CN105071545A

CN105071545A - 一种量子物理蓄电池及其制备方法

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Publication number: CN105071545A
Application number: CN201510471934.8A
Authority: CN
Inventors: 雷如清; 赖锜; 楼叙真
Original assignee: State Run Jinhua (beijing) International Energy Investment Co Ltd
Current assignee: HEFEI ZHONGHANG NEW ENERGY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE CO., LTD.
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2015-11-18

Abstract

本发明公开了一种量子物理蓄电池，该蓄电池由百万级数量的电容单元并联构成，其中，电容单元包括两个磁性层和一个电介质层；电介质层被夹持在两个磁性层之间；磁性层由若干层薄膜构成，磁性层为永磁体；电介质层两侧的磁性层磁极性相反。本申请的量子物理蓄电池和目前普遍使用的锂离子电池相比，在相同的负载运行状况下，重量和体积均降低了数十倍，甚至上百倍；而其储电量却提高了数十甚至上百倍；且该蓄电池可以在几分钟或十几分钟的时间内完成充电；生产成本降低了三分之二。在目前的移动电源领域具有无与伦比的优势，其未来市场发展潜力巨大。

Description

一种量子物理蓄电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及微观粒子领域，根据量子力学理论计算的物理方法直接存储并释放出电能；尤其涉及一种量子物理蓄电池及其制备方法。

背景技术

众所周知，能源和环境是人类社会赖以生存和发展并极为重要的物质基础。世界各国自先后建立起以石油、煤炭和天然气等化石燃料为基础的能源体系以后，极大地推动了人类社会的进步、繁荣与发展。但是，随着当今世界各国所遭遇到的各种天灾人祸等事实的惨痛教训和人类战略科学预测能力的不断提高，人类愈来愈感觉到其前进道路上将面临着严峻的两难困境：不可再生的化石燃料有限，并将逐渐走向枯竭，能源危机的风暴愈演愈烈；化石燃料的大量开采和使用，造成了环境的严重污染及生态平衡的破坏。因此，世界各国的有识之士都急于寻找能源安全战略措施，大力开发以太阳能、风能、生物质能、地热能、水电、核电以及宇宙间蕴藏的其他清洁能源，并极为重视研发应用先进的能源存储和传输系统。

蓄电池作为能源的存储和传输系统的应用，在世界范围内非常广泛：如手机、笔记本电脑、数码相机、MP3、手电筒、儿童玩具、电冰箱、电视机、电磁炉、吸尘器、微波炉、音响、电烤箱、电锅、电抽油烟机、洗衣机、电热水器等个人及家用电器；还有割草机、电钻机、锯木机等携带型电动工具；大的方面还有电动汽车、电动机车、电动飞机、电网调峰、电讯传输塔、电动轮船以及国防和航天方面的单兵武器、火炮、防寒服、电热被、鱼雷发射、无人机、直升机、单人飞机、坦克、运输机车、潜水艇、军舰、航母、导弹、火箭、飞船系统等等，因此，蓄电池有包罗万象的应用前景。

当前，世界范围内使用的电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、空气动力电池和氢燃料电池；但上述电池存在重量和体积大、充电时间长、生产成本高、能量和功率密度低等问题。

因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种量子物理蓄电池，该蓄电池和现有的锂离子电池相比，在相同的负载运行状况下，重量和体积均降低了数十倍，甚至上百倍；而其储电量却提高了数十甚至上百倍；且该蓄电池可以在几分钟或十几分钟的时间内完成充电；生产成本降低了三分之二。本发明的另一目的是提供一种制备本发明的蓄电池的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种量子物理蓄电池，所述蓄电池由百万级数量的电容单元并联构成，所述电容单元包括两个磁性层和一个电介质层；所述电介质层被夹持在两个所述磁性层之间；所述磁性层由若干层薄膜构成，所述磁性层为永磁体；所述电介质层两侧的磁性层磁极性相反。

进一步，所述电介质层的材质为三氧化钛，电介质层由若干层三氧化钛薄膜构成。

进一步，所述磁性层的材质为铁、钴、镍合金；所述磁性层是由重粒子冲击铁、钴、镍合金表面形成。

进一步，所述磁性层薄膜的厚度小于1nm。

进一步，所述蓄电池单体的长宽高为：5mm、4mm和1mm；封装后的蓄电池单体的长宽高为：6.5mm、6.5mm和2.5mm。

进一步，所述方法包括如下步骤：

1）使用重粒子冲击铁、钴、镍合金表面形成薄膜；若干层薄膜叠加在一起构成磁性层；将所述磁性层加热并施加强磁场，使磁性层成为永磁体；

2）使用重粒子冲击三氧化钛的表面形成三氧化钛薄膜，若干层所述三氧化钛薄膜叠加在一起构成电介质层；

3）将所述电介质层放入所述两层磁极性相反的磁性层之间构成电容单元；

4）将百万级数量的电容单元并联，然后通过半导体制程的方法将百万级数量并联的电容单元制成单体蓄电池并制成8英寸或12英寸的晶圆，将所述晶圆进行切割，得到标准单体蓄电池，然后对标准单体蓄电池进行封装；

5）根据所需电池的额定容量将步骤4）中得到的封装好的所述标准蓄电池单体进行并联，得到符合要求的蓄电池模组。

进一步，所述步骤1）具体为：根据磁性层所需的所述薄膜层数，确定所述步骤1）中重粒子冲击的次数，然后按确定的冲击次数对所述铁、钴、镍合金表面进行连续冲击，直至得到所需的薄膜层数；若干层所述薄膜叠加在一起构成磁性层；之后将所述磁性层加热并施加强磁场，使磁性层成为永磁体。

本发明具有以下积极的技术效果：

本申请的量子物理蓄电池和目前普遍使用的锂离子电池相比，在相同的负载运行状况下，重量和体积均降低了数十倍，甚至上百倍；而其储电量却提高了数十甚至上百倍；且该蓄电池可以在几分钟或十几分钟的时间内完成充电；生产成本降低了三分之二。在目前的移动电源领域具有无与伦比的优势，其未来市场发展潜力巨大。

附图说明

图1是本发明的电容单元的结构示意图；

图2是本发明由电容单元到标准蓄电池单体的流程图；

图3是本发明封装后的标准蓄电池单体结构示意图；

图4是本发明的蓄电池使用状态示例图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面地说明，附图中标示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本发明涉及的量子物理电池（QuantumMechanicsPhysicalBattery，简称Qmpb），涉及一种微观粒子领域，其是根据量子力学理论计算的物理方法直接储存并放出电能的蓄电池。该电池的微型机构类似一个平板电容，即以一个电介质层夹在两个磁性层之间的夹心形式来建立纳米电容单元；而一个标准量子物理电池是并联了百万级数量的纳米电容单元，并以半导体薄膜制程实现规模化生产。

Qmpb在充电时，直接将电子储存于磁性层中，特别是电容充电时能使电子更紧密地靠在一起，从而提高磁性层中的电子密度，由此产生巨磁电容效应，英文称之为GiantMagnetoCapacitance，简称GＭＣ效应。

一般电容器的电容计算公式为：

C=ε₀kA/D,

其中，C-电容，ε₀-介电常数，k-材料的介电质常数，A-平板面积，D-上下平板之间的距离；

而由于产生了GＭＣ效应，Qmpb的电容计算公式应修正为C＇=ε₀k＇A/D,其中，k＇=k×f_ＧＭＣ；式中f_ＧＭＣ称为GＭＣ系数，理论计算GＭＣ系数最高可达10¹⁷，但在目前的技术实验条件下，GＭＣ系数能达到1.6×10¹¹。

当Qmpb存在GＭＣ效应的同时也存在另一种量子物理效应，即巨磁电阻效应（GiantMagnetoＲesistanceEffect，简称GMR）。巨磁电阻效应显现出了电阻对外加电场产生反应，从零场高阻抗状态至高场低阻抗状态时的显著变化。因此，可以利用巨磁电阻效应作为高效能的绝缘体。

本发明的Qmpb是综合利用ＧＭＣ、GMR、洛伦兹力和适当的管理控制单元，使进入磁性层中而紧密排列的电子，就像一个集电的磁场“陷阱”，其电子被“困”在磁场中难以脱离，因此，Qmpb不仅可以用来存储大量的电能，而且电池没有挥发性、不漏电，自放电率极小。

电容器储能计算公式：

E=0.5CV²，式中，C-电容，V-Qmpb充电电压，E-电能（除以3600转化为Wh），电能的储存和充电电压的二次方成正比。当f_GMC为10⁹时，以12V的电压充电，储电量为10Wh，而以360V的电压充电时，储电量就达到了9KWh。

如图1-3所示，本发明的量子物理蓄电池由百万级数量的电容单元并联构成，其中，电容单元包括两个磁性层1和2和一个电介质层3；电介质层3被夹持在两个磁性层1和2之间；磁性层1和2由若干层薄膜构成，磁性层为永磁体；电介质层3两侧的磁性层1和2磁极性相反。

电介质层3的材质为三氧化钛，电介质层3由若干层三氧化钛薄膜构成。

磁性层的材质为铁、钴、镍合金；磁性薄膜是由重粒子冲击铁、钴、镍合金表面形成。薄膜的厚度小于1nm。蓄电池单体的长宽高为：5mm、4mm和1mm；封装后的蓄电池单体的长宽高为：6.5mm、6.5mm和2.5mm。

制备本发明的量子物理蓄电池的方法如下：

1）使用重粒子冲击铁、钴、镍合金表面形成薄膜；若干层所述薄膜叠加在一起构成磁性层；将磁性层加热并施加强磁场，使磁性层成为永磁体；

2）使用重粒子冲击三氧化钛的表面形成三氧化钛薄膜，若干层三氧化钛薄膜叠加在一起构成电介质层3；

3）将电介质层3放入两层所述磁极性相反的磁性层1和2之间构成电容单元；

4）将百万级数量的电容单元并联组成一个标准的量子物理蓄电池4，然后通过半导体制程的方法将百万级数量并联的电容单元制成单体蓄电池并制成8英寸或12英寸的晶圆5，将所述晶圆5进行切割，得到标准的蓄电池单体6，然后对标准的蓄电池单体进行封装；

5）根据所需电池的额定容量将步骤4）中得到的封装好的标准蓄电池单体6进行并联，得到符合要求的蓄电池模组。

其中，步骤1）具体为：根据磁性层所需的薄膜的层数，确定步骤1）中重粒子冲击的次数，然后按确定的冲击次数对所述铁、钴、镍合金表面进行连续冲击，直至得到所需的薄膜层数，若干层所述薄膜叠加在一起构成磁性层；之后将所述磁性层加热并施加强磁场，使磁性层成为永磁体。

如图4所示，本发明的Qmpb在充放电时，即与电源或负载藕接时，必须设置电源管理控制器、负载管理控制器和Qmpb管理控制器，以确保Qmpb的安全充、放电。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种量子物理蓄电池，其特征在于，所述蓄电池由百万级数量的电容单元并联构成，所述电容单元包括两个磁性层和一个电介质层；所述电介质层被夹持在两个所述磁性层之间；所述磁性层由若干层薄膜构成，所述磁性层为永磁体；所述电介质层两侧的磁性层磁极性相反。

2.根据权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，所述电介质层的材质为三氧化钛，电介质层由若干层三氧化钛薄膜构成。

3.根据权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，所述磁性层由多层薄膜构成，其材质为铁、钴、镍合金；所述磁性层薄膜是由重粒子冲击铁、钴、镍合金表面形成。

4.根据权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，所述磁性层薄膜的厚度小于1nm。

5.根据权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，所述蓄电池单体的长宽高为：5mm、4mm和1mm；封装后的蓄电池单体的长宽高为：6.5mm、6.5mm和2.5mm。

6.一种制备权利要求1-5任一所述的蓄电池的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）使用重粒子冲击铁、钴、镍合金表面形成磁性层薄膜，若干层所述磁性层薄膜叠加在一起构成磁性层；将所述磁性层加热并施加强磁场，使磁性层成为永磁体；

4）将百万级数量的电容单元并联，然后通过半导体制程的方法将百万级数量并联的电容单元制成单体蓄电池并制成8英寸或12英寸的晶圆，将所述晶圆进行切割，得到标准的单体蓄电池，然后对所述标准单体蓄电池进行封装；

5）根据所需电池的额定容量将步骤4）中得到的封装好的所述标准单体蓄电池进行并联，得到符合要求的蓄电池模组。

7.根据权利要求6中所述的方法，其特征在于，所述步骤1）具体为：根据磁性层所需的所述磁性薄膜的层数，确定所述步骤1）中重粒子冲击的次数，然后按确定的冲击次数对所述铁、钴、镍合金表面进行连续冲击，直至得到所需的薄膜层数，若干层所述磁性薄膜叠加在一起构成磁性层；之后将所述磁性层加热并施加强磁场，使磁性层成为永磁体。