CN106653378A

CN106653378A - 储存和释放电能的层合装置

Info

Publication number: CN106653378A
Application number: CN201710063133.7A
Authority: CN
Inventors: 徐天骄; 徐跃
Original assignee: 徐跃
Current assignee: Nantong Huabiao new material science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2016-01-30
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: CN106653378B

Abstract

本发明提供一种储存电能的层合装置，具有依次连接的第一集电体、第一半导体、介电体、第二半导体、第二集电体，所述的第一半导体与第二半导体可以是不同品种的半导体，第一集电体和第二集电体具有能够分别连接电源正极和负极的引出装置，介电体优选是介电常数为1000‑50000的钛酸盐类的陶瓷。储存电能的装置可以与其它元器件连接构成释放电能的装置。本发明具有耐高压、耐高低温、储存能量较大、寿命长久的优点。

Description

储存和释放电能的层合装置

技术领域

本发明涉及一种电荷或电能储放的层合结构元器件。

背景技术

普通的电容器和充电电池是用于储存和释放电荷或电能的常见元器件。

传统的含有PN结的半导体，外加正向电压时电荷和电流在其内部能够传导，施加反向电压时不导通，很低的反向电压（比如>5V）就可能将其击穿。

超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器，它是一种电化学元件，通过极化电解质来储能。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，实际上形成两个容性存储层，多孔电极板的比表面积巨大，所以电容很大。超级电容器正常工作状态下电压为3V以下，如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解。所以其储存的能量不如蓄电池大。而蓄电池放电功率小，超级电容大。蓄电池充电较慢，超级电容充电较快。两者都只能在-40度到70度之间工作。

2015年9月，中国科学院上海硅酸盐研究所和北京大学的崔厚磊、黄富强等研究者发现了一种全新的超级电容器性能优异的氮化铌电极材料和氮掺杂的有序介孔石墨烯电极材料。增加了电化学储能活性，又没有降低材料的高导电率，比容量高很大，组装成的对称器件能快速充电和快速放电，但是耐电压较低，只有几伏特（<6V）。

专利申请号为992578353的半导体蓄电池，由壳体、导线、充电极板、绝缘体、pn型半导体板、良导体板组成。它是在壳体内由左至右装上充电极板、绝缘体和焊接为一体的两边是良导体板中间是p、n型半导体板的组合体，壳体两侧和中间分别引出充电极板和良导体板的三根导线。当充电时，由左侧充电极板导线连接外加直流电源正极，右侧良导体板引出导线连接直流电源负极。放电时，壳体中间引出的良导体板导线和壳体右侧良导体板导线与负荷串连。事实上该装置基本不具有实用价值，因为绝缘体的存在，使其基本不能充电，只能在绝缘体的两侧集聚正负电荷，紧密相连的p、n型半导体板不起任何作用，基本不能放电。

申请号为2006100883842的发明涉及一种高压电容的电介质配方，为解决目前的电介质在高压应用领域中存在的耐压值低、介电常数低、介质损耗大的缺点，本发明钛酸钡BaTiO380％、钛酸钙CaTiO38-10％、氧化锌ZnO 0.1-2％、二氧化锰MnO20.1-1％、三氧化二镝Dy2O34-8％、钛酸镁MgTiO33-5％组成电介质，这样就可以将电容的交流耐压值提高到1.5kV/mm，介电常数ε≈6000，在100Hz-10kHz的交流工作电流中，介质损耗≤0.0006，适用于作旁路，耦合使用或用于在低频损耗和电容量高、稳定性都非重要的鉴频电路中。该发明给出了制造耐高压电容的有益启示。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种储能较大、耐压较高、功率较大的储存电能和释放电能的装置。

技术方案：

一种储存电能的层合装置，具有多个连接在一起的内部元件，具有类似电容的结构，在其外围或者有绝缘体或保护壳体，具有依次连接的第一集电体、第一半导体、介电体、第二半导体、第二集电体，第一集电体和第二集电体上具有能够分别连接电源正极和负极的引出装置（类似于电极，所述的集电体厚度介于1μm~5.0mm），以便连接电源后充正负电荷，在两个集电体之间具有电压，正负电荷分别位于介电体两侧的集电体内表面（靠近半导体的那面）和半导体内部空间中，能够实现分别储存较多的正负电荷和电能的功能；而且充电后正负电荷或传导电流基本不能在介电体中通过（类似电容器两极板之间仅供位移电流通过）。

一个或多个该装置能够并联或者串联，可以共用引出装置，可以共用绝缘体或保护壳体。

所述的集电体为良导体制成（良导体是以金、银、铜、铂金、石墨或者石墨烯等导电率高的材料为主要成分）；所述的半导体主要成分为IVA族元素（C\Si\Ge\Sn\Pb）、IIA~VIA族（优选IIIA~VA族，成本较低，制造较容易）元素的化合物或者IB~VIB族元素（过渡族元素，优选IIIB~VB，成本较低，制造较容易）的化合物；

所述的介电体为绝缘材料层或者为浸渍电解质的隔膜层（电解质的隔膜两侧具有电解质，电解质中的小离子或正负电荷能够穿越电解质隔膜）制成；

介电体为绝缘材料层时，厚度介于0.01mm-10mm，耐电压为50V-10KV以上）；介电体为浸渍电解质的隔膜层时，其中的隔膜厚度介于5μm~0.5mm；半导体的厚度介于0.001μm~5mm。

介电体为浸渍电解质的隔膜层时，第一半导体与介电体之间还有锂离子电池正极材料（含锂化合物，LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiFeO、LiWO 等），或者第一半导体与锂离子电池的正极材料组合、复合或聚合为第一结合体；介电体与第二半导体之间还有锂离子电池负极材料（负极化合物有LiC、TiS、WO、NbS、VO、焦炭、石墨等），或者第二半导体与锂离子电池的负极材料组合、复合或聚合为第二结合体；（所述的组合是指半导体与锂离子电池电极材料的片材或者块材之间的层合或嵌合，所述的复合是指半导体与锂离子电池电极材料的纤维、颗粒或基体之间的结合，所述的聚合是指构成半导体与构成锂离子电池电极材料的原子、原子团或者分子链之间的结合）。

介电体为浸渍电解质的隔膜层时，第一半导体与介电体之间还有超级电容使用的多孔正极材料，或者，第一半导体与超级电容使用的多孔正极材料组合、复合或聚合为第一结合体；介电体与第二半导体之间还有超级电容使用的多孔负极材料，或者，第二半导体与超级电容使用的多孔负极材料组合、复合或聚合为第二结合体。

该装置类似于电容，但是与单纯的平行板电容器不同，其电荷聚集的空间位置非面状，而是在三维空间分布，具有特殊的电学特性，经过具体实施数据验证，其电容的实际数值不同于传统的平行板电容计算公式计算得出的结果；该装置的电容特性也不同于PN结的势垒电容和扩散电容，正反向加电压时，均可以具有电容，而且一般远大于势垒电容和扩散电容。

本发明中，所述的半导体优选是N型半导体或者P型半导体，P型半导体为掺杂IIA或IIIA族元素的半导体，N型半导体为掺杂VA或VIA族元素的半导体，它们的掺杂浓度介于10¹⁵-10²²/g的数量级之间（优选10¹⁸~10²¹/g，自由电荷更多，能够储存电能的能量更大，浓度太大了掺杂不易实现）。

本发明中，所述的第一半导体与第二半导体可以是不同品种的半导体（采用不同类型的半导体，加载相同的电压后，储存的电量比采用相同类型的半导体更多。优选所述的第一半导体是N型半导体，第二半导体是P型半导体，正负电荷在充电电路或外电路中的移动更顺畅；或者，第一半导体是P型半导体，第二半导体是N型半导体，与它们在介电体中产生的内电场方向一致，可以加强充电瞬间介电体中位移电流的通过能力），自由电子和空穴分别流向电源的正极或负极，使得所充正负电荷和可以释放的电荷更多，储存电能的能量更大。

本发明中，所述的集电体厚度介于1μm~5.0mm（优选0.02~2.0mm，满足大电压电流和体积较小的要求）；介电体厚度介于1μm~10mm（优选厚度为0.1mm~2mm，使得该装置耐高压，电容容量又较大，点功率更大）；半导体的厚度介于0.001μm ~5mm（优选1μm ~1mm，使得该装置中自由电子和空穴较多，耐较大电压电流，装置的电容容量又不太小）。

本发明中，该装置可以是平行板状、柱状、块状、缠绕状；或者，半导体包裹在集电体内部，介电体包裹在半导体内部；或者，集电体包围在半导体中，半导体预埋在介电体中。可以数个该装置并联或者串联后再共用正负极引出装置。

本发明中，在第一集电体的外侧可以依次连接有含PN结的元件（或含PN结的半导体，单向通电）、第三集电体，PN结的P区连接第三集电体，PN结的N区连接第一集电体。第三集电体具有能够连接电极的引出装置。作用是充电容易进行；充电或断电时，防止误操作接反，防止漏电。

该装置储存电能或充电时，充电电源的正极连接第一集电体或者第三集电体，充电电源的负极连接第二集电体。

本发明中，P型半导体、N型半导体中，各自掺杂元素的掺杂浓度在不同部位有所变化。两侧加电压后，在内电场的影响下，自由电子和空穴在半导体内部分布更加均匀，而不是靠近集电体表面或者介电体表面，便于储存更多电荷。

本发明中，介电体或者半导体的表面可以有良导体面层。

本发明中，优选介电体是介电常数为1000~20000的钛酸盐为主要成分的陶瓷（如介电陶瓷或者压电陶瓷），该装置电容较大，并且能耐10V~10000V的电压（可以集中在100V~1000V的市电电压区间，使用更加方便）。

本发明中，优选P半导体为掺杂硼元素或镓元素的单层或多层石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、活性碳纤维或多孔石墨，N型半导体为掺杂氮元素或磷元素的石墨烯、碳纳米管或多孔石墨导电性更好，自由电子或空穴移动的速度接近光速，冲放电荷速度更快。上述的储存电能的装置可以直接连接用电元器件（电动机或灯、显示屏、控制器等）放电；也可以先与电感器或电容器或电阻连接，然后与用电元器件连接，电路中能够产生振荡（甚至谐振或接近谐振），使得该装置的放电时间延长，用电元器件能够长久工作。

该装置释放电能或放电时，用电元器件的正极连通第一集电体，用电元器件的负极连通第二集电体。

本发明先再连接整流电路、变压电路或者整流滤波电路（产生直流电或者稳压电流供给用电器使用，类似电池的功能），然后与用电元器件连接。

本发明可以在50-200℃的温度下使用，半导体中会产生更多的电子-空穴对，能够储存和释放的电能能量更多。

本发明的P型半导体电极层+介电体层+N型半导体电极层与传统的PN结不同，电荷和电流在其内部完全不能传导，传导电荷和电流只能在连接充电电源或用电元器件时在外电路中存在并通过。

另外，释放电能的装置可以作为电池或超级电容器使用，用于驱动用电元器件；也可与蓄电池并联应用于发动机的电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其寿命，特别是在低温和蓄电池容量不足的情况下，确保可靠启动。有益效果：

与传统的超级电容器（电化学电容器、电双层电容器）、电解电容器均不同（大比表面积电极，极小距离的双电荷层，电解液传输电荷，高分子隔膜做隔离材料）；与传统的平行板电容器也不同（极板是半导体，而且两级是不同类型的掺杂半导体）。

由于本发明具有高介电常数的介电体存在，不易击穿，耐高压（100V~1000V，传统的超级电容器、电解电容器、电池的耐压<10V）、耐大电流（不易击穿）、无电解质和隔膜（耐高低温、不爆炸）、比超级电容略小的大电容（C=εS/4πkd，ε大，d大，表面积与平行板电容器类似，但是源于三维空间可储存的电荷与超级电容器相当，实际积存电荷的表面积相当于大得多）、大比能量（由于电压高）、大比功率、更快速充放电（自由电子和空穴在半导体中的充放速度接近光速，尤其是掺杂的石墨烯或石墨层，而超级电容器的电解质中电荷的移动速度慢很多）、充放电循环次数很多、寿命长久。释放电能时间、电流大小、电压大小可调控。

本发明在温度升高时，电子可以获得更高能量跃迁到导带上，产生更多的电子-空穴对，产生的电压电流、能量和功率更大，传统的超级电容器和电解电容，是不能高温工作的。

附图说明

图1是发明的一种剖面结构示意图；

图2是发明的另一种剖面结构示意图；

图中，1-空穴；2-第一集电体；3-第一半导体；4-介电体；5-第二半导体；6-第二集电体；7、自由电子；8-负极的引出装置；9、10-正极的引出装置；11、PN结，12-第三集电体。

具体实施方式

如图2所示的储存电能的层合装置，具有类似电容的结构，具有依次连接的第三集电体、含PN结的半导体、第一集电体、第一半导体、介电体、第二半导体、第二集电体，第一集电体和第二集电体、第三集电体具有能够分别连接电源正极和负极的引出装置，以便充电荷后在两个集电体之间具有电压，实现储存电能和释放电能的功能。

所述的集电体为良导体制成；所述的半导体主要成分为IVA族元素或者IIIA-VA族元素的化合物；是N型半导体或者P型半导体，P型半导体为掺杂IIA或IIIA族元素的半导体，N型半导体为掺杂VA或VIA族元素的半导体，它们的掺杂浓度介于10¹⁸-10²⁰/cm³的数量级。所述的介电体为绝缘材料制成。

所述的集电体厚度介于0.2-2.0mm；介电体厚度介于0.1~2mm；半导体的厚度介于0.1μm ~0.5mm。当介电体的介电常数为1000~10000时，其单位面积的电容数值与只有介电体和集电体（或称电极板）的普通平行板电容（其介电体厚度与本发明的介电体相同或者为与本发明的介电体厚度与半导体厚度之和相同时）电容数值具有相关性，与半导体的品种和其中的掺杂浓度也有密切相关性。远大于普通PN结的两种电容的电容数值。

该装置充电时，充电电源的正极连接第一集电体或者第三集电体，充电电源的负极连接第二集电体。该装置放电时，用电元器件的正极连通第一集电体，用电元器件的负极连通第二集电体。可以储存和释放较多的电荷，实现储能和放电的功能。

Claims

1.一种储存和释放电能的层合装置，其特征在于：具有依次连接的第一集电体、第一半导体、介电体、第二半导体、第二集电体；第一集电体和第二集电体具有能够分别连接电源正极和负极的引出装置，以便给本装置充电，充电后的正负电荷能够位于集电体内表面和分散于半导体内部空间中；

所述的集电体为良导体制成；所述的半导体的主要成分为IVA族元素、IIA~VIA族元素的化合物或者IB~VIB族元素的化合物；所述的介电体为绝缘材料层或者为浸渍电解质的隔膜层制成；

所述的集电体厚度介于1μm~5.0mm；介电体为绝缘材料层时，厚度介于0.01mm-10mm；介电体为浸渍电解质的隔膜层时，其中的隔膜厚度介于5μm~0.5mm；半导体的厚度介于0.001μm~5mm。

2.如权利要求1所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：介电体为浸渍电解质的隔膜层时，第一半导体与介电体之间还有锂离子电池正极材料，或者第一半导体与锂离子电池的正极材料组合、复合或聚合为第一结合体；介电体与第二半导体之间还有锂离子电池负极材料，或者第二半导体与锂离子电池的负极材料组合、复合或聚合为第二结合体。

3.如权利要求1所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：介电体为浸渍电解质的隔膜层时，第一半导体与介电体之间还有超级电容使用的多孔正极材料，或者，第一半导体与超级电容使用的多孔正极材料组合、复合或聚合为第一结合体；介电体与第二半导体之间还有超级电容使用的多孔负极材料，或者，第二半导体与超级电容使用的多孔负极材料组合、复合或聚合为第二结合体。

4.如权利要求1、2或3所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：所述的半导体是N型半导体或者P型半导体；P型半导体为掺杂IIA或IIIA族元素的半导体，或者为主要含有IIA或IIIA族元素化合物、或IIIB~VB族元素化合物的半导体；N型半导体为掺杂VA或VIA族元素的半导体，或者为主要含有VA或VIA族元素化合物、IIIB~VB族元素化合物的半导体；它们的掺杂浓度介于10¹⁵~10²¹/g的数量级之间。

5.如权利要求1、2或3所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：所述的第一半导体是N型半导体，第二半导体是P型半导体；或者，第一半导体是P型半导体，第二半导体是N型半导体。

6.如权利要求1、2或3或所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：在第一集电体的外侧依次连接有含半导体PN结的元件、第三集电体，PN结的P区连接第三集电体，PN结的N区连接第一集电体，第三集电体具有能够连接电极的引出装置；

该装置储存电能或充电时，充电电源的正极连接第一集电体或者第三集电体的引出装置，充电电源的负极连接第二集电体的引出装置。

7.如权利要求4所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：P型半导体、N型半导体中，各自的掺杂元素的掺杂浓度在不同部位有所变化。

8.如权利要求1、2、3或7所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：介电体或者半导体或者结合体的表面有良导体面层。

9.如权利要求1所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：介电体是介电常数为1000~50000的钛酸盐为主要成分的介电陶瓷或者压电陶瓷。

10.如权利要求1、2、3或7所述的储存和释放电能的层合装置，其特征在于：P半导体为掺杂硼元素或镓元素的石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、活性碳纤维或多孔石墨，N型半导体为掺杂氮元素或磷元素的石墨烯、碳纳米管或多孔石墨。