TW201703344A - 電池以及電池的充放電方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有所期望之特性的電池以及電池的充放電方法。 本發明之實施形態的電池係具備：第一電極層(6)；第二電極層(7)；以及充電層(3)，藉由於第一電極層(6)與第二電極層(7)之間施加有充電電壓，且使由絕緣性物質所覆蓋的n型金屬氧化物半導體進行光激發結構變化，藉此在能帶隙中形成能階以捕獲電子；在充電層(3)之表面上，設置有第二電極層(7)的區域係由未設置有第二電極層(7)的區域所夾。

Description

電池以及電池的充放電方法
本發明係關於一種電池以及電池的充放電方法。
本案之申請人已開發出一種利用藉由紫外線照射而致使金屬氧化物之光激發結構變化的電池(以下，稱為量子電池)(專利文獻1、2)。專利文獻1、2所揭示的量子電池已被期待作為大幅超過鋰離子(lithium ion)電池容量的技術。專利文獻1、2之二次電池係具有在基板上積層第一電極、n型金屬氧化物半導體層、充電層、p型半導體層以及第二電極所得的構成。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1：國際公開第2012/046325號。
專利文獻2：國際公開第2013/065093號。
如此的量子電池係為了要實現薄膜化的電池，而具有平行平板結構。亦即，充電層係被配置於第一電極與第二電極之間，且第一電極和第二電極係形成於充電層之全面。為了控制充放電特性，有必要調整氧化物半導體層和充電層之成分或厚度。從而，有一旦氧化物半導體層及充電層之成分和厚度被決定，則不易調整充放電特性的問題點。
本發明係有鑑於上述的問題點而開發完成，依據本發明，可以提供一種具有所期望之特性的電池。
本發明之一態樣的電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其配置於前述第一電極層與前述第二電極層之間，且包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體；在前述充電層之表面上，設置有前述第二電極層的區域係由未設置有前述第二電極層的區域所夾。
在上述之電池中，在前述充電層之表面中的任意之一方向，設置有前述第二電極層的區域和未設置有前述第二電極層的區域亦可交替地配置。
本發明之一態樣的電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其配置於前述第一電極層與前述第二電 極層之間，且包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體；前述充電層係以前述能階(energy level)來捕獲電子，在前述充電層之表面中的任意之一方向，設置有前述第二電極層的區域和未設置有前述第二電極層的區域係交替地配置。
本發明之一態樣的電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其配置於前述第一電極層與前述第二電極層之間，且包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體；前述充電層係以前述能階來捕獲電子，在前述充電層之表面，設置有前述第二電極層的區域之至少一部分係配置於未設置有前述第二電極層的區域之間；在前述充電層之表面，未設置有前述第二電極層的區域之至少一部分係配置於設置有前述第二電極層的區域之間。
在上述之電池中，在前述充電層之表面上，前述第一電極層、及前述第二電極層之至少一方亦可分割成複數個圖案所形成。
本發明之一態樣的電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體，且施加有前述第一電極層與前述第二電極層之間的充電電壓；在前述充電層之表面上，局部形成有前述第一電極層及前述第二電極層之至少一方。
在上述之電池中，在使充電層介於中間的俯視觀察中，前述第一電極層之圖案與前述第二電極層之圖案所重疊的重疊區域、和未重疊的非重疊區域亦可交替地設置。
本發明之一態樣的電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體，且施加有前述第一電極層與前述第二電極層之間的充電電壓；前述第二電極層係具備相互地隔離所形成的複數個電極層圖案；在充電時，對前述複數個電極層圖案之各個供給有充電電壓；在放電時，對前述複數個電極層圖案當中之一部分連接有負載。
在上述之電池中，前述充電層亦可藉由以自然能源發電產生的電力所充電。
在上述之電池中，前述充電層亦可藉由馬達的再生能源所充電，被充電至前述充電層的電力亦可成為前述馬達的電力源。
本發明之一態樣的電池的充放電方法，該電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體，且施加有前述第一電極層與前述第二電極層之間的充電電壓；前述第二電極層係具備相互地隔離所形成的複數個圖案；藉由對前述複數個圖案之各個供 給有充電電壓而進行充電；藉由對前述複數個圖案當中之一部分連接有負載而進行放電。
依據本發明，可以提供一種具有所期望之特性的電池以及其充放電方法。
1‧‧‧第一電極
2‧‧‧n型金屬氧化物半導體層
3‧‧‧充電層
4‧‧‧p型金屬氧化物半導體層
5‧‧‧第二電極
6‧‧‧第一電極層
7‧‧‧第二電極層
7a‧‧‧圖案
7b‧‧‧圖案
10‧‧‧量子電池
11‧‧‧量子電池
16‧‧‧圖案
17‧‧‧圖案
18‧‧‧重疊區域
19‧‧‧非重疊區域
31‧‧‧電源
32‧‧‧馬達
B1、B3‧‧‧電池
B2‧‧‧電池
L‧‧‧圖案間距離
W‧‧‧圖案寬度
圖1係顯示量子電池之基本構成的立體圖。
圖2係顯示量子電池之基本構成的剖視圖。
圖3係電子的滲出現象之確認實驗中所使用的電池之俯視示意圖。
圖4係用以說明電子的滲出現象之示意圖。
圖5係用以說明電子的滲出現象之示意圖。
圖6係用以說明電子的滲出現象之示意圖。
圖7係用以說明電子的滲出現象之示意圖。
圖8係顯示本實施形態的量子電池之構成的示意立體圖。
圖9係顯示本實施形態的量子電池之構成的示意剖視圖。
圖10係顯示圖9之點線部分的示意圖。
圖11係顯示圖案(pattern)寬度W及圖案間距離L與放電特性之關係的圖形(graph)。
圖12係顯示對充電輸入之響應性的示意圖。
圖13係顯示配置例1的量子電池之構成的立體圖。
圖14係顯示配置例1的量子電池之構成的俯視圖。
圖15係顯示配置例1的量子電池之構成的剖視圖。
圖16係顯示配置例2的量子電池之構成的立體圖。
圖17係顯示配置例2的量子電池之構成的俯視圖。
圖18係顯示配置例2的量子電池之構成的剖視圖。
圖19係顯示配置例3的量子電池之構成的立體圖。
圖20係顯示配置例3的量子電池之構成的俯視圖。
圖21係顯示配置例3的量子電池之構成的剖視圖。
圖22係顯示使用量子電池之再生系統(regeneration system)的簡易圖。
圖23係顯示再生系統中之充電曲線(charging curve)的示意圖。
圖24係顯示再生系統中的馬達啟動時之放電曲線(discharging curve)的示意圖。
參照附圖說明本發明之實施形態。以下所說明之實施形態為本發明之實施例，本發明並非被限制於以下之實施形態。另外，在本說明書及圖式中符號相同之構成要件係顯示彼此相同。
(A)有關量子電池
以下說明之各實施形態的電池係應用量子電池的技 術。於是，在說明各實施形態之前先針對量子電池做簡單說明。
量子電池為利用金屬氧化物半導體之光激發結構變化的氧化物半導體二次電池。量子電池為基於在能帶隙(band gap)中形成新的能階以捕獲電子之動作原理的電池(二次電池)。
量子電池為全固態型的物理二次電池，且單獨具有作為電池的功能。量子電池的構成之一例係顯示於圖1及圖2。另外，圖1係顯示平行平板結構型的量子電池11之構成的立體圖，圖2為俯視圖。另外，在圖1、圖2中係省略正極端子及負極端子等的端子構件、外層構件或被覆構件等的安裝構件來圖示。
量子電池11係具備充電層3、第一電極層6及第二電極層7。在第一電極層6與第二電極層7之間配置有充電層3。從而，在第一電極層6與第二電極層7之間產生的充電電壓能施加於充電層3。充電層3係在充電動作下儲存(捕獲)電子，而在放電動作下釋放出所儲存的電子。充電層3，為在未充電的狀態下，保持電子(蓄電)的層。充電層3係應用光激發結構變化技術所形成。
在此，光激發結構變化，例如已記載於國際公開第 2008/053561號中。所謂光激發結構變化，係指因光之照射而激發出的物質之原子間距離產生變化的現象。例如，二氧化錫(tin oxide)等的屬於非晶質之金屬氧化物的n型金屬氧化物半導體係具有會產生光激發結構變化的性質。藉由光激發結構變化現象，在n型金屬氧化物半導體之能帶隙內形成有新的能階。量子電池11係藉由使此等的能階捕獲電子而進行充電，且藉由使所捕獲之電子釋放出而進行放電。
充電層3係由包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體的物質所形成。在充電層3係充填有絕緣被覆後的n型金屬氧化物半導體之微粒子。n型金屬氧化物半導體係藉由紫外線照射而引起光激發結構變化，且以充電層3可以儲存電子的方式進行變化。充電層3係包含複數個絕緣被覆後的n型金屬氧化物半導體之微粒子。
第一電極層6例如為負極層，且具備第一電極1和n型金屬氧化物半導體層2。n型金屬氧化物半導體層2係配置於第一電極1與充電層3之間。從而，n型金屬氧化物半導體層2之一表面係與第一電極1接觸，另一表面係與充電層3接觸。
第二電極層7例如為正極層，且具備第二電極5和p型金屬氧化物半導體層4。p型金屬氧化物半導體層4係配 置於第二電極5與充電層3之間。從而，p型金屬氧化物半導體層4之一表面係與充電層3接觸，另一表面係與第二電極5接觸。p型金屬氧化物半導體層4係為了防止電子從第二電極5往充電層3注入而設置。
第一電極1和第二電極5係只要由導電性之材料所形成即可，例如作為金屬電極有含鋁(Al)的銀(Ag)合金膜等。
在n型金屬氧化物半導體層2係可以使用二氧化鈦(TiO2)、二氧化錫(SnO2)或氧化鋅(ZnO)。
在充電層3中的n型金屬氧化物半導體之絕緣被覆不充分的情況下，n型金屬氧化物半導體會直接與第一電極層1接觸。在此情況下，恐有因再結合而使電子注入n型金屬氧化物半導體之虞。n型金屬氧化物半導體層2係為了防止來自第一電極層1的電子注入而設置。如圖1所示，n型金屬氧化物半導體層2係形成於第一電極層1與充電層3之間。n型金屬氧化物半導體層2亦能夠省略。
已形成於充電層3上的p型金屬氧化物半導體層4係為了防止電子從上部的第二電極層5注入而設置。作為p型金屬氧化物半導體層4之材料，係能夠使用氧化鎳(NiO)、銅鋁氧化物(CuAlO2)等。
另外，在上述之說明中，雖然第一電極層6係形成為第一電極1與n型金屬氧化物半導體層2之二層結構，但 是第一電極層6之構成並非被限定於該二層結構。例如，第一電極層6亦可為僅有第一電極1的單層結構。同樣地，有關第二電極層7之構成，亦非被限定於p型金屬氧化物半導體層4及第二電極5的二層結構。第二電極層7例如亦可為僅有第二電極5的單層結構。亦即，第一電極層6及第二電極層7亦可僅由金屬電極所構成。
(B)電子之滲出現象
在如圖1、圖2所示的量子電池中，在充電時，可視為僅在被夾於第一電極層6與第二電極層7之間的充電層3貯存電子。亦即，可視為僅在第二電極層7之正下方的區域，於充電層3儲存有電子。然而，根據本專利申請案之發明人等的實驗，已掌握到當第二電極層7的正下方被充滿時，在第二電極層7之正下方的外側亦有電子滲出的現象。亦即，已明白在第二電極層7之正下方的外側亦有電子滲出且被儲存。
以下，針對藉由本專利申請案之發明人等所發現的電子滲出現象加以說明。為了發現電子之滲出現象，而採用了如圖3所示的量子電池10。另外，圖3係顯示充電層3上之第二電極層7的圖案形狀之XY示意俯視圖。
在圖3中，矩形圖案之第二電極層7係排列成陣列(array)狀。亦即，複數個第二電極層7係沿著X方向及Y 方向而排列。在鄰接的第二電極層7的矩形圖案之間係成為未設置有第二電極層7的區域。另外，有關第一電極層6(圖3中並未圖示)，係假定形成於充電層3之大致全面上。
在此，將施加有充電電壓的第二電極層7之圖案作為圖案7a。亦即，有關圖案7a以外的圖案，並未施加充電電壓。然後，測定了圖案7a之充電時、及自然放電時的各圖案之電壓。
隨著對圖案7a充電，位在圖案7a之附近的圖案7b之電壓會充電。亦即，即便針對未施加充電電壓的圖案7b，仍會基於已儲存於充電層3內的電子而產生電壓。更且，在圖案7a停止充電後，圖案7a之電壓會隨著自然放電而減少，相對於此，圖案7b之電壓則會上升。根據該實驗，可明白電子會從充電部位朝向其周邊滲出。
圖4至圖7係用以說明在量子電池10中電子之滲出現象的模型圖。在圖4至圖7中，係成為第一電極層6形成於充電層3之全面，第二電極層7形成於充電層3之一部分的構成。在此，將充電層3介於中間，並將第一電極6與第二電極層7所重疊的區域作為重疊區域18，將未重疊的區域作為非重疊區域19。
首先，如圖4所示，為了對量子電池10充電，而將電 源31連接於第一電極層6和第二電極層7，以使產生充電電壓。第一電極層6與第二電極層7之間的充電電壓係施加於充電層3。在量子電池10充電時，係從第二電極層7之正下方開始貯存電子(圖中的e)。亦即，在重疊區域18繼續儲存電子。然後，當重疊區域18被電子充分地充滿時，就如圖5所示，電子亦開始進入第二電極層7之正下方的外側。亦即，電子從重疊區域18逐漸擴散至非重疊區域19。
之後，如圖6所示，電子擴散至充電層3中直至電位(potential)成為固定為止。亦即，充電層3中的電子之密度會變成均勻。藉此，重疊區域18與非重疊區域19之電子密度成為大致相同。在放電時，如圖7所示，首先，第二電極層7之正下方的電子開始脫離，電子亦從第二電極層7之正下方的外側慢慢地逐漸脫離。亦即，當開始放電時，重疊區域18之電子密度就變得比非重疊區域19還低。
至目前為止，因考慮僅在第二電極層7之正下方貯存電子，故而將量子電池之結構，假設為將第一電極層6和第二電極層7形成於充電層3之大致全面的平行平板結構。然而，當利用電子之滲出現象時，就能夠局部地設置電極層。為何如此，是因即便局部地形成電極層，但只要充電層3之容積相同，則仍能獲得相同的電力容量所致。亦即，當充電100%時，非重疊區域19之電子密度就成為 與重疊區域18之電子密度大致相同。因而，由於即便不將第一電極層6和第二電極層7設為平行平板結構，仍可以維持作為電池的基本性能，所以在第一電極層6與第二電極層7之配置上能增加自由度，故而能夠附加新功能。
(C)電極層配置
如上所述，可知在充電時有電子從電極之重疊區域朝向電極之非重疊區域滲出的現象。利用如此的滲出現象，藉此能增加電極層之形狀及配置的自由度，且使附加有新功能的設計變得可行。
例如，將充電層3介於中間，並在第一電極層6與第二電極層7所重疊的重疊區域18中，其響應速度會變快，而在未重疊的非重疊區域19中，其響應速度會變慢。從而，藉由調整重疊區域18與非重疊區域19的面積，就可以調整放電特性。有關此點，將使用圖8至圖11來說明。
圖8係顯示量子電池10之構成的示意立體圖。圖9係圖8所示的量子電池10之剖視圖。圖10係圖9之點線部的示意圖。圖11係顯示與第二電極層7之圖案寬度W及圖案間距離L相對的放電特性之示意圖形。在圖11中，橫軸係顯示時間，縱軸係顯示輸出電力。
首先，如圖8及圖9所示，考慮第二電極層7成為長 條狀(strip-shaped)的量子電池10。在圖8及圖9中，第二電極層7之圖案17係成為將Y方向作為長邊方向的矩形狀。然後，複數個圖案17係並排配置於X方向。將一個圖案17之X方向中的寬度設為W，將鄰接的圖案17間之圖案間距離設為L。另外，第一電極層6係形成於充電層3之下表面的全面。在以下之說明中，因X方向與Z方向之高寬比(aspect ratio)非常大，故而能忽視Z方向。
在圖8中，在充電層3之表面(即XY平面)上，未設置有第二電極層7的區域係由設置有第二電極層的區域所夾。又，在X方向，未設置有第二電極層7的區域和設置有第二電極層7的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第二電極層7的區域之至少一部分，係配置於未設置有第二電極層7的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第二電極層7的區域之至少一部分，係配置於設置有第二電極層7的區域之間。
如上所述，藉由滲出現象，電子亦能儲存於非重疊區域19。從而，如圖9之示意圖所示，非重疊區域19係具有作為電池的功能。如使用圖4至圖7所說明般，在電子從圖案17之重疊區域18脫離之後，非重疊區域19的電子會逐漸脫離。因而，在重疊區域18中，其響應會變快，而在非重疊區域19中，其響應會變慢。如圖10所示，在重疊區域18中係存在有響應速度較快的電池B2，而在非重 疊區域19中係存在有響應速度較慢的電池B1、B3。換言之，可以實現響應速度較快之電池B2、和響應速度較慢之電池B1、B3混合在一起的量子電池10。藉由調整圖案寬度W和圖案間距離L，就可以改變響應速度。
例如，在圖案寬度W較大且圖案間距離L較小的情況下，重疊區域18之面積會變大，非重疊區域19之面積會變小。此情況的放電特性就成為如圖11之A所示，可以瞬間獲得較大的電力。如此的特性係適於需要啟動電力的馬達驅動等。
另一方面，在圖案寬度W較小且圖案間距離L較大的情況下，重疊區域18之面積會變小，非重疊區域19之面積會變大。此情況的放電特性就成為如圖11之B所示。輸出電力會變小，而量子電池10則要花時間緩慢地放電。另外，若充電層3之面積相同，則不受圖案寬度W及圖案間距離L影響，電力容量應成為相同。亦即，在圖11中，以時間t積分電力P所得的值，A和B會成為相等。從而，在圖11之B的情況，瞬間取出的電力會受到限制，即便是高負載仍能夠以固定的電力進行長時間的放電。如此的特性係適於長時間利用的應用程式(application)。
如以上，可以藉由電極層之形狀、大小、配置來調整充放電特性。越加大重疊區域8之面積，就越可以加快響 應速度。作為對充電層3局部地形成電極層的局部電極結構，藉由變更電極層的布局(layout)就可以將充放電特性最適化。
設為局部電極結構的情況，響應速度較快的電池和較慢的電池係混合在一起。因此，可以對應如自然能源發電般急遽地變動的電力源。例如，在藉由太陽能發電、風力發電、潮汐發電等之可再生能源而充電的情況，充電輸入的變動會變大。在本實施形態的量子電池中，與響應較慢的鋰離子電池等相較，能夠進行損失較少且沒有浪費的充電。
圖12係顯示變動電力源之情況的充電特性。在圖12中，橫軸係顯示時間，縱軸係顯示電力。又，在圖12中，A係顯示充電輸入，B係顯示本實施形態中的量子電池10之充電電力，C係顯示作為比較例的鋰離子電池之充電電力。
如圖12所示，在充電輸入A變動的情況下，量子電池10相較於鋰離子電池對充電輸入的響應就會變快。亦即，因局部形成電極層的量子電池係具有響應性較快的電池，故而充電電力B會追蹤充電輸入之變動而變化。從而，在充電輸入A已變動的情況下，量子電池10之充電電力B就變得比鋰離子電池之充電電力C更高。
如此，本實施形態的量子電池10係可以維持充電特性。更且，可以藉由將上述之量子電池10形成薄片狀並予以積層，來實現容積效率提高和成本降低。
(D)電極層之布局
(D-1)配置例1
其次，有關電極層之配置例1係使用圖13至圖15加以說明。圖13係顯示配置例1的量子電池10之構成的立體圖。圖14係顯示量子電池10之圖案配置的示意俯視圖。圖15係顯示圖案配置的示意剖視圖。在配置例1中，第一電極層6之圖案16和第二電極層7之圖案17係以交叉的方式所配置。亦即，圖案16和圖案17係成為交叉網格(cross mesh)結構。
具體而言，第一電極層6之圖案16係成為將X方向作為長邊方向的矩形圖案。然後，複數個圖案16係並排配置於Y方向。另一方面，第二電極層7之圖案17係成為將Y方向作為長邊方向的矩形圖案。然後，複數個圖案17係並排配置於X方向。在充電層3之上表面係形成有圖案17，在下表面係形成有圖案16。在充電層3之表面上，於未設置有第二電極層7的區域之兩側配置有第二電極7。
換言之，在充電層3之表面上，設置有第二電極層7 的區域係由未設置有第二電極層7的區域所夾。又，在X方向，未設置有第二電極層7的區域和設置有第二電極層7的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第二電極層7的區域之至少一部分係配置於未設置有第二電極層7的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第二電極層7的區域之至少一部分係配置於設置有第二電極層7的區域之間。
在充電層3之表面上，設置有第一電極層6的區域係由未設置有第一電極層6的區域所夾。又，在Y方向，未設置有第一電極層6的區域和設置有第一電極層6的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第一電極層6的區域之至少一部分係配置於未設置有第一電極層6的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第一電極層6的區域之至少一部分係配置於設置有第一電極層6的區域之間。
在XY俯視觀察中，圖案16與圖案17所交叉的部分係成為重疊區域18。然後，重疊區域18之外側係成為非重疊區域19。成為重疊區域18是由非重疊區域19所包圍的構成。非重疊區域19係包含：僅形成有圖案17的部位、僅形成有圖案16的部位、以及無論圖案16、圖案17中之任一個都未形成的部位。
鄰接的重疊區域18之間的區域係成為非重疊區域19。更詳言之，從重疊區域18朝向X方向偏移的部位，係成為存在圖案16而不存在圖案17的非重疊區域19。從重疊區域18朝向Y方向偏移的部位，係成為不存在圖案16而存在圖案17的非重疊區域19。如此，在XY俯視觀察中，圖案16與圖案17所重疊的重疊區域18、和未重疊的非重疊區域19係交替地配置。
在充電時，從重疊區域18開始貯存電子，之後，如圖14之箭頭般，朝向非重疊區域19逐漸擴展。因在配置例1中電極層係成為交叉網格結構，故而來自重疊區域18之電子的擴展係成為均勻。亦即，電子係從重疊區域18均勻地逐漸擴展。又，在放電時亦為同樣，電子係均勻地逐漸脫離。
(D-2)配置例2
有關電極層之配置例2，係使用圖16至圖18加以說明。圖16係顯示配置例2的量子電池10之構成的立體圖。圖17係顯示配置例2之圖案配置的示意俯視圖。圖18係顯示量子電池10之配置例2的示意剖視圖。在配置例2中，第一電極層6之圖案16和第二電極層7之圖案17係以重疊的方式所配置。
在配置例2中，第一電極層6之圖案16和第二電極層 7之圖案17係設置成平行，且以重疊的方式所配置。亦即，在XY俯視觀察中，圖案16和圖案17係成為相同的位置，且成為相對面的同一對面結構。在充電層3之表面上，在未設置有第二電極層7的區域之兩側配置有第二電極層7。在X方向，成為重疊區域18和非重疊區域19交替地配置的結構。
在充電層3之表面上，設置有第二電極層7的區域係由未設置有第二電極層7的區域所夾。又，在X方向，未設置有第二電極層7的區域和設置有第二電極層7的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第二電極層7的區域之至少一部分係配置於未設置有第二電極層7的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第二電極層7的區域之至少一部分係配置於設置有第二電極層7的區域之間。
在充電層3之表面上，設置有第一電極層6的區域係由未設置有第一電極層6的區域所夾。又，在X方向，未設置有第一電極層6的區域和設置有第一電極層6的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第一電極層6的區域之至少一部分係配置於未設置有第一電極層6的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第一電極層6的區域之至少一部分係配置於設置有第一電極層6的區域之間。
在配置例2中，圖案16和圖案17係成為將Y方向作為長邊方向的矩形圖案。圖案16和圖案17係相同的大小。在XY平面中，圖案16和圖案17係配置於相同的位置。從而，在圖案17之正下方係存在圖案16。換言之，圖案16之總面積係與重疊區域18之面積一致。從而，在配置例1和配置例2中，圖案16和圖案17之圖案面積設為相同的情況下，配置例2與配置例1相較，重疊區域18之面積會變大。
因重疊區域18之面積較大，故而電極層間的電子之貯存會變快。另一方面，因在非重疊區域19係未存在圖案16、或圖案17，故而電子擴展步調(pace of expansion)會變慢。亦即，電子從重疊區域18往非重疊區域19的擴散速度會變慢。
(D-3)配置例3
有關電極層之配置例3，係使用圖19至圖21加以說明。圖19係顯示配置例3的量子電池10之構成的立體圖。圖20係顯示量子電池10之配置例3的示意俯視圖。圖21係顯示量子電池10之配置例3的示意剖視圖。
在配置例3中，第一電極層6之圖案16和第二電極層7之圖案17係設置成平行，且以不重疊的方式所配置。亦 即，在XY俯視觀察中，成為圖案16和圖案17係交錯地配置的交錯結構。在充電層3之表面上，在未設置有第二電極層7的區域之兩側配置有第二電極層7。
換言之，在充電層3之表面上，設置有第二電極層7的區域係由未設置有第二電極層7的區域所夾。又，在X方向，未設置有第二電極層7的區域和設置有第二電極層7的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第二電極層7的區域之至少一部分係配置於未設置有第二電極層7的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第二電極層7的區域之至少一部分係配置於設置有第二電極層7的區域之間。
在充電層3之表面上，設置有第一電極層6的區域係由未設置有第一電極層6的區域所夾。在X方向，未設置有第一電極層6的區域和設置有第一電極層6的區域係交替地配置。換言之，在充電層3之表面，設置有第一電極層6的區域之至少一部分係配置於未設置有第一電極層6的區域之間，且在充電層3之表面，未設置有第一電極層6的區域之至少一部分係配置於設置有第一電極層6的區域之間。
在配置例3中，圖案16和圖案17係成為將Y方向作為長邊方向的矩形圖案。圖案16和圖案17係成為相同的 大小。在XY平面中，圖案16和圖案17係交錯地配置。在XY俯視觀察中，在鄰接的二個圖案16之間配置有圖案17。換言之，在X方向，圖案16和圖案17係交替地配置。
從而，在圖案17之正下方係不存在圖案16。換言之，圖案16之總面積係不與圖案17重疊。在配置例3中，重疊區域18變得不存在。
不存在重疊區域18，而僅存在非重疊區域19。從而，在配置例3中，在充電時，電子會緩慢地貯存。又，在放電時，電子會緩慢地逐漸脫離。
如此，由於電極層的圖案16、17之形狀、大小、配置等的自由度增加，故可以獲得所期望的充放電特性。更具體而言，藉由調整圖案16、17之形狀、大小、配置等，就可將重疊區域18與非重疊區域19之面積比設為所期望的值。因而，能以可以獲得適切的充放電特性之方式設置圖案布局。當然，圖案16、17之布局並非被限定於配置例1至3。
另外，亦能夠組合配置例1至配置例3的構成。例如，亦可將長條狀之圖案16和圖案17形成平行，並且僅使圖案16之一部分與圖案17重疊。具體而言，亦可錯開圖案16之半間距(pitch)而形成圖案17。或是，亦可在充電層3 上形成將X方向作為長邊方向的圖案16、以及將Y方向作為長邊方向的圖案17。
另外，在配置例1至配置例3中，雖然在X方向或Y方向，未設置有電極層的區域和設置有電極層的區域係交替地配置，但交替地配置的方向並非被特別限定。亦即，只要在充電層3之表面中的任意之一方向，設置有電極層的區域和未設置有電極層的區域是交替地配置即可。
又，只要第一電極層6和第二電極層7之一方係局部地形成於充電層3，則另一方亦可形成於充電層3之大致全面上。
更且，在充電時和放電時，亦可改變所使用的圖案16、及圖案17。例如，在充電時，係對圖案16、及圖案17之全部施加充電電壓。藉此，可以進行高速充電。另一方面，在放電時，係僅將複數個圖案16當中之一部分的圖案16連接於負載等。藉此，可以限制瞬間取出的電力，且能夠進行長時間的放電。
如此，在本實施形態中，第一電極層6和第二電極層7之至少一方，係具備相互地隔離所形成的複數個電極層圖案。然後，在充電時，對前述複數個電極層圖案之各個供給有充電電壓，在放電時，對前述複數個電極層圖案當 中之一部分連接有負載。藉由使用如此的充放電方法，就可以適切地控制充放電。
如此，藉由將電極層分割成複數個圖案所形成，就可以使重疊區域18之面積在充電時和放電時有所不同。例如，可以將放電時的重疊區域18之面積形成比充電時的重疊區域18之面積更小。或是，可以將放電時的重疊區域18之面積形成比充電時的重疊區域18之面積更大。藉由將第一電極層6或第二電極層7分割成複數個圖案，就可以獲得所期望的充放電特性。
另外，在配置例1至配置例3中，雖然是將第一電極層6、及第二電極層7分別分割成複數個圖案16、圖案17所形成，但是一方之電極層亦可為整體的圖案。例如，亦可將第一電極層6或第二電極層7形成於充電層3之大致整體。或是，亦可以對充電曾3局部地形成第一電極層6、或電極層7的方式，以指定形狀之整體圖案來形成第一電極層6或電極層7。只要第一電極層6、及第二電極層7之至少一方分割成複數個圖案所形成即可。藉由如此，就可以在充電時和放電時改變重疊區域18之面積。亦即，可以在充電時和放電時改變重疊區域18與非重疊區域19之面積比。因而，可以分別使充電特性、及放電特性最適化。
(E)對再生系統之應用
如上所述，量子電池10係具有可以對應由變動的電力源所致之充電的充電特性。更且，量子電池10係具有可以瞬間獲得較大之啟動電力的放電特性。如此之將充電特性和放電特性組合在一起的量子電池10係能夠應用於如圖22所示的再生系統。
在圖22所示之再生系統中係連接有作為動力源的馬達32、以及作為馬達32之電力源的量子電池10。馬達32係藉由從量子電池10所供應的電力而動作。然後，量子電池10係能使用馬達32減速時的動能(再生能源)而充電。
將如此的再生系統中之充電電力顯示於圖23。如圖23所示，在再生系統中，充電電力並非為固定，而是變動的。例如，僅有在馬達32減速時，才會產生再生能源。即便是在如此的情況下仍可以藉由使用量子電池10而毫無浪費地蓄電。
又，將再生系統中的馬達32之啟動時的放電電力顯示於圖24。在馬達32啟動時，需要較大的啟動電力。即便是在如此的情況下，量子電池10仍能夠瞬間釋放出較大的電力。因而，可以快速地啟動馬達32。
以上，雖然已說明本發明之實施形態，但是本發明係涵蓋無損其目的及優點的適當變化，更不受上述實施形態 之限定。
本申請案係主張將2015年7月2日所申請的日本特願2015-133351作為基礎的優先權，且將其揭示的內容全部納入。
1‧‧‧第一電極
2‧‧‧n型金屬氧化物半導體層
3‧‧‧充電層
4‧‧‧p型金屬氧化物半導體層
5‧‧‧第二電極
6‧‧‧第一電極層
7‧‧‧第二電極層
16‧‧‧圖案
17‧‧‧圖案

Claims (11)

  1. 一種電池，具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其配置於前述第一電極層與前述第二電極層之間，且包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體；在前述充電層之表面上，設置有前述第二電極層的區域係由未設置有前述第二電極層的區域所夾。
  2. 如請求項1所記載之電池，其中在前述充電層之表面中的任意之一方向，設置有前述第二電極層的區域和未設置有前述第二電極層的區域係交替地配置。
  3. 一種電池，具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其配置於前述第一電極層與前述第二電極層之間，且包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體；在前述充電層之表面中的任意之一方向，設置有前述第二電極層的區域和未設置有前述第二電極層的區域係交替地配置。
  4. 一種電池，具備：第一電極層； 第二電極層；以及充電層，其配置於前述第一電極層與前述第二電極層之間，且包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體；在前述充電層之表面，設置有前述第二電極層的區域之至少一部分係配置於未設置有前述第二電極層的區域之間；在前述充電層之表面，未設置有前述第二電極層的區域之至少一部分係配置於設置有前述第二電極層的區域之間。
  5. 如請求項1至4中任一項所記載之電池，其中前述第二電極層係分割成複數個圖案所形成。
  6. 一種電池，具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體，且施加有前述第一電極層與前述第二電極層之間的充電電壓；在前述充電層之表面上，局部形成有前述第一電極層及前述第二電極層之至少一方。
  7. 一種電池，具備：第一電極層；第二電極層；以及 充電層，其包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體，且施加有前述第一電極層與前述第二電極層之間的充電電壓；前述第二電極層係具備相互地隔離所形成的複數個電極層圖案；在充電時，對前述複數個電極層圖案之各個供給有充電電壓；在放電時，對前述複數個電極層圖案當中之一部分連接有負載。
  8. 如請求項1、2、3、4、6或7所記載之電池，其中在使前述充電層介於中間的俯視觀察中，前述第一電極層之圖案與前述第二電極層之圖案所重疊的重疊區域、和未重疊的非重疊區域係交替地設置。
  9. 如請求項1、2、3、4、6或7所記載之電池，其中前述充電層係藉由以自然能源發電產生的電力所充電。
  10. 如請求項1、2、3、4、6或7所記載之電池，其中前述充電層係藉由馬達的再生能源所充電，被充電至前述充電層的電力係成為前述馬達的電力源。
  11. 一種電池的充放電方法，該電池係具備：第一電極層；第二電極層；以及充電層，其包含n型金屬氧化物半導體和絕緣體，且施加有前述第一電極層與前述第二電極層之間的充電電壓； 前述第二電極層係具備相互地隔離所形成的複數個圖案；藉由對前述複數個圖案之各個供給有充電電壓而進行充電；藉由對前述複數個圖案當中之一部分連接有負載而進行放電。
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