JP2015526893A - エネルギー貯蔵装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一実施形態において、連結細孔網状構造は多孔性導体基板の一方の側面から多孔性導体基板の反対の側面へと延びる。
一実施形態において、多孔性導体基盤はゾルゲル法によって形成される。
一実施形態において、多孔性導体基板は実質的に平坦である。
一実施形態において、絶縁体層は多孔性導体基板の内面に(例えば固体層として)形成される。
一実施形態において、絶縁体層はさらに、多孔性導体基板の外面と接触する(例えばその上に形成される)。
一実施形態において、第二の層の厚さは第一の層の厚さと実質的に同じか、それより小さい。
一実施形態において、第三の層の誘電電界強度は第二の絶縁体材料より高い(例えば、第二の材料の絶縁耐力の少なくとも10倍、少なくとも50倍、または少なくとも100倍)。一実施形態において、第三の層は第一の層と同じ材料から形成される。
一実施形態において、絶縁体層は、電圧が多孔性導体基板と導体層に印加された時にエネルギーを分極構成で貯蔵するように動作する第一の蓄電層(例えば、第一の蓄電層の降伏電圧は閾値電圧より高い)と、電気的絶縁状態と電気的導通状態の間で変化するように構成され、電気的絶縁状態から電気的導通状態への移行が、閾値電圧を超える電圧が多孔性導体基板と導体層に印加されたことに応答して起こるような第二の蓄電層(例えば、第二の蓄電層の移行電圧(この電圧で電気的絶縁状態から電気的導通状態への変化が起こる)は電気的絶縁状態から電気的導通状態に移行する前の第二の蓄電層の閾値電圧の成分と同じか、それより低い)と、を含む。
一実施形態において、第二の蓄電層はイオン化可能であり、電気的導通状態は、第二の蓄電層の降伏電圧と等しいか、これを超える電圧を第二の蓄電層に印加することによって生成されるイオン化状態である。
一実施形態において、第二の蓄電層は固体を含む。
一実施形態において、第二の蓄電層は液体(例えば気体)を含む。
本発明の第二の態様によれば、エネルギー貯蔵装置の製造方法が提供され、これは、多孔性導体基板を提供するステップと、多孔性導体基板の内面と接触する絶縁体層を提供するステップと、絶縁体層の外面と接触する導体層を提供するステップと、を含む。
一実施形態において、導体層を提供するステップは、絶縁体層の外面に導体層を形成するステップを含む。
一実施形態において、導体層を形成するステップは、導体材料を絶縁体層の外面に成膜するステップを含む。
一実施形態において、絶縁体層はさらに、多孔性導体基板の外面に形成される(例えば、そこに成膜される)。
一実施形態において、層の各々は実質的に均一な厚さに形成される。
一実施形態において、構造はゾルゲル法で形成される。
一実施形態において、第一から第三の絶縁体層の各々の厚さは2〜10nmの間(例えば約4nm)である。
一実施形態において、第一および第二の層の少なくとも一方または両方の厚さは約50nm未満(例えば、約20nm未満)である。一実施形態において、第一および第二の層の少なくとも一方の厚さは約10nmである。
一実施形態において、第二の層の厚さは、第一の層の厚さと実質的に等しいか、それより小さい。
一実施形態において、第三の層の誘電電界強度は第二の絶縁体材料より高い(例えば、第二の材料の絶縁耐力の少なくとも10倍、少なくとも50倍、または少なくとも100倍)。一実施形態において、第三の層は第一の層と同じ材料で形成される。
本発明の第三の態様によれば、絶縁体層により分離される第一および第二の導体部分を含むコンデンサが提供され、絶縁体層は、第一の絶縁体材料から形成される第一の層と、第一の材料と異なる第二の絶縁体材料から形成される第二の層と、を含む。
一実施形態において、第一および第二の層の少なくとも一方または両方の厚さは、約50nm未満(例えば、約20nm未満)である。一実施形態において、第一および第二の層の少なくとも一方の厚さは約10nmである。
一実施形態において、第二の層の厚さは、第一の層の厚さと実質的に等しいか、これより小さい。
一実施形態において、第三の層の誘電電界強度は、第二の絶縁体材料より高い(少なくとも、第二の材料の絶縁耐力の少なくとも10倍、少なくとも50倍、または少なくとも100倍)。
一実施形態において、第二の蓄電部分はイオン化可能であり、電気的導通状態は、第二の蓄電部分の降伏電圧と等しいか、これを超える電圧を第二の蓄電部分に印加することによって生成されるイオン化状態である。
一実施形態において、第一の蓄電部分は第一および第二の導体部分に関して実質的に固定されている。
一実施形態において、第二の蓄電部分は固体を含む。
一実施形態において、第一の導体部分は多孔性導体基板(例えば開気孔構造を有する)を含む。
一実施形態において、第一および第二の蓄電部分の少なくとも一方は多孔性構造を含む。例えば、第二の蓄電部分が流体(例えば封入された流体)を含む場合、第一の蓄電部分は多孔性構造を含んでいてもよく、第二の蓄電部分の流体は多孔性構造の内部へと延びていてもよい。
ここで、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を例として説明する。
外側蓄電層150は、誘電材料を含んでいてもよい。
図2に示されるように、内側および外側蓄電層140、150の各々は、その断面厚さが多孔性導体基板110の細孔寸法と比較して小さく、多孔性導体基板110の中へと浸透する。外側導体層130の断面厚さははるかに大きいが、内側および外側蓄電層140、150の断面厚さが小さいことから、外側導体層130も多孔性導体基板110の中へと浸透する。このようにして、隣接する層同士の間ごとに実質的な表面接触面積が提供される。
絶縁体構造430は、電気的絶縁状態と電気的導通状態の間で変化するように構成され、電気的絶縁状態から電気的導通状態への移行が、閾値電圧を超える電圧が第一および第二の導体板410、420に印加されたことに応答して起こるような第一の固体蓄電層440と、電圧が第一および第二の導体板410、420に印加されるとエネルギーを分極構造で貯蔵するように動作する中央固体蓄電層450と、(第一の蓄電層440と同様に)電気的絶縁状態から電気的導通状態に変化するように構成され、電気的絶縁状態から電気的導通状態への移行が、閾値を超える電圧が第一および第二の導体板410、420に印加されたことに応答して起こるような第二の固体蓄電層460と、を含む。
絶縁体構造530は、電気的絶縁状態と電気的導通状態の間で変化するように構成され、電気的絶縁状態から電気的導通状態への移行が、閾値電圧を超える電圧が第一および第二の導体板510、520に印加されたことに応答して起こるような第一の蓄電流体540(例えば、液体または気体)を収容した第一のチャンバ534と、電圧が第一および第二の導体板510、520に印加された時にエネルギーを分極構成で貯蔵するように動作する中央固体蓄電層550と、(第一の蓄電層540と同様に)電気的絶縁状態と電気的導通状態の間で変化するように構成され、電気的絶縁状態から電気的導通状態への移行が、閾値電圧を超える電圧が第一および第二の導体板510、520に印加されことに応答して起こるような第二の蓄電流体560を収容した第二のチャンバ536と、第一および第二のチャンバ534、536を隔離して、第一および第二の蓄電流体540、560の混合を防止するシール材538と、を含む筐体532を備える。
図7は、絶縁体構造630により分離される第一および第二の多孔性導体板610、620を含むエネルギー貯蔵装置600を示す。
第一および第二の蓄電流体540、560のイオン化に起因するあらゆる材料堆積の影響を軽減させるために、第一および第二の多孔性導体板610、620は、第一および第二の外側の多孔性高誘電率部分654、65と同じ材料から形成される第一および第二の外側コーティング612、622を含む。装置が周期的に(例えばACで)使用される場合、極性反転はあらゆる材料移動を反転させるように作用する。
Claims (50)
- 多孔性導体基板と、前記多孔性導体基板の内面と接触する絶縁体層と、前記絶縁体層の外面と接触する導体層とを備えるエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層がさらに、前記多孔性導体基板の外面と接触する、請求項2に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が前記多孔性導体基板の内面に形成される、請求項1または2に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記導体層が前記絶縁体層の外面に形成される、請求鵜3に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が順次成膜された第一および第二の絶縁体材料コーティングを含む、請求項3または4に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が、前記第二の絶縁体材料コーティングの後に成膜された第三のコーティングをさらに含む請求項5に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体材料コーティングの各々の厚さが2〜10nmの間である、請求項5または6に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が第一の絶縁体材料から形成された第一の層と、前記第一の絶縁体材料と異なる第二の絶縁体材料から形成された第二の層と、を含む、請求項3〜7のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第一の絶縁体材料の絶縁耐力が前記第二の絶縁体材料より高い、請求項8に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の絶縁体材料の誘電率が前記第一の材料より高い、請求項8または9に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第一および第二の層の少なくとも一方または両方の厚さが約50nm未満である、請求項8〜10のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の層の厚さが前記第一の層の厚さと実質的に同じか、それより小さい、請求項8〜11のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が、前記第二の絶縁体材料と異なる絶縁体材料から形成され、前記第二の層に成膜された第三の層をさらに含む、請求項8〜12のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第三の層の誘電電界強度が前記第二の絶縁体材料より高い、請求項13に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が、
電圧が前記多孔性導体基板と導体層に印加されると、エネルギーを分極構成で貯蔵するように動作する第一の蓄電層と、
電気的絶縁状態と電気的導通状態の間で変化するように構成された第二の蓄電層であって、前記電気的絶縁状態から前記電気的導通状態への移行が、閾値電圧を超える電圧が前記多孔性導体基板と前記導体層に印加されたことに応答して起こる、前記第二の蓄電層と
を含む、請求項1〜14のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。 - 前記閾値電圧が少なくとも100ボルトである、請求項15に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の蓄電層がイオン化可能であり、前記電気的導通状態が、前記第二の蓄電層の降伏電圧と等しいか、これを超える電圧を前記第二の蓄電層に印加することによって生成されるイオン化状態である、請求項15または16に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の蓄電層が、前記多孔性導体基板と導体層との間に電気的に直列に配置された複数の半導体部分を含み、各半導体部分には、電気的絶縁から電気的導通にその電気挙動が変化する閾値電圧が関連付けられている、請求項15または16に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記絶縁体層が、前記第一の蓄電層の、前記第二の蓄電層と反対側に位置付けられた第三の蓄電層をさらに含み、前記第三の蓄電層が、電気的絶縁状態と電気的導通状態の間で変化するように構成され、前記電気的絶縁状態から前記電気的導通状態への移行が、前記多孔性導体基板と前記導体層に前記電圧が印加されたことに応答して起こる、請求項15〜18のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の蓄電層および第三の蓄電層が異なる電気特性を有する、請求項15〜19のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- エネルギー貯蔵装置の製造方法であって、
多孔性導体基板を提供するステップと、
前記多孔性導体基板の内面と接触する絶縁体層を提供するステップと、
前記絶縁体層の外面と接触する導体層を提供するステップと
を含む方法。 - 前記絶縁体層を前記多孔性導体基板の内面に曝露する前記ステップが、前記多孔性導体基板の内面に前記絶縁体層を形成するステップを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記導体層を提供するステップが、前記絶縁体層の外面に導体層を形成するステップを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記多孔性導体基板が、前記絶縁体層を形成する前記ステップの後も多孔性のままである、請求項22または23に記載の方法。
- 前記導体層を形成する前記ステップが、導体材料を前記絶縁体層の外面に成膜するステップを含む、請求項22〜24のいずれか1項に記載の方法。
- 前記絶縁体層を成膜する前記ステップが、
第一の絶縁体材料コーティングを前記多孔性導体基板の内面に成膜するステップと、
前記第一の絶縁体材料コーティングが実質的に十分に形成された後に、第二の絶縁体材料コーティングを前記第一の絶縁体材料コーティングの外面に成膜するステップと、
を含む、請求項22〜25のいずれか1項に記載の方法。 - 前記絶縁体層を成膜する前記ステップが、
前記第二の絶縁体材料コーティングが実質的に十分に形成された後に、第三の絶縁体材料コーティングを前記第二の絶縁体材料コーティングの外面に成膜するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。 - 前記絶縁体層の各々の厚さが2〜10nmの間である、請求項26または27に記載の方法。
- 前記絶縁体層を成膜する前記ステップが、第一の絶縁体材料から形成された第一の層を成膜するステップと、前記第一の絶縁体材料と異なる第二の絶縁体材料から形成された第二の層を成膜するステップと、を含む、請求項22〜28のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第一の絶縁体材料の絶縁耐力が前記第二の絶縁体材料より高い、請求項29に記載の方法。
- 前記第二の材料の誘電率が前記第一の材料より高い、請求項29または30に記載の方法。
- 前記第一および第二の層の少なくとも一方または両方の厚さが約50nm未満である、請求項29〜31のいずれか1項に記載の方法。
- 前記絶縁体層を成膜する前記ステップが、前記第二の層に、前記第二の絶縁体材料と異なる絶縁体材料から形成された第三の層を成膜するステップをさらに含む、請求項29〜32のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第三の層の誘電電界強度が前記第二の絶縁体材料より高い、請求項33に記載の方法。
- 前記多孔性導体基板が中心長手方向軸を画定する実質的に平坦な本体を含み、層の少なくとも1つを形成する前記ステップが、前記多孔性導体基板を前記中心長手方向軸を中心に層成膜機器に関して回転させるステップを含む、請求項21〜34のいずれか1項に記載の方法。
- 前記形成するステップが、前記基板の前記中心長手方向軸を、前記中心長手方向軸に関して傾けた別の軸を中心に前記層成膜装置に対して同時に回転させるステップをさらに含む、請求項35に記載の方法。
- 絶縁体層により分離される第一および第二の導体部分を含むコンデンサにおいて、前記絶縁体層が、第一の絶縁体材料から形成された第一の層と、前記第一の絶縁体材料と異なる第二の絶縁体材料から形成された第二の層と、を含むコンデンサ。
- 前記第一の絶縁体材料の絶縁耐力が前記第二の絶縁体材料より高い、請求項37に記載のコンデンサ。
- 前記第二の絶縁体材料の誘電率が前記第一の絶縁体材料より高い、請求項37または38に記載のコンデンサ。
- 前記第一および第二の層の少なくとも一方または両方の厚さが約50nm未満である、請求項38または39に記載のコンデンサ。
- 前記第二の層の厚さが前記第一の層の厚さと実質的に等しいか、これより小さい、請求項37〜40のいずれか1項に記載のコンデンサ。
- 前記絶縁体層が、前記第二の絶縁体材料と異なる絶縁体材料から形成され、前記第二の層に成膜された第三の層をさらに含む、請求項37〜41のいずれか1項に記載のコンデンサ。
- 前記第三の層の誘電電界強度が前記第二の絶縁体材料より高い、請求項42に記載のコンデンサ。
- エネルギー貯蔵装置であって、
第一および第二の離間された導体部分であって、該第一および第二の離間された導体部分間に閾値電圧より高い電圧を発生させるように動作する前記第一および第二の離間された導体部分と、
前記第一の導体部分と前記第二の導体部分との間に位置付けられた第一の蓄電部分であって、前記第一および第二の導体部分に前記電圧が印加されると、エネルギーを分極構成で貯蔵するように動作する第一の蓄電部分と、
前記第一の蓄電部分と、前記第一および第二の導体部分のうちの一方との間に位置付けられた第二の蓄電部分であって、該第二の蓄電部分は、電気的絶縁状態から電気的導通状態の間で変化するように構成され、前記電気的絶縁状態から前記電気的導通状態への移行が、前記第一および第二の導体部分に前記電圧が印加されたことに応答して起こる、前記第二の蓄電部分と
を備えるエネルギー貯蔵装置。 - 前記閾値電圧が少なくとも100ボルトである、請求項44に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の蓄電部分がイオン化可能であり、前記電気的導通状態が、前記第二の蓄電部分の降伏電圧と等しいか、これを超える電圧を前記第二の蓄電部分に印加することによって生成されるイオン化状態である、請求項44または45に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第二の蓄電部分が、前記第一および第二の離間された導体部分間に電気的に直列に配置された複数の半導体部分を含み、各半導体部分には、その電気的挙動が電気的絶縁から電気的導通に変化する閾値電圧が関連付けられている、請求項44または45に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第一および第二の蓄電部分の少なくとも一方が多孔性構造を含む、請求項44〜47のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 前記第一の蓄電部分が前記多孔性構造を含み、前記第二の蓄電部分が、前記多孔性構造の内部へと延びる流体を含む、請求項48に記載のエネルギー貯蔵装置。
- 装置が、前記第一の蓄電部分の、前記第二の蓄電部分と反対側に位置付けられた第三の蓄電部分をさらに備え、前記第三の蓄電部分が、電気的絶縁状態から電気的導通状態の間で変化するように構成され、前記電気的絶縁状態から前記電気的導通状態への移行が、前記第一および第二の導体部分に前記電圧が印加されたことに応答して起こる、請求項44〜49のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵装置。
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