TWI568043B

TWI568043B - 電池

Info

Publication number: TWI568043B
Application number: TW104102283A
Authority: TW
Inventors: 小笠原樹理; 檜皮清康; 中澤明
Original assignee: 日本麥克隆尼股份有限公司; 古俄拉科技股份有限公司
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2017-01-21
Also published as: JPWO2015141107A1; KR20160107266A; CN106463617A; TW201603343A; KR101877151B1; CN106463617B; US20170098870A1; CA2932306A1; JP6147417B2; EP3076449A4; EP3076449A1; CA2932306C; EP3076449B1; WO2015141107A1

Description

電池

本發明是關於一種電池。

本申請案的申請人發展出一種藉由紫外線照射的光激勵而使一金屬氧化物結構性改變的電池(以下稱之為「量子電池」)(專利文件1及2)。可預期專利文件1及2所揭露的量子電池科技可提供一容量遠大於鋰離子電池的電池。專利文件1及2所揭露的第二電池包括一第一電極、一N型金屬氧化半導體層、一充電層、一P型半導體層、以及一堆疊於一基板上的第二電極。引用列表專利文件

專利文件1:國際專利公開號WO2012/046325 專利文件2: 國際專利公開號WO2013/065093

技術問題

這種量子電池具有一平行板結構以實現一薄膜電池。即，一充電層為置於第一及第二電極之間，以使第一及第二電極形成於該充電層的整個表面上。結果，非常難以改善此電池的容積效率及/或容量，以及減輕此電池的重量。問題的解決方式

本發明乃著眼於上述問題，而提供一優異的電池。

根據本發明一實施例的一電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第一電極層與該第二電極層的其中至少一個中的與該充電元件相接觸的一表面係為一曲面。

在上述電池中，該充電元件可為球形或圓柱形。

根據本發明的另一實施例的電池包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第一電極層與該第二電極層的其中至少一個係設係置於該充電元件內。

在上述電池中，該充電元件可形成為圓柱形。進一步地，該第一電極層可設置於該充電元件內以及該第二電極層可設置於該充電元件的一外圓周表面。

根據本發明的另一實施例的電池包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該充電元件係形成為三維形狀。

根據本發明的另一實施例的電池包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第二電極層係設係置於該充電元件上設置有該第一電極層的表面上。在上述電池中，可設有複數個第二電極層，且可設有與該第一電極層相對設置的一第二電極層，且該充電元件係夾置在該第一電極層與該第二電極層之間。

根據本發明的另一實施例的電池包含：一種電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第二電極層係設係置於一平面視角上與該第一電極層的不同位置，該平面係沿著該充電元件的一表面。

在上述電池中，該第二電極層可形成在該充電元件形成有該第一電極層的一表面上。

在上述電池中，該第二電極層可形成在該充電元件形成有該第一電極層的一表面的一相對側表面上。

根據本發明的另一實施例的電池包含：一第一單位電池；以及一第二單位電池，與該第一單位電池並聯或串聯，其中該第一單位電池為上述之電池，以及該第二電池包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子。

在上述電池中，該第一單位電池可為上述的電池且該第二單位電池可為一平行平板型單位電池。

根據本發明一實施例的電池為一電池其中每個該第一及第二對電池為上述的電池且第一及第二單位電池為堆疊設置。本發明的有利功效

根據本發明，可提供一優異的電池。

根據本發明的實施例係參照圖式說明。下面說明的實施例僅為根據本發明的實施例，但本發明不限於下示的實施例。注意下列說明和圖式中具有相同符號者為表示相同的部件/結構。

(A)關於量子電池根據下述每個實施例的電池為一應用量子電池科技的電池。因此，在下文中於說明每個實施例前簡略說明量子電池。

量子電池為一電池(二次電池)，原則上，藉由利用一金屬氧化物的光激勵結構改變在能帶隙中形成一能階並藉此捕抓電子。

上述量子電池為一全固態型式並可獨立發揮電池功能的電池。第1圖及第2圖顯示一量子電池的設置例。注意第1圖為一顯示平行板結構型量子電池11設置的立體圖，且第2圖為其剖面圖。注意第1圖及第2圖中，對於正極及負極之類的終端部以及對於外裝部材及被覆部材之類的包裝元件的繪示均省略。

該量子電池11包括一充電元件(充電層)3、一第一電極層6、以及一第二電極層7。該充電元件3設置於該第一與第二電極層6、7之間。因此，橫越該第一及第二電極層6、7產生的一充電電壓作用於該充電元件3。該充電元件3在充電操作時蓄積(捕抓)電子並在放電操作時釋放蓄積的電子。該充電元件3為一未充電時保留電子(蓄積電力)的分層。該充電元件3係藉由應用光激勵結構改變技術所形成。

應當留意光激勵結構改變被描述於，例如，在國際專利公開號WO2008/053561中，且為前述專利公開案的發明人(也是本申請的發明人)中澤明所發現的現象(技術)。特別是，中澤發現當將有效激勵能源給予一金屬氧化物，其為具有一預設值或更大的能帶隙並具有透明度且為絕緣材料覆蓋的半導體時，在能帶隙中會產生許多沒有電子出現的能階。該量子電池11藉由捕抓在那些能階中的電子而充電並藉由釋放所捕抓的電子而放電。

在充電元件3中，覆蓋有絕緣材料的一N型金屬氧化物半導體的微粒以薄膜態係堆於該第二電極層7上。之後，該N型金屬氧化物半導體藉由以紫外線輻射造成一光激勵結構改變而經歷一改變，因此其能夠蓄積電子。該充電元件3包括覆蓋有絕緣材料的一N型金屬氧化物半導體的複數微粒。

該第一電極層6係，例如，一負電極層，且包括一第一電極1及一N型金屬氧化半導體層2。該N型金屬氧化半導體層2係置於該第一電極1及該充電元件3之間。因此，該N型金屬氧化半導體層2的其中一個表面與該第一電極1接觸且其他表面與該充電元件3接觸。

在該充電元件3中，覆蓋該N型金屬氧化半導體的微粒的絕緣塗層不必僅限於均一的塗層。塗層未形成時，該充電元件3中的該N型金屬氧化半導體暴露。該N型金屬氧化半導體2作用為一絕緣層，而使充電層中的N型金屬氧化半導體絕緣於第一電極1，並用於改善充電容量之類的性能。進一步地，該N型金屬氧化半導體2提供一有效結構以降低成品元件的特性改變，藉此改善生產線中的穩定性及產量。

該第二電極層7係，例如，一正電極層，且包括一第二電極5及一P型金屬氧化半導體層4。該P型金屬氧化半導體層4係置於該第二電極5與該充電元件3之間。因此，該P型金屬氧化半導體層4的其中一個表面與該第二電極5接觸且其他表面與該充電元件3接觸。該P型金屬氧化半導體層4用於防止電子自該第二電極5流入該充電元件3

每個第一及第二電極1、5必須由導電性材料構成。例如可使用的金屬電極包括含有鋁的銀合金膜。對該N型金屬氧化半導體2，可使用二氧化鈦(TiO2)、氧化錫(SiO2)、或氧化鋅(ZnO)作為材料。對該N型金屬氧化半導體4，可使用氧化鎳(NiO)、氧化銅鋁(CuAlO2)等作為材料。

注意，根據上述說明，雖然該第一電極層6具有第一電極1與N型金屬氧化半導體2組成的二層結構，該第一電極層6的結構不限於二層結構。例如，該第一電極層6可為僅由第一電極1組成的單層結構。相似地，該第二電極層7的結構不限於由P型金屬氧化半導體4及第二電極5組成的二層結構。例如，該第二電極層7可為僅由第二電極5組成的單層結構。即為，每個第一及第二電極6、7可僅由金屬電極組成。

(B)電子滲漏現象一直以來都認為在如第1圖及第2圖所示的量子電池中，在充電時電子僅蓄積於置於第一與第二電極層6、7之間的充電元件3。即，一直以來都認為電子僅蓄積於在充電元件3中的第二電極層7下方的區域。然而，本申請的發明人所實施的實驗顯示出一現象，當第二電極層7下方的區域完全充滿電子時，電子會滲漏至第二電極層7下方的區域的外部。即，其顯示電子會滲漏至第二電極層7下方的區域的外部並蓄積於該處。

該電子滲漏現象，其由本申請的發明人所發現，說明如後。如第3圖所示的一量子電池10曾被用於發現電子滲漏現象。注意第3圖為大略地顯示一係置於一充電元件3上的第二電極7的圖案形狀的一XY平面視圖。

在第3圖中，複數個矩形的第二電極層7排成一陣列。即，複數個矩形的第二電極層7沿著X方向及Y方向排列。鄰近第二電極層7間具有無第二電極層7的區域。同時，假設一第一電極層6(未顯示於第3圖)實質形成於該充電元件3的整個表面。

在此，一充電電壓被作用於一第二電極層7，其於下文中以區塊7a稱之。即，沒有充電電壓作用於區塊7a之外的區塊。然後，當區塊7a被充電及測到7a區塊在一自然放電態時在每個區塊量測電壓。

隨著對7a區塊的充電持續，鄰接於區塊7a的區塊7b中的電壓升高。即，基於蓄積在充電元件3中的電子，於無施加充電電壓的區塊7b中產生電壓。進一步，即使對區塊7a的充電停止後，當區塊7a因自然放電電壓下降的同時，區塊7b中的電壓升高。本實驗顯示電子自充電部分滲透到充電部分的周圍區域。

第4圖至第7圖顯示用於說明在量子電池10中的電子滲漏現象的模型。在第4圖至第7圖中，該第一電極層6係形成在該充電元件3的整個表面，而該第二電極層7係形成在該充電元件3的部分表面。注意該第二電極層7重疊該第一電極層6的區域被稱為「重疊區域18」而未重疊的區域被稱為「非重疊區域19」。

首先，如第4圖所示，一電源供應31跨接於該第一及第二電極層6、7以產生對該量子電池10充電的一充電電壓。該第一及第二電極層6、7間的充電電壓作用於該充電元件3。在該量子電池10充電期間，電子一開始係蓄積於第二電極層7正下方的區域(在圖式中以字母“e”表示)。即，電子蓄積於重疊區域18。然後，如第5圖所示，當重疊區域18完全充滿電子時，電子開始蓄積於第二電極層7正下方區域的外部。即，電子由重疊區域18擴散至非重疊區域19。

在那之後，如第6圖所示，電子擴散至整個充電元件3直到電位穩定。即，充電元件3中的電子密度成為一致。結果，重疊區域18中的電子密度與非重疊區域19的電子密度成為實質相等。在如第7圖所示的放電期間，位於第二電極層7正下方區域的電子首先逃離，之後位於第二電極層7正下方區域外的電子逐漸逃離。即，當放電開始時，重疊區域18的電子密度變得比非重疊區域19的電子密度要低。

在過去，一直以來都認為電子僅蓄積於第二電極層7下方區域。因此，一直使用該第一與第二電極層6、7皆形成在該充電元件3的實質整個表面上的平行板結構。然而，電子滲漏現象使電極層能夠設置於充電元件3的部分表面。進一步，即使當該電極層形成在該充電元件3的部分表面，也可達成與電極層形成在充電元件3的整個表面的情況下相同的電力容量，且具有與上述情況的充電元件3相同的體積。即，當量子電池充電到100%時，非重疊區19的電子密度會逐漸變得與重疊區18的電子密度相等。因此，在改善電池特性的同時維持其作為電池的基礎功能是可能的。

(C)單層量子電池如上所述，藉由電子滲漏現象，可實現各種設置的量子電池。量子電池的實施例說明如後。在下列說明中，係說明一單一量子電池。

(C-1)實施例1 第8圖係顯示根據實施例1的一量子電池20的立體圖而第9圖為其剖面圖。進一步地，第10圖為量子電池20的俯視圖。在實施例1中，該充電元件3為一形成為板形或箔形的充電層，即，該充電元件3的二個相反面為平行平面。一第一電極層6形成在該充電元件3的底面而一第二電極層形成在其頂面。即，該第一及第二電極層6、7形成在該充電元件3的不同表面上。

如第10圖所示，該充電元件3在XY平面視圖中形成一矩形。在XY平面視圖中該第一及第二電極層6、7的位置互換。在這個例子中，該第一及第二電極層6、7形成長邊在Y軸方向的狹窄的矩形。進一步地，該第一電極層6係置於該充電元件3的X軸方向中的正極端且第二電極層7係置於其Y軸方向中的負極端。

當作用一橫越該第一及第二電極層6、7的充電電壓時，在充電元件3中產生電力線如第9圖所示。電子藉由第一與第二電極層6、7之間的充電電壓而蓄積於充電元件3中。進一步地，因為上述的電子滲漏現象，電子蓄積遍布充電元件3。如上所述，即使在X軸方向中的第一及第二電極層6、7的位置互換，電子蓄積遍布充電元件3。

因為該第一及第2電極層6、7形成在僅該充電元件3的部分表面，電池的容積效率能夠被改善。一般來說，電池的容積效率可以一表示式來表達「(電池的容積效率)=(電池的有效容積)/(電池的總容積)」。因此，容積效率可藉由降低量子電池20的總容積改善。如上所示，由於電極層的尺寸降低，可改善容積效率。進一步地，由於第一及第二電極層6、7部分地形成在充電元件3的表面，相較於第一及第二電極層6、7形成在充電元件3的整個表面的情況，量子電池20的重量可降低。

(C-2)實施例2 第11圖係顯示根據實施例2的一量子電池30的立體圖而第12圖為其剖面圖。進一步地，第13圖為量子電池30的俯視圖。在實施例2中，該充電元件3為一形成為板形或箔形的充電層。即，該充電元件3的二個相反面為平行平面。實施例2第一電極層6的位置與實施例1不同。第一及第二電極層6、7均形成在充電元件3的頂面。該第二電極層7係設置於該充電元件3上設置有該第一電極層6的表面上。該第一及第二電極層6、7形成於充電元件3的相同平面上。

如第13圖所示，該充電元件3在XY平面視角形成一矩形。進一步地，在XY平面視角中該第一與第二電極層6、7的位置互換。在此例中，該第一及第二電極層6、7形成為長邊在Y軸方向的狹窄的矩形。進一步地，該第一電極層6係置於該充電元件3的X軸方向中的正極端而第二電極層7係置於該充電元件3的X軸方向中的負極端。如上所述，在XY平面視角中，該第一電極層6設置為鄰近於該充電元件3的一端且該第二電極層7設置為鄰近於其其他端。在量子電池30中，該第二電極層7在XY平面視角中係置於與第一電極層6不同的地方。

當作用一橫越該第一及第二電極層6、7的充電電壓時，在充電元件3中產生的電力線如第12圖所示。結果，藉由第一與第二電極層6、7之間的充電電壓，電子蓄積於充電元件3中。進一步地，因為上述的電子滲漏現象，電子蓄積遍布充電元件3。如上所述，即使第一及第二電極層6、7置於充電元件3的相同平面上且在X軸方向中係置於不同的位置，電子蓄積遍布充電元件3。

因為該第一及第2電極層6、7形成僅在該充電元件3的(多個)部分表面，能夠改善電池的容積效率。一般來說，電池的容積效率可以一表示式來表示「(電池的容積效率)=(電池的有效容積)/(電池的總容積)」。因此，容積效率可藉由降低量子電池30的總容積改善。如上所示，由於電極層的尺寸降低，可改善容積效率。更進一步地，因為第一及第二電極層6、7部分地形成在充電元件3的表面，相較於第一及第二電極層6、7形成在充電元件3的整個表面的情況，量子電池30的重量可降低。

(C-3)實施例3 第14圖係顯示根據實施例3的一量子電池40的立體圖而第15圖為其剖面圖。進一步地，第16圖為量子電池40的俯視圖。在實施例3中，該充電元件3為一形成為板形或箔形的充電層，即，該充電元件3的二個相反面為平行平面。該第一及第二電極層6、7均形成在該充電元件3的每個頂面及底面上。

更具體地，該量子電池40包括二個第一電極層6及二個第二電極層7。在下列說明中，該二個第一電極層6分別被稱為「第一電極層6a」及「第一電極層6b」，而該二個第二電極層7分別被稱為「第二電極層7a」及「第二電極層7b」。該第一電極層6a及該第二電極層7a係形成在該充電元件3的頂面。該第一電極層6b及該第二電極層7b係形成在該充電元件3的底面。第一電極層6a係置於該充電元件3的X軸方向中的正極端而第一電極層6b係置於其X軸方向中的負極端。

第二電極層7a係置於該充電元件3的X軸方向中的負極端，且形成在該充電元件3的底面上的第二電極層7b係置於其X軸方向中的正極端。該第二電極層7a及該第一電極層6b經設置而彼此相反且彼等間夾置有該充電元件3。即，該第二電極層7a的位置與該第一電極層6b的位置在XY平面上重合。該第二電極層7b及該第一電極層6a係反向設置且彼等之間夾置有該充電元件。即，該第二電極層7b的位置與該第一電極層6a的位置在XY平面上重合。

因此，量子電池40的該第二電極層7包括第二電極層7a及第二電極層7b，第二電極層7a係置於與第一電極層6a不同的位置在XY平面視角中，第二電極層7b係置於與第一電極層6a相同的位置在XY平面視角中。相似地，量子電池40的該第一電極層6包括第一電極層6b及第一電極層6a，第一電極層6b係置於與第二電極層7a相同的位置在XY平面視角中，該第一電極層6a係置於與第二電極層7a不同的位置在XY平面視角中。

當作用一橫越該第一及第二電極層6、7的充電電壓時，電子蓄積於充電元件3中藉由第一及第二電極層6、7之間的充電電壓。進一步地，因為上述的電子滲漏現象，電子蓄積遍布充電元件3。如上所述，即使第一及第二電極層6、7係置於充電元件3的同一平面上且在X軸方向中係置於不同的位置，電子蓄積遍布充電元件3。

進一步地，在實施例3中，該第一及第二電極層6、7的每一個係分割並形成數個區塊。因此，在充電過程中使用的第一及第二電極層6、7與在放電過程中使用的第一及第二電極層6、7可能不同。舉例來說，當量子電池充電時，一電源供應連接於所有的第一電極層6a及6b以及第二電極層7a及7b而為電池提供一充電電壓。這實現一快速充電操作。同時，當量子電池放電時，(多個)負載或相似物等僅連接第一電極層6a及第二電極層7b。以此種方式，可能限制當下放出的電力，因此可長時間放電。

如上所述，藉由形成複數個電極層的分隔區塊，有可能改變在充電及放電過程中電極層間的重疊區域的大小。舉例來說，在充電過程中的重疊區域的大小可較在放電過程中的重疊區域的大小為降低。或者，在充電過程中的重疊區域的大小可較在放電過程中的重疊區域的大小為增加。可藉由把第一電極層6或第二電極層7分隔成複數個區塊獲得想要的充/放電特性。

(C-4)實施例4 第17圖係顯示根據實施例4的一量子電池50的剖面圖。該量子電池50在實施例4中係形成一三維形狀。具體地，該量子電池50包括形成球形的一充電元件3。進一步地，該第一及第二電極層6、7係形成在球形充電元件3的部件上。該第一及第二電極層6、7係形成在該充電元件3的表面的部分上。

該第一及第二電極層6、7係相對設置，且彼等之間夾置有該充電元件。在這個例子中，該第一及第二電極層6、7係相對設置使該球形充電元件3的中心位於該第一及第二電極層6、7之間。在這個情況中，當作用一橫越該第一及第二電極層6、7的充電電壓時，電子藉由該第一及第二電極層6、7之間的充電電壓蓄積於該充電元件3。進一步地，因為上述的電子滲漏現象，電子蓄積於整個該充電元件3。如上所述，電子擴散於整個該球形充電元件3。

該第一及第二電極層6、7係形成在該形成球體的充電元件3的表面上。因此，該充電元件3的表面係形成一球形。該第一及第二電極層6、7中的至少一個，其接觸該充電元件3的表面為一曲面。進一步地，該充電元件3的外表面係為一曲面。容積效率可藉由將該重電元件3形成一三維形狀而改善。更進一步地，由於該第一及第二電極層6、7係形成於該充電元件3的表面的部分上，該量子電池50的重量可降低。

(C-5)實施例5 第18圖係顯示根據實施例5的一量子電池60的立體圖。在實施例5中，該量子電池60為同軸設置。因此，該充電元件係形成為一圓柱形。一圓柱形的第一電極層6係置於該充電元件3的中心。位於中心軸沿線的該第一電極層6的外圓周面係與該充電元件3接觸。該第一電極層6的一端設於該充電元件3外，故其可與一外部端連接。

一第二電極層7係置於該充電元件3的外圓周面上。因此，該充電元件3與該第一電極層6或該第二電極層7接觸的表面係為一曲面。當作用一橫越該第一及第二電極層6、7的充電電壓時，電子擴散於整個該圓柱形充電元件3。注意在第18圖中雖然該第二電極層7係形成於該充電元件3的外圓周表面的全區上，該第2電極層7可以部分地形成於外圓周表面上。即，該第二電極層7可形成於該充電元件3的外圓周表面的(多個)部分上。在這個情況下，複數個第二電極層7的區塊可形成於該充電元件3的外圓周表面上。

進一步地，該第一電極層6可於X軸方向中具有一僅延伸至該充電元件3中的一些中點的長度。不用說，該第一及第二電極層6、7的位置可互換。即，該第一電極層6可形成於該充電元件3的外側上且該第二電極層7可形成於該充電元件3的內側上。

該充電元件3形成於該圓柱形第一電極層6的外圓周表面上。進一步地，該第二電極層7形成於該充電元件3的外圓周表面上。該充電元件3的表面係為一曲面。該第一及第二電極層6、7中的至少一個，與該充電元件3接觸的表面為曲面。容積效率可藉由將充電元件3形成為一三維形狀而改善。進一步地，因為該第一及第二電極層6、7形成於該充電元件3的部分，該量子電池60的重量可降低。

(C-6)實施例6 第19圖係顯示根據實施例6的一量子電池70的立體圖。在該量子電池70中，該第一及第二電極層6、7係置於該充電元件3內部。每個該第一及第二電極層6、7的一端位於該充電元件3的外部，故其可連接至外部端點。在這個例子中，每個該第一及第二電極層6、7係形成一圓柱形，其縱向係於Y軸方向中。該充電元件3係形成為一長方體形狀且其中置有該第一及第二電極層6、7。不用說，該第一及第二電極層6、7以及該充電元件3的形狀不限於任何特定的形狀。

該充電元件3的一部分係置於該第一及第二電極層6、7之間。當供應一橫跨該第一及第二電極層6、7的充電電壓時，一電壓作用於該充電元件3。隨著充電持續，電子自第一及第二電極層6、7之間的區域擴散到該充電元件3的全區。因為上述的電子滲漏現象，電子蓄積於整個該充電元件3。

注意在第19圖中雖然該第一及第二電極層6、7皆係置於該充電元件3內部，該第一及第二電極層6、7中僅一個可係置於該充電元件3內部。在這個情況中，另一電極層可形成於該充電元件3的表面。

在實施例1至3中，電極層形成於該板狀或箔狀的充電元件3的表面的部分上。藉由使用此種設置，可實現多樣的封裝設置。結果，可能改善量子電池的容積效率及/或量子電池的成本。

在實施例4至6中，該充電元件3係形成一三維形狀。該充電元件3的體積可藉由將該充電元件3形成一三維形狀而增加。即，電池容量可藉由使用一具有大厚度的充電元件而增加。舉例來說，當使用一板狀或箔狀的充電層時，充電層的面積(即，二維大小)需要增加以增加充電層的體積。然而，從其一致性的觀點中，增加充電層的大小可能是困難。如上說明在此實施例中，可能可以藉由使用一三維形狀的充電元件3而實現一具有高電容量及優異的性質的量子電池。進一步地，各種封裝設置可藉由將充電元件3形成一三維形狀而實現。結果，可能改善量子電池的容積效率及/或降低重量及/或量子電池的成本。

多種構成(或成型)方法可作為將一充電元件3形成三維形狀的方法。舉例來說，一充電元件3可藉由使用一具有期望形狀的模具而成型。具體地，將覆蓋有絕緣材料的N型金屬氧化半導體的微粒放入一模具內。然後，經定形及壓縮後，加以烘烤。藉由這樣的作法，可成型出任意形狀的充電元件3。藉由使用具期望形狀的模具，可能在充電元件3中形成大厚度的(多個)區塊，並藉此將該充電元件3形成一三維形狀。進一步地，在實施例5及6中，該充電元件3係與置於其內的電極層一起成型。

(D)量子電池的堆疊結構在實施例1至6的每一個中，顯示一單一量子電池。當然，可能藉由合併複數個量子電池來增加電容量。於下文中係說明包括複數個單一量子電池的一量子電池，每一個單一量子電池可為實施例1至6中所示的量子電池之一。以下，一單一量子電池也稱為「單位量子電池」及包括複數個單位量子電池的一量子電池也稱為「量子電池單元」。進一步藉由串聯或並聯複數個單位量子電池可能改善量子電池的容積效率及/或降低量子電池的重量及/或成本。

(D-1) 量子電池單元的堆疊結構1 第20圖係顯示根據堆疊結構1的一量子電池單元100的剖面圖。在第20圖中，使用實施例1中所示的二個量子電池20。在第20圖中，該量子電池20分別稱為單位量子電池20a及20b。該單位量子電池20a及20b串聯。

在第20圖中，箔狀或板狀的單位量子電池20a及20b互相堆疊。即，充電元件3a、3b互相平行設置。進一步地，該單位量子電池20a的一第一電極層6a及該單位量子電池20b的一第二電極層7b係置於該充電元件3a、3b之間。一第一電極層6b與一負極端101相連接且一第二電極層7a與一正極端102相連接。進一步地，該第一電極層6a與該第二電極層7b相連接。該第一電極層6a與該第二電極層7b透過，例如，(多個)連接端點(圖未示)相連接。或者，該第一電極層6a可藉由在該充電元件3a或3b上形成一充電圖案而連接該第二電極層7b。進一步地，可提供一絕緣層以防止該第一電極層6a與該充電元件3b相接觸或該第二電極層7b與該充電元件3a相接觸。

如上所述，輸出電壓可藉由串聯二個單位量子電池20a及20b而增加。進一步地，因為部分的電極設置，得以改善量子電池單元100的容積效率。由於端點結構可簡化，容積效率得以改善。進一步地，因為該第一及第二電極層6、7的尺寸小，重量得以降低。

不用說，一由三層或更多層所組成的堆疊結構可適用於量子電池單元100。舉例來說，這樣的堆疊結構可藉由以重複的方式設置如第20圖所示的二個或更多的結構而易於實現。該量子電池100的輸出電壓係用“N × V”表示且該量子電池100的電流容量係用“Ah”表示，而V係量子電池20的電壓，Ah係該量子電池20的電流容量而N是堆疊的層數。

(D-2) 量子電池單元的堆疊結構2 第21圖係顯示根據堆疊結構2的一量子電池單元200的剖面圖。在第21圖中，使用在實施例1中所示的二個量子電池20。在第21圖中，該些量子電池20分別稱為單位量子電池20a及20b。該單位量子電池20a及20b係並聯。在第21圖中，箔狀或板狀的單位量子電池20a及20b互相堆疊。即，充電元件3a、3b係互相平行設置。

具體而言，設置該單位量子電池20a及20b使該第2電極層7a及7b面向彼此。換句話說，該第二電極層7a置於該充電元件3a的底面而該第二電極層7b置於該充電元件3b的頂面。進一步地，一正極端102係置於該第二電極層7a與7b之間。該正極端102在夾設於該第二電極層7a與7b之間的狀態下與該第二電極層7a及7b相連接。藉由使用此種設置，該單位量子電池20a及20b可分享該正極端102，因此使得端點結構可能簡化。進一步地，在第21圖中，該量子電池形成為使該第二電極層7未突出於該充電元件3的表面。

同時，該第一電極層6a係置於該充電元件3的頂面且該第一電極層6b係置於該充電元件3b的底面。進一步地，一負極端101與該第一電極層6a及6b相連接。該負極端101分支以與第一電極層6a及6b相連接。

電流容量可如上所示般藉由並聯二個單位量子電池20a及20b而增加。進一步地，因為部分的電極設置，得以改善量子電池單元200的容積效率。因為端點結構可簡化，容積效率得以改善。進一步地，因為該第一及第二電極層6、7的尺寸小，重量得以降低。

不用說，一由三層或更多組成的堆疊結構可適用於量子電池單元200。舉例來說，這樣的堆疊結構可藉由以重複的方式設置如第21圖所示的二個或更多的結構而易於實現。該量子電池200的輸出電壓係用“N × Ah”表示且該量子電池200的輸出電壓係用“V”表示，而V係量子電池20的輸出電壓，Ah係該量子電池20的電流容量而N是堆疊的層數。

注意雖然該單位量子電池20為根據堆疊架構1及2的量子電池單位而堆疊，其他設置的單位量子電池可堆疊在其他的量子電池單元中。舉例來說，單位量子電池30或單位量子電池40可堆疊於其他量子電池單元中。或者，具有不同設置的單位量子電池20、30及/或40可堆疊於其他量子電池單元中。舉例來說，可堆疊一單位量子電池20與一單位量子電池30，或可堆疊一單位量子電池20與一單位量子電池40。或者，可堆疊一單位量子電池30與一單位量子電池40。不用說，可合併三個或更多的單位量子電池。在這個情況中，電流容量係為“N × Ah”。

進一步地，合併二個或更多並聯的單位量子電池與二個或更多串聯的單位量子電池是可能的。舉例來說，採用一包括2N單位量子電池其中並聯的數量為N且串聯的數量為N的設置是可能的。在這個情況中，該單位量子電池的輸出電壓係為“N × V”且電流容量係為“N × Ah”，而V係該單位量子電池的電壓且Ah係該單位量子電池的電流容量。

(D-3) 量子電池單元的堆疊結構3 第22圖係顯示根據堆疊結構3的一量子電池單元300的剖面圖。在第22圖中，第1及2圖中所示的平行平板型量子電池11係與實施例4中所示的量子電池50結合。在第22圖中，該量子電池單元300包括一單位量子電池11及六個單位量子電池50。即，三維單位量子電池50係與一平行平板型單位量子電池11結合。

更具體地，三個單位量子電池50係置於一量子電池11的每個表面上。該量子電池單元300包括一單位量子電池11及六個單位量子電池50。在第22圖中，包括在該量子電池單元300中的該單位量子電池50及該單位量子電池11分別被稱為單位量子電池50a到50f及一單位量子電池11g。

該三維單位量子電池50a到50f係置於箔狀的單位量子電池11g的兩側。即，該平行平板型單位量子電池11係置於該些三維單位量子電池50之間。該些單位量子電池50a到50c係沿著X軸方向排成一列。該些單位量子電池50d到50f也係延著X軸方向排成一列。

該單位量子電池50a、50b及50c係置於單位量子電池11g (在+Z側上)的上方，且該單位量子電池50d、50e及50f係置於單位量子電池11g (在-Z側上)的下方。該單位量子電池11g與該單位量子電池50a到50f並聯。因此，該正極端102係與每個第二電極層7a到7g相連接且該負極端101係與每個第一電極層6a到6g相連接。

該正極端102的一部分係置於該第二電極層7g上方。進一步地，該正極端102的一部分也係置於該第二電極層7a、7b及7c下方。因此，該正極端102係實質設置於該第二電極層7g與該第二電極層7a、7b、7c之間。藉由使用此種設置，共同的正極端102可與該第二電極層7a、7b及7c及該第二電極層7g相連接。即，該板狀的正極端102的頂面係與該第二電極層7a、7b、7c接觸且其底面係與該第二電極層7g接觸。伴隨此種設置，端點結構得以簡化。

該負極端101的一部分係置於該第一電極層6g下方。進一步地，該負極端101的一部分也置於該第一電極層6d、6e、6f下方。因此，該負極端101係實質設置於該第一電極層6g與該第二電極層6d、6e、6f之間。藉由使用此種設置，通常的負極端101可與該第一電極層6d、6e、6f及該第一電極層6g相連接。即，該板狀的正極端102的底面係與該第一電極層6d、6e、6f接觸且其底面係與該第一電極層6g接觸。伴隨此種設置，端點結構得以簡化。

在第22圖所示的設置中，由於使用該平行平板型單位量子電池11，能量密度得以改善。除此之外，由於使用各具有大體積的充電元件3的單位量子電池50，電流容量得以改善。藉由將箔狀的量子電池(多個)連接於(多個)三維量子電池，可實現具有大電流容量及高能量密度的電池。因此，得以實現具有優異特性的該量子電池單元300。

注意雖然第22圖係顯示單位量子電池50在該單位量子電池的各表面上排成一列的結構，但該單位量子電池可排成二或更多列。即，該單位量子電池50可排列成一矩陣。在這個情況中，複數個單位量子電池50係沿著X軸方向及沿著Y軸方向排列。進一步地，該單位量子電池50可僅排列於該單位量子電池11的其中一表面上。進一步地，可能使用實施例1、2及3中所示的任一量子電池20到40作為該平行平板型單位量子電池11。

(D-4) 量子電池單元的堆疊結構4 第23圖係顯示根據堆疊結構3的一量子電池單元400的剖面圖。在第23圖中，在第1圖中所示的平行平板型量子電池11係與實施例4中所示的量子電池50相連接。在第23圖中，該量子電池單元400包括二個單位量子電池11及三個單位量子電池50。

更具體地，一單位量子電池11係置於該量子電池50上方且另一單位量子電池11係置於該量子電池50下方。即，該三維單位量子電池50係置於該些平行平板型單位量子電池11之間。在第23圖中，包括於該量子電池單元400中的該單位量子電池50及該單位量子電池11分別稱為單位量子電池50a到50c及單位量子電池11d和11e。

該三維單位量子電池50a到50c係置於箔狀的單位量子電池11d及11e之間。該單位量子電池50a到50c係沿著X軸方向排成一列。該單位量子電池11d及11e與該單位量子電池50a到50c並聯。因此，該正極端102連接於第二電極層7a到7e中的每一個且該負極端101係連接於第一電極層6a到6e中的每一個。

該第二電極層7d係置於該單位量子電池11d的頂面上且該第一電極層6d係置於此電池的底面上。該第一電極層6a到6c係置於該單位量子電池50a到50c的頂側上。進一步地，該負極端101的一部分係置於該第一電極層6a到6c與該第一電極層6d之間。藉由使用這樣的設置，共同負極端101得以與該第一電極層6a到6c及該第一電極層6d相連接。即，該板狀的負極端101的底面係與該第一電極層6a、6b、6c相連接且其頂面係與該第一電極層6d相連接。伴隨此種設置，端點結構得以簡化。

該第二電極層7e係置於該單位量子電池11e的頂面上且該第一電極層6e係置於單位量子電池11e的底面上。該第二電極層7a到7c係置於該單位量子電池50a到50c的底側上。進一步地，該正極端102的一部分係置於該第二電極層7a到7c與該第一電極層7e之間。藉由使用這樣的設置，共同正極端102得以與該第一電極層7a到7c及該第一電極層7e相連接。即，該板狀的正極端102的頂面係與該第二電極層7a、7b、7c相連接且其底面係與該第二電極層7e相連接。伴隨此種設置，端點結構得以簡化。

在第23圖所示的設置中，由於使用該平行平板型單位量子電池11，能量密度得以改善。除此之外，由於使用各包括有大體積充電元件3的該單位量子電池50，電流容量得以改善。具有大電流容量及高能量密度的電池可藉由連接箔狀的(多個)量子電池與(多個)三維量子電池而實現。因此，得以實現具有優異特性的該量子電池單元400。

注意雖然第23圖中係顯示單位量子電池50在該單位量子電池的各表面上排成一列的設置，該單位量子電池可排成二或更多列。即為，該單位量子電池50可排列為一矩陣。在這個情況中，複數個單位量子電池50係沿著X軸方向及沿著Y軸方向排列。伴隨此種設置，電池容量得以改善。

如堆疊結構3及4所示，藉由結合(多個)箔狀的單位量子電池與(多個)三維單位量子電池而形成一量子電池單元。即，該(多個)箔狀的單位量子電池的電極層連接該(多個)三維單位量子電池的電極層。藉由使用此種設置，使這些電池的特質彼此互補。即，在箔狀的單位量子電池的情況中，由於電極層與充電元件3的接觸面積可增加，能量密度(電流密度)得以增加。另一方面，在三維單位量子電池的情況中，因為充電元件3的體積大，電池容量大。因此，藉由連接(多個)箔狀的單位量子電池與(多個)三維單位量子電池可使這些電池的特質彼此互補。結果，可能實現一優異的量子電池。

雖然在堆疊結構3及4中，具有不同結構的單位量子電池係並聯，它們可為串聯。在這個情況中，箔狀的單位量子電池11的第二電極層7可與一三維單位量子電池50的第一電極層6相連接。或者，一箔狀的單位量子電池11的第一電極層6可與一三維單位量子電池50的第二電極層7相連接。

進一步地，可能使用實施例1、2及3中所示的任一量子電池20到40作為該平行平板型單位量子電池11在堆疊結構3及4中。雖然上述說明係特定於假設該第一電極層6為一負極層且該第二電極層7為一正極層，該第一電極層6可為正極層且該第二電極層7可為一負極層。

雖然根據本發明的具體實施例已說明如上，本發明也包括未實質減損本發明的目的及優點的各種修改。進一步地，上述實施例不應該用於限制本發明的範圍。

1‧‧‧第一電極
10‧‧‧量子電池
100‧‧‧量子電池單元
101‧‧‧負極端
102‧‧‧正極端
11‧‧‧平行平板型量子電池
11d‧‧‧單位量子電池
11e‧‧‧單位量子電池
11g‧‧‧單位量子電池
18‧‧‧重疊區域
19‧‧‧非重疊區域
2‧‧‧N型金屬氧化半導體層
20‧‧‧量子電池
200‧‧‧量子電池單元
20a‧‧‧單位量子電池
20b‧‧‧單位量子電池
20b‧‧‧單位量子電池
3‧‧‧充電元件
30‧‧‧量子電池
300‧‧‧量子電池單元
31‧‧‧電源供應
3a‧‧‧充電元件
3b‧‧‧充電元件
4‧‧‧P型金屬氧化半導體層
40‧‧‧量子電池
400‧‧‧量子電池單元
5‧‧‧第二電極
50‧‧‧量子電池
50a‧‧‧單位量子電池
50b‧‧‧單位量子電池
50c‧‧‧單位量子電池
50d‧‧‧單位量子電池
50e‧‧‧單位量子電池
50f‧‧‧單位量子電池
6‧‧‧第一電極層
60‧‧‧量子電池
6a‧‧‧第一電極層
6b‧‧‧第一電極層
6c‧‧‧第一電極層
6d‧‧‧第一電極層
6e‧‧‧第一電極層
6f‧‧‧第一電極層
6g‧‧‧第一電極層
7‧‧‧第二電極層
70‧‧‧量子電池
7a‧‧‧第二電極層
7b‧‧‧第二電極層
7c‧‧‧第二電極層
7d‧‧‧第二電極層
7e‧‧‧第二電極層
7g‧‧‧第二電極層
e‧‧‧電子

第1圖係顯示一量子電池基礎設置的立體圖；第2圖係顯示一量子電池基礎設置的剖面圖；第3圖係一用於電子滲漏現象的驗證實驗之電池的俯視示意圖；第4圖係說明電子滲漏現象的圖；第5圖係說明電子滲漏現象的圖；第6圖係說明電子滲漏現象的圖；第7圖係說明電子滲漏現象的圖；第8圖係顯示實施例1的一量子電池的立體圖；第9圖係顯示實施例1的量子電池的剖面圖；第10圖係顯示實施例1的量子電池的俯視圖；第11圖係顯示實施例2的一量子電池的立體圖；第12圖係顯示實施例2的量子電池的剖面圖；第13圖係顯示實施例2的量子電池的俯視圖；第14圖係顯示實施例3的一量子電池的立體圖；第15圖係顯示實施例3的量子電池的剖面圖；第16圖係顯示實施例3的量子電池的俯視圖；第17圖係顯示實施例4的一量子電池的剖面圖；第18圖係顯示實施例5的一量子電池的立體圖；第19圖係顯示實施例6的一量子電池的立體圖；第20圖係顯示一量子電池單元的堆疊結構1的剖面圖；第21圖係顯示一量子電池單元的堆疊結構2的剖面圖；第22圖係顯示一量子電池單元的堆疊結構3的剖面圖；第23圖係顯示一量子電池單元的堆疊結構4的剖面圖。

1‧‧‧第一電極

2‧‧‧N型金屬氧化半導體層

3‧‧‧充電元件

4‧‧‧P型金屬氧化半導體層

5‧‧‧第二電極

6‧‧‧第一電極層

7‧‧‧第二電極層

Claims

一種電池，係為一量子電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第一電極層與該充電元件相接觸的一表面係為一曲面且/或該第二電極層與該充電元件相接觸的一表面係為一曲面。
如申請專利範圍第1項之電池，其中該充電元件為球形或圓柱形。
一電池，係為一量子電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第一電極層與該第二電極層的其中至少一個係設係置於該充電元件內。
如申請專利範圍第2項或第3項之電池，其中該充電元件係形成為圓柱形；該第一電極層係設置於該充電元件內；以及該第二電極層係設置於該充電元件的一外圓周表面。
一種電池，係為一量子電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該充電元件係形成為三維形狀。
一種電池，係為一量子電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第二電極層係設係置於該充電元件上設置有該第一電極層的表面上。
如申請專利範圍第6項之電池，其中設有複數個第二電極層，且設有與該第一電極層相對設置的一第二電極層，且該充電元件係夾置在該第一電極層與該第二電極層之間。
一種電池，係為一量子電池，包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子，其中該第二電極層係設係置於一平面視角上與該第一電極層的不同位置，該平面係沿著該充電元件的一表面。
如申請專利範圍第8項之電池，其中該第二電極層係形成在該充電元件形成有該第一電極層的一表面上。
如申請專利範圍第8項之電池，其中該第二電極層係形成在該充電元件形成有該第一電極層的一表面的一相對側表面上。
一種電池，係為一量子電池，包含：一第一單位電池；以及一第二單位電池，與該第一單位電池並聯或串聯，其中該第一單位電池為如申請專利範圍第1至10項中任一項之電池，以及該第二電池包含：一第一電極層；一第二電極層；以及一充電元件，該第一電極層與該第二電極層之間的一充電電壓作用於該充電元件，該充電元件經設置而藉由被一絕緣性物質所覆蓋的一N型金屬氧化半導體的一光激勵結構性改變，而在一能帶隙中形成一能階，並藉此捕抓電子。
如申請專利範圍第11項之電池，其中該第一單位電池為如申請專利範圍第1至5項中任一項之電池，以及該第二單位電池為一平行平板型單位電池。
如申請專利範圍第11項之電池，其中每個該第一單位電池與該第二單位電池為如申請專利範圍第6至10項中任一項之電池，以及該第一單位電池與該第二單位電池為堆疊設置。