JP6906535B2 - 容量性エネルギー蓄積セル、容量性エネルギー蓄積モジュール、及び容量性エネルギー蓄積システム - Google Patents

Description

本出願は、それらのすべての全内容が参照により本明細書に組み込まれる、すべて２０１６年２月１２日に出願された、米国特許出願第１５／０４３，３１５号、第１５／０４３，１８６号、第１５／０４３，２０９号、及び第１５／０４３，２４７号の優先権利益を主張するものである。

本開示は、一般に、複数の用途を同時に可能にするためのモジュラエネルギー蓄積システムに関し、より具体的には、少なくとも１つの容量性エネルギー蓄積装置とＤＣ電圧変換装置とを備えるエネルギー蓄積セルに関する。

多くの技術的用途は、再充電可能な電気エネルギー蓄積から恩恵を受けることができる。ほとんどの再充電可能な電気エネルギー蓄積システムは、再充電可能なバッテリに基づいている。再充電可能なバッテリは、電気化学反応を通じて電気エネルギーを蓄積及び放出する。再充電可能なバッテリは、自動車のスタータ、携帯型消費者デバイス、軽車両（電動車椅子、ゴルフカート、電気自転車、及び電気フォークリフトなど）、工具、及び無停電電源装置に用いられる。ハイブリッドの内燃機関−バッテリ及び電気車両での新生の用途は、技術を、コスト、重量、及びサイズを低減し、寿命を増加させる方向へ向かわせる。グリッドエネルギー蓄積用途では、負荷平準化のため、ピーク期間中の使用に向けて低需要時に電気エネルギーを蓄積するため、及び日中に太陽電池アレイから生成された電力を夜間に使用するべく蓄積するためなどの再生可能エネルギーの使用のために再充電可能なバッテリを用いる。負荷平準化は、発電所が生成することができなければならない最大電力を低下させ、資本費用及びピーキング発電所の必要性を低減する。携帯型電子デバイス、電動工具、家電などに動力を与えるのに小型の再充電可能なバッテリが用いられる。スクーターから機関車及び船に至るまでの電気車両に電力を与えるのに重負荷バッテリが用いられる。再充電可能なバッテリは、分散型の発電及び独立型の電力システムにも用いられる。このような用途は、しばしば、再充電可能なバッテリを、電圧、電流、温度、充電状態、及び放電状態などのバッテリパラメータを監視し、バッテリがその安全動作域外で動作することから保護するバッテリ管理システム（ＢＭＳ）と併せて用いる。再充電可能なバッテリは、蓄積される単位エネルギー当たりの比較的大きい重量、自己放電する傾向、過度に深く放電した場合に損傷しやすい、過度に深く充電した場合に破局的な故障を生じやすい、単位重量当たりの限られた電力の利用可能性、単位エネルギー当たりの限られた電力の利用可能性、比較的長い充電時間、及び充電−放電サイクル数の増加に伴う蓄電容量の低下に起因する欠点を有する。

再充電可能なエネルギー蓄積のためのバッテリの代替は、キャパシタベースのシステムを含む。キャパシタは、誘電体層によって分離される一対の電極間の静電界の形態のエネルギーを蓄積する。２つの電極間に電圧が印加されるとき、誘電体層に電界が存在する。バッテリとは異なり、キャパシタは、比較的迅速に充電することができ、損傷に悩まされずにより深く放電することができ、損傷なしに多数の充電放電サイクルを経験することができる。キャパシタはまた、比較できるバッテリよりも重量が軽い。ウルトラキャパシタ及びスーパーキャパシタの開発を含むキャパシタ技術の向上にもかかわらず、再充電可能なバッテリが、単位体積当たりにより多くのエネルギーを蓄積する。バッテリに比べたキャパシタの１つの欠点は、放電中に端子電圧が急速に降下することである。それに対して、バッテリシステムは、ほぼ使い果たされるまで急速に下がらない端子電圧を有する傾向がある。また、キャパシタ上に蓄積されるエネルギーは、線形誘電体に関して電圧の２乗で増加し、メタ誘電体に関して２倍以上なので、エネルギー蓄積用途のためのキャパシタは、通常は、バッテリよりもはるかに高い電圧で動作する。さらに、充電及び放電中に定電流モードが用いられない場合に、エネルギーが失われる。これらの特徴は、メタキャパシタと共に用いるためのパワーエレクトロニクスの設計を複雑にし、メタキャパシタ管理システムを、現在使用されるバッテリ管理システムとは区別する。

このような状況下で、本開示の態様が生じる。

本開示の態様は、１つ以上のメタキャパシタを有する容量性エネルギー蓄積装置を、容量性エネルギー蓄積装置の端子に結合される１つ以上のスイッチ・モード電圧コンバータを有するＤＣ電圧変換装置と組み合わせることにより、従来の再充電可能な電気エネルギー蓄積技術に伴う問題に対処する。メタキャパシタは、従来のウルトラキャパシタ又はスーパーキャパシタよりも大きいエネルギー蓄積容量を有する。ＤＣ電圧変換装置は、充電及び放電中の容量性エネルギー蓄積装置上の電圧を調整する。

電圧変換装置は、通常は、電圧ソース（入力）と、１つ以上の能動的又は受動的に制御されるスイッチと、１つ以上の誘導性要素（いくつかの進歩したコンバータ、例えば、チャージポンプ回路は、それ自体でインダクタを特に用いないが、回路基板及び／又は配線に寄生インダクタンスが存在する場合がある）と、１つ以上のエネルギー蓄積要素（例えば、キャパシタ及び／又はインダクタ）と、出力電圧及び／又は電流を感知する何らかの手段と、特定の出力電圧又は電流を生み出すべくスイッチを制御する何らかの手段と、このデバイスを種々の負荷などの外部入力及び出力に接続するための端子を含む。入力電圧Ｖ_ｉｎよりも小さい出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ＜１）を生成するための標準回路は、降圧コンバータと呼ばれ、入力電圧よりも大きい出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ＞１）を生成するための標準回路は、昇圧コンバータと呼ばれる。降圧変換を説明するのにしばしば用いられる基本回路は、スイッチ付ＬＣフィルタ（図１）である。負荷は、これを通って流れる設定電流を達成するべくその抵抗が変化することになる抵抗器として考えることができる。事実上、これは、並列のキャパシタ及び抵抗器を備えるＬＣＲローパスフィルタである。スイッチが閉じられるとき、ＬＣネットワークがエネルギーを吸収し始め、電流がインダクタを通って流れ始める。しかしながら、電流が流れている状態でスイッチが開かれるとき、インダクタは、電流ｉ（ｔ）を維持しようと努めることになり、式（１）に従う逆電圧Ｖ（ｔ）を生じることになる。

時間ｄｔの十分に短い増分で電流ｄｉの増分変化が生じる場合に生じる逆電圧は極めて高くなり、これはスイッチング要素ＳＷ１を損傷又は破壊する場合がある。したがって、電流が流れ続けることができるように接地経路を設ける必要がある。この経路は、一方向弁として動作するダイオードと共に実装することができ、インダクタがスイッチング要素ＳＷ１の外へ電流を引こうとするときに自動的に開く（図２参照）。これは、ダイオードが金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのパワートランジスタのスイッチングと自動的に同期されるので、非同期性降圧コンバータと呼ばれる。このようなコンバータは、能動的に同期される必要はない。このタイプの回路に伴う可能性のある問題は、スイッチング要素ＳＷ１がオフにされ、ダイオードがアクティブである間は、ダイオードがターンオン電圧に達し、該電圧が維持される必要があることである。これは、ダイオードを通って流れる電流により、ダイオードにわたる、例えば約０．６Ｖの電圧降下、したがって、電力損失が常に存在することになることを意味する。これは、同期性コンバータ設計を実装することにより改善することができ、この場合、ダイオードは、第２のスイッチＳＷ２（図３参照）に置き換えられ、コントローラは、それらが決して同時にオンにならないように両方のスイッチの動作を能動的に同期させる。

同期性の設計でのＭＯＳＦＥＴのオフとオンとの間の遅延は、シュートスルーイベントが確実に起こらないようにすることを必要とする。２つの別個のパルスを遅延を伴って設定することができるが、より良好な方策は、単一のＰＷＭチャネルの設定のみを必要とし、第２の信号を自動的に駆動することであろう。少し考えてみれば、これは、図３に示されたスイッチＳＷ１及びＳＷ２に印加されるスイッチング信号に時間遅延を導入するためのデジタルバッファ（又はインバータ）を用いて達成することができる。典型的なゲートは、２〜１０ｎｓの伝搬遅延を有するが、コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス（ＣＰＬＤ）又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブル・ロジックを、可変の伝搬遅延を伴ってプログラムすることができる。図４は、必要とされる時間遅延間隔でスイッチＳＷ１、ＳＷ２に対応して一対の信号Ｓ’及び！Ｓ＆＆！Ｓ’’を生成するのに必要とされる信号処理を実証し、この場合、入力は、パルス幅変調信号Ｓと、時間遅延ｔ_{ｄｅｌａｙ}のみであり、Ｓ’（ｔ）＝Ｓ（ｔ＋ｔ_{ｄｅｌａｙ}）及びＳ’’（ｔ）＝Ｓ（ｔ＋２^＊ｔ_{ｄｅｌａｙ}）である。図４では、スイッチング信号がハイのときにスイッチが「閉じられる」すなわち、伝導し、スイッチング信号がローのときに「開かれる」、すなわち、伝導しないとみなされる。図４では、Ｓは、入力ＰＷＭ入力信号である。Ｓ’は、ｔ_{ｄｅｌａｙ}だけ遅延した入力信号Ｓである。Ｓ’’は、２^＊ｔ_{ｄｅｌａｙ}だけ遅延したＳ’であり、！Ｓは、入力信号Ｓの逆相であり、！Ｓ’’は、信号Ｓ’’の逆相であり、！Ｓ＆＆！Ｓ’’は、！Ｓ ｗｉｔｈ ！Ｓ’’の論理ＡＮＤである。

同期性又は非同期性の間で決定するときに、スイッチングに起因する効率損失（例えば、ＭＯＳＦＥＴのゲートをオン及びオフにする電荷を動かすのに必要なエネルギー）と、ダイオードを通じた伝導に起因する効率損失とを考えることが重要である。同期性コンバータは、高比率変換の利点を有する傾向がある。それらはまた、２つの目的に用いられる降圧又は昇圧をもたらすべく追加のスイッチが必要とされるので、ｓｐｌｉｔ−ｐｉ型双方向コンバータの基本構築ブロックである。

オフ状態において、昇圧コンバータは、図５の第２のスイッチ要素ＳＷ２を通じて負荷に供給電圧を直接送達する。負荷への電圧を増加させるプロセスは、スイッチング要素ＳＷ２を開き、スイッチング要素ＳＷ１を閉じることにより開始される（図６）。インダクタＬ１上のさらなる電圧降下に起因して、インダクタＬ１を通って流れる電流は、時間が経つにつれて増加することになる（式（２）参照）。

回路が「オフ」状態に戻されるとき、インダクタは、電流の変化に比例してその電圧降下を増加させることにより、それが以前に有していたのと同じ電流を維持しようと努めることになる（式（３）参照）。

「オフ状態」において、この増加した電圧が出力キャパシタへ伝達されることになるように、スイッチング要素ＳＷ２が閉じられる。出力キャパシタは、Ｖ_ｉｎとインダクタの電圧スパイクとの間で平均するフィルタリングを提供する。

Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌの１５０ｎｍのＳＯＩ放射線硬化プロセスでの完全に統合された実装に関するスタックＭＯＳＦＥＴのＮ型チャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）、Ｐ型チャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）、及びプッシュ・プル相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）のトポロジーが、参照により本明細書に組み込まれる論文（Ｊｅｎｎｉｆｅｒ Ｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｈｉｇｈ−Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｓｃａｌｅ ＣＭＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ”Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ａｐｒｉｌ ３０，２００７）で説明される。スタックＭＯＳＦＥＴは、高電圧スイッチング回路である。低電圧入力信号は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのスタックにおける第１のＭＯＳＦＥＴをオンにし、寄生容量及び挿入容量を通じた電荷注入によりデバイスのスタック全体がオンにされる。電圧の分圧は、静的電圧と動的電圧との両方のバランスをとり、回路のどのデバイスがその公称動作電圧を超過することも防ぐ。これらのトポロジーに関する設計式が提示される。Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌの１５０ｎｍプロセスで実装される５デバイススタックに関するシミュレーションは、出力信号の静的電圧と動的電圧とのバランシングを検証する。シミュレートされたスタックは、公称動作電圧の５倍を扱うことが示される。

パワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）をスタックするための信頼できる回路構成の例が、例えば、参照により本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｊ．Ｂａｋｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ｐ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，“Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ”，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．，Ｖｏｌ．６３，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９２，ｐｐ．７９９−８０１で説明される。結果的に得られる回路は、単一パワーＭＯＳＦＥＴよりもＮ倍大きいホールドオフ電圧を有し、ここで、Ｎは、用いられるパワーＭＯＳＦＥＴの数である。単一デバイスとほぼ同じ時間内により高い電圧、したがってより大量の電力を５０ｏｈｍの負荷へ切り替える能力が実現される。パワーＭＯＳＦＥＴを選択するための設計上の考慮事項が提示される。提示される設計方法を用いて、２ｎｓの立ち上がり時間及び無視できるジッタをもつＳＯ５０ｏｈｍへの１．４ｋＶパルス発生器が設計される。

別の電圧スイッチング回路構成は、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ−Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ（ＩＧＣＴ）に基づいている。１０−ｋＶ−ＩＧＣＴと高速ダイオードの１つのプレスパックへの集積は、コンバータの電力定格が約５〜６ＭＶＡを超過しないならば、６ｋＶ〜７．２ｋＶの電圧範囲の中電圧コンバータのための魅力的な方策である。（参照により本明細書に組み込まれる、Ｓｖｅｎ Ｔｓｃｈｉｒｌｅｙ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ １０−ｋＶ−ＩＧＣＴｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３９ｔｈ ａｎｎｕａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐａｇｅｓ９２−９８，２００８参照）。Ｔｓｃｈｉｒｌｅｙらは、世界初の逆導電６８ｍｍ １０−ｋＶ−ＩＧＣＴの設計及びキャラクタライゼーションを説明している。異なるＩＧＣＴ及びダイオードサンプルのオン状態挙動、ブロッキング挙動、及びスイッチング挙動が、実験的に調査されている。実験結果は、１０−ｋＶ−ＲＣ−ＩＧＣＴが、６〜７．２ｋＶの中電圧コンバータに関する魅力的なパワー半導体であることを明瞭に示す。

高い体積エネルギー密度、高い動作温度、等価直列抵抗（ＥＳＲ）、及び長寿命をもつキャパシタは、パルスパワー、自動車、及び産業エレクトロニクスのための重要なコンポーネントである。キャパシタの誘電体材料の物理的特徴は、キャパシタの性能の主要な決定因子である。したがって、キャパシタの誘電体材料の物理的特性のうちの１つ以上の向上は、結果的に、キャパシタコンポーネントの対応する性能の向上をもたらすことができ、普通は、結果的に、これが組み込まれる電子装置システム又は製品の性能及び寿命の増強が得られる。キャパシタ誘電体の向上は、製品のサイズ、製品の信頼性、及び製品の効率に直接に影響を及ぼすことができるので、このような向上に関連した高い価値が存在する。

バッテリに比べて、キャパシタは、エネルギーを非常に高い出力密度、すなわち充電／再充電率で蓄積することができ、僅かな劣化で長い蓄積寿命を有し、何十万回又は何百万回も充電及び放電する（サイクルする）ことができる。しかしながら、キャパシタは、しばしば、バッテリの場合のように小さい体積又は重量で又は低いエネルギー蓄積コストでエネルギーを蓄積せず、これは、キャパシタをいくつかの用途、例えば電気車両に関して実際的ではないものにする。したがって、より高い体積及び質量エネルギー蓄積密度及びより低いコストのキャパシタを提供することがエネルギー蓄積技術の進歩であろう。

本開示の態様は、１つ以上のメタキャパシタ（以下でさらに説明する）を有する容量性エネルギー蓄積装置を、容量性エネルギー蓄積装置の端子に結合される１つ以上のスイッチ・モード電圧コンバータを有するＤＣ電圧変換装置と組み合わせることにより、従来の再充電可能な電気エネルギー蓄積技術に伴う問題に対処する。メタキャパシタは、従来のウルトラキャパシタ又はスーパーキャパシタよりも大きいエネルギー蓄積容量を有する。ＤＣ電圧変換装置は、充電及び放電中の容量性エネルギー蓄積装置上の電圧を調整する。

本明細書で用いられる場合のメタキャパシタは、その誘電体フィルムが第１の電極と第２の電極との間に配置されるメタ誘電体材料である、誘電体フィルムキャパシタである。一実施形態では、前述の電極は、平面且つ平板であり、互いに平行に位置決めされる。別の実施形態では、メタキャパシタは、互いに平行に位置決めされた２つの巻回金属電極を備える。加えて、メタ誘電体材料は、シャープ（Ｓｈａｒｐ）ポリマー及び／又はフルタ（Ｆｕｒｕｔａ）ポリマーで構成される。

本開示は、１つ以上のメタキャパシタを有する容量性エネルギー蓄積装置と、１つ以上のスイッチ・モード電圧コンバータを有するＤＣ電圧変換装置とを備えるエネルギー蓄積セルを提供する。容量性エネルギー蓄積装置上のパワーポート（正端子及び負端子、又はアノード及びカソードからなる）は、ＤＣ電圧変換装置上のキャパシタ側パワーポートに接続される。ＤＣ電圧変換装置は、外部回路にインターフェースし得る１つ以上の他のパワーポートを有する。パワーポートは、セルの仕様に準拠（ｃｏｍｍｉｓｅｒａｔｅ）する関連する電流及び電圧で電力を伝えることを意図される。ポートの各端子は、導電性のインターフェースである。各セルは、ＤＣ電圧変換装置の電圧、電流、温度、及び他の重要な態様などのパラメータを監視及び／又は制御するための手段を含んでよい。

一態様では、容量性エネルギー蓄積モジュールは、１つ以上の個々の容量性エネルギー蓄積セルと、相互接続システムからなる１つ以上のパワーバスとを含んでよく、この場合、パワーバスは、容量性エネルギー蓄積モジュールの共通のアノード及び共通のカソードからなる共通のモジュールパワーポートを生み出すべく、個々のエネルギー蓄積セルのパワーポートを並列に又は直列に接続する。モジュールは、相互接続システムの温度、モジュールパワー、電圧、及び電流を監視するための付加的なセンサを有してよく、これらのセンサ値並びに個々のセルからの値を伝えるべく通信バス及び／又は通信バスプロトコルトランスレータを含んでよい。

別の態様では、容量性エネルギー蓄積システムは、上述の通信バス上のすべての値を監視、処理、及び制御する上述の容量性エネルギー蓄積モジュール、相互接続システム、及びシステム制御コンピュータのうちの１つ又は複数を含んでよい。

本開示の例示的な実施形態のみが示され説明される以下の詳細な説明から、本開示のさらなる態様及び利点が、この技術分野の当業者にはすぐに分かるであろう。以下の記載から分かるように、本開示は、他の及び異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの細部は、すべて本開示から逸脱することなく種々の明白な点で修正が可能である。したがって、図面及び説明は、制限するものではなく本質的に例示するものとしてみなされるべきである。

参照による援用
本明細書で述べられるすべての刊行物、特許、及び特許出願は、参照により組み込まれるべき各個々の刊行物、特許、又は特許出願が具体的に個々に示された場合と同程度に参照により本明細書に組み込まれる。

スイッチ付ＬＣフィルタに基づく降圧変換装置を概略的に示す図である。 非同期性の降圧変換装置を概略的に示す図である。 同期性の降圧変換装置を概略的に示す図である。 必要とされる時間遅延間隔で一対の信号を生成するのに必要とされる信号処理を実証する図である。 「オン状態」にある昇圧コンバータを概略的に示す図である。 「オフ状態」にある昇圧コンバータを概略的に示す図である。 ２端子ポートに接続される単一の容量性要素を含む容量性エネルギー蓄積装置を示す図である。 ２端子ポートに接続される複数の要素を含む容量性エネルギー蓄積装置の代替的な構成を示す図である。 ２端子ポートに接続される複数の要素を含む容量性エネルギー蓄積装置の代替的な構成を示す図である。 ２端子ポートに接続される複数の要素を含む容量性エネルギー蓄積装置の代替的な構成を示す図である。 標準昇圧回路を実装するスイッチ・モード電圧コンバータを概略的に示す図である。 標準降圧回路を実装するスイッチ・モード電圧コンバータを概略的に示す図である。 標準反転降圧／昇圧回路を実装するスイッチ・モード電圧コンバータを概略的に示す図である。 標準非反転双方向降圧／昇圧回路を実装するスイッチ・モード電圧コンバータを概略的に示す図である。 ２つのパワーポートと、メタキャパシタを充電するための別個の１つ以上の昇圧コンバータ及び１つ以上の降圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための別個の１つ以上の昇圧コンバータ及び１つ以上の降圧コンバータとを有する、ＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ２つのパワーポートと、メタキャパシタを充電するための１つ以上の降圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための１つ以上の降圧昇圧コンバータとを有する、代替的なＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ２つのパワーポートと、充電のための１つ以上の昇圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための１つ以上の降圧コンバータとを有する、別の代替的なＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ２つのパワーポートと、メタキャパシタを充電するための１つ以上の降圧／昇圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための１つ以上の降圧／昇圧コンバータとを有する、別の代替的なＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ２つのパワーポートと、メタキャパシタを充電及び放電するための１つ以上の双方向昇圧／降圧コンバータとを有する、また別のＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ３つのパワーポートと、メタキャパシタを充電するための別個の１つ以上の昇圧コンバータ及び１つ以上の降圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための別個の１つ以上の昇圧コンバータ及び１つ以上の降圧コンバータとを有する、さらに別のＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ３つのパワーポートと、メタキャパシタを充電するための１つ以上の降圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための１つ以上の降圧昇圧コンバータとを有する、別のＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ３つのパワーポートと、メタキャパシタを充電するための１つ以上の降圧／昇圧コンバータと、メタキャパシタを放電するための１つ以上の降圧／昇圧コンバータとを有する、別のＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 ３つのパワーポートと、メタキャパシタを充電及び放電するための１つ以上の双方向昇圧／降圧コンバータとを有する、また別のＤＣ電圧変換装置を概略的に示す図である。 本開示の態様に係るエネルギー蓄積セルを概略的に示す図である。 本開示の態様に係る平面且つ平板電極を備えるメタキャパシタを概略的に示す図である。 本開示の態様に係る巻回（円形）電極を備えるメタキャパシタを概略的に示す図である。 本開示の代替的な態様に係るエネルギー蓄積セルを概略的に示す図である。 本開示の代替的な態様に係るエネルギー蓄積セルを概略的に示す図である。 本開示の態様に係るコンバータが降圧から昇圧に遷移する際の充電中のコンバータの入力を供給する定電圧Ｖ＿ｉ（ｔ）及び容量性エネルギー蓄積装置上の電圧Ｖ＿ｃ（ｔ）を示す図である。 本開示の態様に係るコンバータが降圧から昇圧に遷移する際の放電中のコンバータの出力側から引き出される定電圧Ｖ＿ｏ（ｔ）及び容量性エネルギー蓄積装置上の電圧Ｖ＿ｃ（ｔ）を示す図である。 本開示の態様に係るＶｍｉｎ，ｏｐ＝Ｖ＿ｉ（ｔ）のときの充電中のコンバータの入力を供給する定電圧Ｖ＿ｉ（ｔ）及び容量性エネルギー蓄積装置上の電圧Ｖ＿ｃ（ｔ）を示す図である。 本開示の態様に係るＶｍｉｎ，ｏｐ＝Ｖ＿ｉ（ｔ）のときの放電中のコンバータの出力側から引き出される定電圧Ｖ＿ｏ（ｔ）及び容量性エネルギー蓄積装置上の電圧Ｖ＿ｃ（ｔ）を示す図である。 本開示の態様に係るエネルギー蓄積セルのＤＣ電圧変換装置で用いるために選択することができるスイッチ・モード電圧コンバータで実装され得る単一スイッチ降圧−昇圧コンバータの例を示す図である。 本開示の態様に係るエネルギー蓄積セルのＤＣ電圧変換装置で用いるために選択することができるスイッチ・モード電圧コンバータで実装され得る４スイッチ降圧−昇圧コンバータの例を示す図である。 本開示の代替的な態様に係る２つ以上のネットワーク化されたエネルギー蓄積セルを有する容量性エネルギー蓄積モジュールの例を示す図である。 本開示の代替的な態様に係る２つ以上のエネルギー蓄積ネットワーク化モジュールを有する容量性エネルギー蓄積システムの例を示す図である。

本発明の種々の実施形態が本明細書で示され説明されているが、このような実施形態は単なる例として提供されることが当業者には明白であろう。多くの変形、変化、及び置換えが、本発明から逸脱することなく当業者に発想され得る。本明細書で説明される本発明の実施形態への種々の代替が採用され得ることを理解されたい。

本開示は、少なくとも１つの容量性エネルギー蓄積装置と、ＤＣ電圧変換装置とを備えるエネルギー蓄積セルを提供する。図１０は、１つ以上のメタキャパシタ２０を含む容量性エネルギー蓄積装置２と、１つ以上のスイッチ・モード電圧コンバータ１００、例えば、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、降圧／昇圧コンバータ、双方向降圧／昇圧（ｓｐｌｉｔ−ｐｉ）コンバータ、Ｃｕｋコンバータ、ＳＥＰＩＣコンバータ、反転降圧／昇圧コンバータ、又は４スイッチ降圧／昇圧コンバータからなるＤＣ電圧変換装置３とを備える容量性エネルギー蓄積セル１を概略的に示す。

本明細書で用いられる場合のメタキャパシタは、第１の電極と第２の電極との間に配置されるメタ誘電体材料である誘電体フィルムで構成されるキャパシタである。一実施形態では、前述の電極は、平面且つ平板であり、図１０Ａに示すように互いに平行に位置決めされる。別の実施形態では、メタキャパシタは、図１０Ｂに示すように互いに平行に位置決めされる２つの巻回金属電極を備える。

本開示の態様によれば、メタキャパシタは、図１０Ａに示すように構成されてよい。メタキャパシタは、第１の電極２１、第２の電極２２、及び前記第１の電極と第２の電極との間に配置されたメタ誘電体層２３を備える。電極２１及び２２は、銅、亜鉛、又はアルミニウム、又は他の導体材料などの金属で作製されてよく、概して平板の形状である。

電極２１、２２は、平面且つ平板であり、互いに平行に位置決めされてよい。代替的に、電極は、平板且つ平行であるが、必ずしも平面でなくてよく、例えば、それらは、キャパシタの全体のフォームファクタを低減させるべくコイル状にされ、巻回され、屈曲され、折り畳まれ、又は他の方法で形状設定されてよい。電極は、非平面、非平板、又は非平行、或いはこれらのうちの２つ以上のいくつかの組み合わせとすることも可能である。限定ではない単なる例として、複合誘電体フィルム層２３の厚さに対応し得る電極２１、２２間の間隔ｄは、約１００ｎｍ〜約１０，０００μｍの範囲であり得る。以下の式（４）に示されるように、電極２１、２２間の最大電圧Ｖ_ｂｄは、概して、破壊電界Ｅ_ｂｄと電極間隔ｄとの積である。
Ｖ_ｂｄ＝Ｅ_ｂｄｄ （４）

例えば、Ｅ_ｂｄ＝０．１Ｖ／ｎｍであり、且つ、電極１、２間の間隔ｄが１０，０００ミクロン（１００，０００ｎｍ）である場合、最大電圧Ｖ_ｂｄは１００，０００ボルトであろう。

電極２１、２２は、互いに同じ形状、同じ寸法、及び同じ面積Ａを有してよい。限定ではない単なる例として、各電極１０２１、１０２２の面積Ａは、約０．０１ｍ^２〜約１０００ｍ^２の範囲であり得る。限定ではない単なる例として、巻回キャパシタに関して、電極は、例えば、長さ１０００ｍ及び幅１ｍまでであり得る。

これらの範囲は限定ではない。電極間隔ｄ及び面積Ａの他の範囲が本開示の態様の範囲内にある。

間隔ｄが、電極の特徴的な長さを表す寸法（例えば、長さ及び／又は幅）に比べて小さい場合、キャパシタのキャパシタンスＣは、次式により概算され得る：
Ｃ＝κε_ｏＡ／ｄ， （５）
ここで、ε_ｏは、自由空間の誘電率（８．８５×１０^−１２Ｃ^２／（Ｎ・ｍ^２））であり、κは、誘電体層の誘電定数である。キャパシタのエネルギー蓄積容量Ｕは、以下のように概算され得る：

これは、式（４）及び式（５）を用いて以下のように書き直され得る：

エネルギー蓄積容量Ｕは、誘電定数κ、面積Ａ、及び破壊電界Ｅ_ｂｄにより決定される。適切な工学により、キャパシタ又はキャパシタバンクは、任意の所望のエネルギー蓄積容量Ｕを有するように設計され得る。限定ではない単なる例として、誘電定数κ、電極面積Ａ、及び破壊電界Ｅ_ｂｄに関する上記の範囲を仮定すると、本開示の態様に係るキャパシタは、約５００ジュール〜約２×１０^１６ジュールの範囲のエネルギー蓄積容量Ｕを有し得る。

例えば約１００〜約１，０００，０００の範囲の誘電定数κと、例えば約０．１から０．５Ｖ／ｎｍまでの間の一定の破壊電界Ｅ_ｂｄに関して、本明細書で説明されるタイプのキャパシタは、約１０Ｗ・ｈ／ｋｇから最高約１００，０００Ｗ・ｈ／ｋｇまでの範囲の単位質量当たりの特定のエネルギー容量を有し得るが、実装はそれに限らない。

本開示の態様は、例えば、図１０Ｂに描画される場合のコイル状にされるメタキャパシタの使用を含む。この例では、メタキャパシタ２０は、第１の電極２１、第２の電極２２、及び前記第１の電極と第２の電極との間に配置される前述したタイプのうちの１つ以上のメタ誘電体材料層２３を備える。電極２１、２２は、銅、亜鉛、又はアルミニウム、又は他の導体材料などの金属で作製されてよく、概して平板の形状である。一実装では、電極及びメタ誘電体材料層２３は、互いに挟まれる材料の長いストリップの形態であり、電極２１、２２間の電気短絡を防ぐべく絶縁材、例えばポリプロピレン又はポリエステルなどのプラスチックフィルムと共にコイルへ巻かれる。このようなコイル状キャパシタエネルギー蓄積装置の例は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１６／０３７９７５７号として公開されている２０１５年６月２６日に出願された本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１４／７５２，６００号に詳細に説明されている。

前記メタ誘電体材料は、ポリマーから形成される上記構造（ｓｕｐｒａ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）を有する複合分子で構成される。前記ポリマーの例は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、それぞれすべて２０１６年２月１２日に出願された、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１５／０４３，２４７号（代理人整理番号ＣＳＩ−０４６及び第１５／０４３，１８６号（代理人整理番号ＣＳＩ−０１９Ａ）、及び第１５／０４３，２０９号（代理人整理番号ＣＳＩ−０１９Ｂ）で詳細に説明される場合の所謂シャープ・ポリマー及び所謂フルタ・コポリマー及び所謂パラフルタ・ポリマーを含む。フルタ・コポリマー及びパラフルタ・ポリマーは、まとめてフルタ・ポリマーと呼ばれる。

シャープ・ポリマー
シャープ・ポリマーは、分極性コアを互いから絶縁するように作用する分極性コアに共有結合された直鎖又は分岐鎖オリゴマーとしての炭化水素（飽和及び／又は不飽和）、フルオロカーボン、クロロカーボン、シロキサン、及び／又はポリエチレングリコールのエンベロープの内部の分極性コアの複合材であり、これは、都合よく、コアの分極モーメントの限られた消散又は無消散でコアの個別の分極を可能にする。分極性コアは、超電子又はイオン型分極率を有する。「超電子分極は、外部電界により長い高分極性の分子上に一時的に局在化した励起子の電荷対の柔軟な相互作用に起因すると考えられ得る［．］（Ｒｏｇｅｒ Ｄ．Ｈａｒｔｍａｎ ａｎｄ Ｈｅｒｂｅｒｔ Ａ．Ｐｏｈｌ，“Ｈｙｐｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｐａｒｔ Ａ−１ Ｖｏｌ．６，ｐｐ．１１３５−１１５２（１９６８））」。イオン型分極は、コア分子フラグメントのイオン部分の限られた移動度により達成することができる。

シャープ・ポリマーは、以下の一般構造式を有する：

ここで、コアは、リレンフラグメントを含む芳香族多環式共役分子である。この分子は、平面の等方性の形態を有し、柱状の超分子におけるｐｉ−ｐｉスタッキングにより自己組織化する。置換基Ｒ１は、溶媒中の有機化合物の溶解性をもたらす。パラメータｎは、０、１、２、３、４、５、６、７、又は８に等しい置換基Ｒ１の数である。置換基Ｒ２は、末端位置に存在する電気抵抗性の置換基であり、電流への固有抵抗をもたらし、直鎖又は分岐鎖としての炭化水素（飽和及び／又は不飽和）、フルオロカーボン、シロキサン、及び／又はポリエチレングリコールを含む。置換基Ｒ３及びＲ４は、例えば、直接結合されたＳＰ２−ＳＰ３炭素で直接に又は接続基を介して芳香族多環式共役分子（コア）に接続されるイオン性液体中で用いられるイオン化合物のクラスからの１つ以上のイオン基を含む側方（横の）位置（末端位置及び／又はベイ位置）に存在する置換基である。パラメータｍは、柱状の超分子における芳香族多環式共役分子の数であり、３〜１０００００の範囲内である。

複合有機化合物の別の実施形態では、芳香族多環式共役分子は、フェニレン、チオフェン、又はポリアセンキニーネラジカルオリゴマー、或いはこれらのうちの２つ以上の組み合わせなどの導電性オリゴマーを含む。複合有機化合物のさらに別の実施形態では、導電性オリゴマーは、フェニレン、チオフェン、又は２〜１２の範囲の長さの置換された及び／又は置換されていないポリアセンキニーネラジカルオリゴマー、又はこれらのうちの２つ以上の組み合わせから選択される。この場合、環の水素の置換基は、Ｏ、Ｓ、又はＮＲ５であり、Ｒ５は、置換されていない又は置換されたＣ_１〜Ｃ_１８アルキル、置換されていない又は置換されたＣ_２〜Ｃ_１８アルケニル、置換されていない又は置換されたＣ_２〜Ｃ_１８アルキニル、及び置換されていない又は置換されたＣ_４〜Ｃ_１８アリールからなる群から選択される。

いくつかの実施形態では、複合有機化合物の溶解性をもたらす置換基（Ｒ１）は、Ｃ_ＸＱ_２Ｘ＋１であり、ここで、Ｘ≧１であり、Ｑは、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、又は塩素（Ｃｌ）である。複合有機化合物のさらに別の実施形態では、複合有機化合物の溶解性をもたらす置換基（Ｒ１）は、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、フッ素化アルキル、塩素化アルキル、分岐及び複合アルキル、分岐及び複合フッ素化アルキル、分岐及び複合塩素化アルキル基、及びこれらの任意の組み合わせから独立して選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ｉｓｏ−ブチル、及びｔｅｒｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基、或いは直鎖又は分岐鎖としてのシロキサン及び／又はポリエチレングリコールから選択される。

いくつかの実施形態では、複合有機化合物の少なくとも１つの電気抵抗性の置換基（Ｒ２）は、Ｃ_ＸＱ_２Ｘ＋１であり、ここで、Ｘ≧１であり、Ｑは、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、又は塩素（Ｃｌ）である。複合有機化合物の別の実施形態では、少なくとも１つの電気抵抗性の置換基（Ｒ２）は、−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＨ_３、−ＣＨ（（ＣＨ_２）_ｎＣＨ_３）_２）（式中ｎ≧１）、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、分岐アルキル、分岐アリール、及びこれらの任意の組み合わせを含むリストから選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ｉｓｏ−ブチル、及びｔｅｒｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基から選択される。複合有機化合物のさらに別の実施形態では。

いくつかの実施形態では、置換基Ｒ１及び／又はＲ２は、少なくとも１つの接続基を介して芳香族多環式共役分子（コア）に接続される。少なくとも１つの接続基は、以下の構造：エーテル、アミン、エステル、アミド、置換アミド、アルケニル、アルキニル、スルホニル、スルホネート、スルホンアミド、又は置換スルホンアミドを含むリストから選択されてよい。

いくつかの実施形態では、置換基Ｒ３及び／又はＲ４は、少なくとも１つの接続基を介して芳香族多環式共役分子（コア）に接続されてよい。少なくとも１つの接続基は、ＣＨ_２、ＣＦ_２、ＳｉＲ_２Ｏ、ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏを含むリストから選択されてよく、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。複合有機化合物の別の実施形態では、１つ以上のイオン基は、陽イオンとして［ＮＲ_４］^＋、［ＰＲ_４］^＋、及び陰イオンとして［−ＣＯ_２］⁻、［−ＳＯ_３］⁻、［−ＳＲ_５］⁻、［−ＰＯ_３Ｒ］⁻、［−ＰＲ_５］⁻を含むリストから選択された少なくとも１つのイオン基を含み、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。

具体的には、本開示の一態様は、複合有機化合物の形態のシャープ・ポリマーを提供する。複合有機化合物の一実施形態では、芳香族多環式共役分子（コア）は、リレンフラグメントを含む。複合有機化合物の別の実施形態では、リレンフラグメントは、表１で与えられる構造１〜２１から選択される。

複合有機化合物の別の実施形態では、芳香族多環式共役分子は、フェニレン、チオフェン、又はポリアセンキニーネラジカルオリゴマー、或いはこれらのうちの２つ以上の組み合わせなどの導電性オリゴマーを含む。複合有機化合物のさらに別の実施形態では、導電性オリゴマーは、表２で与えられる構造２２〜３０から選択され、ここで、Ｉ＝２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、又は１２であり、Ｚは、＝Ｏ、＝Ｓ、又は＝ＮＲ５であり、Ｒ５は、置換されていない又は置換されたＣ_１〜Ｃ_１８アルキル、置換されていない又は置換されたＣ_２〜Ｃ_１８アルケニル、置換されていない又は置換されたＣ_２〜Ｃ_１８アルキニル、及び置換されていない又は置換されたＣ_４〜Ｃ_１８アリールからなる群から選択される：

いくつかの実施形態では、複合有機化合物の溶解性をもたらす置換基（Ｒ１）は、Ｃ_ＸＱ_２Ｘ＋１であり、ここで、Ｘ≧１であり、Ｑは、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、又は塩素（Ｃｌ）である。複合有機化合物のさらに別の実施形態では、複合有機化合物の溶解性をもたらす置換基（Ｒ１）は、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、フッ素化アルキル、塩素化アルキル、分岐及び複合アルキル、分岐及び複合フッ素化アルキル、分岐及び複合塩素化アルキル基、及びこれらの任意の組み合わせから独立して選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ｉｓｏ−ブチル、及びｔｅｒｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基、或いは直鎖又は分岐鎖としてのシロキサン及び／又はポリエチレングリコールから選択される。

複合有機化合物の一実施形態では、溶媒は、ベンゼン、トルエン、キシレン、アセトン、酢酸、メチルエチルケトン、炭化水素、クロロホルム、四塩化炭素、塩化メチレン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、アルコール、ニトロメタン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）、及びこれらの任意の組み合わせから選択される。

いくつかの実施形態では、複合有機化合物の少なくとも１つの電気抵抗性の置換基（Ｒ２）は、Ｃ_ＸＱ_２Ｘ＋１であり、ここで、Ｘ≧１であり、Ｑは、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、又は塩素（Ｃｌ）である。複合有機化合物の別の実施形態では、少なくとも１つの電気抵抗性の置換基（Ｒ２）は、−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＨ_３、−ＣＨ（（ＣＨ_２）_ｎＣＨ_３）_２）（式中ｎ≧１）、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、分岐アルキル、分岐アリール、及びこれらの任意の組み合わせを含むリストから選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、Ｉ−ブチル、及びｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基から選択される。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電気抵抗性の置換基（Ｒ２）は、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、フッ素化アルキル、塩素化アルキル、分岐及び複合アルキル、分岐及び複合フッ素化アルキル、分岐及び複合塩素化アルキル基、及びこれらの任意の組み合わせの群から選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ｎ−ブチル、ｉｓｏ−ブチル、及びｔｅｒｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基、或いは直鎖又は分岐鎖としてのシロキサン及び／又はポリエチレングリコールから選択される。

いくつかの実施形態では、置換基Ｒ１及び／又はＲ２は、少なくとも１つの接続基を介して芳香族多環式共役分子（コア）に接続される。少なくとも１つの接続基は、表３で与えられる以下の構造：３１〜４１を含むリストから選択されてよく、式中、Ｗは、水素（Ｈ）又はアルキル基である。

いくつかの実施形態では、置換基Ｒ３及び／又はＲ４は、少なくとも１つの接続基を介して芳香族多環式共役分子（コア）に接続されてよい。少なくとも１つの接続基は、ＣＨ_２、ＣＦ_２、ＳｉＲ_２Ｏ、ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏを含むリストから選択されてよく、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。複合有機化合物の別の実施形態では、１つ以上のイオン基が、陽イオンとして［ＮＲ４］＋、［ＰＲ４］＋、及び陰イオンとして［−ＣＯ２］−、［−ＳＯ３］−、［−ＳＲ５］−、［−ＰＯ３Ｒ］−、［−ＰＲ５］−を含むリストから選択された少なくとも１つのイオン基を含み、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。

シャープ・ポリマーは、超電子又はイオン型分極率を有する。「超電子分極は、外部電界により長い高分極性の分子上に一時的に局在化した励起子の電荷対の柔軟な相互作用に起因すると考えられ得る［．］（Ｒｏｇｅｒ Ｄ．Ｈａｒｔｍａｎ ａｎｄ Ｈｅｒｂｅｒｔ Ａ．Ｐｏｈｌ，“Ｈｙｐｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｐａｒｔ Ａ−１ Ｖｏｌ．６，ｐｐ．１１３５−１１５２（１９６８））」。イオン型分極は、繋がれた／部分的に固定化されたイオン性液体又は双性イオン（Ｑ）のイオン部分の限られた移動度により達成することができる。加えて、双極子分極などの分極の他の機構及び金属導電率をもつモノマー及びポリマーが、独立して、又は本開示の態様における超電子及びイオン分極と組み合わせて用いられ得る。

別の態様では、本開示は、メタ誘電体を提供し、この場合、メタ誘電体は、分極率及び固有抵抗により特徴付けられる複合有機化合物の形態の１つ以上のシャープ・ポリマーを含む誘電体である。

さらに、メタ誘電体の特徴は、１，０００以上の比誘電率及び１０^１３ｏｈｍ／ｃｍ以上の固有抵抗を含む。個々に、メタ誘電体のシャープ・ポリマーは、ｐｉ−ｐｉ相互作用により柱状の超分子構造を形成し得る。前記シャープ・ポリマーの超分子は、メタ誘電体材料の結晶構造の形成を可能にする。誘電体材料にシャープ・ポリマーを用いることにより、高い誘電透過性をもつ分子材料を提供するべく分極ユニットが組み込まれる。金属導電率をもつ分子、モノマー、及びポリマーの双極子分極、イオン分極、及び超電子分極などの分極のいくつかの機構が存在する。列挙したタイプの分極をもつすべての分極ユニットが本開示の態様で用いられ得る。さらに、シャープ・ポリマーは、誘電体結晶層において超分子を互いから電気的に分離し、且つエネルギー蓄積分子材料の高い破壊電圧をもたらす絶縁置換基のエンベロープを組み込む複合材料である。前記絶縁置換基は、分極性コアに共有結合された抵抗性アルキル又はフルロアルキル鎖であり、抵抗性エンベロープを形成する。

シャープ・ポリマーに関する開示がより容易に理解され得るようにするために、本発明の例示となることを意図しているが範囲を限定するものとなることを意図していない以下の例に言及する。

例１
この例は、以下の構造スキームに従って１つのタイプのシャープ・ポリマーの合成を説明する：

この例での合成に関係するプロセスは、以下の５つのステップによって理解されるであろう。
ａ）第１のステップ：

無水物１（６０．０ｇ、０．１５ｍｏｌ、１．０ｅｑ）、アミン２（１１４．４ｇ、０．３４ｍｏｌ、２．２ｅｑ）、及びイミダゾール（６８６．０ｇ、１０．２ｍｏｌ、２に対して３０ｅｑ）を、バンプ・ガーダー（ｂｕｍｐ−ｇｕａｒｄｅｒ）を装備した５００ｍＬの丸底フラスコへ入れてよく混合した。混合物を３回脱気し、１６０℃で３時間攪拌し、１８０℃で３時間攪拌し、室温に冷却した。反応混合物を、攪拌しながら水（１０００ｍＬ）へクラッシュ（ｃｒｕｓｈｅｄ）した。沈殿物を濾過により収集し、水（２×５００ｍＬ）、メタノール（２×３００ｍＬ）で洗浄し、高真空上で乾燥させた。粗生成物をフラッシュ・クロマトグラフィカラム（ＣＨ_２Ｃｌ_２／ヘキサン＝１／１）により精製し、橙色の固体として７７．２ｇ（４８．７％）の所望の生成物３を得た。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ８．６５〜８．５９（ｍ，８Ｈ）、５．２０〜５．１６（ｍ，２Ｈ）、２．２９〜２．２２（ｍ，４Ｈ）、１．８８〜１．８２（ｍ，４Ｈ）、１．４０〜１．１３（ｍ，６４Ｈ）、０．８８〜０．８１（ｔ，１２Ｈ）。Ｒｆ＝０．６８（ＣＨ_２Ｃｌ_２／ヘキサン＝１／１）。

ｂ）第２のステップ：

ジクロロエタン（１５００ｍＬ）中のジイミド３（３０．０ｇ、２９．０ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）の溶液に、臭素（３１２．０ｇ、１．９５ｍｏｌ、６７．３ｅｑ）を添加した。結果的に得られる混合物を８０℃で３６時間攪拌し、冷却し、１０％ＮａＯＨ（ａｑ，２×１０００ｍＬ）、水（１００ｍＬ）で洗浄し、Ｎａ_２ＳＯ_４により乾燥させ、濾過し、濃縮させた。粗生成物をフラッシュ・クロマトグラフィカラム（ＣＨ_２Ｃｌ_２／ヘキサン＝１／１）により精製し、赤色の固体として３４．０ｇ（９８．２％）の所望の生成物４を得た。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ９．５２（ｄ，２Ｈ）、８．９１（ｂｓ，２Ｈ）、８．６８（ｂｓ，２Ｈ）、５．２１〜５．１３（ｍ，２Ｈ）、２．３１〜２．１８（ｍ，４Ｈ）、１．９０〜１．８０（ｍ，４Ｈ）、１．４０〜１．１４（ｍ，６４Ｈ）、０．８８〜０．８１（ｔ，１２Ｈ）。Ｒｆ＝０．５２（ＣＨ_２Ｃｌ_２／ヘキサン＝１／１）。

ｃ）第３のステップ

トリエチルアミン（８４．０ｍＬ）中の二臭化物４（２．０ｇ、１．６８ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）の溶液に、ＣｕＩ（９．０ｍｇ、０．０４８ｍｍｏｌ、２．８ｍｏｌ％）及び（トリメチルシリル）アセチレン（８０．４９ｇ、５．０ｍｍｏｌ、３．０ｅｑ）を添加した。混合物を３回脱気した。触媒Ｐｄ（ＰＰｈ_３）_４（９８．０ｍｇ、０．０８５ｍｍｏｌ、５．０ｍｏｌ％）を添加した。混合物を３回脱気し、９０℃で２４時間攪拌し、冷却し、Ｃｅｌｉｔｅのパッドに通し、濃縮させた。粗生成物をフラッシュ・クロマトグラフィカラム（ＣＨ_２Ｃｌ_２／ヘキサン＝１／１）により精製し、暗赤色の固体として１．８ｇ（８７．２％）の所望の生成物５を得た。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ１０．２４〜１０．１９（ｍ，２Ｈ）、８．８１（ｂｓ，２Ｈ）、８．６５（ｂｓ，２Ｈ）、５．２０〜５．１６（ｍ，２Ｈ）、２．３１〜２．２３（ｍ，４Ｈ）、１．９０〜１．７８（ｍ，４Ｈ）、１．４０〜１．１５（ｍ，７２Ｈ）、０．８４〜０．８１（ｔ，１２Ｈ）、０．４０（ｓ，１８Ｈ）。Ｒｆ＝０．７２（ＣＨ_２Ｃｌ_２／ヘキサン＝１／１）。

ｄ）第４のステップ

ＭｅＯＨ／ＤＣＭの混合物（４０．０ｍＬ／４０．０ｍＬ）中のジイミド５（１．８ｇ、１．５ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）の溶液に、Ｋ_２ＣＯ_３（０．８１ｇ、６．０ｍｍｏｌ、４．０ｅｑ）を添加した。混合物を室温で１．５時間攪拌し、ＤＣＭ（４０．０ｍＬ）で希釈し、水、塩水で洗浄し、Ｎａ_２ＳＯ_４で乾燥させ、濾過し、濃縮させた。粗生成物をフラッシュ・クロマトグラフィカラム（ＣＨ_２Ｃｌ_２）により精製し、暗赤色の固体として１．４ｇ（８６．１％）の所望の生成物６を得た。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ１０．０４〜１０．００（ｍ，２Ｈ）、８．８８〜８．７８（ｍ，２Ｈ）、８．７２〜８．６０（ｍ，２Ｈ）、５．１９〜５．１４（ｍ，２Ｈ）、３．８２〜３．８０（ｍ，２Ｈ）、２．３１〜２．２３（ｍ，４Ｈ）、１．９０〜１．７８（ｍ，４Ｈ）、１．４０〜１．０５（ｍ，７２Ｈ）、０．８５〜０．４１（ｔ，１２Ｈ）。Ｒｆ＝０．６２（ＣＨ_２Ｃｌ_２）。

ｅ）第５のステップ

ＣＣｌ_４／ＣＨ_３ＣＮ／Ｈ_２Ｏの混合物（６ｍＬ／６ｍＬ／１２ｍＬ）中のアルキン６（１．４ｇ、１．３ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）の懸濁液に、過ヨウ素酸（２．９４ｇ、１２．９ｍｍｏｌ、１０．０ｅｑ）及びＲｕＣｌ_３（２８．０ｍｇ、０．１３ｍｍｏｌ、１０ｍｏｌ％）を添加した。混合物を窒素下で室温で４時間攪拌し、ＤＣＭ（５０ｍＬ）で希釈し、水、塩水で洗浄し、Ｎａ_２ＳＯ_４で乾燥させ、濾過し、濃縮させた。粗生成物をフラッシュ・クロマトグラフィカラム（１０％ＭｅＯＨ／ＣＨ_２Ｃｌ_２）により精製し、暗赤色の固体として１．０ｇ（６８．５％）の所望の生成物７を得た。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ８．９０〜８．４０（ｍ，６Ｈ）、５．１７〜５．００（ｍ，２Ｈ）、２．２２〜２．１０（ｍ，４Ｈ）、１．８４〜１．６０（ｍ，４Ｈ）、１．４１〜０．９０（ｍ，７２Ｈ）、０．８６〜０．６５（ｔ，１２Ｈ）。Ｒｆ＝０．５１（１０％ＭｅＯＨ／ＣＨ_２Ｃｌ_２）。

例２
この例は、以下の構造スキームに従ってシャープ・ポリマーの合成を説明する：

この例での合成に関係するプロセスは、以下の４つのステップによって理解されるであろう。
ａ）第１のステップ：

メタノール（４００ｍＬ）中のケトン１（３７．０ｇ、０．１１ｍｏｌ、１．０ｅｑ）の溶液に、酢酸アンモニウム（８５．３ｇ、１．１１ｍｏｌ、１０．０ｅｑ）及びＮａＣＮＢＨ_３（２８．５ｇ、０．４４ｍｏｌ、４．０ｅｑ）を小分けに添加した。混合物を還流で６時間攪拌し、室温に冷却し、濃縮させた。飽和ＮａＨＣＯ_３（５００ｍＬ）を残留物に添加し、混合物を室温で１時間攪拌した。沈殿物を濾過により収集し、水（４×１００ｍＬ）で洗浄し、高真空上で乾燥させ、白色の固体として３３．６ｇ（８７％）のアミン２を得た。

ｂ）第２のステップ：

アミン２（２０．０ｇ、５８．７ｍｍｏｌ、２．２ｅｑｕ）、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（１０．５ｇ、２６．７ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）、及びイミダゾール（５４．６ｇ、０．８０ｍｍｏｌ、ジアミンに対して３０ｅｑ）を、ロータバップ・バンプガードを装備した２５０ｍＬ丸底フラスコに入れてよく混合した。混合物を３回脱気し（真空及びＮ_２充填）、１６０℃で６時間攪拌した。室温への冷却後に、反応混合物を水（７００ｍＬ）へクラッシュし、１時間攪拌し、濾紙に通して濾過し、沈殿物を収集し、これを水（３×３００ｍＬ）及びメタノール（３×３００ｍＬ）で洗浄し、高真空上で乾燥させ、橙色の固体として２３．１ｇ（８３．５％）のジアミジン３を得た。純粋なジアミジン３（２０．６ｇ）が、フラッシュ・クロマトグラフィカラム（ＤＣＭ／ヘキサン＝１／１）により得られた。

ｃ）第３のステップ：

ＤＣＥ（２．０Ｌ）に、化合物３（５２．０ｇ、５０．２ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）、酢酸（５００ｍＬ）、及び発煙硝酸（３５１．０ｇ、５．０ｍｏｌ、１００．０ｅｑ）を慎重に添加した。混合物に、硝酸アンモニウムセリウム（ＩＶ）（１３７．０ｇ、０．２５ｍｏｌ、５．０ｅｑ）を添加した。反応混合物を６０℃で４８時間攪拌した。室温への冷却後に、反応混合物を水（１．０Ｌ）へクラッシュした。有機相を水（２×１．０Ｌ）、飽和ＮａＨＣＯ_３溶液（１×１．０Ｌ）、及び塩水（１×１．０Ｌ）で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濾過し、濃縮させた。残留物をカラムクロマトグラフィで精製し、暗赤色の固体として４６．７ｇ（８２％）の化合物４を得た。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ０．８４（ｔ，１２Ｈ）、１．２６（ｍ，７２Ｈ）、１．８３（ｍ，４Ｈ）、２．２１（ｍ，４Ｈ）、５．１９（ｍ，２Ｈ）、８．３０（ｍ，２Ｈ）、８．６０〜８．８９（ｍ，４Ｈ）。

ｄ）第４のステップ：

ＥｔＯＡｃ（１２５．０ｍＬ）中の化合物４（２５ｇ、２２．２ｍｍｏｌ、１．０ｅｑ）及びＰｄ／Ｃ（２．５ｇ、０．１ｅｑ）の混合物を室温で１時間攪拌した。固体をろ過（Ｃｅｌｉｔｅ）し、ＥｔＯＡｃ（５ｍＬ×２）で洗浄した。濾過液を濃縮し、暗青色の固体として化合物５（２３．３ｇ、９９％）が得られた。^１Ｈ ＮＭＲ（３００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ_３）δ０．８４（ｔ，１２Ｈ）、１．２４（ｍ，７２Ｈ）、１．８５（ｍ，４Ｈ）、２．３０（ｍ，４Ｈ）、５．００（ｓ，２Ｈ）、５．１０（ｓ，２Ｈ）、５．２０（ｍ，２Ｈ）、７．９１〜８．１９（ｄｄ，２Ｈ）、８．４０〜８．６９（ｄｄ，２Ｈ）、８．７７〜８．９１（ｄｄ，２Ｈ）。

フルタ・ポリマー
フルタ・コポリマー及びパラフルタ・ポリマー（本明細書では他に規定されない限りまとめてフルタ・ポリマーと呼ばれる）は、絶縁性の末端と、連結された／繋がれた／部分的に固定化された分極性のイオン基をもつポリマー化合物である。絶縁性の末端は、コポリマー骨格に共有結合された直鎖又は分岐鎖の炭化水素（飽和及び／又は不飽和）、フルオロカーボン、シロキサン、及び／又はポリエチレングリコールである。末端は、分極性の繋がれた／部分的に固定化されたイオン分子成分及びイオンペアを、同じ又はパラレルコポリマー上の他のイオン基及びイオン基ペアから絶縁するように作用し、これは、都合よく、同じ又はパラレルコポリマー鎖上に部分的に固定化された他の対イオン基ペアのイオン電界又は分極モーメントの限られた相互作用で又は相互作用なしに対イオン性液体ペア又は対イオン基Ｑの個別の分極（すなわち、パラレルフルタ・ポリマーに繋がれた／部分的に固定化された陽イオン性液体及び陰イオン性液体の分極）を可能にする。さらに、絶縁性の末端は、フルタ・ポリマーの上記構造を互いから電気的に絶縁する。パラレルフルタ・ポリマーは、対イオン基（すなわち、陽イオン型及び陰イオン型の繋がれた／部分的に固定化されたイオン基（Ｑ）（陽イオンのフルタ・ポリマー及び陰イオンのフルタ・ポリマーとしても知られる））が互いに反対に位置合わせされるように配列し得る又は配列され得る。

フルタ・コポリマー
フルタ・コポリマーは、以下の一般構造式を有する：

式中、コポリマーの骨格構造は、第１のタイプＰ１の構造単位と、第２のタイプＰ２の構造単位を備え、その両方は、不規則に繰り返し、アクリル酸、メタクリル酸、ポリプロピレン（−［ＣＨ_２−ＣＨ（ＣＨ_３）］−）の繰り返し単位、ポリエチレン（−［ＣＨ_２］
−）の繰り返し単位、シロキサン、又は繰り返し単位が−ＣＨ_２−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｃ_６Ｈ_４−ＣＯ−Ｏ−として表現され得るポリエチレンテレフタレート（ポリ（エチレンテレフタレート）と書かれることもある）の繰り返し単位を含むリストから独立して選択される。パラメータｎは、３〜１０００００の範囲内の骨格構造におけるＰ１構造単位の数であり、ｍは、３〜１０００００の範囲内の骨格構造におけるＰ２構造単位の数である。さらに、第１のタイプの構造単位（Ｐ１）は、２ｅＶを下回らないＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップをもつポリマー材料のオリゴマーである抵抗性置換末端を有する。加えて、第２のタイプの構造単位（Ｐ２）は、リンカー基Ｌを介してＰ２に接続されるイオン官能基Ｑを有する。パラメータｊは、０〜５の範囲であり得るリンカー基Ｌに付着される官能基Ｑの数である。式中、イオン官能基Ｑは、１つ以上のイオン性液体イオン（イオン性液体中で用いられるイオン化合物のクラスからの）、双性イオン、又はポリマー酸を含む。さらに、イオンＱ基のエネルギー相互作用は、ｋＴ未満であり得る。式中、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは環境の温度である。さらにまた、パラメータＢは、コポリマーの電荷のバランスをとるべく反対電荷を供給することができる１つ又は複数の分子又はオリゴマーである対イオンである。式中、ｓは、対イオンの数である。

具体的には、一実施形態では、抵抗性置換末端は、ポリプロピレン（ＰＰ）のオリゴマー、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のオリゴマー、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）のオリゴマー、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のオリゴマー、ポリカーボネート（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）のオリゴマー、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のオリゴマーを含むリストから独立して選択される。別の実施形態では、抵抗性置換末端は、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、フッ素化アルキル、塩素化アルキル、分岐及び複合アルキル、分岐及び複合フッ素化アルキル、分岐及び複合塩素化アルキル基、及びこれらの任意の組み合わせから独立して選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ｉｓｏ−ブチル、及びｔｅｒｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基から選択される。抵抗性置換末端は、重合後に付加され得る。

本開示のまた別の態様では、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、４ｅＶを下回らないことが好ましい。本開示のさらに別の態様では、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、５ｅＶを下回らないことがより一層好ましい。イオン官能基Ｑは、イオン性液体中で用いられるイオン化合物のクラスからの１つ以上のイオン性液体イオン、双性イオン、又はポリマー酸を含む。個別のＰ_２構造単位上のＱ基イオン間の相互作用のエネルギーは、ｋＴ未満であり得る。式中、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは環境の温度である。環境の温度は、−６０℃から１５０℃までの間の範囲内であり得る。温度の好ましい範囲は、−４０℃から１００℃までの間である。イオンのエネルギー相互作用は、イオンの有効半径に依存する。したがって、イオン間の立体障害を増加させることにより、イオンの相互作用のエネルギーを低減させることが可能である。本発明の一実施形態では、少なくとも１つのイオン性液体イオンは、陽イオンとして［ＮＲ_４］^＋、［ＰＲ_４］^＋、及び陰イオンとして［−ＣＯ_２］⁻、［−ＳＯ_３］⁻、［−ＳＲ_５］⁻、［−ＰＯ_３Ｒ］⁻、［−ＰＲ_５］⁻を含むリストから選択され、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。官能基Ｑは、重合後又は重合前に荷電され得る。本発明の別の実施形態では、リンカー基Ｌは、表４で与えられる構造４２〜４７から選択されるオリゴマーである。

本発明のさらに別の実施形態では、リンカー基Ｌは、表５で与えられる構造４８〜５７から選択される。

本発明のさらに別の実施形態では、リンカー基Ｌは、ＣＨ_２、ＣＦ_２、ＳｉＲ_２Ｏ、及びＣＨ_２ＣＨ_２Ｏを含むリストから選択されてよく、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。イオン官能基Ｑ及びリンカー基Ｌは、重合後に付加され得る。

別の態様では、本開示は、双性イオン、陽イオン、陰イオン、又は前述したタイプのポリマー酸の保護された又はヒンダードイオンを含むフルタ・ポリマーのクラスのうちの１つ又は複数で構成される誘電体材料（メタ誘電体と呼ばれることもある）を提供する。メタ誘電体材料は、双性イオン型フルタ・ポリマー、又は正に帯電した（陽イオン）フルタ・ポリマー及び負に帯電した（陰イオン）フルタ・ポリマー、ポリマー酸フルタ・ポリマー、又はその任意の組み合わせの混合物であり得る。フルタ・ポリマーの混合物は、疎水性及びイオン性相互作用を介して上記構造を形成し得る又は形成するように誘導され得る。範囲を限定するのではなく単なる例として、正に帯電したフルタ・ポリマー上の陽イオンは、正に帯電したフルタ・ポリマーと並列の負に帯電したフルタ・ポリマー上の陰イオンのＢ個の対イオンと置き換わり、逆もまた同様であり、隣接するフルタ・ポリマーの抵抗性末端は、ファンデルワールス力を介するスタッキングをさらに助長し、これは、イオン基の分離を増加させる。陽イオンのフルタ・ポリマーと陰イオンのフルタ・ポリマーとの両方を含むメタ誘電体は、陽イオンのフルタ・ポリマーと陰イオンのフルタ・ポリマーの１：１の比を有する。

直鎖又は分岐鎖の炭化水素（飽和及び／又は不飽和）、フルオロカーボン、シロキサン、及び／又はポリエチレングリコールの末端は、連結された／繋がれた／部分的に固定化された分極性のイオン性液体、双性イオン、又はポリマー酸（イオンＱ基）を絶縁するように作用する。末端は、イオンＱ基の相互作用のエネルギーの立体障害を介して同じ又はパラレルフルタ・ポリマー上の他のイオンＱ基からイオンＱ基を絶縁し、これは、都合よく、イオンＱ基の個別の分極（すなわち、パラレルフルタ・ポリマーに繋がれた／部分的に固定化された陽イオン性液体及び陰イオン性液体の分極）を可能にする。さらに、末端は、上記構造のイオン基を互いから絶縁する。パラレルフルタ・ポリマーは、対イオン性液体（すなわち、陽イオン型及び陰イオン型の繋がれた／部分的に固定化されたイオン性液体（Ｑ））が互いに反対に位置合わせされるように配列し得る又は配列され得る（陽イオンのフルタ・ポリマー及び陰イオンのフルタ・ポリマーとしても知られる）。

フルタ・ポリマーは、超電子又はイオン型分極率を有する。「超電子分極は、外部電界により長い高分極性の分子上に一時的に局在化した励起子の電荷対の柔軟な相互作用に起因すると考えられ得る［．］（Ｒｏｇｅｒ Ｄ．Ｈａｒｔｍａｎ ａｎｄ Ｈｅｒｂｅｒｔ Ａ．Ｐｏｈｌ，“Ｈｙｐｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｐａｒｔ Ａ−１ Ｖｏｌ．６，ｐｐ．１１３５−１１５２（１９６８））」。イオン型分極は、繋がれた／部分的に固定化されたイオン性液体又は双性イオン（Ｑ）のイオン部分の限られた移動度により達成することができる。加えて、双極子分極などの分極の他の機構及び金属導電率をもつモノマー及びポリマーが、独立して、又は本開示の態様における超電子及びイオン分極と組み合わせて用いられ得る。

さらに、メタ誘電体層は、以下のフルタ・ポリマーの一般構成を有する、１つ以上のタイプの双性イオンフルタ・ポリマーで構成されてよく、及び／又は陰イオンのＱ^＋基型及び陽イオンのＱ⁻基型及び／又はポリマー酸から選択されてよい：

フルタ・コポリマーに関する開示がより容易に理解され得るようにするために、本発明の例示となることを意図しているが範囲を限定するものとなることを意図していない以下の例に言及する。

例３：
カルボン酸コポリマーＰ００２。２．０ｇのイソプロパノール中の１．０２ｇ（１１．８１ｍｍｏｌ）のメタクリル酸及び４．００ｇ（１１．８１ｍｍｏｌ）のメタクリル酸ステアリルの溶液に、５．０ｇのトルエン中の０．０３０ｇの２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオニトリル）（ＡＩＢＮ）の溶液を添加した。得られた溶液を密封したバイアルの中で８０℃に２０時間加熱し、その後これは著しく粘性となる。ＮＭＲは、＜２％の残存モノマーを示す。溶液は、さらなる精製なしにフィルム調製物及び他の混合物に用いた。

例４：
アミンコポリマーＰ０１１。２．０ｇのトルエン中の２．５２ｇ（１１．７９ｍｍｏｌ）の２−（ジイソプロピルアミノ）メタクリル酸エチル及び３．００ｇ（１１．７９ｍｍｏｌ）のメタクリル酸ラウリルの溶液に、４．０ｇのトルエン中の０．０３０ｇの２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオニトリル）（ＡＩＢＮ）の溶液を添加した。得られた溶液を密封したバイアルの中で８０℃に２０時間加熱し、その後これは著しく粘性となる。ＮＭＲは、＜２％の残存モノマーを示す。溶液は、さらなる精製なしにフィルム調製物及び他の混合物に用いた。

例５：
カルボン酸コポリマー及びアミンコポリマー混合物。Ｐ００２の１．５０ｇの固形分４２ｗｔ％溶液を、１ｇのイソプロパノールと共にＰ０１１の１．２４ｇの５６ｗｔ％溶液に添加し、４０℃で３０分間混合した。溶液をさらなる精製なしに用いた。

パラフルタ・ポリマー
パラフルタ・ポリマーは、以下の一般構造式の繰り返し単位を有する：

式中、構造単位Ｐは、アクリル酸、メタクリル酸、ポリプロピレン（ＰＰ）（−［ＣＨ_２−ＣＨ（ＣＨ_３）］−）に関する繰り返し単位、ポリエチレン（ＰＥ）（−［ＣＨ_２］−）に関する繰り返し単位、シロキサン、又は繰り返し単位が−ＣＨ_２−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｃ_６Ｈ_４−ＣＯ−Ｏ−として表現され得るポリエチレンテレフタレート（ポリ（エチレンテレフタレート）と書かれることもある）の繰り返し単位を含むリストから独立して選択されるコポリマーの骨格を備える。式中、第１のタイプの繰り返し単位（末端）は、ポリマー材料のオリゴマーの形態の抵抗性置換基である。抵抗性置換基は、好ましくは、２ｅＶを下回らないＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを有する。パラメータｎは、骨格Ｐ構造単位上の末端繰り返し単位の数であり、３〜１０００００の範囲内である。さらに、第２のタイプの繰り返し単位（−Ｌ−Ｑ）は、リンカー基Ｌを介して構造骨格単位（Ｐ）に接続されるイオン官能基Ｑを含み、ｍは、３〜１０００００の範囲内の骨格構造における−Ｌ−Ｑ繰り返し単位の数である。加えて、イオン官能基Ｑは、１つ以上のイオン性液体イオン（イオン性液体中で用いられるイオン化合物のクラスからの）、双性イオン、又はポリマー酸を含む。イオンＱ基の相互作用のエネルギーは、ｋＴ未満であり得る。式中、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは環境の温度である。さらにまた、パラメータｔは、６〜２０００００の範囲のパラフルタ・ポリマー繰り返し単位の平均である。式中、Ｂ’は、コポリマーの電荷のバランスをとるべく反対電荷を供給することができる分子又はオリゴマーである対イオンであり、ｓは、対イオンの数である。

有機ポリマー化合物の一実施形態では、抵抗性置換末端は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含むリストから独立して選択される。有機ポリマー化合物の別の実施形態では、抵抗性置換末端は、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、フッ素化アルキル、塩素化アルキル、分岐及び複合アルキル、分岐及び複合フッ素化アルキル、分岐及び複合塩素化アルキル基、及びこれらの任意の組み合わせから独立して選択され、アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ｉｓｏ−ブチル、及びｔｅｒｔ−ブチル基から選択され、アリール基は、フェニル、ベンジル、及びナフチル基から選択される。抵抗性置換末端は、重合後に付加され得る。本開示のさらに別の実施形態では、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、４ｅＶを下回らないことが好ましい。本開示のさらに別の実施形態では、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、５ｅＶを下回らないことがより一層好ましい。イオン官能基Ｑは、イオン性液体中で用いられるイオン化合物のクラスからの１つ以上のイオン性液体イオン、双性イオン、又はポリマー酸を含む。個別のＰ個の構造単位上のＱ基イオン間の相互作用のエネルギーは、ｋＴ未満であり得る。式中、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは環境の温度である。環境の温度は、−６０℃から１５０℃までの間の範囲内であり得る。温度の好ましい範囲は、−４０℃から１００℃までの間である。イオンのエネルギー相互作用は、イオンの有効半径に依存する。したがって、イオン間の立体障害を増加させることにより、イオンの相互作用のエネルギーを低減させることが可能である。本発明の一実施形態では、少なくとも１つのイオン性液体イオンは、陽イオンとして［ＮＲ_４］^＋、［ＰＲ_４］^＋、及び陰イオンとして［−ＣＯ_２］⁻、［−ＳＯ_３］⁻、［−ＳＲ_５］⁻、［−ＰＯ_３Ｒ］⁻、［−ＰＲ_５］⁻を含むリストから選択され、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。官能基Ｑは、重合後又は重合前に荷電され得る。本発明の別の実施形態では、リンカー基Ｌは、表６で与えられる構造５８〜６３から選択されるオリゴマーである。

本開示のさらに別の実施形態では、リンカー基Ｌは、表７で与えられる構造６４〜７３から選択される。

本開示のさらに別の実施形態では、リンカー基Ｌは、ＣＨ_２、ＣＦ_２、ＳｉＲ_２Ｏ、及びＣＨ_２ＣＨ_２Ｏを含むリストから選択され、式中、Ｒは、Ｈ、アルキル、及びフッ素を含むリストから選択される。イオン官能基Ｑ及びリンカー基Ｌは、重合後に付加され得る。

別の態様では、本開示は、双性イオン、陽イオン性液体イオン、陰イオン性液体イオン、又は前述したタイプのポリマー酸の保護された又はヒンダードイオンを含むパラフルタ・ポリマーのクラスのうちの１つ又は複数で構成される誘電体材料（メタ誘電体と呼ばれることもある）を提供する。メタ誘電体材料は、双性イオン型パラフルタ・ポリマー、又は正に帯電した（陽イオン）パラフルタ・ポリマー及び負に帯電した（陰イオン）パラフルタ・ポリマー、ポリマー酸パラフルタ・ポリマー、又はその任意の組み合わせの混合物であり得る。パラフルタ・ポリマーの混合物は、疎水性及びイオン性相互作用を介して上記構造を形成し得る又は形成するように誘導され得る。範囲を限定するのではなく単なる例として、正に帯電したパラフルタ・ポリマー上の陽イオンは、正に帯電したパラフルタ・ポリマーと並列の負に帯電したパラフルタ・ポリマー上の陰イオンのＢ個の対イオンと置き換わり、逆もまた同様であり、隣接するパラフルタ・ポリマーの抵抗性末端は、ファンデルワールス力を介するスタッキングをさらに助長し、これは、イオン基の分離を増加させる。陽イオンのパラフルタ・ポリマーと陰イオンのパラフルタ・ポリマーとの両方を含むメタ誘電体は、好ましくは、陽イオンのパラフルタ・ポリマーと陰イオンのパラフルタ・ポリマーの１：１の比を有する。

直鎖又は分岐鎖の炭化水素（飽和及び／又は不飽和）、フルオロカーボン、シロキサン、及び／又はポリエチレングリコールの末端は、連結された／繋がれた／部分的に固定化された分極性のイオン性液体、双性イオン、又はポリマー酸（イオンＱ基）を絶縁するように作用する。末端は、イオンＱ基の相互作用のエネルギーの立体障害を介して同じ又はパラレルパラフルタ・ポリマー上の他のイオンＱ基からイオンＱ基を絶縁し、これは、都合よく、イオンＱ基の個別の分極（すなわち、パラレルパラフルタ・ポリマーに繋がれた／部分的に固定化された陽イオン性液体及び陰イオン性液体の分極）を可能にする。さらに、末端は、上記構造のイオン基を互いから絶縁する。パラレルパラフルタ・ポリマーは、対イオン性液体（すなわち、陽イオン型及び陰イオン型の繋がれた／部分的に固定化されたイオン性液体（Ｑ））が互いに反対に位置合わせされるように配列し得る又は配列され得る（陽イオンのパラフルタ・ポリマー及び陰イオンのパラフルタ・ポリマーとしても知られる）。

パラフルタ・ポリマーは、超電子又はイオン型分極率を有する。「超電子分極は、外部電界により長い高分極性の分子上に一時的に局在化した励起子の電荷対の柔軟な相互作用に起因すると考えられ得る［．］（Ｒｏｇｅｒ Ｄ．Ｈａｒｔｍａｎ ａｎｄ Ｈｅｒｂｅｒｔ Ａ．Ｐｏｈｌ，“Ｈｙｐｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｐａｒｔ Ａ−１ Ｖｏｌ．６，ｐｐ．１１３５−１１５２（１９６８））」。イオン型分極は、繋がれた／部分的に固定化されたイオン性液体又は双性イオン（Ｑ）のイオン部分の限られた移動度により達成することができる。加えて、双極子分極などの分極の他の機構及び金属導電率をもつモノマー及びポリマーが、独立して、又は本開示の態様における超電子及びイオン分極と組み合わせて用いられ得る。

さらに、メタ誘電体層は、１つ以上のタイプの双性イオンパラフルタ・ポリマーで構成されてよく、及び／又は陰イオンのＱ基型及び陽イオンのＱ基型及び／又はポリマー酸から選択され、これは、以下のパラフルタ・ポリマーの一般配列を有し得る：

メタ誘電体は、本明細書では、１０００以上の比誘電率及び１０^１３ｏｈｍ／ｃｍ以上の固有抵抗を有する１つ以上のタイプの構造化されたポリマー材料（ＳＰＭ）で構成された誘電体材料として定義される。個々に、メタ誘電体におけるＳＰＭは、ｐｉ−ｐｉ相互作用又は親水性及び疎水性相互作用により柱状の超分子構造を形成し得る。前記ＳＰＭの超分子は、メタ誘電体材料の結晶構造の形成を可能にし得る。誘電体材料にＳＰＭを用いることにより、高い誘電透過性をもつ分子材料を提供するべく分極ユニットが組み込まれる。金属導電率をもつ分子、モノマー、及びポリマーの双極子分極、イオン分極、及び超電子分極などの分極のいくつかの機構が存在する。列挙したタイプの分極をもつすべての分極ユニットが本開示の態様で用いられ得る。さらに、ＳＰＭは、誘電体層において超分子を互いから電気的に分離し、且つエネルギー蓄積分子材料の高い破壊電圧をもたらす絶縁置換基のエンベロープを組み込む複合材料である。前記絶縁置換基は、分極性コア又はコポリマー骨格に共有結合された直鎖又は分岐鎖の炭化水素（飽和及び／又は不飽和）、フルオロカーボン、シロキサン、及び／又はポリエチレングリコールである、抵抗性エンベロープを形成する。

図１０に示される場合の、エネルギー蓄積セル１の一実施形態では、１つ以上のメタキャパシタ２０のそれぞれは、第１の電極２１、第２の電極２２、及び前記第１の電極と第２の電極との間に配置されたメタ誘電体材料層２３を備える。電極２１、２２は、銅、亜鉛、又はアルミニウム、又は他の導体材料などの金属で作製されてよく、概して平板の形状である。一実装では、電極及びメタ誘電体材料層２３は、互いに挟まれる材料の長いストリップの形態であり、電極２１、２２間の電気短絡を防ぐべく絶縁材、例えばポリプロピレン又はポリエステルなどのプラスチックフィルムと共にコイルへ巻かれる。このようなコイル状キャパシタエネルギー蓄積装置の例は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１５年６月２６日に出願された、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１４／７５２，６００号に詳細に説明される。図１０に便宜のために単一のメタキャパシタ２０が示されるが、本開示の態様はこのような実装に限定されない。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄに例示されるように、容量性エネルギー蓄積装置２は、並列のメタキャパシタの数にほぼ伴ってスケール変更する所望の量のエネルギー蓄積容量をもたらすべく図７Ｂのように並列に接続された複数のメタキャパシタ２０を含んでよいことを当業者は認識するであろう。代替的に、容量性エネルギー蓄積装置２は、図７Ｃのように所望の電圧レベルに適応するべく直列に接続される２つ以上のメタキャパシタを含んでよい。加えて、容量性エネルギー蓄積装置２は、図７Ｄのように種々の直列及び並列の組み合わせに関係するキャパシタネットワークにおける３つ以上のメタキャパシタの組み合わせを含んでよい。例えば、直列に接続される２つのキャパシタを有する各組み合わせと互いに並列に接続される３つのキャパシタの組み合わせが存在し得る。

メタ誘電体材料２３は、約１００よりも大きい誘電定数κ及び約０．０１ボルト（Ｖ）／ナノメートル（ｎｍ）以上の破壊電界Ｅ_ｂｄにより特徴付けられ得る。誘電定数κは、約１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、１０，０００、又は１００，０００以上であり得る。破壊電界は、約０．０１Ｖ／ｎｍ、０．０５Ｖ／ｎｍ、０．１Ｖ／ｎｍ、０．２Ｖ／ｎｍ、０．３Ｖ／ｎｍ、０．４Ｖ／ｎｍ、０．５Ｖ／ｎｍ、１Ｖ／ｎｍ、又は１０Ｖ／ｎｍよりも大きい場合があり得る。限定ではない単なる例として、メタ誘電体材料２３は、約１００から約１，０００，０００までの間の誘電定数κ及び約０．０１Ｖ／ｎｍから約２．０Ｖ／ｎｍまでの間の破壊電界Ｅ_ｂｄによって特徴付けられ得る。

さらに別の実装では、容量性エネルギー蓄積装置は、直列又は並列に接続された１つ以上のメタキャパシタを備えてよい。さらに別の実装では、容量性エネルギー蓄積装置は、冷却機構３０をさらに備えてよい。いくつかの実装では、冷却は、例えば、容量性エネルギー蓄積装置２及びＤＣ電圧変換装置３上の放射冷却フィンを用いる受動とすることができる。代替的に、空気、水、又はエチレングリコールなどの流体を強制冷却システムにおける冷却液として用いることができる。限定ではない単なる例として、冷却システム３０は、容量性エネルギー蓄積装置２及びＤＣ電圧変換装置３と熱的接触する導管を含んでよい。導管は、固体、液体、又はガスであり得る熱交換媒体で満たされる。いくつかの実装では、冷却機構は、熱交換媒体から熱を取り出すように構成された熱交換器を含んでよい。他の実装では、冷却機構３０は、容量性エネルギー蓄積装置２及びＤＣ電圧変換装置３上の冷却フィンの形態の導管を含んでよく、熱交換媒体は、例えばファンにより、冷却フィン上に吹かれる空気である。本発明の別の実施形態では、熱交換器３２は、冷却を行うように構成された相変化ヒートパイプを含んでよい。相変化ヒートパイプにより行われる冷却は、相変化材料の固相−液相変化（例えば、氷又は他の固体の融解を用いる）又は液相−気相変化（例えば、水又はアルコールの蒸発による）を含んでよい。さらに別の実装では、導管又は熱交換器３２は、パラフィンワックスなどの固相−液相変化材料を収容するリザーバを含んでよい。

図１０、図１１、及び図１２を再び参照すると、ＤＣ電圧変換装置３は、Ｖ_ｏｕｔ＜Ｖ_ｉｎでの用途のための降圧コンバータ、Ｖ_ｏｕｔ＞Ｖ_ｉｎでの用途のための昇圧コンバータ、又は特定の状況におけるＶ_ｏｕｔ＜Ｖ_ｉｎ及び他の状況におけるＶ_ｏｕｔ＞Ｖ_ｉｎでの用途のための双方向降圧／昇圧コンバータを含んでよい。

エネルギー蓄積セル（図１１参照）のさらに別の実施形態では、ＤＣ電圧変換装置３は、閉ループ制御プロセス９０を実施することができる適切な論理回路、例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス（ＣＰＬＤ）を収容する制御盤４、及び（随意的に）通信インターフェース５、並びにＤＣ電圧変換装置３上のセンサ、例えば、入力電圧Ｖ_ｉｎ及び出力電圧Ｖ_ｏｕｔのための電圧センサＶ、容量性エネルギー蓄積装置２との間の電流Ｉ_ｓｄ及び／又はＤＣ電圧変換装置３との間の電流Ｉ_ｖｃのための電流センサＡ、容量性エネルギー蓄積装置及び／又はＤＣ電圧変換装置上の温度センサＴに結合される、アナログ−デジタル変換器に接続されてよい。いくつかの実装では、制御盤４は、ＤＣ電圧変換装置３へ集積されてよい。変換デバイス３は、降圧レギュレータ、昇圧レギュレータ、別個の入力／出力をもつ降圧及び昇圧レギュレータ、双方向昇圧／降圧レギュレータ、又はｓｐｌｉｔ−ｐｉコンバータを収容してよく、制御盤４は、安定した入力電圧を維持しながらより多くの又は少ない定電流でキャパシタを放電及び／又は充電中にＤＣ電圧変換装置からの一定の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを維持するように構成されてよい。

限定ではない単なる例として、制御盤４は、双方向降圧／昇圧コンバータのためのコントローラに基づいていてよい。このような構成では、制御盤４は、制御ループ９０を形成する以下のアルゴリズム：
ａ）エネルギー蓄積システムの目標出力電圧レベルを決定すること、
ｂ）容量性エネルギー蓄積装置の電圧を測定すること、
ｃ）容量性エネルギー蓄積装置上の電圧が所望の出力電圧を上回り、且つ所望の結果がデバイスの放電である場合に、出力方向ＩＦの電圧及び直流を下げるように双方向降圧／昇圧コンバータを構成すること、
ｄ）容量性エネルギー蓄積装置上の電圧が所望の出力電圧を下回り、且つ所望の結果がデバイスの放電である場合に、出力方向ＩＦの電圧及び直流を上げるように双方向降圧／昇圧コンバータを構成すること、
ｅ）容量性エネルギー蓄積装置上の電圧が所望の入力電圧を下回り、且つ所望の結果がデバイスの充電である場合に、入力方向ＩＦの電圧及び直流を下げるように双方向降圧／昇圧コンバータを構成すること、
ｆ）容量性エネルギー蓄積装置上の電圧が所望の出力電圧を上回り、且つ所望の結果がデバイスの充電である場合に、入力方向ＩＦの電圧及び直流を上げるように双方向降圧／昇圧コンバータを構成すること、
ｇ）容量性エネルギー蓄積装置上の電圧が所定のレベルを下回る場合に、電力の出力を停止するように双方向降圧／昇圧コンバータを構成すること、
ｈ）容量性エネルギー蓄積装置上の電圧が所定のレベルを上回る場合に、電力の入力を停止するように双方向降圧／昇圧コンバータを構成すること、
ｉ）必要に応じてステップ（ａ）〜（ｆ）（又はステップ（ａ）〜（ｈ））を繰り返すこと、
に従ってＤＣ電圧変換装置の出力電圧を安定化させる。

制御盤４の動作の詳細は、ＤＣ電圧変換装置３に用いられる降圧／昇圧コンバータのタイプにいくらか依存する。例えば、降圧／昇圧コンバータは、図１５Ａに示されたタイプの単一スイッチ変換器であり得る。このタイプの変換器は、入力電圧Ｖ_ｉｎに結合される入力側及びインダクタＬの一方の側に結合される出力側を有する高電位側スイッチＳＷを含み、他方の側は、接地又は共通の電圧（−）に接続される。キャパシタＣは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔにわたって結合される。パルススイッチング信号Ｓが、スイッチをオン及びオフにする。出力電圧は、スイッチング信号Ｓのデューティサイクルに依存する。単なる例として、スイッチは、エネルギー蓄積セルに関するＤＣ電圧コンバータの電圧要件及び／又は電流要件に応じて、ゲートスイッチデバイス、例えば、ＭＯＳＦＥＴデバイス、スタックＭＯＳＦＥＴデバイス、ＩＧＣＴデバイス、高ドレイン−ソース電圧ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴデバイスなどとして内蔵され得る。ゲートスイッチングデバイスの場合には、制御盤は、スイッチングデバイスのゲート端子に信号を提供する。制御盤４は、スイッチング信号Ｓのデューティサイクルを調整することによりこのタイプの降圧／昇圧コンバータを降圧又は昇圧に構成することができる。

図１５Ｂは、代替的な４スイッチ降圧／昇圧コンバータを示す。このタイプの変換器では、第１のスイッチＳＷ１は、入力電圧Ｖ_ｉｎの高電位側（＋）とインダクタＬの入力側との間に接続され、第２のスイッチＳＷ２は、インダクタＬの出力側と共通の電圧（−）との間に接続され、第３のスイッチＳＷ３は、インダクタＬの入力側と共通の電圧との間に接続され、第４のスイッチＳＷ４は、インダクタの出力側と出力電圧Ｖ_ｏｕｔの高電位側（＋）との間に接続される。入力キャパシタＣ_ｉｎは、入力電圧Ｖ_ｉｎにわたって結合されてよく、出力キャパシタＣ_ｏｕｔは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔにわたって結合されてよい。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、及びＳＷ４は、制御盤４からのスイッチング信号に応答して、開（非伝導）状態と閉（伝導）状態との間で変化する。降圧モードで動作するために、第２のスイッチＳＷ２が開かれ、第４のスイッチＳＷ４が閉じられ、例えば、図３及び図４に関して上述したように第１のスイッチＳＷ１及び第３のスイッチＳＷ３にパルス降圧モードスイッチング信号が印加される。制御盤４は、スイッチング信号Ｓ１及びＳ３のデューティサイクル信号を調整することにより降圧モードでの出力電圧Ｖ_ｏｕｔを調整することができる。昇圧モードで動作するために、第１のスイッチＳＷ１が開かれ、第３のスイッチＳＷ３が閉じられ、例えば、図５及び図６に関して前述したようにパルス昇圧モードスイッチング信号が第２のスイッチＳＷ２及び第４のスイッチＳＷ４に印加される。制御盤４は、スイッチング信号Ｓ２及びＳ４のデューティサイクル信号を調整することにより昇圧モードでの出力電圧Ｖ_ｏｕｔを調整することができる。

限定ではない単なる例として、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄ、図９Ｅ、図９Ｆ、図９Ｇ、図９Ｈ、図９Ｉに描画される場合のＤＣ電圧変換装置３は、図１１及び図１２の容量性エネルギー蓄積セル３上の電圧ラベルｖ＿ｃ（ｔ）、ｖ＿ｉ（ｔ）、及びｖ＿ｏ（ｔ）に対応する図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａ、及び図１４Ｂに描画された充電及び放電モダリティを達成するべく必要に応じて入力／出力電圧を昇圧／又は降圧するように配列される１つ以上のスイッチ・モード電圧コンバータ１００を含んでよい。図９Ｆ、図９Ｇ、図９Ｈ、図９Ｉに示すように、入力／出力ポートは、別個の入力及び出力へ分けられてよい。これらの別個の入力及び出力は、異なるバス電圧を有し得る。例えば、ＤＣ−ＡＣコンバータに電力を伝送又は供給することを意図された出力ＤＣバスとは異なる電圧の、ソーラーインバータからの入力ＤＣバスが存在し得る。スイッチ・モード電圧コンバータ１００は、以下のリスト：降圧コンバータ（図８Ｂに示される）、昇圧コンバータ（図８Ａに示される）、降圧／昇圧コンバータ、双方向降圧／昇圧（ｓｐｌｉｔ−ｐｉ）コンバータ（図８Ｄに示される）、Ｃｕｋコンバータ、ｓｉｎｇｌｅ−ｅｎｄｅｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＳＥＰＩＣ）、反転降圧／昇圧コンバータ（図８Ｃに示される）、又は４スイッチ降圧／昇圧コンバータから選択された回路を有してよい。

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄ、図９Ｅ、図９Ｆ、図９Ｇ、図９Ｈ、図９Ｉでは、スイッチ・モード電圧コンバータ１００は、相互接続システム１０２によりパワーポート１０１に接続される。パワーポート１０１は、いずれかの方向に電力を伝送するべく一緒に動作するように意図された正端子及び負端子を含む。パワーポートは、入力、出力、又は双方向とすることができる。制御インターフェース１０４は、制御ネットワーク１０３を通じてスイッチ・モード電圧コンバータ１００上の制御インターフェースのすべてに接続される。制御ネットワークは、システムを制御するのに必要な目標電圧、目標電流、観測される電圧、観測される電流、温度、及び他のパラメータを搬送し得る。制御ネットワーク１０３、制御インターフェース１０４、制御盤４、及び制御ループ９０は、単一の個別の物理的パッケージに組み合わされてよく、又は組み合わされなくてよい。例えば、一実装は、システム全体にわたって分散されたすべての上述の要素を有してよく、別の実装は、単一のマイクロプロセッサユニットにすべての要素を収容してよい。

一実装では、制御盤４は、最初の電荷状態（（Ｖ＿ｃ（ｔ））から最小電荷状態（Ｖ＿ｃ（ｔ）＝Ｖｍｉｎ，ｏｐ）へのメタキャパシタの放電（図１３Ｂ及び図１４Ｂ参照）中にエネルギー蓄積セルの出力電圧、例えば、ＤＣ電圧コンバータの出力電圧Ｖ_ｏｕｔを一定のレベルに維持するような様態でＤＣ電圧コンバータ３を制御してよく、この場合、最小電荷状態（Ｖｍｉｎ，ｏｐ）は、最初の保有エネルギーの０％〜２０％に等しい残存エネルギーに対応するメタキャパシタ上の電圧により定義され、メタキャパシタの保有エネルギーは、

により計算することができ、式中、Ｅはエネルギーであり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｖは電圧である。制御盤４がプログラム可能なデバイスである実装では、エネルギー蓄積セルの一定の出力電圧は、プログラム可能な値とすることができる。

エネルギー蓄積セルのさらに別の実装では、出力電圧は、降圧レギュレータ、昇圧レギュレータ、別個の入力／出力をもつ降圧及び昇圧レギュレータ、双方向昇圧／降圧レギュレータ、ｓｐｌｉｔ−ｐｉコンバータを含むリストから選択されたＤＣ電圧変換装置により一定にされる。

いくつかの実装では、セル１は、以下のリスト：メタキャパシタ上の電圧、メタキャパシタに入る及び出る電流、ＤＣ電圧変換装置に流入する又は流出する電流、ＤＣ電圧変換装置の出力電圧、メタキャパシタ内の１つ以上の点での温度、ＤＣ電圧変換装置内の１つ以上の点での温度、から選択されたパラメータの観測を可能にするように構成された回路を含む。別の実装では、エネルギー蓄積セルは、ＡＣ出力電圧を生み出すためのＡＣインバータをさらに備え、ＤＣ電圧変換装置のＤＣ出力電圧は、ＡＣインバータの入力電圧である。さらに別の実装では、エネルギー蓄積セルは、Ｓｉ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ ＭＯＳＦＥＴ、グラフェンに基づくパワーエレクトロニクス・スイッチをさらに備え、又は有機分子スイッチを備える。エネルギー蓄積セルの一実施形態では、パワーエレクトロニクス・スイッチは、個々のスイッチコンポーネントの破壊電圧よりも高い電圧のスイッチングを可能にするべく直列にスタックされた複数のスイッチ要素を備える。

本開示の別の態様では、容量性エネルギー蓄積モジュール４０が、例えば、図１６に例示される。図示される例では、エネルギー蓄積モジュール４０は、前述したタイプの２つ以上のエネルギー蓄積セル１を含む。各エネルギー蓄積セルは、１つ以上のメタキャパシタ２０と、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、又は降圧／昇圧コンバータであり得るＤＣ電圧コンバータ３とを有する容量性エネルギー蓄積装置２を含む。加えて、各モジュールは、図１０、図１１、図１２に関して前述したタイプの制御盤４及び（随意的な）冷却機構（図示せず）を含んでよい。モジュール４０は、容量性エネルギー蓄積モジュールの共通のアノード及び共通のカソードを生み出すべく個々のエネルギー蓄積セルのアノード及びカソードを接続する相互接続システムをさらに含んでよい。

また別の態様の、いくつかの実装では、相互接続システムは、パラメータバス４２及びパワースイッチＰＳＷを含む。モジュール４０の各エネルギー蓄積セル１は、パワースイッチＰＳＷを介してパラメータバス４２に結合されてよい。これらのスイッチは、共通のアノード及び共通のカソードとして役立つことができる２つ以上のレールを介して２つ以上のモジュールが並列に又は直列に選択的に結合されることを可能にする。パワースイッチはまた、例えば、モジュールの動作を中断させずにセルの冗長性及び／又はメンテナンスを可能にするべく、１つ以上のエネルギー蓄積セルがモジュールから接続解除されることも可能にする。パワースイッチＰＳＷは、ソリッドステートパワースイッチング技術に基づいていてよく、又は、電気機械式スイッチ（例えば、リレー）、又は２つのいくつかの組み合わせにより実装されてよい。

いくつかの実装では、エネルギー蓄積モジュールは、モジュールへの電力の入力又は出力を監視するための電力メータ４４をさらに備える。いくつかの実装では、エネルギー蓄積モジュールは、モジュールからの電力出力及びモジュールへの電力入力を制御するように構成されたネットワーク化された制御ノード４６をさらに備える。ネットワーク化された制御ノード４６は、高速ネットワーク上で各モジュールがシステム制御コンピュータとトークすることを可能にする。ネットワーク化された制御ノード４６は、例えば、それらのそれぞれの制御盤４を介して、エネルギー蓄積セル２のそれぞれにおける電圧コントローラ３のそれぞれの動作を選択的に制御するように構成された電圧制御論理回路５０を含む。制御ノード４６はまた、パワースイッチＰＳＷの動作を制御するように構成されたスイッチ制御論理回路５２を含んでよい。制御盤４及びパワースイッチＰＳＷは、データバス４８を介して制御ノード４６に接続されてよい。ネットワーク化された制御ノード４６における電圧制御及びスイッチング論理回路は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、又はコンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス（ＣＰＬＤ）により実装されてよい。制御ノード４６は、電圧制御論理回路５０と個々のエネルギー蓄積セル２上の制御盤４との間の信号の伝達を容易にするべく、また、例えば、データバス４８を介してスイッチング論理回路５２とパワースイッチＰＳＷとの間で信号を伝達するべくネットワーク・インターフェース５４を含んでよい。

本開示のまた別の態様によれば、容量性エネルギー蓄積システムは、例えば、図１６に示されたタイプの２つ以上のネットワーク化された容量性エネルギー蓄積モジュールを含んでよい。このような容量性エネルギー蓄積システム６０の一実施形態が、図１７に示される。システム６０は、図１６に示されたタイプの２つ以上のエネルギー蓄積モジュール４０を含む。各容量性エネルギー蓄積モジュール４０は、相互接続システム４２により接続され、制御ノード４６により制御される、例えば、図１０、図１１、図１２に示されたタイプの２つ以上の容量性エネルギー蓄積セル１を含む。各容量性エネルギー蓄積モジュールはまた、モジュール電力メータ４４を含んでよい。図１６には図示されないが、各制御ノード４６は、個々の容量性エネルギー蓄積セル１内の電圧コントローラを制御するための電圧制御論理回路５０と、前述のようにモジュールで内部パワースイッチを制御するためのスイッチング論理回路５２を含んでよい。加えて、各制御ノード４６は、前述のように接続され得る内部データバス４８及びネットワーク・インターフェース５４を含む。容量性エネルギー蓄積モジュール４０に出入りするパワーは、システムパワースイッチＳＰＳＷを介してシステムパワーバス６２に結合され、これは、ソリッドステートパワースイッチング技術に基づいていてよく、又は電気機械式スイッチ（例えば、リレー）により、或いは２つのいくつかの組み合わせにより実装されてよい。いくつかの実装では、モジュールからのＤＣ電力をＡＣ電力に又はこの逆に変換するべく各容量性エネルギー蓄積モジュール４０とシステムパワーバス６２との間に結合されるインバータ（図示せず）が存在し得る。

システム６０は、システムデータバス６８に接続されるシステムコントローラ６６を含む。システムコントローラは、スイッチング制御論理７０、電圧制御論理７２、及びシステムネットワークインターフェース７４を含んでよい。電圧制御論理７０は、個々のモジュール４０の個々のセル１内の個々のＤＣ電圧コントローラの動作を制御するように構成されてよい。スイッチング制御論理７２は、システムパワースイッチＳＰＳＷ、そしてまた、個々の容量性エネルギー蓄積モジュール４０内のパワースイッチＰＳＷの動作を制御するように構成されてよい。電圧制御信号は、ネットワーク・インターフェース７４、システムデータバス６８、特定のモジュールのための制御ノード４６のモジュールネットワークインターフェース５４、モジュールデータバス４８、及び個々のセル１の制御盤４を通じて、電圧制御論理７２から特定の容量性エネルギー蓄積モジュールの特定の容量性エネルギー蓄積セル１内の特定のＤＣ電圧制御デバイス３に送信されてよい。

限定ではない単なる例として、システムコントローラ６６は、決定性コントローラ、非同期コントローラ、又は分散型クロックを有するコントローラであってよい。容量性エネルギー蓄積システム６０の１つの特定の実施形態では、システムコントローラ６６は、容量性エネルギー蓄積モジュール４０のうちの１つ以上の、１つ以上の容量性エネルギー蓄積セルにおけるいくつかの独立した電圧変換装置を同期するように構成された分散型クロックを含んでよい。

本開示の態様は、従来の電気エネルギー蓄積システムで可能であるよりもかなり大きい規模で電気エネルギー蓄積を可能にする。様々なエネルギー蓄積の需要は、１つ以上のメタキャパシタをＤＣ電圧変換装置と共にセルへ選択的に組み合わせること、２つ以上のセルをモジュールへ組み合わせること、又は２つ以上のモジュールをシステムへ組み合わせることにより満たすことができる。

上記が本発明の好ましい実施形態のすべての説明であるが、種々の代替、修正、及び均等物を用いることが可能である。したがって、本発明の範囲は、上記の説明を参照して決定されるべきではないが、代わりに、付属の請求項を参照して、それらの均等物の全範囲と共に決定されるべきである。好ましかろうと又はそうでなかろうとも本明細書に記載のどの特徴も、好ましかろうと又はそうでなかろうとも本明細書に記載のどの他の特徴と組み合わされてもよい。以下の請求項では、不定冠詞「Ａ」又は「Ａｎ」は、別途明白に規定されない限り、該冠詞に続くアイテムのうちの１つ以上の数量を指す。本明細書で用いられる場合の代替での要素の列挙において、「又は」という言葉は、論理上包括的な意味で用いられ、例えば、「Ｘ又はＹ」は、別途明白に規定されない限り、Ｘのみ、Ｙのみ、又はＸとＹとの両方を一緒に包含する。代替として列挙された２つ以上の要素は、一緒に組み合わされてよい。付属の請求項は、「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ（〜のための手段）」という文言を用いて所与の請求項においてこのような限定が明示的に列挙されない限り、ミーンズ・プラス・ファンクション限定を含むものとして解釈されるべきではない。

Claims (26)

1. エネルギー蓄積セルであって、
   少なくとも１つの容量性エネルギー蓄積装置と、
   ＤＣ電圧変換装置と、
   を備える、エネルギー蓄積セルであり、
   前記容量性エネルギー蓄積装置は、１つ以上のメタキャパシタを備え、
   前記容量性エネルギー蓄積装置の出力電圧は、前記容量性エネルギー蓄積装置の放電中は前記ＤＣ電圧変換装置の入力電圧であり、
   前記容量性エネルギー蓄積装置の入力電圧は、前記容量性エネルギー蓄積装置を充電している間は前記ＤＣ電圧変換装置の出力電圧であり、
   前記１つ以上のメタキャパシタが、それぞれ、第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極の間に配置されたメタ誘電体材料層とを含み、前記メタ誘電体材料層が、分極率及び固有抵抗により特徴付けられる１つ以上の複合有機化合物からなり、
   前記メタ誘電体材料層が、１つ以上のタイプのシャープ・ポリマー及び／又は１つ以上のタイプのフルタ・ポリマーを含む、エネルギー蓄積セル。
2. 前記メタ誘電体材料層の固有抵抗が、１０^１３ｏｈｍ／ｃｍ以上である、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
3. 前記メタ誘電体材料層の比誘電率が、１００以上である、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
4. 前記メタ誘電体材料層が、陽イオン型の固定化イオン性液体基を有するフルタ・ポリマーを含む２つ以上のフルタ・ポリマーを含む、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
5. 前記メタ誘電体材料層が、陰イオン型の固定化イオン性液体基を有するフルタ・ポリマーを含む２つ以上のフルタ・ポリマーを含む、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
6. 前記１つ以上のメタキャパシタが約０．０１Ｖ／ｎｍ以上の破壊電界を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギー蓄積セル。
7. 前記容量性エネルギー蓄積装置及び／又は前記ＤＣ電圧変換装置と熱的接触する冷却機構をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
8. 前記冷却機構が受動冷却機構であり、或いは、空気、水、又はエチレングリコールを冷却液として用いることができる、請求項７に記載のエネルギー蓄積セル。
9. 前記冷却機構が、相変化材料で前記容量性エネルギー蓄積装置及び／又は前記ＤＣ電圧変換装置から熱を除去するように構成される、請求項７に記載のエネルギー蓄積セル。
10. 前記冷却機構が、固相−液相変化材料を収容するリザーバを含む、請求項７に記載のエネルギー蓄積セル。
11. 前記固相−液相変化材料がパラフィンワックスである、請求項１０に記載のエネルギー蓄積セル。
12. 前記ＤＣ電圧変換装置が、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、降圧／昇圧コンバータ、双方向降圧／昇圧（ｓｐｌｉｔ−ｐｉ）コンバータ、Ｃｕｋコンバータ、ｓｉｎｇｌｅ−ｅｎｄｅｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＳＥＰＩＣ）、反転降圧／昇圧コンバータ、又は４スイッチ降圧／昇圧コンバータに基づく制御盤を備える、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
13. 前記制御盤が、前記１つ以上のメタキャパシタの最初の電荷状態から最小電荷状態への放電中にエネルギー蓄積セルの一定の出力電圧を維持するように構成され、前記最小電荷状態が、前記１つ以上のメタキャパシタ上に蓄えられた最初の保有エネルギーの０％から２０％までに等しい残存エネルギーに対応する、前記１つ以上のメタキャパシタ上の電圧により定義される、請求項１２に記載のエネルギー蓄積セル。
14. 前記エネルギー蓄積セルの一定の出力電圧が前記制御盤によりプログラム可能である、請求項１３に記載のエネルギー蓄積セル。
15. 前記ＤＣ電圧変換装置が、１つ以上のスイッチ・モード電圧コンバータを備え、スイッチ・モード電圧コンバータが、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、降圧／昇圧コンバータ、双方向降圧／昇圧（ｓｐｌｉｔ−ｐｉ）コンバータ、Ｃｕｋコンバータ、ｓｉｎｇｌｅ−ｅｎｄｅｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＳＥＰＩＣ）、反転降圧／昇圧コンバータ、又は４スイッチ降圧／昇圧コンバータとして構成される、請求項１３に記載のエネルギー蓄積セル。
16. 前記１つ以上のメタキャパシタ上の電圧、前記１つ以上のメタキャパシタに入る及び出る電流、前記ＤＣ電圧変換装置に流入するか又は流出する電流、ＤＣ電圧変換装置の出力電圧、前記１つ以上のメタキャパシタ内の１つ以上の点での温度、及び前記ＤＣ電圧変換装置内の１つ以上の点での温度からなる群から選択されるパラメータの観測を可能にするように構成された回路をさらに備える、請求項１３に記載のエネルギー蓄積セル。
17. 前記ＤＣ電圧変換装置から直流（ＤＣ）出力電圧を受け取るように構成され、且つ、前記ＤＣ電圧変換装置からのＤＣ出力電圧を交流（ＡＣ）出力電圧に変換するように構成されたパワーインバータをさらに備える、請求項１３に記載のエネルギー蓄積セル。
18. 前記ＤＣ電圧変換装置が、シリコン（Ｓｉ）絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）ＭＯＳＦＥＴ、グラフェン、又は有機分子スイッチに基づくパワーエレクトロニクス・スイッチを含む、請求項１に記載のエネルギー蓄積セル。
19. 前記パワーエレクトロニクス・スイッチが、直列にスタックされる複数のスイッチ要素を備える、請求項１８に記載のエネルギー蓄積セル。
20. アノード及びカソードを有する２つ以上の個々のエネルギー蓄積セルと相互接続システムとを備える容量性エネルギー蓄積モジュールであって、前記相互接続システムは、前記容量性エネルギー蓄積モジュールの共通のアノード及び共通のカソードを生み出すべく前記個々のエネルギー蓄積セルのアノード及びカソードを接続し、各個々のエネルギー蓄積セルは、ＤＣ電圧変換装置に結合される１つ以上のメタキャパシタを含み、各個々のエネルギー蓄積セルは、少なくとも１つの容量性エネルギー蓄積装置と、ＤＣ電圧変換装置とを含み、
    前記容量性エネルギー蓄積装置は、１つ以上のメタキャパシタを備え、
    前記容量性エネルギー蓄積装置の出力電圧は、前記容量性エネルギー蓄積装置の放電中は前記ＤＣ電圧変換装置の入力電圧であり、
    前記容量性エネルギー蓄積装置の入力電圧は、前記容量性エネルギー蓄積装置を充電している間は前記ＤＣ電圧変換装置の出力電圧である、エネルギー蓄積モジュール。
21. 前記相互接続システムが、パワースイッチにより前記２つ以上の個々のエネルギー蓄積セルに接続されるパラメータバスを含む、請求項２０に記載のエネルギー蓄積モジュール。
22. 前記２つ以上の個々のエネルギー蓄積セルに結合される電力メータをさらに備える、請求項２０に記載のエネルギー蓄積モジュール。
23. 前記２つ以上の個々のエネルギー蓄積セルに結合されるネットワーク化された制御ノードをさらに備える、請求項２０に記載のエネルギー蓄積モジュール。
24. 容量性エネルギー蓄積システムであって、
    ２つ以上の容量性エネルギー蓄積モジュールであって、前記２つ以上の容量性エネルギー蓄積モジュールのそれぞれは、アノード及びカソードを有する２つ以上の個々のエネルギー蓄積セルと相互接続システムとを含み、前記２つ以上の個々のエネルギー蓄積セルのそれぞれは、少なくとも１つの容量性エネルギー蓄積装置と、ＤＣ電圧変換装置とを含み、前記容量性エネルギー蓄積装置は、１つ以上のメタキャパシタを備え、前記容量性エネルギー蓄積装置の出力電圧は、前記容量性エネルギー蓄積装置の放電中は前記ＤＣ電圧変換装置の入力電圧であり、前記容量性エネルギー蓄積装置の入力電圧は、前記容量性エネルギー蓄積装置を充電している間は前記ＤＣ電圧変換装置の出力電圧である、容量性エネルギー蓄積モジュールと、
    前記２つ以上の容量性エネルギー蓄積モジュールに結合される相互接続システムであって、前記相互接続システムは、前記容量性エネルギー蓄積モジュールの共通のアノード及び共通のカソードを生み出すべく前記個々のエネルギー蓄積セルのアノード及びカソードを接続し、各個々のエネルギー蓄積セルは、ＤＣ電圧変換装置に結合される１つ以上のメタキャパシタを含む、相互接続システムと、
    前記２つ以上の容量性エネルギー蓄積モジュールに結合されるパワー相互接続システム及びシステムコントローラと、
    を備える、容量性エネルギー蓄積システム。
25. 前記システムコントローラが、決定性コントローラ、非同期コントローラ、又は分散型クロックを有するコントローラを含む、請求項２４に記載の容量性エネルギー蓄積システム。
26. 前記分散型クロックが、前記個々のエネルギー蓄積モジュールのうちの１つ以上におけるいくつかの独立したＤＣ電圧変換装置を同期するのに用いられる、請求項２５に記載の容量性エネルギー蓄積システム。

Images