域中已知的濺射技術而塗覆所述襯底。在本技術中，通過將材料自靶濺射到襯底上而沉積薄膜。可用作可將塗料濺射於其上的襯底的材料的代表性示例包括而不限於鋁、不鏽鋼、金屬箔、玻璃、浮法玻璃、塑料膜、陶瓷及半導體(包括用各種摻雜劑(例如磷及硼摻雜劑)摻雜並處於各種晶向(例如、、)的矽)、以及先前在一側或兩側塗覆的任何襯底——包括但不限於經鋁濺射的玻璃、經鋁濺射的浮法玻璃及經鉻濺射的浮法玻璃。可用作可濺射到襯底上以在其上形成塗層或底塗層的靶材料的材料的代表性示例包括而不限於招(Al)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、銅(Cu)、金(Au)、六硼化鑭(LaB6)、鎳(Ni)、 鈀(Pd)、鉬(Pt)、鈀-金(Pd-Au)、鉿(Hf)、錳(Mn)、二氧化錳(MnO2)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉻 (Cr)、鉬(Mo)、釓(Gd)、矽石(SiO2)、氧化釔(Y2O3)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)、碳化鉿(HfC)、碳化鈦(TiC)、碳化鋯(&C)、碳化鎢(WC)、氧化鋯(ZrO2)、三氧化鎢(WO3)、氧化錫銦(ITO)、氧化鑭(Lei2O3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、氧化鍶(SrO)、氟化鈣(CaF2)、氧化銅鋇鈣釔(YCaBaCuO)、氧化鈣(CaO)、矽化鉻(Cr3Si)、氧化鋁(Al2O3)、硫化鋇(BaS)、硫化鈣(CaS)、及它們的組合。在本發明的某些實施例中，使襯底32及34經受處理以原位確保表面12及14的特性電荷可轉移性的差異。例如，具有襯底32及34的裝置10可填充有其中具有電活化粒種(諸如但不限於鹽及染料)的液體介質。當襯底32與34之間的空隙填充有該液體介質時，所述空隙的大小可相當高，例如大於50微米。該液體介質可包含極性溶劑或非極性溶劑。例如通過使襯底32與34連接外部電源，使襯底32與34、及該液體介質經受電流以便開始電沉積(ED)過程。該電沉積可以是電化學沉積(ECD)，其中所述電活化粒種在溶劑內是離解成離子；或電泳沉積(EPD)，其中所述電活化粒種在溶劑內帶電。本發明人已發現該ED過程可導致襯底32及34的至少一個表面的改性或其上的保護層，使得在它們的特性電荷可轉移性中存在差異。例如在電化學沉積中，任一表面通過存在於該液體介質中的離子而改性或塗覆，或兩個表面同時被改性或塗覆，一個表面用陰離子改性或塗覆而另一表面經陽離子改性或塗覆。在電泳沉積中，該液體介質中的溶解或懸浮粒種可電泳地沉積在一個或兩個表面上。無論如何，該液體介質及襯底32與34的材料選擇為使得在該ED過程後，所得到的表面12及14每個具有不同的特性電荷可轉移性。一旦襯底32及34之一或兩者通過該ED過程而改性或塗覆時，優選地通過在烘箱內乾燥或通過真空或通過任何其它已知的乾燥方法而自裝置10排出該液體介質。在本發明的某些實施例中，該排出或乾燥程序縮小總體積(表面及液體)，使得在排出後，表面之間的距離可基本上小於乾燥前的距離。例如，該空隙可自排出前的50微米減少至少50%或至少60%或至少70%或至少80%或至少90%，且甚至可減少至小於5微米。更大的空隙減少比率也是可能的。上述程序因此用作確保表面12與14之間的特性電荷可轉移性的差異的活化過程。不論襯底32及34是否具有相同材料或每個襯底是否由不同材料製成，可執行該活化過程。如所期望的，單一電池裝置或多個電池裝置都可執行上述程序。就多個電池裝置而言，優選地針對所有裝置同時執行該程序。適合於本實施例的表面處理程序的其它示例詳述在下面的示例章節中。表面12及14中的每一個優選地但不必是平滑的。也預期不是基本上平滑的但未彼此接觸的表面。如通過使用標準程序進行原子力顯微鏡(AFM)的圖像分析而常規確定的，表面12及14的表面粗糙度優選地小於或約20埃RMS粗糙度、更優選地小於或約10埃RMS粗糙度、更優選地小於或等於約5埃RMS粗糙度。也預期原子級平坦表面。進一步預期具有數十納米(例如約100納米)的RMS粗糙度的表面。可用於表面12及/或表面14的合適材料包括磁性或非磁性物質，諸如但不限於 金屬、半金屬、合金、本徵或摻雜、無機或有機半導體、介電材料、本徵或摻雜聚合物、導電聚合物、層狀材料、陶瓷、氧化物、金屬氧化物、鹽、冠醚、有機分子、季銨化合物、金屬資料、玻璃與矽酸鹽化合物、及它們的任何組合。代表性示例包括而不限於金屬與半金屬(例如鎳、金、鈷、鈀、鉬、石墨、石墨烯、 鋁、鉻、釓、鉬)及它們的氧化物(例如氧化石墨(可選地經還原或部分還原)、矽石、二氧化錳、氧化鎳錳、及三氧化鎢)、合金(例如不鏽鋼)、半導體(例如經硼或磷摻雜的矽晶圓)、陶瓷(例如玻璃陶瓷、諸如MAC0R 、氮化鋁、及氮化硼)、金屬瓷料(例如矽化鉻矽石)、玻璃及矽酸鹽化合物(例如玻璃及金雲母)、鹽、諸如鈣鹽(例如石油磺酸鈣、環烷酸鈣鹽(Calcium naphtenate salt)，諸如NAP-ALL )、稀土鹽(例如稀土新癸酸或柯赫酸 (versatate)鹽諸如TEN-CEM8、稀土辛酸鹽諸如HEX-CEMs——其是自2-乙基己酸所製成的辛酸鹽)、鋯鹽(例如羰酸鋯鹽諸如CEM-ALlA鋯HEX-CEMs)、錳鹽(例如錳HEX-CEM8、錳 NAP-ALL 、錳 Hydro Cure 及 Hydro Cure II)、季銨鹽 Arquacf (例如 Arquad 3HT-75 )、鉛鹽(例如鉛 CEM-ALLe^g NAP-ALL )、鈷鹽(例如鈷 TEN-CEifji NAP-ALL 、鈷 CEM-ALL )、鋅鹽(例如鋅NAP-ALL 、鋅CEM-ALL 、鋅HEX-CEM8、硬脂酸鋅)、苯胺黑、石油磺酸鈉、聚乙烯亞胺、馬拉加膠、OLOA 1200、卵磷脂、聚合物諸如硝酸纖維素、基於硝酸纖維素的聚合物、可選地經摻雜(例如Zaponlack)、基於聚氯乙烯的聚合物(例如Episof 310、Episof 410、 Episol 440、Epivyr 32、Epivyl 40,Ερ νγΓ 43、Epivyl S 43、Epivyl 46)及丙烯酸樹脂(例如Elvacite 2041)及它們的任何組合。某些上述材料也適合於襯底32及/或34，其適用程度使它們能夠形成自支撐結構。文中參考的某些標記可以是第三方的普通法律或註冊商標。這些標記的用途是作為示例且不應被視為敘述性的或將本發明的範圍限於僅與該標記有關的材料。可用作氣體介質16的合適材料包括而不限於滷素及含滷素氣體，例如At2、Br2,
Cl_2、Fg、！2、WFg、PF5λ SoKgΛ ToKgΛ CK^Λ AsK^Λ BK^Λ CH^KΛ C^KgΛ C^Kgλ C^Kgλ C^KgOλ C^Kgλ GgK^λ CgFg、 CF3COCl、C2HF5, SiF4, H2FC_CF3、CHF3 及 CHF3 ；惰性氣體，例如 Ar、He、Kr、Ne、Rn、及 Xe ；含氮氣體，例如N2、NF3、NH3、N0、N02、& N2O ；含硫氣體，例如SF6、SF4、SO2F2 ；含氧氣體，例如02、C0、 及CO2 ；含氫氣體，例如H2、氘、I-C4H1。、及CH4 ；鹼性氣體，例如Cs、Li、Na、K、Cr、Rb、及Yb ；以及它們的組合。在本發明的各種示例性實施例中，該氣體介質關於電池或裝置的所述表面是化學惰性的。如進一步在上文中所詳述，表面12及14可在存在該氣體介質下根據它們的電荷可轉移性而配對。表面12優選地具有正電荷可轉移性且在某些實施例中表面14具有負電荷可轉移性。在本發明的某些實施例中，表面12可以由選自如該示例章節(參見示例2)的表 1中所列示的第1至19號材料的材料所製成且表面14可以由選自第23至46號材料的材料所製成。然而，情況不必如此，因為在某些實施例中表面12及14都可選自第1至19號材料，且在其它實施例中表面12及14都可選自第23至46號材料。也預期這樣的實施例，其中表面12及14之一或兩者由選自示例8的表6中所列示的材料的材料製成。作為一些非限制性配對示例，當該氣體介質為六氟化硫(SF6)時，一個表面可由鋯 CEM-ALL 製成，而另一表面可由以下材料中的一種製成錳Hydro Cure II、鋯HEX-CEM8、 Arquad 3HT-75、鉛 NAP-ALL 、稀土 HEX-CEMs、鈷 CEM-ALL 、鎳、鈣 NAP-ALL 、錳 NAP-ALL 、 氧化石墨、鈷 NAP-ALL 、稀土 TEN-CEM、苯胺黑、鉛 CEM-ALL 、錳 HEX-CEM8、鋅 NAP-ALL 、鈷 TEN-CEM8、石油磺酸鈣、OLOA 1200、鋅HEX-CEM8、卵磷脂、錳Hydro Cure 、金、鈷、硬脂酸鋅、 石油磺酸鈉、鈀、Epivyf 32、鋅CEM-ALL 、石墨、鉬、聚乙烯亞胺(PEI)、Epivyf 40、馬拉加膠、硝酸纖維素、Episol 310、Episol 440、Epivyl S 43、Elvacite 2041、Epivyl 46、 Epivyle 43、及Episol 410。另外的非限制性配對示例及合適氣體介質提供在示例8的表 6中。由於所期望的電荷可轉移性可通過表面改性技術而獲得，所以襯底32及34可由任何材料製成，只要其可至少沿厚度方向傳導足夠的電流。在本發明的某些實施例中，一個或兩個襯底由具有高體導電率的材料(諸如金屬)製成。然而，情況不必如此，因為材料的電導受其幾何形狀及取向的影響。可被視為具有不良體導電率的某些材料可在它們的晶態軸中足夠地傳導電流。例如某些層狀材料可具有不良體導電率，但是可具有通過該材料的薄層(不論是包含單一原子單層還是多層)的足夠導電率。作為進一步示例，玻璃及MAC0R 被認為是不良導體，因為在室溫下它們的典型導電率(分別為10_15 S/m及10_12 S/m)顯著低於金屬的典型導電率(大約IO6 S/m)。不過，該材料的充分薄層可傳導對某些低功率應用而言足夠的大量電流。考慮一種構造，其中裝置 10的所述襯底之一為直徑50毫米且厚度為100微米的玻璃板。假定該氣體介導的電荷轉移產生跨越該玻璃厚度的IV電壓。此電壓可產生通過該玻璃板的若干PA的可測量電流。 因此，就某些低電流應用而言，襯底32及34也可由具有相對不良導電率的材料製成。適合於襯底32及34的材料的代表性示例包括而不限於金屬，諸如但不限於鋁、 鎘、鉻、銅、釓、金、鐵、鉛、鎂、錳、鉬、鎳、鈀、鉬、銀、鉭、錫、鈦、鎢、及鋅；半金屬，包括但不限於銻、砷、及鉍；合金，包括但不限於黃銅、青銅、鋁剛、殷鋼、及鋼；本徵及摻雜的無機及有機半導體與半導體異質結構，包括但不限於矽晶圓、鍺、矽、砷化鎵鋁、硒化鎘、砷化錳鎵、碲化鋅、磷化銦、砷化鎵及聚乙炔；層狀材料，包括但不限於石墨、石墨烯、氧化石墨、二硫化鎢、二硫化鉬、二硫化錫、及六方氮化硼；本徵或摻雜氧化物，包括但不限於矽石、三氧化鎢、 二氧化錳、氧化鎳錳、經錫摻雜的氧化銦(ITO)；本徵或摻雜陶瓷，包括但不限於氮化硼、氮化鋁、及玻璃陶瓷諸如MACOR ；金屬陶瓷，包括但不限於矽化鉻矽石；玻璃及矽酸鹽化合物， 包括但不限於玻璃及金雲母；或它們的組合。也預期用任何上述材料塗覆的任何材料的襯底。適合於襯底及塗層的材料可為磁性(例如Co、Fe、Gd、Ni、GaMnAs等)及非磁性 (例如Al、Cu等)。在本發明的任一上述實施例中，如上文中進一步詳述，該襯底必須提供足夠的導電率(例如以允許電流流經該負載)。可使用具有高體導電率(例如大於IO3 S/m)的襯底或具有不良體導電率(例如低於10_9 S/m)的襯底或具有中範圍體導電率(例如介於10_9至 IO3 S/m之間)的襯底來獲得足夠的導電率，只要該襯底在厚度方向上(即在電流流動的方向上)具有充分電導。
表面12及14可以是裸襯底(32及34)、經表面改性的襯底或塗覆襯底。裸襯底 32及34的典型厚度為自約1納米至約100微米。在本發明的某些實施例中，該裸襯底的厚度可介於1-20納米之間。在某些實施例中，該厚度可低至單一原子單層(在石墨烯的情況下是0.34納米)。在某些經表面改性的襯底(諸如經電化學改性、氧化或還原表面)的情況下，表面12及14的典型厚度可在1納米以下。然而，在經塗覆表面的情況下，表面12及 14的典型厚度為自約1納米至約600納米，但是本發明範圍不排除其它厚度。在襯底32與表面12之間或在襯底34與表面14之間的任何中間層或結合層(如果存在)的情況下，典型厚度為自低於1納米至約250納米。在本發明的各種示例性實施例中，裝置10進一步包括用於維持氣壓並防止該氣體介質的洩露或汙染的密封外殼36。外殼36內的壓力可不同於(大於或低於)環境壓力。 封裝36內的壓力可經選擇以便獲得所期望的平均自由程及/或所期望的導熱率(壓力愈高，導熱率愈高)。如隨後的示例章節中的方程式1中所解釋，該平均自由程與壓力成反比。 因此，通過降低封裝36內的壓力，可增加平均自由程。通過增加壓力，載體分子的數目如同導熱率那樣增加。最佳壓力平衡這些效應以產生最大電流。在本發明的各種示例性實施例中，封裝36內的壓力低於10個大氣壓，但是尤其就緊密間隔的空隙而言，也預期更高壓力。 事實上，就在納米範圍中的空隙而言，尤其當使用小分子直徑的氣體(諸如氦)而言，在數百大氣壓的氣壓下可獲得高效率。一般而言，就該小空隙而言，壓力上限將在操作溫度下通過壓力安全殼考慮或通過該氣體的液化壓力而設定。可優選的氣壓超過一個大氣壓。通常， 該氣壓高於1. 1個大氣壓或高於2個大氣壓或高於3個大氣壓或高於4個大氣壓或高於5 個大氣壓。現在參考圖2A及2B，它們是根據本發明的各種示例性實施例的電源裝置40的圖解。裝置40包括每個都具有一對上述表面12及14及在所述表面之間的氣體介質(未示出，為了闡明起見參見圖IA及1B)的多個電池10。如上文進一步詳述，經由該氣體介導的電荷轉移效應，該氣體介質的分子自表面12將負電荷傳輸至表面14及/或自表面14將正電荷傳輸至表面12。電池10互連於其間以便允許電流在相鄰串聯連接的電池之間流動。在圖2A及2B 中所示的圖解中，裝置40被布置成多個雙構件44，每個雙構件由具有兩個相對表面12及 14的核心42形成，其中所述表面之一將負電荷轉移至至少一些氣體分子且該相對側的表面自至少一些帶電氣體分子接收負電荷。使雙構件44取向，使得具有不同電荷可轉移性的表面彼此相向。在圖2A中所示的圖解中，雙構件44是通過隔片觀而分離，且每個雙構件的兩個表面經由襯底42而處於電連通。在圖2B中所示的圖解中，雙構件44之間的空隙通過相對面向的表面的向外突出粗糙特徵50而維持。也預期其中一些雙構件通過如圖2A中所闡明的隔片而分離且一些雙構件通過如圖2B中所闡明的向外突出粗糙特徵而分離的實施例。如果所述面向表面中的至少一個表面由不良導電材料製成且接觸面積小，則使通過該接觸而導致的「洩露」最小化。該雙構件配置例證類似於電池10的幾個電池的布置。兩個相鄰且互連的電池共享核心，因此核心42的一側上的表面12例如用作電池的電子施體，而核心42的另一側上的表面14例如用作另一電池的電子受體。該氣體介質與貯熱器20之間的熱交換維持在每個電池的表面之間傳輸電荷的氣體分子的熱運動。所述熱交換可直接地在該氣體與貯器20之間及/或經由襯底42的導熱性而實現。可通過使大部分核心層42導電及/或通過用導電材料塗覆層42以實現兩個電池之間的電互連，其經由襯底42的邊緣而提供導電性。可將雙構件的布置放置在第一導電構件46及第二導電構件48之間。所述導電構件46及48的內表面也可分別用作電子施體表面及電子受體表面。因此，電子通過雙構件 44而自構件46傳輸至導電構件48，由此可選地在不存在任何外部電壓源下在構件46及48 之間產生電位差。構件46及48可連接至外部負載M。應注意，自電氣觀點而言，該電池以串聯及/或並聯布置，其中與單一電池比較， 串聯布置提供增加的電壓輸出且並聯布置提供增加的電流。該裝置的總電壓為沿著該串聯方向的電壓的總和，且總電流通過在橫向上的傳輸面積而確定。在本發明的優選實施例中，如上文定義，裝置40進一步包括用於防止該氣體介質洩露或汙染且用於允許控制該室內的壓力的密封室。如文中使用的術語「大約」是指士20%。所述術語「包含」、「含」、「包括」、「具有」及它們的變形詞意指「包括但不限於」。所述術語「由…組成」意指「包括但不限於」。該術語「基本上由…組成」意指組成、方法或結構可包括另外成份、步驟及/或部分，但是只有所述另外成份、步驟及/或部分不會實質上更改所要求保護的組成、方法或結構的基本及新穎特性。除非文中另有清楚指定，如文中使用，單數形式「一」、「一個」、及「該」包括複數個參考物。例如該術語「化合物」或「至少一個化合物」可包括多個化合物，包括其混合物。明白的是，為清楚起見在單獨實施例的背景下所述的本發明某些特徵也可組合地提供在單一實施例中。相反，為簡明起見在單一實施例的背景下所述的本發明各個特徵也可單獨地或以任何合適的子組合提供或如合適地提供在本發明的任何其它所述實施例中。 在各個實施例的背景下所述的某些特徵不被視為那些實施例的必要特徵，除非該實施例沒有那些要素不工作。如上文描繪的及如下面權利要求書章節中所要求保護的本發明各個實施例及方面在以下示例中找到實驗支持。示例
現在參考以下示例，其與上述說明書一起以非限制性形式闡明本發明的某些實施例。示例 1
理論考慮
自氣體的動力學理論已建立氣體分子在由溫度相關的麥克斯韋一玻爾茲曼分布函數所定義的範圍內的各個速度下以隨機方向移動，其中該麥克斯韋一玻爾茲曼分布函數可使用統計力學的方法來導出。該麥克斯韋一玻爾茲曼分布函數描述在由大量非相互作用粒子所組成的碰撞支配性系統中的速度分布，其中量子效應可忽略。氣體分子彼此碰撞並也與限制它們所在的容器碰撞。就直徑ο的氣體分子而言， 在特定壓力P及絕對溫度TK)下的平均自由程λ由以下給出
, RT
(方程式υ
其中R為通用氣體常數(R=O. 082大氣壓.升.摩爾-1ZIT1)而N為阿伏加德羅數(Avogadro number)。因此，就特定壓力及溫度而言，氣體分子的平均自由程取決於所述氣體分子的直徑，其中與較大分子比較，較小分子具有較大的平均自由程。在5個大氣壓的壓力P及25°C的溫度下針對一些代表性氣體的直徑σ (以埃為單位)及如使用方程式1所計算的對應平均自由程λ (以納米為單位)為
氬(σ=4. O 埃，人=11.2納米)丄卩4(0=4.2埃，λ=10. 3 納米)、C3F8(。=4. 8 埃，λ =7. 9 納米)、CH4(o=4. 4 埃，λ=9. 6 納米)、氦(σ=2. 4 埃，λ =31. 5 納米)、氪(σ=4. 6 埃，λ =8. 6 納米)、氖(σ =2. 9 埃，λ =22. 2 納米)、Ν2 ( σ =3. 8 埃，λ =13. O 納米)、SF6 ( σ =5. 5 埃、λ =6. O 納米)及氙(ο =5. 4埃，λ =6. 2納米)。這些計算指示在指示的條件下一般氣體的平均自由程值通常在納米計量(nanometric)的距離範圍中。就較高溫度(大於25°C )及/或較低壓力(低於5個大氣壓)而言，這些分子的平均自由程更長。當將氣體分子放置在通過距離(1λ而分離的表面之間時，分子間碰撞變得更頻繁且跨越該表面之間的空隙的氣體分子的概率η可寫成
？ =4 ，(方程式2)
a
因此，作為方程式1中所述的λ及P之間的相關性的結果，跨越該空隙的分子的概率隨壓力的增加而降低。 可將氣體分子的平均速度寫成
(方程式3)
權利要求
1.一種用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置，包括 第一表面與第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；所述第一表面可用來將電荷轉移至與所述第一表面相互作用的氣體分子，而所述第二表面可用來接收來自與所述第二表面相互作用的氣體分子的所述電荷；其中所述表面之間的電位差通過在不存在外部施加的電壓的情況下的所述電荷轉移而產生。
2.一種用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置，包括 第一表面與第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；所述第一表面可用來將電荷轉移至與所述第一表面相互作用的氣體分子，而所述第二表面可用來接收來自與該第二表面相互作用的氣體分子的所述電荷； 其中所述空隙小於1000納米。
3.一種用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置，包括； 第一表面與第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；所述第一表面可用來將電荷轉移至與所述第一表面相互作用的氣體分子，而所述第二表面可用來接收來自與所述第二表面相互作用的氣體分子的所述電荷； 其中所述第一表面與所述第二表面在彼此的50°C內。
4.一種用於將熱能直接轉換成電力的電池裝置，包括 第一表面與第二表面，其中在所述表面之間有空隙；以及位於所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質；所述第一表面可用來將電荷轉移至與所述第一表面相互作用的氣體分子，而所述第二表面可用來接收來自與所述第二表面相互作用的氣體分子的所述電荷； 其中所述第一表面與所述第二表面處於小於200°C的溫度下。
5.如權利要求1-4中任一項的裝置，其中所述表面之一使氣體分子帶電，而另一表面中和帶電的氣體分子。
6.如權利要求1-4中任一項的裝置，其中所述表面二者使氣體分子帶電，其中一個表面使氣體分子帶正電而另一表面使氣體分子帶負電。
7.如權利要求1-6中任一項的裝置，其中所述第一表面具有正電荷可轉移性，而所述第二表面具有負電荷可轉移性。
8.一種用於產生電力的電池裝置，包括 與第一電觸點電連通的第一表面；與第二電觸點電連通的且在所述第一表面的50°C內的第二表面；以及位於所述表面之間的空隙中的氣體介質；其中所述第一表面具有正電荷可轉移性，且其中所述電觸點可連接至負載以提供通過所述負載自所述第一表面流至所述第二表面的負載電流。
9.如權利要求1-8中任一項的裝置，其中所述表面中的至少一個是導電襯底的表面。
10.如權利要求1-8中任一項的裝置，其中所述表面中的至少一個是具有小於10_9S/m的導電率的襯底的表面。
11.一種電源裝置，包括多個如權利要求1-10中任一項的電池裝置，其中至少一個相鄰電池裝置對通過導體而互連，使得電流通過所述導體自所述對的第一裝置的第二表面流至所述對的第二裝置的第一表面。
12.如權利要求11的電源裝置，其中所述相鄰電池裝置對是以串聯及並聯布置而布置的，使得該電源裝置的電流大於任何單一電池的電流，且使得該電源裝置的電壓大於任一電池裝置的電壓。
13.一種電源裝置，包括第一導電電極及第二導電電極；在所述電極之間的第一電池裝置堆及第二電池裝置堆，每個電池裝置是如權利要求 1-10中任一項；其中在每個堆中，所述堆的每個相鄰電池裝置對通過導體而互連，使得電流通過所述導體自所述對的第一電池裝置的第二表面流至所述對的第二電池裝置的第一表面；且其中所述第一堆及所述第二堆將電荷自所述第一電極輸送至所述第二電極。
14.如權利要求11-13中任一項的裝置，其中所述導體為具有兩側的導電襯底，其一側構成一個電池裝置的表面而相對側構成相鄰電池裝置的表面。
15.如權利要求11-13中任一項的裝置，其中所述導體為塗覆有導電材料以便在所述襯底的第一側與所述襯底的第二側之間建立導電的襯底；以及其中所述塗覆襯底具有兩側，其一側構成一個電池裝置的表面而相對側構成相鄰電池裝置的表面。
16.如權利要求11-15中任一項的裝置，其中所述電池的表面以有序或隨機方式彼此重疊，使得單一襯底的表面由至少兩個電池部分地共享。
17.如權利要求1-16中任一項的裝置，進一步包括用於防止所述氣體介質的洩漏的密封外殼。
18.如權利要求17的裝置，其中所述密封外殼內的壓力高於環境壓力。
19.如權利要求17的裝置，其中所述密封外殼內的所述壓力低於環境壓力。
20.如權利要求17的裝置，其中所述密封外殼內的所述壓力高於1.1個大氣壓。
21.如權利要求17的裝置，其中所述密封外殼內的所述壓力高於2個大氣壓力。
22.如權利要求2-21中任一項的裝置，其中所述表面之間的任何電壓通過在不存在外部施加的電壓的情況下的所述電荷轉移而產生。
23.如權利要求1及權利要求3-20中任一項的裝置，其中所述空隙小於1000納米。
24.如權利要求1-23中任一項的裝置，其中所述空隙小於100納米。
25.如權利要求I-M中任一項的裝置，其中所述空隙小於10納米。
26.如權利要求1-25中任一項的裝置，其中所述空隙小於5納米。
27.如權利要求116中任一項的裝置，其中所述空隙小於2納米。
28.如權利要求1、2、4、7及916中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面在彼此的50°C內。
29.如權利要求1- 中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面在彼此的 10°C 內。
30.如權利要求1- 中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面在彼此的 1°C 內。
31.如權利要求1-3及權利要求4-30中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面處於小於200°C的溫度下。
32.如權利要求1-31中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面處於小於 100°C的溫度下。
33.如權利要求1-32中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面處於小於 50°C的溫度下。
34.如權利要求1-33中任一項的裝置，其中所述第一表面與第二表面是基本上平滑的且通過隔片而隔開。
35.如權利要求1-33中任一項的裝置，其中所述空隙通過從所述表面中的至少一個向外突起的粗糙特徵而維持。
36.如權利要求1-35中任一項的裝置，其中所述表面中的至少一個包含至少一個選自由以下所組成的群組的磁性或非磁性物質金屬、半金屬、合金、本徵或摻雜的無機或有機半導體、介電材料、層狀材料、本徵或摻雜的聚合物、導電聚合物、陶瓷、氧化物、金屬氧化物、鹽、冠醚、有機分子、季銨化合物、金屬陶瓷、及玻璃與矽酸鹽化合物。
37.如權利要求1-36中任一項的裝置，其中所述表面每個都獨立地包括至少一個選自由以下所組成的群組的磁性或非磁性物質鋁、鎘、鉻、鈷、銅、釓、金、石墨、石墨烯、鉿、 鐵、鉛、鎂、錳、鉬、鈀、鉬、鎳、銀、鉭、錫、鈦、鎢、鋅；銻、砷、鉍；氧化石墨、氧化矽、氧化鋁、二氧化錳、氧化鎳錳、二氧化鎢、三氧化鎢、氧化錫銦、氧化鈣、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化鍶、氧化銅鋇鈣釔；黃銅、青銅、鋁剛、殷鋼、鋼、不鏽鋼；硫化鋇、硫化鈣；本徵或摻雜矽晶圓、鍺、矽、砷化鎵鋁、硒化鎘、砷化錳鎵、碲化鋅、磷化銦、砷化鎵及聚乙炔；MAC0R 、氮化鋁、 氮化硼、氮化鈦、六硼化鑭；碳化鉿、碳化鈦、碳化鋯、碳化鎢；鈦酸鋇、氟化鈣、鈣鹽、稀土鹽、鋯鹽、錳鹽、鉛鹽、鈷鹽、鋅鹽；矽化鉻、Cr3Si-SiO2, Cr3C2-Ni, TiN-Mo ；玻璃及金雲母、苯胺黑、石油磺酸鈉、聚乙烯亞胺、馬拉加膠、OLOA 1200、卵磷脂、基於本徵及摻雜的硝酸纖維素的聚合物、基於聚氯乙烯的聚合物、及丙烯酸樹脂。
38.如權利要求1-37中任一項的裝置，其中所述表面包括至少一個獨立選自由以下所組成的群組的物質鋁、鉻、釓、金、鎂、鉬、不鏽鋼、矽石、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、 經還原的氧化石墨、石墨、石黑烯、矽化鉻矽石、氟化銫、H0PG、碳酸鈣、氯酸鎂、玻璃、金雲母、氮化鋁、氮化硼、玻璃陶瓷、摻雜硝酸纖維素、經硼摻雜的矽晶圓、及經磷摻雜的矽晶圓。
39.如權利要求1-38中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面中的每個通過石墨烯襯底而支撐。
40.如權利要求1-38中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面中的每個通過石墨襯底而支撐。
41.如權利要求1-38中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面中的每個為改性石墨或石墨烯襯底。
42.如權利要求1-38中任一項的裝置，其中所述第一表面與所述第二表面之一為改性石墨或石墨烯襯底，而另一個為未改性石墨或石墨烯襯底。
43.如權利要求1-38中任一項的裝置，其中所述第一表面包括至少一個選自由以下所組成的群組的物質金、鎂、氟化銫、H0PG、碳酸鈣、鋁、鉻、釓、鉬、不鏽鋼、矽石、金雲母、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原的氧化石墨、石墨、石墨烯、矽化鉻矽石、經硼摻雜的矽晶圓、經磷摻雜的矽晶圓、及氮化硼。
44.如權利要求1-38中任一項的裝置，其中所述第二表面包括至少一個選自由以下所組成的群組的物質金、氯酸鎂、鋁、玻璃陶瓷、摻雜硝酸纖維素、玻璃、矽石、氮化鋁、及經磷摻雜的矽晶圓。
45.如權利要求1-44中任一項的裝置，其中所述氣體介質包括至少一個選自由以下所組成的群組的元素滷素、氮、硫、氧、含氫的氣體、惰性氣體、鹼性氣體及稀有氣體。
46.如權利要求1-45中任一項的裝置，其中所述氣體介質包括至少一個選自由以下所組成的群組的氣體Ah、Br2、Cl2、F2、I2、WF6、PF5、kF6、TeF6、CF4、AsF5、BF3、CH3F、C5F8、C4F8、 C3F8、C3F6O、C3F6、GeF4、C2F6、CF3COCl、C2HF5、SiF4、H2FC-CF3、CHF3、CHF3、Ar、He、Kr、Ne、foi、Xe、 N2、NF3> NH3> NO、N02、N20、SF6, SF4, SO2F2, 02、CO、CO2, H2、氘、i-C4H10, CH4、Cs、Li、Na、K、Cr、Rb 及Yb。
47.如權利要求1-46中任一項的裝置，其中所述氣體介質包括至少一個選自由以下所組成的群組的氣體六氟化硫、氬、氦、氪、氖、氙、氮、甲烷、四氟化碳、八氟丙烷、水蒸汽及空氣。
48.如權利要求1-47中任一項的裝置，其中所述氣體介質在裝置的操作期間未被消^^ ο
49.一種將熱能直接轉換成電力的方法，包括提供第一表面與第二表面，其中所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與所述第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；且使一部分所述氣體分子與所述第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將所述電荷轉移至所述第二表面，由此在所述表面之間產生電位差； 其中所述空隙小於1000納米。
50.一種將熱能直接轉換成電力的方法，包括提供第一表面與第二表面，其中所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與所述第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；且使一部分所述氣體分子與所述第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將所述電荷轉移至所述第二表面，由此在所述表面之間產生電位差； 其中所述第一表面與所述第二表面在彼此的50°C內。
51.一種將熱能直接轉換成電力的方法，包括提供第一表面與第二表面，其中所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與所述第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；且使一部分所述氣體分子與所述第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將所述電荷轉移至所述第二表面，由此在所述表面之間產生電位差； 其中所述第一表面與所述第二表面處於小於200°C的溫度下。
52.一種將熱能直接轉換成電力的方法，包括提供第一表面與第二表面，其中所述表面之間有空隙；使氣體介質的分子與所述第一表面相互作用以便將電荷轉移至至少一些所述氣體分子；且使一部分所述氣體分子與所述第二表面相互作用以便自至少一些所述氣體分子將所述電荷轉移至所述第二表面，由此在所述表面之間產生電位差；其中所述表面之間的電位差通過在不存在外部施加的電壓的情況下的所述電荷轉移而產生。
53.如權利要求49-52中任一項的方法，其中所述表面之一使所述氣體分子帶電而另一表面中和帶電的氣體分子。
54.如權利要求53的方法，其中所述表面二者使氣體分子帶電，一表面使氣體分子帶正電而另一表面使氣體分子帶負電。
55.如權利要求49-51、53及M中任一項的方法，其中所述表面之間的任何電壓通過在不存在外部施加的電壓的情況下的所述電荷轉移而產生。
56.如權利要求50-55中任一項的方法，其中所述空隙小於1000納米。
57.如權利要求49及51-56中任一項的方法，其中所述第一表面與所述第二表面在彼此的50°C內。
58.如權利要求50及52-57中任一項的方法，其中所述第一表面與所述第二表面處於小於200°C的溫度下。
59.如權利要求49-58中任一項的方法，其中所述第一表面與第二表面是基本上平滑的且通過隔片而隔開。
60.如權利要求49-58中任一項的方法，其中所述空隙通過自所述表面中的至少一個向外突起的粗糙特徵而維持。
61.如權利要求49-60中任一項的方法，其中所述第一表面與所述第二表面中的每個通過石墨烯襯底而支撐。
62.如權利要求49-60中任一項的方法，其中所述第一表面與所述第二表面中的每個通過石墨襯底而支撐。
63.如權利要求49-60中任一項的方法，其中所述第一表面與所述第二表面中的每個為改性石墨或石墨烯襯底。
64.如權利要求49-60中任一項的方法，其中所述第一表面與所述第二表面之一為改性石墨或石墨烯襯底，而另一表面為未改性石墨或石墨烯襯底。
65.如權利要求49-64中任一項的方法，其中所述氣體介質在裝置操作期間未被消
66.一種方法，包括提供至少一個具有第一表面與第二表面的電池裝置，其中所述表面之間的空隙填充其中具有電活化粒種的液體介質，所述空隙小於50微米；在所述第一表面與所述第二表面之間施加電壓以便誘發所述電活化粒種與所述表面中的至少一個的電化學或電泳相互作用，由此改性所述相互作用表面的表面性質；且將至少一部分所述液體排出以便使所述空隙減少至少50%。
67.如權利要求66的方法，其中所述至少一個電池裝置為多個電池裝置。
68.如權利要求66及67中任一項的方法，其中所述排出使所述空隙減少至少90%。
69.如權利要求66-68中任一項的方法，其中在所述表面改性前所述第一表面與所述第二表面由相同材料製成，且其中所述電活化粒種選擇為使得在所述電化學或電泳相互作用後所述第一表面的特性電荷可轉移性不同於所述第二表面的特性電荷可轉移性。
70.如權利要求69的方法，其中所述相同材料為石墨烯。
71.如權利要求69的方法，其中所述相同材料為石墨。
72.如權利要求66-71中任一項的方法，其中所述電活化粒種選自由鹽及染料所組成的群組。
全文摘要
公開了一種用於將熱能直接轉換成電力的裝置及方法。該裝置包括優選地具有不同材料的第一表面及第二表面、及在所述表面之間的具有處於熱運動的氣體分子的氣體介質。該第一表面可用來將電荷轉移至與第一表面相互作用的氣體分子，而該第二表面可用來接收來自與第二表面相互作用的氣體分子的電荷。
文檔編號H02N11/00GK102318179SQ200980142795
公開日2012年1月11日 申請日期2009年8月27日 優先權日2008年8月28日
發明者蘭達 B. 申請人:蘭達實驗室有限公司