CN106463617A - 电池 - Google Patents
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Abstract
本发明可提供一种优异的电池，根据本发明的一实施例的电池包括第一电极层(6)、第二电极层(7)、以及充电元件(3)，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于该充电元件，所述充电元件(3)用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，例如，该电池具有该充电元件(3)设置于其内部的结构，该充电元件为三维形状。
Description
技术领域
本发明是关于一种电池。
背景技术
本申请的申请人开发出一种电池，其利用紫外线照射而使一金属氧化物产生光激励结构性改变(以下称之为“量子电池”)(专利文献1和2)。可预期专利文献1和2所揭露的量子电池技术可提供一容量远大于锂离子电池的电池。专利文献1和2所揭露的二次电池包括堆叠于一基板上的第一电极、一N型金属氧化物半导体层、一充电层、一P型半导体层、以及第二电极。
专利文献
专利文献1：国际公布号WO2012/046325
专利文献2：国际公布号WO2013/065093
发明内容
技术问题
这种量子电池具有一平行板结构以实现一薄膜电池。即，一充电层设置于第一及第二电极之间，以使第一及第二电极形成于所述充电层的整个表面上。从而，非常难以改善此电池的容积效率和/或容量，以及减轻此电池的重量。
问题的解决方式
本发明着眼于上述问题，而提供一优异的电池。
根据本发明一实施例的一种电池，包括：第一电极层；第二电极层；以及充电元件，所述充电元件用于通过产生由一绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中所述第一电极层与所述第二电极层的其中至少一个的与所述充电元件相接触的表面为一曲面。
在上述电池中，所述充电元件可为球形或圆柱形。
根据本发明的另一实施例的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过产生由一绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中所述第一电极层与所述第二电极层的至少一个设置于所述充电元件内。
在上述电池中，所述充电元件可形成为圆柱形。进一步地，所述第一电极层可设置于所述充电元件内侧；以及所述第二电极层可设置于所述充电元件的一外圆周表面上。
根据本发明的另一实施例的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过产生由一绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中所述充电元件为三维形状。
根据本发明的另一实施例的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过产生由一绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中所述第二电极层设置于所述充电元件的一表面上，其中，所述第一电极层设置在所述充电元件上。
在上述电池中，可设置有多个第二电极层，还设置有与所述第一电极层相对且将所述充电元件为夹设在之间的一第二电极层。
根据本发明的另一实施例的电池包括：一种电池，包括：第一电极层；第二电极层；以及充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过产生由一绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中在沿所述充电元件的表面的一平面视图内，所述第二电极层设置于与所述第一电极层不同的位置。
在上述电池中，所述第二电极层可形成在所述充电元件形成有所述第一电极层的表面上。
在上述电池中，所述第二电极层可形成在所述充电元件形成有所述第一电极层的表面的一相对侧表面上。
根据本发明的另一实施例的电池包括：第一单位电池；以及与所述第一单位电池并联或串联的第二单位电池，其中，所述第一单位电池为上述的电池，以及所述第二电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过产生由一绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子。
在上述电池中，所述第一单位电池可为上述的电池且所述第二单位电池可为一平行平板型单位电池。
根据本发明一实施例的电池，其中所述第一及第二单位电池中的每一个为上述的电池且第一及第二单位电池为堆叠设置。
本发明的有益效果
根据本发明，可提供一优异的电池。
附图说明
图1为一量子电池基础结构的立体图；
图2为一量子电池基础结构的剖面图；
图3为一用于电子渗流现象的验证实验的电池的俯视示意图；
图4为说明电子渗流现象的图；
图5为说明电子渗流现象的图；
图6为说明电子渗流现象的图；
图7为说明电子渗流现象的图；
图8为实施例1的一量子电池的立体图；
图9为实施例1的量子电池的剖面图；
图10为实施例1的量子电池的俯视图；
图11为实施例2的一量子电池的立体图；
图12为实施例2的量子电池的剖面图；
图13为实施例2的量子电池的俯视图；
图14为实施例3的一量子电池的立体图；
图15为实施例3的量子电池的剖面图；
图16为实施例3的量子电池的俯视图；
图17为实施例4的一量子电池的剖面图；
图18为实施例5的一量子电池的立体图；
图19为实施例6的一量子电池的立体图；
图20为一量子电池单元的堆叠结构1的剖面图；
图21为一量子电池单元的堆叠结构2的剖面图；
图22为一量子电池单元的堆叠结构3的剖面图；
图23为一量子电池单元的堆叠结构4的剖面图。
具体实施方式
根据本发明的实施例参照附图说明。下面说明的实施例仅为根据本发明的实施例，但本发明不限于下示的实施例。注意下文说明和附图中具有相同标记为表示相同的部件/结构。
(A)关于量子电池
根据下述每个实施例的电池为一应用量子电池技术的电池。因此，在说明每个实施例前在下文中简略说明量子电池。
量子电池为一电池(二次电池)，原则上，通过利用一金属氧化物的光激励结构改变在能带隙中形成一能阶并由此捕获电子。
所述量子电池为一全固态型并可独立发挥电池功能的电池。图1及图2所示为一量子电池的结构示例。注意图1为一平行板结构型量子电池11的结构立体图，图2为其剖面图。注意图1及图2中，对于例如正极及负极等的端子以及对于例如外护套元件及覆盖元件等的封装元件的图示均省略。
所述量子电池11包括一充电元件(充电层)3、第一电极层6、以及第二电极层7。所述充电元件3设置于所述第一与第二电极层6、7之间。因此，所述第一及第二电极层6、7产生的一充电电压作用于所述充电元件3。所述充电元件3在充电操作时蓄积(捕获)电子并在放电操作时释放蓄积的电子。所述充电元件3为未充电时保留电子(蓄积电力)的层。所述充电元件3通过应用光激励结构改变技术所形成。
应当注意的是所述光激励结构改变公开于，例如，在国际公布号WO2008/053561中，且为前述专利公开案的发明人(也是本申请的发明人)中泽明所发现的现象(技术)。特别是，中泽发现当将有效激励能源给予一金属氧化物，其为具有大于等于一预设值的能带隙并具有透明度且被绝缘材料覆盖的半导体时，在所述能带隙中会产生许多没有电子出现的能阶。所述量子电池11通过捕获在那些能阶中的电子而充电并通过释放所捕获的电子而放电。
在充电元件3中，覆盖有绝缘材料的一N型金属氧化物半导体的微粒以薄膜状沉积于所述第二电极层7上。之后，所述N型金属氧化物半导体通过以紫外线辐射造成一光激励结构改变而发生变化，因此其能够蓄积电子。所述充电元件3包括覆盖有绝缘材料的一N型金属氧化物半导体的多个微粒。
所述第一电极层6为，例如，一负电极层，且包括第一电极1及一N型金属氧化物半导体层2。所述N型金属氧化物半导体层2设置于所述第一电极1及所述充电元件3之间。因此，所述N型金属氧化物半导体层2的其中一个表面与所述第一电极1相接触且另一表面与所述充电元件3相接触。
在所述充电元件3中，覆盖所述N型金属氧化物半导体的微粒的绝缘涂层不必仅限于均一的涂层。涂层未形成时，所述充电元件3中的该N型金属氧化物半导体暴露。该N型金属氧化物半导体层2作为一绝缘层，而使充电层中的N型金属氧化物半导体绝缘于第一电极1，并用于改善例如充电容量等的性能。进一步地，该N型金属氧化物半导体层2可有效降低成品元件间的特性差异，由此改善生产线中的稳定性及产量。
该第二电极层7例如为一正电极层，且包括第二电极5及一P型金属氧化物半导体层4。该P型金属氧化物半导体层4设置于该第二电极5与该充电元件3之间。因此，该P型金属氧化物半导体层4的其中一个表面与该第二电极5相接触且另一表面与该充电元件3相接触。该P型金属氧化物半导体层4用于防止电子从该第二电极5流入该充电元件3。
每个第一及第二电极1、5均由导电性材料构成。例如可使用的金属电极包括含有铝(Al)的银(Ag)合金膜。对该N型金属氧化物半导体层2，可使用二氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)作为其材料。对该P型金属氧化物半导体层4，可使用氧化镍(NiO)、氧化铜铝(CuAlO2)等作为其材料。
注意，根据上述说明，虽然该第一电极层6具有第一电极1与N型金属氧化物半导体层2组成的双层结构，该第一电极层6的结构不限于双层结构。例如，该第一电极层6可为仅由第一电极1组成的单层结构。相似地，该第二电极层7的结构不限于由P型金属氧化物半导体层4及第二电极5组成的双层结构。例如，所述第二电极层7可为仅由第二电极5组成的单层结构。即为，每个第一及第二电极6、7可仅由金属电极组成。
(B)电子渗流现象
一直以来都认为在如图1及图2所示的量子电池中，在充电时电子仅蓄积于置于第一与第二电极层6、7之间的充电元件3中。即，一直以来都认为电子仅蓄积于充电元件3中位于第二电极层7正下方的区域。然而，本申请的发明人所实施的实验显示出一现象，当位于第二电极层7正下方的区域完全充满电子时，电子会渗流至位于第二电极层7正下方的区域的外部。即，其显示电子会渗流至位于第二电极层7正下方的区域的外部并蓄积于该处。
由本申请的发明人所发现的该电子渗流现象将在下文中进行说明。如图3所示的一量子电池10曾被用于发现所述电子渗流现象。注意图3为一XY平面视图，简略地显示设置于一充电元件3上的第二电极7的图案形状。
在图3中，多个矩形的第二电极层7排成一阵列。即，多个矩形的第二电极层7沿着X方向及Y方向排列。相邻的第二电极层7之间具有无第二电极层7的区域。同时，假设第一电极层6(图3中未示出)大致形成于该充电元件3的整个表面。
在此，于下文中将施加有充电电压的第二电极层7称为区块7a。即，没有充电电压作用于区块7a之外的区块。然后，分别在区块7a被充电及区块7a在自然放电状态下，对每个区块的电压进行测量。
随着对区块7a的持续充电，位于区块7a附近的区块7b中的电压升高。即，基于蓄积在充电元件3中的电子，于未施加充电电压的区块7b中产生电压。进一步，即使对区块7a的充电停止后，当区块7a因自然放电而电压下降的同时，区块7b中的电压升高。本实验显示电子会从充电部位渗透到充电部位的周围区域。
图4至图7为用于说明在量子电池10中的电子渗流现象的模型。在图4至图7中，该第一电极层6形成在该充电元件3的整个表面，而该第二电极层7形成在该充电元件3的部分表面。注意该第二电极层7与该第一电极层6重叠的区域被称为“重叠区域18”，而未重叠的区域被称为“非重叠区域19”。
首先，如图4所示，一供电电源31跨接于该第一及第二电极层6、7以产生对该量子电池10充电的一充电电压。该第一及第二电极层6、7间的充电电压作用于该充电元件3。在该量子电池10充电期间，电子一开始蓄积于第二电极层7正下方的区域(在附图中以字母“e”表示)。即，电子蓄积于重叠区域18。然后，如图5所示，当重叠区域18完全充满电子时，电子开始蓄积于第二电极层7正下方区域的外部。即，电子由重叠区域18扩散至非重叠区域19。
此后，如图6所示，电子扩散至整个充电元件3直到电位稳定。即，充电元件3中的电子密度达到一致。因此，重叠区域18中的电子密度与非重叠区域19的电子密度大致相等。在如图7所示的放电期间，位于第二电极层7正下方区域的电子首先逃离，之后位于第二电极层7正下方区域外的电子逐渐逃离。即，当放电开始时，重叠区域18的电子密度变得比非重叠区域19的电子密度要低。
在过去，一直以来都认为电子仅蓄积于第二电极层7正下方区域。因此，一直使用所述第一与第二电极层6、7均形成在该充电元件3的大致整个表面上的平行板结构。然而，电子渗流现象使电极层能够设置于充电元件3的部分表面。进一步地，即使当该电极层形成在该充电元件3的部分表面，也可达成与电极层形成在充电元件3的整个表面的情况下相同的供电容量，且具有与上述情况的充电元件3相同的体积。即，当量子电池充电到100％时，非重叠区19的电子密度会变得与重叠区18的电子密度大致相等。因此，可在改善电池特性的同时维持其作为电池的基础功能。
(C)单层量子电池
如上所述，通过电子渗流现象，可实现各种结构的量子电池。量子电池的实施例将在下文中进行说明。单个量子电池将在下述说明中进行说明。
(C-1)实施例1
图8所示为根据实施例1的一量子电池20的立体图，图9为其剖面图。进一步地，图10为量子电池20的俯视图。在实施例1中，该充电元件3为形成为板形或片状的一充电层，即，该充电元件3的两个相对面为平行平面。第一电极层6形成在该充电元件3的底面而第二电极层7形成在其顶面。即，所述第一及第二电极层6、7形成在该充电元件3的不同表面上。
如图10所示，该充电元件3在XY平面视图中为一矩形。在XY平面视图中所述第一及第二电极层6、7的位置产生偏离。在本实施例中，所述第一及第二电极层6、7形成长边在Y轴方向的狭窄的矩形。进一步地，所述第一电极层6设置于该充电元件3的X轴方向中的正极端且第二电极层7设置于其X轴方向中的负极端。如上所述，沿X轴方向，该第一电极层6设置为邻近于充电元件3的一端且该第二电极层7设置为邻近于充电元件3的另一端。
当充电电压施加于所述第一及第二电极层6、7，在充电元件3中产生如图9所示的电力线。电子通过第一与第二电极层6、7之间的充电电压而蓄积于充电元件3中。进一步地，因为上述的电子渗流现象，电子蓄积遍布充电元件3。如上所述，即使第一及第二电极层6、7在X轴方向上的位置产生偏离，电子蓄积也能遍布充电元件3。
因为所述第一及第二电极层6、7仅形成在该充电元件3的部分表面，电池的容积效率能够得到改善。一般来说，电池的容积效率可通过一表达式来表达，该表达式为：(电池的容积效率)＝(电池的有效容积)/(电池的总体积)。因此，容积效率可通过降低量子电池20的总体积而改善。如上所示，由于电极层的尺寸降低，可改善容积效率。进一步地，由于第一及第二电极层6、7部分地形成在充电元件3的表面，相较于第一及第二电极层6、7形成在充电元件3的整个表面的情况，量子电池20的重量可降低。
(C-2)实施例2
图11所示为根据实施例2的一量子电池30的立体图，图12为其剖面图。进一步地，图13为量子电池30的俯视图。在实施例2中，该充电元件3为形成为板形或片状的一充电层。即，该充电元件3的两个相对面为平行平面。实施例2与实施例1的区别在于第一电极层6的位置不同。第一及第二电极层6、7均形成在充电元件3的顶面。该第二电极层7设置于该充电元件3上设置有该第一电极层6的表面上。所述第一及第二电极层6、7形成于充电元件3的同一平面上。
如图13所示，该充电元件3在XY平面视图中为一矩形。进一步地，在XY平面视图中所述第一与第二电极层6、7的位置产生偏离。在此实施例中，所述第一及第二电极层6、7形成为长边在Y轴方向的狭窄的矩形。进一步地，该第一电极层6设置于该充电元件3的X轴方向中的正极端而第二电极层7设置于该充电元件3的X轴方向中的负极端。如上所述，在XY平面视图中，该第一电极层6设置为邻近于该充电元件3的一端且该第二电极层7设置为邻近于该充电元件3的另一端。在量子电池30中，该第二电极层7在XY平面视图中设置于与第一电极层6不同的地方。
当充电电压施加于所述第一及第二电极层6、7，在充电元件3中产生的电力线如图12所示。因此，通过第一与第二电极层6、7之间的充电电压，电子蓄积于充电元件3中。进一步地，因为上述的电子渗流现象，电子蓄积遍布充电元件3。如上所述，即使第一及第二电极层6、7置于充电元件3的同一平面上且在X轴方向上设置于不同的位置，电子蓄积遍布充电元件3。
由于所述第一及第二电极层6、7仅形成在该充电元件3的(多个)部分表面，因此电池的容积效率能够得到改善。一般来说，电池的容积效率可通过一表达式来表示，该表达式为：(电池的容积效率)＝(电池的有效容积)/(电池的总体积)。因此，容积效率可通过降低量子电池30的总体积而得到改善。如上所示，由于电极层的尺寸降低，可改善容积效率。更进一步地，因为第一及第二电极层6、7部分地形成在充电元件3的表面，相较于第一及第二电极层6、7形成在充电元件3的整个表面的情况，量子电池30的重量可降低。
(C-3)实施例3
图14所示为根据实施例3的一量子电池40的立体图，图15为其剖面图。进一步地，图16为量子电池40的俯视图。在实施例3中，该充电元件3为形成为板形或片状的一充电层，即，该充电元件3的两个相对面为平行平面。所述第一及第二电极层6、7均形成在该充电元件3的顶面及底面的每一个上。
更具体地，该量子电池40包括两个第一电极层6及两个第二电极层7。在下列说明中，所述两个第一电极层6被分别称为“第一电极层6a”及“第一电极层6b”，而所述两个第二电极层7被分别称为“第二电极层7a”及“第二电极层7b”。所述第一电极层6a及所述第二电极层7a形成在该充电元件3的顶面。所述第一电极层6b及所述第二电极层7b形成在该充电元件3的底面。第一电极层6a设置于该充电元件3的X轴方向中的正极端而第一电极层6b设置于其X轴方向中的负极端。
第二电极层7a设置于该充电元件3的X轴方向中的负极端，且形成在该充电元件3的底面上的第二电极层7b设置于其X轴方向中的正极端。所述第二电极层7a及所述第一电极层6b为相对设置且该第二电极层及该第一电极层间夹置有该充电元件3。即，该第二电极层7a的位置与该第一电极层6b的位置在XY平面上重合。该第二电极层7b及该第一电极层6a为相对设置且该第二电极层7b及该第一电极层6a间夹置有该充电元件3。即，该第二电极层7b的位置与该第一电极层6a的位置在XY平面上重合。
因此，量子电池40的第二电极层7包括第二电极层7a及第二电极层7b，在XY平面视图中，第二电极层7a设置为与第一电极层6a不同的位置，在XY平面视图中，第二电极层7b设置为与第一电极层6a相同的位置。相似地，量子电池40的第一电极层6包括第一电极层6b及第一电极层6a，在XY平面视图中，第一电极层6b设置于与第二电极层7a相同的位置，在XY平面视图中，该第一电极层6a设置于与第二电极层7a不同的位置。
当充电电压施加于所述第一及第二电极层6、7，电子通过第一及第二电极层6、7之间的充电电压蓄积于充电元件3中。进一步地，因为上述的电子渗流现象，电子蓄积遍布充电元件3。如上所述，即使第一及第二电极层6、7设置于充电元件3的同一平面上且在X轴方向上设置于不同的位置，电子蓄积遍布充电元件3。
进一步地，在实施例3中，所述第一及第二电极层6、7的每一个分割并形成多个区块。因此，在充电过程中使用的第一及第二电极层6、7与在放电过程中使用的第一及第二电极层6、7可能不同。举例来说，当量子电池充电时，一供电电源连接于所有的第一电极层6a及6b以及第二电极层7a及7b而为电池提供一充电电压，这实现了快速充电操作。同时，当量子电池放电时，(一个或多个)负载或类似物仅连接第一电极层6a及第二电极层7b。以此种方式，可以限制当下释放的电力，因此可长时间进行放电。
如上所述，通过形成多个电极层的分隔区块，有可能改变在充电及放电过程中电极层间的重叠区域的大小。举例来说，较在放电过程中的重叠区域的大小，在充电过程中的重叠区域的大小可降低。或者，较在放电过程中的重叠区域的大小，在充电过程中的重叠区域的大小可增加。可通过把第一电极层6或第二电极层7分隔成多个区块获得想要的充/放电特性。
(C-4)实施例4
图17所示为根据实施例4的一量子电池50的剖面图。该量子电池50在实施例4中为三维形状。具体地，该量子电池50包括形成球形的一充电元件3。进一步地，该第一及第二电极层6、7形成在球形充电元件3的一部分上。所述第一及第二电极层6、7形成在该充电元件3的部分表面上。
所述第一及第二电极层6、7相对设置，且该第一及第二电极层间夹置有该充电元件3。在本实施例中，所述第一及第二电极层6、7相对设置使该球形充电元件3的中心位于所述第一及第二电极层6、7之间。在这个情况中，当充电电压施加于所述第一及第二电极层6、7，电子通过所述第一及第二电极层6、7之间的充电电压蓄积于该充电元件3。进一步地，因为上述的电子渗流现象，电子蓄积于整个该充电元件3。如上所述，电子扩散于整个该球形充电元件3。
所述第一及第二电极层6、7形成在该球体的充电元件3的表面上。因此，该充电元件3的表面为一球形。所述第一及第二电极层6、7中的至少一个，其接触该充电元件3的表面为一曲面。进一步地，该充电元件3的外表面为一曲面。容积效率可通过将该充电元件3设置为三维形状而改善。更进一步地，由于所述第一及第二电极层6、7形成于该充电元件3的部分表面上，该量子电池50的重量可降低。
(C-5)实施例5
图18所示为根据实施例5的一量子电池60的立体图。在实施例5中，该量子电池60为同轴设置。因此，该充电元件3为一圆柱形。圆柱形的第一电极层6设置于该充电元件3的中心。位于中心轴沿线的该第一电极层6的外圆周面与该充电元件3相接触。该第一电极层6的一端设置于该充电元件3外，故其可与一外部端子连接。
第二电极层7设置于该充电元件3的外圆周面上。因此，该充电元件3与该第一电极层6或该第二电极层7接触的表面为一曲面。当充电电压施加于该第一及第二电极层6、7，电子扩散于整个该圆柱形充电元件3。注意在图18中虽然该第二电极层7形成于该充电元件3的外圆周表面的全部区域上，该第二电极层7可以部分地形成于外圆周表面上。即，该第二电极层7可形成于该充电元件3的外圆周表面的(多个)部分上。在这个情况下，多个第二电极层7的区块可形成于该充电元件3的外圆周表面上。
进一步地，该第一电极层6可于X轴方向上具有仅延伸至该充电元件3中的某个中间点的长度。同样地，该第一及第二电极层6、7的位置可产生偏离。即，该第一电极层6可形成于该充电元件3的外侧且该第二电极层7可形成于该充电元件3的内侧。
该充电元件3形成于该圆柱形第一电极层6的外圆周表面上。进一步地，该第二电极层7形成于该充电元件3的外圆周表面上。该充电元件3的表面为一曲面。所述第一及第二电极层6、7中的至少一个，与该充电元件3接触的表面为曲面。容积效率可通过将充电元件3设置为三维形状而改善。进一步地，因为该第一及第二电极层6、7形成于该充电元件3的部分上，该量子电池60的重量可降低。
(C-6)实施例6
图19所示为根据实施例6的一量子电池70的立体图。在该量子电池70中，所述第一及第二电极层6、7设置于该充电元件3内部。每个所述第一及第二电极层6、7的一端位于该充电元件3的外部，故其可连接至外部端子。在本实施例中，每个所述第一及第二电极层6、7为一圆柱形，其纵向方向为Y轴方向。该充电元件3为一长方体形状且其中设置有所述第一及第二电极层6、7。同样地，所述第一及第二电极层6、7以及该充电元件3的形状不限于任何特定的形状。
该充电元件3的一部分设置于所述第一及第二电极层6、7之间。当在所述第一及第二电极层6、7施加一充电电压时，一电压作用于该充电元件3。随着充电持续，电子自第一及第二电极层6、7之间的区域扩散到该充电元件3的全部区域。因为上述的电子渗流现象，电子蓄积于整个该充电元件3。
注意虽然在图19中所示为所述第一及第二电极层6、7均设置于该充电元件3内部，但是所述第一及第二电极层6、7中也可以仅一个设置于该充电元件3内部。在这个情况中，另一电极层可形成于该充电元件3的表面。
在实施例1至3中，电极层形成于该板状或片状的充电元件3的部分表面上。通过使用此种结构，可实现多样的封装设置。因此，可改善量子电池的容积效率和/或量子电池的成本。
在实施例4至6中，该充电元件3为三维形状。该充电元件3的体积可通过将该充电元件3设计成三维形状而增加。即，电池容量可通过使用具有大厚度的充电元件3而增加。举例来说，当使用板状或片状的一充电层时，充电层的面积(即，二维大小)需要增加以增加充电层的体积。然而，从其一致性的观点中，增加充电层的大小可能很困难。如上说明，在此实施例中，可以通过使用三维形状的充电元件3而实现具有高电容量及优异的性质的一量子电池。进一步地，各种封装设置可通过将充电元件3设计成三维形状而实现。因此，可改善量子电池的容积效率和/或降低重量和/或量子电池的成本。
多种形成(或成型)方法可作为将一充电元件3形成为三维形状的方法。举例来说，一充电元件3可通过使用具有期望形状的模具而成型。具体地，将覆盖有绝缘材料的N型金属氧化物半导体的微粒放入一模具内。然后，经定形及压缩后，加以烘烤。通过这样的作法，可成型出任意形状的充电元件3。通过使用具有期望形状的模具，可在充电元件3中形成大厚度的(一个或多个)区块，并由此将该充电元件3形成为三维形状。进一步地，在实施例5及6中，该充电元件3与置于其内的电极层一起成型。
(D)量子电池的堆叠结构
在实施例1至6的每一个中显示了单一量子电池。当然，可以通过合并多个量子电池来增加电容量。下文中将说明包括多个单一量子电池的一量子电池，每一个单一量子电池可为实施例1至6中所示的量子电池之一。以下，单一量子电池也称为“单位量子电池”及包括多个单位量子电池的一量子电池也称为“量子电池单元”。进一步通过串联或并联多个单位量子电池可以改善量子电池的容积效率和/或降低量子电池的重量和/或成本。
(D-1)量子电池单元的堆叠结构1
图20所示为根据堆叠结构1的一量子电池单元100的剖面图。在图20中，使用实施例1中所示的两个量子电池20。在图20中，该量子电池20分别称为单位量子电池20a及20b。所述单位量子电池20a及20b串联。
在图20中，片状或板状的单位量子电池20a及20b相互堆叠。即，充电元件3a、3b相互平行设置。进一步地，该单位量子电池20a的第一电极层6a及该单位量子电池20b的第二电极层7b设置于所述充电元件3a、3b之间。第一电极层6b与一负极端101相连接且第二电极层7a与一正极端102相连接。进一步地，该第一电极层6a与该第二电极层7b相连接。该第一电极层6a与该第二电极层7b通过，例如，(一个或多个)连接端子(未图示)相连接。或者，该第一电极层6a可通过在所述充电元件3a或3b上形成一导电图案而连接该第二电极层7b。进一步地，可提供一绝缘层以防止该第一电极层6a与该充电元件3b相接触或该第二电极层7b与该充电元件3a相接触。
如上所述，输出电压可通过串联两个单位量子电池20a及20b而增加。进一步地，因为部分的电极设置，得以改善量子电池单元100的容积效率。由于端子结构可简化，容积效率得以改善。进一步地，因为所述第一及第二电极层6、7的尺寸小，重量得以降低。
同样地，由三层或更多层所组成的一堆叠结构可适用于量子电池单元100。举例来说，这样的堆叠结构可通过重复的方式设置如图20所示的两个或更多的结构而易于实现。该量子电池100的输出电压用“N*V”表示且该量子电池100的电流容量用“Ah”表示，其中V为单位量子电池20的电压，Ah为单位量子电池20的电流容量，N是堆叠的层数。
(D-2)量子电池单元的堆叠结构2
图21所示为根据堆叠结构2的一量子电池单元200的剖面图。在图21中，使用在实施例1中所示的两个量子电池20。在图21中，所述量子电池20分别称为单位量子电池20a及20b。所述单位量子电池20a及20b并联。在图21中，片状或板状的单位量子电池20a及20b互相堆叠。即，充电元件3a、3b互相平行。
具体而言，设置所述单位量子电池20a及20b使所述第二电极层7a及7b面向彼此。换句话说，该第二电极层7a置于该充电元件3a的底面而该第二电极层7b置于该充电元件3b的顶面。进一步地，一正极端102设置于所述第二电极层7a与7b之间。该正极端102在夹设于所述第二电极层7a与7b之间的状态下与所述第二电极层7a及7b相连接。通过使用此种设置，所述单位量子电池20a及20b可共用该正极端102，因此使得端子结构得以简化。进一步地，在图21中，形成该量子电池使得该第二电极层7不突出于该充电元件3的表面。
同时，该第一电极层6a设置于该充电元件3a的顶面且所述第一电极层6b设置于该充电元件3b的底面。进一步地，一负极端101与所述第一电极层6a及6b相连接。该负极端101产生分支以与第一电极层6a及6b相连接。
如上所示，电流容量可通过并联两个单位量子电池20a及20b而增加。进一步地，因为部分的电极设置，得以改善量子电池单元200的容积效率。因为端子结构可简化，容积效率得以改善。进一步地，因为所述第一及第二电极层6、7的尺寸小，重量得以降低。
同样地，由三层或更多层组成的一堆叠结构可适用于量子电池单元200。举例来说，这样的堆叠结构可通过重复的方式设置如图21所示的两个或更多的结构而易于实现。该量子电池单元200的电流容量用“N*Ah”表示且该量子电池单元200的输出电压为用“V”表示，其中V为单位量子电池20的输出电压，Ah为单位量子电池20的电流容量，N是堆叠的层数。
注意虽然根据堆叠结构1及2的方式将单位量子电池20堆叠为量子电池单元，其他结构的单位量子电池也可用于堆叠成其他的量子电池单元。举例来说，单位量子电池30或单位量子电池40可堆叠于其他量子电池单元中。或者，具有不同结构的单位量子电池20、30和/或40可堆叠于其他量子电池单元中。举例来说，可堆叠一个单位量子电池20与一个单位量子电池30，或可堆叠一个单位量子电池20与一个单位量子电池40。或者，可堆叠一个单位量子电池30与一个单位量子电池40。同样地，可合并三个或更多的单位量子电池。在这个情况中，电流容量为“N*Ah”。
进一步地，还可将两个或更多并联连接的单位量子电池与两个或更多串联连接的单位量子电池合并。举例来说，可以采用包括2N个单位量子电池的结构，其中并联连接的数量为N，串联连接的数量也为N。在这个情况中，该量子电池单元的输出电压为“N*V”，电流容量为“N*Ah”，其中V为单位量子电池的电压，Ah为单位量子电池的电流容量。
(D-3)量子电池单元的堆叠结构3
图22所示为根据堆叠结构3的一量子电池单元300的剖面图。在图22中，将图1及图2中所示的平行平板型量子电池11与实施例4中所示的量子电池50相结合。在图22中，该量子电池单元300包括一单位量子电池11及六个单位量子电池50。即，将三维单位量子电池50与一平行平板型单位量子电池11相结合。
更具体地，三个单位量子电池50设置于一量子电池11的每个表面上。该量子电池单元300包括一单位量子电池11及六个单位量子电池50。在图22中，包括在该量子电池单元300中的该单位量子电池50及该单位量子电池11被分别称为单位量子电池50a到50f及一单位量子电池11g。
所述三维单位量子电池50a到50f设置于片状的单位量子电池11g的两侧。即，该平行平板型单位量子电池11设置于所述三维单位量子电池50之间。所述单位量子电池50a到50c沿着X轴方向排成一行。所述单位量子电池50d到50f也沿着X轴方向排成一行。
所述单位量子电池50a、50b及50c设置于单位量子电池11g的上方(+Z侧)，且所述单位量子电池50d、50e及50f设置于单位量子电池11g的下方(-Z侧)。该单位量子电池11g与所述单位量子电池50a到50f并联。因此，该正极端102与每个第二电极层7a到7g相连接且该负极端101与每个第一电极层6a到6g相连接。
该正极端102的一部分设置于该第二电极层7g的上方。进一步地，该正极端102的一部分也设置于所述第二电极层7a、7b及7c的下方。因此，该正极端102大致设置于该第二电极层7g与所述第二电极层7a、7b、7c之间。通过使用此种设置，公共的正极端102可与所述第二电极层7a、7b及7c及所述第二电极层7g相连接。即，该板状的正极端102的顶面为与所述第二电极层7a、7b及7c相接触且其底面与所述第二电极层7g相接触。此种设置使得端子结构得以简化。
该负极端101的一部分设置于该第一电极层6g的下方。进一步地，所述负极端101的一部分也设置于所述第一电极层6d、6e、6f的上方。因此，该负极端101大致设置于该第一电极层6g与所述第二电极层6d、6e、6g之间。通过使用此种设置，公共的负极端101可与所述第一电极层6d、6e、6f及该第一电极层6g相连接。即，该板状的负极端101的底面与所述第一电极层6d、6e、6f接触且该负极端101的顶面与该第一电极层6g接触。此种设置使得端子结构得以简化。
在图22所示的结构中，由于使用该平行平板型单位量子电池11，能量密度得以改善。除此之外，由于使用各具有大体积的充电元件3的单位量子电池50，电流容量得以改善。通过将片状的(一个或多个)量子电池连接于(一个或多个)三维量子电池，可实现具有大电流容量及高能量密度的电池。因此，得以实现具有优异特性的该量子电池单元300。
注意虽然图22所示为单位量子电池50在该单位量子电池11的各表面上排成一行的结构，但该单位量子电池50可排成二行或更多行。即，该单位量子电池50可排列成一矩阵。在这个情况中，多个单位量子电池50沿着X轴方向及沿着Y轴方向排列。进一步地，该单位量子电池50可仅排列于该单位量子电池11的其中一个表面上。进一步地，可使用实施例1、2及3中所示的任一量子电池20到40作为该平行平板型单位量子电池11。
(D-4)量子电池单元的堆叠结构4
图23所示为根据堆叠结构4的一量子电池单元400的剖面图。在图23中，将图1中所示的平行平板型量子电池11与实施例4中所示的量子电池50相连接。在图23中，该量子电池单元400包括两个单位量子电池11及三个单位量子电池50。
更具体地，一单位量子电池11设置于该单位量子电池50的上方且另一单位量子电池11设置于该单位量子电池50的下方。即，该三维单位量子电池50设置于所述平行平板型单位量子电池11之间。在图23中，包括在该量子电池单元400中的该单位量子电池50及该单位量子电池11分别称为单位量子电池50a到50c及单位量子电池11d和11e。
所述三维单位量子电池50a到50c设置于片状的单位量子电池11d及11e之间。所述单位量子电池50a到50c沿着X轴方向排成一行。该单位量子电池11d及11e与所述单位量子电池50a到50c并联。因此，该正极端102连接于第二电极层7a到7e中的每一个且该负极端101连接于第一电极层6a到6e中的每一个。
该第二电极层7d设置于该单位量子电池11d的顶面上且该第一电极层6d设置于此电池的底面上。所述第一电极层6a到6c设置于所述单位量子电池50a到50c的顶侧上。进一步地，该负极端101的一部分设置于所述第一电极层6a到6c与所述第一电极层6d之间。通过使用这样的设置，共同负极端101得以与所述第一电极层6a、6b、6c及所述第一电极层6d相连接。即，该板状的负极端101的底面为与所述第一电极层6a、6b、6c相连接且其顶面为与该第一电极层6d相连接。此种设置使得端子结构得以简化。
该第二电极层7e设置于该单位量子电池11e的顶面上且该第一电极层6e设置于单位量子电池11e的底面上。所述第二电极层7a到7c设置于所述单位量子电池50a到50c的底侧上。进一步地，该正极端102的一部分设置于所述第二电极层7a到7c与所述第二电极层7e之间。通过使用这样的设置，共同正极端102得以与该第二电极层7a到7c及该第二电极层7e相连接。即，所述板状的正极端102的顶面为与所述第二电极层7a、7b、7c相连接且其底面为与该第二电极层7e相连接。此种设置使得端子结构得以简化。
在图23所示的结构中，由于使用该平行平板型单位量子电池11，能量密度得以改善。除此之外，由于使用各包括有大体积充电元件3的单位量子电池50，电流容量得以改善。具有大电流容量及高能量密度的电池可通过连接片状的(一个或多个)量子电池与(一个或多个)三维量子电池而实现。因此，得以实现具有优异特性的该量子电池单元400。
注意虽然图23中为单位量子电池50在该单位量子电池11的各表面上排成一行的设置，该单位量子电池50可排成二行或更多行。即为，该单位量子电池50可排列为一矩阵。在这个情况中，多个单位量子电池50为沿着X轴方向及沿着Y轴方向排列。此种设置使得电池容量得以改善。
如堆叠结构3及4所示，通过结合(一个或多个)片状的单位量子电池与(一个或多个)三维单位量子电池而形成一量子电池单元。即，该(一个或多个)片状的单位量子电池的电极层连接该(一个或多个)三维单位量子电池的电极层。通过使用此种设置，使这些电池的特质彼此互补。即，在片状的单位量子电池的情况中，由于电极层与充电元件3的接触面积可增加，能量密度(电流密度)得以增加。另一方面，在三维单位量子电池的情况中，因为充电元件3的体积大，电池容量大。因此，通过连接(一个或多个)片状的单位量子电池与(一个或多个)三维单位量子电池可使这些电池的特质彼此互补。因此，可能实现一优异的量子电池。
虽然在堆叠结构3及4中，具有不同结构的单位量子电池并联，它们也可为串联。在这个情况中，片状的单位量子电池11的第二电极层7可与三维单位量子电池50的第一电极层6相连接。或者，片状的单位量子电池11的第一电极层6可与三维单位量子电池50的第二电极层7相连接。
进一步地，可以使用实施例1、2及3中所示的任一量子电池20到40作为该平行平板型单位量子电池11应用于堆叠结构3及4中。虽然上述说明为特定于假设该第一电极层6为一负极层且该第二电极层7为一正极层，该第一电极层6也可为一正极层且该第二电极层7也可为一负极层。
虽然根据本发明的具体实施例已如上文进行说明，本发明也包括未大致减损本发明的目的及优点的各种修改。进一步地，上述实施例不应该用于限制本发明的范围。
本申请是以2014年3月18日申请的日本专利申请2014-054978为优先权而提出的，在此全文引用。
附图标记列表
1 第一电极
2 N型金属氧化物半导体层
3 充电元件
4 P型金属氧化物半导体层
5 第二电极
6 第一电极层
7 第二电极层
10 量子电池
18 重叠区域
19 非重叠区域
Claims (13)
1.一种电池，其特征在于，包括：
第一电极层；
第二电极层；以及
充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中
所述第一电极层与所述第二电极层的其中至少一个的与所述充电元件相接触的表面为一曲面。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述充电元件为球形或圆柱形。
3.一种电池，其特征在于，包括：
第一电极层；
第二电极层；以及
充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中
所述第一电极层与所述第二电极层中的至少一个设置于所述充电元件内。
4.如权利要求2或3所述的电池，其特征在于，
所述充电元件为圆柱形；
所述第一电极层设置于所述充电元件内侧；以及
所述第二电极层设置于所述充电元件的一外圆周表面上。
5.一种电池，其特征在于，包括：
第一电极层；
第二电极层；以及
充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中
所述充电元件为三维形状。
6.一种电池，其特征在于，包括：
第一电极层；
第二电极层；以及
充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中
所述第二电极层设置于所述充电元件设置有所述第一电极层的表面上。
7.如权利要求6所述的电池，其特征在于，
设置有多个第二电极层，
还设置有与所述第一电极层相对且将所述充电元件夹设在之间的一第二电极层。
8.一种电池，其特征在于，包括：
第一电极层；
第二电极层；以及
充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子，其中
在沿所述充电元件的表面的一平面视图内，所述第二电极层设置于与所述第一电极层不同的位置。
9.如权利要求8所述的电池，其特征在于，所述第二电极层形成在所述充电元件形成有所述第一电极层的表面上。
10.如权利要求8所述的电池，其特征在于，所述第二电极层形成在所述充电元件形成有所述第一电极层的表面的一相对侧表面上。
11.一种电池，其特征在于，包括：
第一单位电池；以及
与所述第一单位电池并联或串联的第二单位电池，其中，所述第一单位电池为如权利要求1至10中任一项所述的电池，以及所述第二电池包括：
第一电极层；
第二电极层；以及
充电元件，所述第一电极层与所述第二电极层之间的一充电电压作用于所述充电元件，所述充电元件用于通过被绝缘物质所覆盖的一N型金属氧化物半导体的一光激励结构性改变，而在一能带隙中形成一能阶，并由此捕获电子。
12.如权利要求11所述的电池，其特征在于，
所述第一单位电池为如权利要求1至5中任一项所述的电池，以及
所述第二单位电池为一平行平板型单位电池。
13.如权利要求11所述的电池，其特征在于，
所述第一单位电池与所述第二单位电池中的每一个为如权利要求6至10中任一项所述的电池，以及
所述第一单位电池与所述第二单位电池为堆叠设置。
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