TWI666846B - 電容式儲能單元、電容式儲能模組、以及電容式儲能系統 - Google Patents

電容式儲能單元、電容式儲能模組、以及電容式儲能系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種儲能單元，包括至少一個電容式儲能裝置、直流電壓轉換裝置。該電容式儲能裝置包括至少一個meta-電容器。電容式儲能裝置的輸出電壓為直流電壓轉換裝置的輸入電壓。本發明還提供一種電容式儲能模組和電容式儲能系統。

Description

電容式儲能單元、電容式儲能模組、以及電容式儲能系統 [優先權主張]
本發明申請案主張下列的優先權：於2016年2月12日申請的美國專利申請案第15/043,315號，第15/043,186號，第15/043,209號和第15/043,247號，上述申請案的整體內容合併於此作為參考。
本發明整體關於一種能夠同時進行多種應用的模組化儲能系統，更具體地關於包括至少一個電容式儲能裝置和直流電壓轉換裝置的儲能單元。
許多技術應用受益於可充電的電能儲存裝置。大多數可充電的電能儲存系統是以可充電電池為基礎。可充電電 池藉由電化學反應以儲存和釋放電能。可充電電池用於汽車起動器、可擕式消費設備、輕型車輛(如機動輪椅、高爾夫球車、電動自行車、電動堆高機)、工具、和不斷電供應系統。混合內燃電池和電動汽車的新興應用推動技術往降低成本、重量和尺寸，並增加壽命的方向發展。電網儲能應用使用可充電電池作為負載均衡(Load-leveling)，在低需求時儲存電能以為在高峰期間使用，而為了使用再生能源，例如儲存在白天從光伏陣列產生的電能並在夜間使用。負載均衡降低了發電廠必須能夠產生的最大功率，降低了資本成本和發電廠的峰值需要。小型充電電池使用於對可擕式電子設備、電動工具、電器等進行充電。重型電池被用於對從摩托車到機車和船舶的電動運載工具充電。充電電池也用於分散式發電和獨立電力系統。這些應用通常結合電池管理系統(BMS)使用充電電池，電池管理系統監測電池的參數如電壓、電流、溫度、充電狀態、以及放電狀態，而防止在其安全工作區以外操作電池。充電電池由於每單位儲能的重量較大，而具有以下的缺點：存在自放電的傾向，如果放電過深則可能受到損傷，如果充電過深也有可能發生災難性的失敗，每單位重量的電力利用率有限，每單位能量的電力利用率有限，充電時間比較長，以及隨著充放電週期數增加，儲存容量會退化。
用於可充電儲能裝置的電池的替代方案包括基於電容器的系統。電容器以被電介質層隔開的一對電極之間的靜 電場形式儲存能量。當兩個電極之間被施加電壓時，在電介質層中出現電場。與電池不同的是，電容器的充電速度相對較快，可以深放電而不受損害，並能夠承受大量的充放電次數而不受損壞。電容器的重量也比同類電池低。除了電容器技術的改進以外，隨著超級電容器的發展，充電電池每單位體積能夠儲存更多能量。與電池相比，電容器的一個缺點是終端電壓在放電過程中迅速下降。相比之下，電池系統的終端電壓在幾乎耗盡之前不會迅速下降。此外，由於儲存在電容器上的能量隨著線性電介質的電壓的平方而增加，電力大於或等於2的為meta-電介質，用於儲能應用的電容器通常工作在比電池高得多的電壓下。此外，如果在充電和放電過程中不使用固定電流模式，能量就會喪失。使用meta-電容器的電力電子設計較為複雜，使得meta-電容器管理系統與當前使用的電池管理系統非常不同。
本發明即為了解決上述層面的問題。
本發明的一個層面著眼於現有的可充電電能儲存技術的問題，提出了一種電容式儲能裝置，其具有一個或多個meta-電容器，該meta-電容器具備直流電壓轉換裝置，其具有連接電容式儲能裝置的終端的一或多個開關模式電壓轉換器轉換裝置。meta-電容器與現有的超級電容器相比，具有更大的儲能能力。直流電壓轉換裝置在充電和放電過程中調節電容式儲能裝置的電壓。
電壓轉換裝置通常包括一個電壓源(輸入)、一個或 多個主動或被動控制開關、一個或多個電感元件(對於一些先進的轉換器而言，例如電荷泵電路，雖然在電路板和/或佈線上存在寄生電感，但並不特別使用電感本身)、一個或多個儲能元件(例如電容器和/或電感)、某種感測輸出電壓和/或電流的裝置、以及某種用於控制開關而產生特定的輸出電壓或電流的裝置、以及將本設備連接到各種負載的外部輸入和輸出的終端。用於產生低於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout(Vout/Vin<1)的標準電路被稱為降壓(buck)轉換器，而產生高於輸入電壓的輸出電壓(Vout/Vin>1)的標準電路被稱為升壓(boost)轉換器。通常用來描述降壓變換的基本電路是開關LC濾波器(圖1)。負載可以視為是一個電阻，改變其電阻從而實現流過其電阻的設定電流。實際上，這是具備並聯的電容和電阻的LCR低通濾波器。當開關接通時，LC電路開始吸收能量，而電流開始流過電感。當開關斷開時，電流流過，電感試圖維持電流i(t)，並產生以下等式(1)的反向電壓v(t)。
如果在相當短的時間增量dt內產生電流的增量di，則所產生的反向電壓會非常高，這可能損害或破壞開關元件SW1。因此，需要提供一個接地的路徑，使電流可以繼續流動。可以用二極體來實現該路徑，其作為一個單向閥地動作，在電感試圖從開關元件SW1匯出電流時自動斷 開(參見圖2)。因為二極體自動地與功率電晶體(例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))的開關同步，所以被稱為非同步降壓轉換器。此種轉換器不需要主動進行同步。這種類型的電路存在一個可能的問題，即在開關元件SW1斷開和二極體啟動時，需要達到並保持二極體的導通電壓。這意味著，由於電流流過，因此在二極體的兩端總會存在約0.6v的電壓降，由此會產生功率損耗。這可以透過同步轉換器的設計來改進，即由第二開關SW2取代二極體(參見圖3)，而控制器主動地使兩個開關的動作同步，使得它們不會在同一時刻接通。
必須確保同步設計下的MOSFET的導通和斷開之間的延遲不會造成擊穿。雖然可以對兩個單獨的脈衝設置一個延遲，但更好的解決方案是只需要設置單一的PWM通道而自動地獲得第二信號。一種簡單的方法可以是如圖3所示那樣，透過數位緩衝器(或反向器)向施加於開關SW1和SW2的開關信號引入時間延遲。典型的閘具有2~10ns傳播延遲，但例如複雜可程式設計邏輯裝置(CPLD)或現場可程式設計閘陣列(FPGA)的可程式設計邏輯裝置能夠被程式設計為各種傳播延遲。圖4演示了產生一對信號S’和！S&&！S”所需的信號處理，只輸入脈衝寬度調變信號S、以及時間延遲tdelay，就能根據所要求的時間延遲間距使開關SW1、SW2對應地進行開關。其中，S’(t)=S(t+tdelay)，並且S”(t)=S(t+2×tdelay)。在圖4中，假設在開關信號為高態，開關“閉合(closed)”即 導通，在開關信號為低態時，開關“斷開(open)”即非導通。在圖4中，S是輸入PWM輸入信號。S’是延遲了tdelay後的輸入信號S。S”是延遲了2×tdelay後的S’，！S是輸入信號S的反向，！S”是信號S”的反向，！S&&！S”是！S和！S”的邏輯AND。
在決定同步或非同步時，重要的是考慮由於開關動作(例如，能量需要從MOSFET的閘極移動電荷進出)產生的效率損失和由於二極體的傳導產生的效率損失。同步轉換器往往具有高變換比的優點。因為需要額外的開關來提供兩用的降壓器或升壓器，所以它們也是產生分段PI雙向轉換器(split-pi-bidirectional converter)的基礎建構模組。
在斷開(off)狀態下，升壓轉換器透過圖5中的第二開關元件SW2，將電源電壓直接施加到負載。透過斷開開關元件SW2並接通開關元件SW1，而開始對負載進行增壓的過程(圖6)。由於在電感L1上產生附加的電壓降，流過電感L1的電流會隨著時間而增加(參見等式(2))。
當電路恢復為“斷開(OFF)”狀態時，電感會通過提高與電流變化成正比的電壓降來保持相同的電流(參見等式(3))。
在“斷開(OFF)”狀態下，開關元件SW2閉合(closed)，從而該增壓後的電壓被傳輸到輸出電容。該輸出電容器提供濾波；對輸入電壓和電感的電壓尖峰進行平均。
在以下論文中記載了用於完整實施霍尼韋爾(Honeywell)的150nm SOI抗輻射加固工藝的堆疊式(stacked)MOSFET的N溝道MOSFET(NMOS)、P溝道MOS(PMOS)、以及推挽互補金屬氧化物半導體(CMOS)的拓撲結構(Jennifer E等人所著，“用於納米尺度CMOS技術的高電壓開關電路”原稿，2007年4月30日)，在此作為參考而引用。堆疊式MOSFET是高電壓開關電路。在輸入信號為低電壓時，使MOSFET裝置的堆疊(stack)中的第一個MOSFET裝置接通(turn on)，由於藉由寄生和插入的電容產生的電荷注入，整個裝置的堆疊接通。電壓分流同時產生靜態和動態的電壓平衡，防止電路中的任意一個裝置超過額定工作電壓。說明了用於實現這些拓撲結構的設計等式。針對霍尼韋爾150nm工藝中實現的5個裝置堆疊的類比確認了輸出信號的靜態和動態電壓平衡。所類比的堆疊顯示對額定工作電壓進行了五次處理。
例如在R.J.Baker和B.P.Johnson所著之“用於高速儀器的堆疊功率MOSFET(Stacking Power MOSFETs for Use in High Speed Instrumentation)”，Rev.Sci.Instrum.，63卷，12號，1992年12月，第799~801頁中，說明了用於堆疊功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的可靠電路配置實例，作為參考進行引用。由此產生的電路具有N倍大於單個功率MOSFET的耐壓，其中N是所採用的功率MOSFET的個數。實現了以下的功能，即在與單個裝置幾乎相同的時間內，能夠對50歐姆的負載切換更高的電壓，從而切換更大的功率。為了選擇功率MOSFET而提出了設計思路。使用該設計方法，設計了SO 50歐姆、2ns升壓時間以及微小抖動的1.4千伏脈衝發生器。
另一個電壓變換電路的配置是基於積體閘極換流閘流體(IGCT)。如果轉換器的額定功率不超過5~6MVA，則一個封裝中的10kV IGCT和快速二極體的積體電路是電壓範圍6kV~7.2kV的中壓轉換器的有效解決方案(參見Sven Tschirley等，“10kV IGCT的設計和反向導通特性(Design and Characteristics of Reverse Conducting 10-kV-IGCTs)”，第三十九屆年度電力電子專家會議，第92~98頁，2008年)，在此作為參考而引用。Tschirley等描述了世界第一個反向導通的68mm 10kV IGCT的設計和特性，其透過實驗研究了不同的IGCT和二極體樣本的接通狀態、阻斷(blocking)、開關動作。實驗結果清楚地表明，10kV RC IGCT是用於6~7.2kV中壓轉換器的一個有吸引力的功率半導體。
高體積能量密度、高工作溫度、低等效串聯電阻(ESR)、壽命長的電容器是脈衝電力、汽車和工業電子的關鍵部件。電容器中的介電材料的物理特性是電容器性能的主要決定因素。因此，對電容器中的介質材料的一個或多個物理性能的改進能夠改善電容器元件的相應性能，通常會改善所嵌入的電子系統或成品的性能和壽命。由於電容器的電介質的改進能夠直接影響產品的尺寸、產品的可靠性和生產效率，因此這樣的改進具有很高的價值。
與電池相比，電容器能夠以很高的功率密度即充放電率來儲存能量，具有長保質期而很少退化，能夠充放電(迴圈)成千上萬或數百萬次。然而，電容器通常不能以電池那樣小的體積或那樣輕的重量儲存能量、或以低儲能成本儲存能量，使得電容器不能用於例如電動汽車的應用。因此，需要儲能技術的改進，而提供具有較高容量和較高質量儲能密度而成本更低的電容器。
本發明透過將具有一個或多個meta-電容器(將在下面進一步說明)和與電容式儲能裝置的終端連接的具有一個或多個開關型電壓轉換器的直流電壓轉換裝置結合起來，能夠解決現有的充電電能儲存技術的問題。與傳統的雙電層電容器或超級電容器相比，meta-電容器具有更大的儲能能力。直流電壓轉換裝置在充電和放電過程中調節電容式儲能裝置的電壓。
在此，meta-電容器是電介膜電容器，該電介膜是meta-電介質，配置在第一電極和第二電極之間。在一個實施例中，所述電極是平面和平坦的，且彼此平行。在另一實施例中，該meta-電容器包括兩個彼此平行的筒狀金屬電極。進而，meta-電介質材料由Sharp聚合物和/或Furuta聚合物構成。
本發明提供一種儲能單元，包括具有一個或多個meta-電容器的電容式儲能裝置，以及具有一個或多個開關型電壓轉換器的直流電壓轉換裝置。電容式儲能裝置的電源埠(由正終端和負終端、或陽極和陰極構成)與直流電壓轉換裝置上的電容器側電源埠連接。直流電壓轉換裝置具有一個或多個其他電源埠，能夠與外部電路介接。電源埠用於向單元傳送與本說明書相符的電流和電壓之電源。埠中的每個終端都是導電介面。每個單元可以包括監視和/或控制直流電壓轉換裝置的參數諸如電壓、電流、溫度、其它重要方面的參數的裝置。
本發明之一層面中，電容儲能模組可以包括一個或多個單獨的電容式儲能單元、由互連系統構成的一個或多個電源匯流排，其中，電源匯流排並聯或串聯地連接單獨的儲能單元的電源埠而成為由電容式儲能模組的公共陽極和公共陰極構成的公共的模組電源埠。該模組可以具有附加的感測器來監測互連系統的溫度、模組功率、電壓和電流，並且可以包括通信匯流排和/或通信匯流排協定轉換器，而傳輸這些感測器值以及來自個別單元的值。
本發明另一層面，電容式儲能系統可以包括一個或多個上述的電容式儲能模組、互連系統、以及系統控制電腦，用於監視、處理和控制上述的通信匯流排上的所有值。
對於本領域習知技術者而言，本發明的其他層面和優點可以根據以下的說明而彰顯，其中本發明揭示僅用於顯示說明本發明的實施例。在不脫離本發明的主要範圍內，本發明能夠進行其他不同實施例的改良，以及不同型式的細節修改。因此，所附圖式和說明只是用於顯示說明，而不是限定本發明。
合併參考
在本案說明書中提及的所有出版物、專利和專利申請案合併於此作為參考，其參考的內容相同於每個個別出版物，專利或專利申請被具體和個別地合併作為參考。
1‧‧‧電容式儲能單元
2‧‧‧電容式儲能裝置
3‧‧‧直流電壓轉換裝置/直流電壓轉換器
4‧‧‧控制板
5‧‧‧通信介面
20‧‧‧meta-電容器
21‧‧‧第一電極
22‧‧‧第二電極
23‧‧‧meta-介電層
30‧‧‧冷卻機構
32‧‧‧換熱器
40‧‧‧儲能模組
42‧‧‧參數匯流排
44‧‧‧功率計
46‧‧‧網路化控制節點
48‧‧‧資料匯流排
50‧‧‧電壓控制邏輯電路
52‧‧‧開關控制邏輯電路
54‧‧‧網路介面
60‧‧‧電容式儲能系統
62‧‧‧系統電源匯流排
66‧‧‧系統控制器
68‧‧‧系統資料匯流排
70‧‧‧開關控制邏輯
72‧‧‧電壓控制邏輯
74‧‧‧系統網路介面
90‧‧‧閉迴路控制處理
100‧‧‧開關型電壓轉換器
101‧‧‧電源埠
102‧‧‧互連系統
103‧‧‧控制網路
104‧‧‧控制介面
Cin‧‧‧輸入電容
Cout‧‧‧輸出電容
L‧‧‧電感
PSW‧‧‧電源開關
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
SW3‧‧‧第三開關
SW4‧‧‧第四開關
圖1示意性地示出基於切換LC濾波器的降壓(Buck)轉換裝置。
圖2示意性地示出非同步降壓轉換裝置。
圖3示意性地示出同步降壓轉換裝置。
圖4表示出以所需的時間延遲間隔產生一對信號所需的信號處理。
圖5示意性地示出“導通(ON)狀態”的升壓轉換 器。
圖6示意性地示出“斷開(OFF)狀態”的升壓轉換器。
圖7A表示包含與雙端埠連接的單一電容式元件的電容式儲能裝置。
圖7B表示包含與雙端埠連接的多個元件的電容式儲能裝置的另一組態。
圖7C表示包含與雙端埠連接的多個元件的電容式儲能裝置的另一組態。
圖7D表示包含與雙端埠連接的多個元件的電容式儲能裝置的另一組態。
圖8A示意地表示實現標準升壓電路的開關型電壓轉換器。
圖8B示意地表示實現標準降壓電路的開關型電壓轉換器。
圖8C示意地表示實現標準反向升壓/降壓電路的開關型電壓轉換器。
圖8D示意地表示實現標準非反向雙向升壓/降壓電路的開關型電壓轉換器。
圖9A示意地表示具有兩個電源埠、用於對meta-電容器進行充電的獨立的一個或多個升壓轉換器和一個或多個降壓轉換器、用於放電meta-電容器的獨立的一個或多個升壓轉換器和一個或多個降壓轉換器的直流電壓轉換裝置。
圖9B示意地表示具有兩個電源埠、用於對meta-電容器進行充電的一個或多個降壓轉換器、用於放電meta-電容器的一個或多個升壓降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9C示意地表示具有兩個電源埠、用於充電的一個或多個升壓轉換器、用於放電的一個或多個降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9D示意地表示具有兩個電源埠、用於充電meta-電容器的一個或多個升壓/降壓轉換器、用於放電meta-電容器的一個或多個升壓/降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9E示意地表示具有兩個電源埠、用於充電和放電meta-電容器的一個或多個雙向升壓/降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9F示意地表示具有三個電源埠、用於充電meta-電容器的獨立的一個或多個升壓轉換器和一個或多個降壓轉換器、用於放電meta-電容器的獨立的一個或多個升壓轉換器和一個或多個降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9G示意地表示具有三個電源埠、用於充電meta-電容器的一個或多個降壓轉換器、用於放電meta-電容器的一個或多個升壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9H示意地表示具有三個電源埠、用於充電meta-電容器的一個或多個升壓/降壓轉換器、用於放電meta-電 容器的一個或多個升壓/降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖9I示意地表示具有三個電源埠、用於充電和放電meta-電容器的一個或多個雙向升壓/降壓轉換器的另一種直流電壓轉換裝置。
圖10示意地表示本發明的一個方面的儲能單元。
圖10A示意地表示具有平坦和平面狀的電極的所述電容器。
圖10B示意地表示具有捲筒狀(圓形)的電極的所述電容器
圖11示意地表示本發明另一層面的儲能單元。
圖12示意地表示本發明另一層面的儲能單元。
圖13A表示本發明一層面的向轉換器輸入的固定電壓V_i(t)，和在充電時作為從降壓向升壓的轉換器轉換的電容式儲能裝置上的電壓V_c(t)。
圖13B表示本發明一層面的從轉換器的輸出側取得的固定電壓V_o(t)，和在放電時作為從降壓向升壓的轉換器轉換的電容式儲能裝置上的電壓V_c(t)。
圖14A表示本發明一層面的向轉換器輸入的固定電壓V_i(t)和在充電時當Vmin,op=V_i(t)時電容式儲能裝置上的電壓V_c(t)。
圖14B表示本發明一層面的從轉換器的輸出側取得的固定電壓V_o(t)，和在放電時當Vmin,op=V_i(t)時電容式儲能裝置上的電壓V_c(t)。
圖15A表示本發明一層面的一個範例，其能夠在開關型電壓轉換器中實現、並且能夠用於儲能單元中的直流電壓轉換裝置的單開關升壓降壓轉換器。
圖15B表示本發明一層面的一個範例，其能夠在開關型電壓轉換器中實現、並且能夠用於儲能單元中的直流電壓轉換裝置的四開關升壓降壓轉換器。
圖16表示本發明另一層面的具有兩個或多個網路化儲能單元的電容式儲能模組範例。
圖17表示本發明另一層面的具有兩個或多個網路化儲能模組的電容式儲能系統範例。
在此說明和描述的本發明各種實施例，對於本技術領域習知技術者來說，這些實施例明顯只用於示範。在不脫離本發明的情況下，本技術領域習知技術者能夠進行各種變形、修改和替換。應理解的是，本發明所述的不同實施例的各種替代方案。
本發明提供一種包括至少一個電容式儲能裝置和直流電壓轉換裝置的儲能單元。圖10示意地表示電容式儲能單元1，其包括具備一個或多個meta-電容器20和直流電壓轉換裝置3的電容儲能裝置2，該直流電壓轉換裝置3由一個或多個開關型電壓轉換器100例如降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器、雙向降壓/升壓(分段PI：split-pi)轉換器、uk轉換器、SEPIC轉換器、反向降壓 /升壓轉換器、或四開關降壓/升壓轉換器構成。
這裡使用的meta-電容器是一種電容器，其包括電介質膜，該電介質膜是設置在第一電極和第二電極之間的meta-介電材料。在一個實施例中，所述電極是平面和平坦的，且彼此平行(參見圖10A)。在另一實施例中，該meta-電容包括兩個彼此平行的筒狀金屬電極(參見圖10B)。
在一個實施例中，所述電極是平面和平坦的，如圖10A所示。在這個例子中，meta-電容器包括第一電極21、第二電極22、以及設置在所述第一和第二電極之間的meta-介電層23。電極21和22可以由金屬，如銅、鋅、或鋁、或其它導電材料製成，並且一般呈平面狀。
所述電極21、22可以是平坦和平面的，並且彼此平行。或者，電極可以是平面和平行的，但不一定平坦，例如，它們可以是盤繞、捲成筒狀、彎曲、折疊、或其他形狀，以減少電容器的整體形狀因數。電極也可以是非平坦的、非平面的、或非平行的、或其兩個或多個的組合。在此舉例而不是限定的方式，電極21、22之間能夠與複合電介質膜層23的厚度對應的間距d的範圍為從大約100nm到大約10000μm。如以下的等式(4)，電極21、22之間的最大電壓Vbd大約為擊穿電場與電極間距d的乘積。
Vbd=Ebdd (4)
例如，如果Ebd=0.1V/nm，電極21、22之間的間距 d為10000微米(100000nm)，則最大電壓Vbd是100000伏。
電極21，22可以具有彼此相同的形狀、相同的尺寸、以及相同的面積A。藉由舉例的方式而不是限定，每個電極21、22的面積A可以為約0.01平方米到約1000平方米。藉由舉例方式而不是限定，對於筒狀電容器，電極可以達到例如1000米長、1米寬。
這些範圍是非限定性的。電極間距d和面積A的其它範圍也處於本發明的範疇內。
如果間距d比電極的特性線性尺寸(例如，長度和/或寬度)小，則電容器的電容C可以用以下公式近似：C=κεoA/d, (5)其中，εo是自由空間的介電常數(8.85×10-12庫2/(牛頓．米2))，κ是介質層的介電常數。電容器的儲能容量U可以近似為：U=½ CVbd 2 (6)
可以用等式(4)和(5)重寫為：U=½ κεoAEbd 2d (7)
儲能容量U由介電常數κ、面積A、以及擊穿電場Ebd決定。藉由適當的設計，電容器或電容器組可以被設計成任何所需的儲能容量U。列舉一個例子而不是限定，如果對介電常數κ、電極面積A、和擊穿電場Ebd設置該範圍，則本發明的一個方面的電容器能夠具有範圍為約 500焦耳~約2x1016焦耳的儲能容量U。
如果介電常數κ的範圍例如為約100~約1000000，並且固定的擊穿電場Ebd介於例如0.1和0.5V/nm之間，則所述類型的電容器能夠具有範圍為約10W．h/kg~約100000W．h/kg的特定的每單位品質的能量容量，但並不限於此。
在一個實施例中，所述meta-電容器為筒狀的meta-電容器，如圖10B所示。在這個例子中，一個meta-電容器20包括第一電極21、第二電極22、以及設置在該第一和第二電極之間的以上所述類型的meta-介電材料層23。該電極21、22可以由金屬，如銅、鋅、或鋁、或其它導電材料構成，並且大體上呈平面狀。在一個實施例中，電極和meta-介電材料層23形成為材料夾在一起的長條形並與絕緣材料，例如如聚丙烯或聚酯那樣的塑膠薄膜一起繞成筒狀，以防止電極21、22之間的電氣短路。在2015年6月26日申請的美國專利申請案第14/752600號中詳細描述了這種筒狀電容儲能設備的例子，在此納入其全部內容作為參考。
所述meta-介電材料由具有通過聚合物形成的超分子結構的複合分子構成。所述聚合物的例子包括所謂的Sharp聚合物(Sharp polymer)、Furuta-共聚物、所謂的para-Furuta共聚物，在2016年2月12日提交的通常指定的US專利申請號15/043,247(律師案卷號CSI-046)、15/043,186(律師案卷號CSI-019A)、15/043,209(律師 案卷號CSI-019B)中對其進行了詳細說明，在此作為參考引用其全部內容。
Sharp聚合物
Sharp聚合物是一種複合材料，可極化核心處於外殼(envelope)中，該外殼為作為線性或支鏈低聚物而與可極化核心共價鍵合的碳氫化合物(飽和或不飽和)、碳氟化合物、氯碳化合物、矽氧烯、和/或聚乙二醇並且作用使得極化核心相互隔離，有利於核心的離散極化而在極化時在核心中產生有限的損耗或沒有損耗。可極化核心具有超電子(hyperelectronic)或離子類型的極化性。“超電子極化可以被認為是由於外部電場而激子的電荷對的適應性相互作用臨時局限於長的高度極化的分子而產生的”(Roger D.Hartman和Herbert A.Pohl，“高分子固體中的超電子極化(Hyper-electronic Polarization in Macromolecular Solids)”，聚合物學報：A-1部分，卷6，第1135~1152頁(1968))”。能夠通過核心分子碎片的離子部分的有限的流動性來實現。
Sharp聚合物具有以下的一般結構式：
其中，核心是含有萘嵌苯片段的多環共軛分子。該分子具有平面非等軸結構，通過π-π堆疊而自組裝為柱狀超分子。取代基R1使有機化合物溶解於溶劑中。參數n是取代基R1的個數，等於0、1、2、3、4、5、6、7或8。取代基R2是位於終端位置的電阻性取代基，其產生對電流的電阻率，作為線性或支鏈而包括碳氫化合物(飽和或不飽和)、碳氟化合物、矽氧烯、和/或聚乙二醇。取代基R3和R4是位於側(橫)位置(終端和/或彎曲位置(bay position))的取代基，包括直接例如直接鍵合的SP2-SP3碳、或通過連接官能團而與多環共軛分子(核心)連接的離子液體所使用的離子化合物類型的一個或多個離子官能團。參數m是柱狀超分子中的多環共軛芳香族分子的個數，其範圍為從3到100000。
在複合有機化合物的另一個實施例中，多環共軛芳香族分子包括導電的低聚物，如苯、噻吩、或聚並苯奎寧(polyacene quinine)基低聚物、或它們的兩種或兩種以上的組合。在複合有機化合物的另一個實施例中，導電低聚物為phyenlyen、噻吩、或長度範圍為從2到12的取代和/或非取代的聚並苯奎寧基低聚物中的任意一個、或它們的兩個或兩個以上的組合。其中，基於O、S、或NR5、以及R5的環氫的取代基為未取代或取代的C1-C18alkyl、非取代或取代的C2-C18alkenyl、非取代或取代的C2-C18alkynyl、以及未取代或取代的C4-C18aryl。
在一些實施例中，用於複合有機化合物的溶解(R1) 的取代基為CXQ2X+1，其中X1，Q是氫(H)、氟(F)、或氯(Cl)。在複合有機化合物的另一個實施例中，用於複合有機化合物的溶解(R1)的取代基獨立地為烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、支鏈和複合烷基、支鏈和複合氟化烷基、支鏈和複合氯化烷基中的任意一個、它們的任意組合，其中，烷基為甲基、乙基，丙基、丁基、異丁基、和叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、苄基、萘基中的任意一個、或矽氧烯、和/或線性或支鏈的聚乙二醇。
在一些實施例中，複合有機化合物的至少一個電阻性取代基(R2)為CXQ2X+1，其中X1，Q是氫(H)、氟(F)、或氯(Cl)。在複合有機化合物的另一個實施例中，至少一個電阻性取代基(R2)為-(CH2)n-CH3、-CH((CH--2)-nCH3)2)(其中n1)、烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、支鏈烷基，支鏈芳基中的任意一個、它們的任意組合，其中烷基為甲基、乙基、丙基、丁基、異丁基、叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、苄基、萘基的任意一個。
在一些實施例中，取代基R1和R2通過至少一個連接官能團連接到芳香族多環共軛分子(核心)。至少一個連接官能團可以為醚、胺、酯、醯胺、取代醯胺、烯基、炔基、磺醯、磺酸鈉、磺醯胺、取代磺醯胺中的任意一個。
在一些實施例中，取代基R3和/或R4可以通過至少 一個連接官能團連接到多環共軛芳香族分子(核心)。至少一個連接官能團可以為CH2、CF2、SiR2O、CH2CH2O中的任意一個，其中R為H、烷基、氟。在複合有機化合物的另一個實施例中，一個或多個離子官能團為陽離子的[NR4]+、[PR4]+、作為陰離子的[-CO2]-、[-SO3]-、[-SR5]-、[-PO3R]-、[-PR5]-中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。
本發明提供一種複合有機化合物類型的sharp-聚合物。在複合有機化合物的一個實施例中，芳香族多環共軛分子(核心)包括萘嵌苯片段。在複合有機化合物的另一個實施例中，該片段為表1所示的結構1~21中的一個。
在複合有機化合物的另一個實施例中，芳香族多環共軛分子包括導電的低聚物，如苯、噻吩、或多並苯奎寧基低聚物(polyacene quinine radical oligomer)、或兩個或兩個以上的組合。在複合有機化合物的另一個實施例中，導電低聚物是表2所示的結構22~30中的一個，其中，I=2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12，Z=O、=S、或=NR5，R5是非取代或取代的C1-C18烷基、非取代或取代的C2-C18烯基、非取代或取代的C2-C18炔基、非取代或取代的C4-C18芳基中的任意一個。
在一些實施例中，用於複合有機化合物的溶解(R1)的取代基為CXQ2X+1，其中X1，Q是氫(H)、氟(F)、或氯(Cl)。在複合有機化合物的另一個實施例中，用於複合有機化合物的溶解(R1)的取代基獨立地為 烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、支鏈和複合烷基、支鏈和複合氟化烷基、支鏈和複合氯化烷基中的任意一個、它們的任意組合，其中，烷基為甲基、乙基，丙基、丁基、異丁基、和叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、苄基、萘基中的任意一個、或矽氧烯、和/或線性或支鏈的聚乙二醇。
在複合有機化合物的一個實施例中，溶劑為苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙酸、甲乙酮、烴、氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、苯、醇、硝基甲烷、乙腈、二甲基甲醯胺、1,4-二氧六環、四氫呋喃(THF)、甲基環己烷(MCH)中的任意一個、以及它們的任意組合。
在一些實施例中，複合有機化合物的至少一個電阻性取代基(R2)為CXQ2X+1，其中X1，Q是氫(H)、氟(F)、或氯(Cl)。在複合有機化合物的另一個實施例中，至少一個電阻性取代基(R2)為-(CH2)n-CH3、-CH((CH--2)-nCH3)2)(其中n1)、烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、支鏈烷基，支鏈芳基中的任意一個、它們的任意組合，其中烷基為甲基、乙基、丙基、丁基、異丁基、叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、苄基、萘基中的任意一個。
在一些實施例中，至少一個電阻性取代基(R2)為烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、支鏈和複合烷基、支鏈和複合氟化烷基、支鏈和複合氯化烷基中的任意一個、它們的任意組合，其中烷基為甲基、 乙基、丙基、丁基、異丁基和叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、苄基、萘基中的任意一個、或矽氧烯、和/或線性或支鏈的聚乙二醇。
在一些實施例中，取代基R1和/或R2通過至少一個連接官能團連接到芳香族多環共軛分子(核心)。至少一個連接官能團可以為表3所示的結構31~41給出的以下結構，其中W為氫(H)或烷基。
在本發明的另一個實施方式中，取代基R3和/或R4可以通過至少一個連接官能團連接到芳香族多環共軛分子(核心)。至少一個連接官能團可以為CH2、CF2、SiR2O、CH2CH2O中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。在複合有機化合物的另一個實施例中，一個或多個離子官能團包括陽離子的[NR4]+、[PR4]+、作為陰離子的[-CO2]-、[-SO3]-、[-SR5]-、[-PO3R]-、[-PR5]-中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。
sharp聚合物具有超電子(hyperelectronic)或離子類型的極化性。超電子極化可以被認為是由於外部電場而激子的電荷對的適應性相互作用臨時局限於長的高度極化的分子而產生的。離子類型的極化能夠通過栓定/部分固定的離子液體或雙性離子(Q)的離子部分的有限的移動性 來實現。進而，在本發明的各個方面中，可以獨立使用、或與超電子和離子極化結合地使用其他極化機制，如偶極極化、具有金屬導電性單體和聚合物。
為了能夠更好地理解本發明有關sharp聚合物，以下列舉例子來說明，但並不限定本發明的範圍。
例子1：
本例子基於以下的結構方案說明sharp聚合物的一個類型的合成：
在這個例子中合成的過程可以理解為以下五個步驟。
(a)第一步驟：
在500mL的具有碰撞保護器的原地燒瓶中混合酸酐(Anhydride)1(60g，0.15mol，1.0當量)、胺2(114.4g，0.34mol，2.2當量)、以及咪唑(686g，10.2mol，2的30當量)。對混合物進行排氣三次，在160℃下攪拌3小時，在180℃下攪拌3小時，然後冷卻到室溫。粉碎反應混合物並放入水(1000毫升)中攪拌。收集沉澱物過濾，用水(2×500毫升)、甲醇(2×300毫升)洗滌，高真空乾燥。對希望成品3的77.2g(48.7%)進行快速層析柱純化(CH2Cl2/乙炔=1/1)而成為橙色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 8.65-8.59(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(CH2Cl2/hexane=1/1)。
(b)第二步驟：
向溶於二氯乙烷(1500mL)的二醯亞胺(30.0g，29.0mmol，1.0當量)的溶液添加溴(312.0g，1.95mmol，67.3當量)。針對結果混合物，在80℃下攪拌36小時，冷卻，用10%的NaOH(水溶液，2×1000mL)、水(100mL)洗滌，通過Na2SO4乾燥，過濾和濃縮。對粗成品通過快速層析柱(CH2Cl2/乙炔=1/1)純化而得到34.0g(98.2%)的希望成品4而成為紅色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 9.52(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(CH2Cl2/hexanes=1/1)。
(c)第三步驟：
向溶於三乙胺(84.0mL)的二溴化物4(2.0g， 1.68mmol，1.0當量)的溶液添加CuI(9.0mg，0.048mmol，2.8mol%)、(trimethylsilyl)acetylene(84.49g，5.0mmol，3.0當量)。對混合物排氣三次，在90℃下攪拌24小時，冷卻，通過矽藻土片，進行濃縮。對粗成品通過快速層析柱(CH2Cl2/乙炔=1/1)純化而得到1.8g(87.2%)的希望成品5而成為暗紅色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 10.24-10.19(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(CH2Cl2/hexane=1/1)。
(d)第四步驟：
向溶於MeOH/DCM(40.0mL/40.0mL)混合物的二醯亞胺5(1.8g，1.5mmol，1.0當量)的溶液添加K2CO3(0.81g，6.0mmol，4.0當量)。對混合物在室溫下攪拌1.5小時，用DCM(40.0mL)稀釋，用水洗滌，通過Na2SO4乾燥，過濾和濃縮。對粗成品通過快速層析柱(CH2Cl2)純化而得到1.4g(86.1%)的希望成品6而成為 暗紅色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 10.04-10.00(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(CH2Cl2)。
(e)第五步驟：
向溶於CCl4/CH3CN/H2O(6mL/6mL/12mL)混合物的炔烴6(1.4g，1.3mmol，1.0當量)的懸濁液添加高碘酸(2.94g，12.9mmol，10.0當量)、RuCl3(28.0mg，0.13mmol，10mol%)。對混合物在室溫下攪拌4小時，用DCM(50mL)稀釋，用水、鹽水洗滌，通過Na2SO4乾燥，過濾和濃縮。對粗成品通過快速層析柱(10%MeOH/CH2Cl2)純化而得到1.0g(68.5%)的希望成品7而成為暗紅色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 8.90-8.40(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/CH2Cl2)。
例子2：
本例子基於以下的結構方案說明sharp聚合物的合成：
在這個例子中合成的過程可以理解為以下五個步驟。
(a)第一步驟：
向溶於甲醇(400mL)的甲酮(37.0g，0.11mmol，1.0當量)的溶液部分地添加醋酸銨(85.3g，1.11mol，10.0當量)、NaCNBH3(28.5g,0.44mol,4.0當量)。將 混合物回流攪拌6小時，冷卻到室溫並濃縮。向殘渣添加NaHCO3(500mL)，在室溫下攪拌混合物1小時。採集沉澱物並過濾，用水(4×100mL)洗滌，高真空地乾燥而得到33.6(87%)的胺2而為白色固體。
(b)第二步驟：
在具有旋轉碰撞保護器的250mL圓底燒瓶中充分混合胺2(20.0g，58.7mmol，2.2當量)、3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐(10.5g，26.7mmol，1.0當量)、以及咪唑(54.6g，0.80mmol，二元胺的30當量)。對混合物進行排氣(充滿N2的真空)三次，在160℃下攪拌6小時。在冷卻到室溫後，粉碎反應混合物並放入水(700mL)中攪拌1小時，用過濾紙過濾，用水(3×300mL)和甲醇(3×300mL)洗滌並收集沉澱物，高真空乾燥，而得到23.1g(83.5%)的聯脒3為桔色固體。通過快速層析柱(DCM/乙炔=1/1)得到純聯脒3(20.6g)。
(c)第三步驟：
小心地向DCE(2.0L)添加化合物3(52.0g，50.2mmol，1.0當量)、醋酸(500mL)、以及發煙硝酸(351.0g，5.0mol，100.當量)。向混合物添加硝酸鈰銨(137.0g，0.25mol，5.0當量)。在60℃下對反應物攪拌48小時。在冷卻到室溫後，粉碎反應混合物並放入水(1.0L)中。用水(2×1.0L)、飽和NaHCO3溶液(1×1.0L)、以及鹽水(1×1.0L)洗滌有機相，通過硫酸鈉乾燥，過濾並濃縮。對殘渣通過快速層析柱純化而得到46.7g(82%)的合成物4而成為暗紅色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 0.84(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)第四步驟：
在室溫下對EtOAc(125.0mL)中的合成物4(24g，22.2mmol，1.0當量)和Pd/C(2.5g，0.1當量)的混合物攪拌1小時。對固體進行過濾(矽藻土)並用EtOAc(5mL×2)進行洗滌。對濾液進行濃縮而得到化合物5(23.3g，99%)而為深藍色固體。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ 0.84(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)。
Furuta聚合物
Furuta-共聚物和para-Furuta聚合物(除非特別指出，則將其統稱為Furuta-聚合物)是具有隔離的尾部(tails)的聚合物化合物，並具有連接/栓定/部分固定(linked/tethered/partially immobilized)的極化離子官能團。隔離的尾部為共價鍵合到聚合物中的骨架上的線性或支鏈的烴(飽和或不飽和)、氟碳化合物、矽氧烷、和/或聚乙二醇。該尾部用於將可極化的連接/栓定/部分固定的離子分子組分或離子對從位於同一或平行的共聚物上的 其他離子官能團和離子官能團對隔離，而有利於反離子液體對或反Q官能團的離散極化(即連接/栓定/部分固定到平行的Furuta聚合物的陽離子液體和陰離子液體的極化)，而只產生有限的或沒有部分地固定到同一或平行的共聚物鏈上的其他反離子官能團對的離子場的相互作用、或極化時刻。進而，在隔離的尾部將超分子結構的Furuta-聚合物相互電隔離。平行的Furuta聚合物可能排列或被排列得反離子官能團(即陽離子和陰離子型的栓定/部分固定(tethered/partially immobilized)的離子官能團(Qs)(有時稱為陽離子Furuta聚合物和陰離子Furuta聚合物))相互相對地對齊。
Furuta共聚物
Furuta共聚物具有以下的一般結構式：
共聚物的骨架結構包括第一類型P1的結構單元、第二類型P2的結構單元，它們都隨機地重複，並且獨立地為丙烯酸、甲基丙烯酸酯、聚丙烯(-[CH2-CH(CH3)]-)的重複單元、聚乙烯(-[CH2]-)的重複單元、矽氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯(有時寫作poly(ethylene terephthalate))的重複單元中的任意一個，重複單元可以表示為-CH2-CH2-O-CO-C6H4-CO-O-。n是在骨架結構中的P1結構單元的個數，其範圍為3~100000，m是骨架結構中的P2結構單元的個數，其範圍為3~100000。
進而，第一類型的結構單元(P1)具有電阻性取代基尾部，其是具有不小於2eV的HOMO-LUMO能隙的聚合物材料的低聚物。第二類型的結構單元(P2)具有通過連接官能團L與P2連接的離子官能團Q。參數j是連接到連接官能團L的Q官能團的個數，其範圍可以為0~5。離子官能團Q包含一個或多個離子液體離子(離子液體所使用的離子化合物的類型)、兩性離子，或聚合酸。進而，離子Q官能團的能量相互作用可以小於kT，其中k是玻爾茲曼常數，T是環境溫度。進而，參數B是作為分子的反離子、或分子、或低聚物，其可以提供相反電荷以平衡共聚物的電荷。其中，s是反離子的個數。
本發明提供了一種具有該結構的有機共聚合化合物。在有機共聚合化合物的一個實施例中，其電阻性取代基尾部獨立地為聚丙烯(PP)的低聚物、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的低聚物、聚苯硫醚(PPS)的低聚物、聚萘 二甲酸乙二醇酯(PEN)的低聚物、聚碳酸酯(PP)的低聚物、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯(PTFE)的低聚物中的任意一個。在有機共聚合化合物的另一個實施例中，電阻性取代基尾部是烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、分支和複合烷基、分支和複合氟化烷基、分支和複合氯化烷基中的任意一個、以及它們的任意組合，其中，烷基為甲基、乙基、丙基、丁基、異丁基和叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、萘基、苄基中的任意一個。可以在聚合後加入電阻取代基尾部。
在本發明的另一個方面，理想的是HOMO-LUMO能隙不小於4eV。在本發明的另一個方面，更理想的是HOMO-LUMO能隙不小於5eV。離子官能團Q包含一個或多個離子液體中所使用的離子化合物類的離子液體離子、兩性離子，或聚合酸。離散P2結構單元中的Q官能團離子之間的相互作用的能量可以小於kT，其中k為玻爾茲曼常數，T為環境溫度。環境溫度可以為-60℃和150℃之間的範圍，溫度範圍理想的是-40℃和100℃之間。離子的能量相互作用依存於離子的有效半徑。因此，通過增加離子之間的空間位阻，能夠減少離子相互作用的能量。在本發明的一個實施例中，至少一種離子液體離子為作為陽離子的[NR4]+、[PR4]+、作為陰離子的[-CO2]-、[-SO3]-、[-SR5]-、[-PO3R]-、[-PR5]-中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。官能團Q可以在聚合前或後被充電。在本發明的另一個實施例中，連接官能團L 為表4中給出的結構1~6的低聚物。
在本發明的另一個實施例中，連接官能團L為表5中給出的結構7~16。
在本發明的另一個實施方式中，連接官能團L可以為CH2、CF2、SiR2O、和CH2CH2O中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。可以在聚合後加入離子官能團Q和連接官能團L。
另一方面，本發明提供一種介電材料(有時稱為meta-介電材料)，其包含一個或多個Furuta聚合物類型，其包含兩性離子、陽離子、陰離子的被保護或位阻大的離子，或以上所述的聚合酸類。meta-介電材料可以是兩性離子型Furuta聚合物、或帶正電荷(陽離子)Furuta聚合物與帶負電荷(陰離子)Furuta聚合物、聚合酸Furuta聚合物的混合物、或其任何組合。通過疏水和離子相互作用，Furuta聚合物的混合物能夠形成或被誘導形成超分子結構。作為一個例子而非限定性的，帶正電荷的Furuta聚合物上的陽離子取代與該帶正電荷的Furuta聚合物平行的帶負電荷的Furuta聚合物的陰離子的反離子B，反之亦然；相鄰的Furuta聚合物的電阻性尾部進而通過范德華力促進堆疊，從而增加離子官能團隔離。同時包含陽離子Furuta聚合物和陰離子Furuta聚合物的meta-介電材料具有1：1比例的陽離子Furuta聚合物和陰離子Furuta 聚合物。
線性或支化的(飽和或不飽和)烴、氟碳化合物、矽氧烷、和/或聚乙二醇作用使得連接/栓定/局部固定(linked/tethered/partially immobilized)的極化離子液體、兩性離子、或聚合酸(離子Q官能團)隔離。尾部通過離子Q官能團的相互作用能量的空間位阻將離子Q官能團從同一或平行的Furuta聚合物上的其他離子Q官能團隔離，這有利於離子Q官能團的離散極化(即栓定/部分固定於平行的Furuta聚合物的陽離子液體和陰離子液體的極化)。此外，尾部使超分子結構的離子官能團相互隔離。平行的Furuta聚合物可能排列或被排列得反離子液體(即陽離子和陰離子型的栓定/部分固定(tethered/partially immobilized)的離子液體(Qs))相互相對地對齊(有時稱為陽離子Furuta聚合物和陰離子Furuta聚合物)。
Furuta聚合物具有Furuta超電子(hyperelectronic)或離子型極化。“超電子極化可以認為是由於激子的電荷對的適應性相互作用，由於外部電場而暫時集中在長、高度極化的分子上”。可通過栓定/部分固定的離子液體的離子部分或兩性離子(Q)的有限流動性來實現離子型極化。此外，在本發明的一個方面，可以單獨地、或與超電子和離子極化一起地，使用其他的極化機制，如偶極極化、具有金屬導電性的單體、聚合物。
此外，meta-介電層可以包含一個或多個類型的兩性 離子Furuta聚合物、和/或陽離子Q+官能團類或陰離子Q-官能團類、和/或聚合酸，具有Fruta聚合物的一般配置：
為了更容易理解本發明有關Furuta-共聚物而參考以下示例，但其目的是為了說明本發明，並不是要限定範圍。
例3：
羧酸共聚物P002。向溶於2.0g異丙醇的1.02g(11.81mmol)的甲基丙烯酸和4.00g(11.81mmol)的甲基丙烯酸十八烷基酯的溶液添加溶於5.0g甲苯的0.030g的2,2’-azobis(2-methylpropionitrile)(AIBN)的溶液。在密封的小瓶中將所得的溶液加熱到80℃，20小時，直到它變得明顯黏性。核磁共振(NMR)顯示剩餘<2%的單體。不進一步進行提純地將該溶液用於膜形成和其他混合物中。
例4：
胺共聚物P011。向溶於2.0g甲苯的2.52g(11.79mmol)的2-(二異丙基氨基)乙基甲基丙烯酸酯和3.00g(11.79mmol)的甲基丙烯酸月桂酯的溶液添加溶於4.0g甲苯的0.030g的2,2’-azobis(2-methylpropionitrile)(AIBN)的溶液。在密封的小瓶中將所得的溶液加熱到80℃，20小時，直到它變得明顯黏性。核磁共振(NMR)顯示剩餘<2%的單體。不進一步進行提純地將該溶液用於膜形成和其他混合物中。
例5：
羧酸共聚物和胺共聚物的混合物。向1.24g的56wt%的P011溶液添加1.50g的42wt%的P002固溶體以及1g的異丙醇，並在40℃下混合30分鐘。不進一步進行提純地使用該溶液。
para-Furuta聚合物
para-Furuta聚合物具有以下的一般結構式的重複單元：
結構單元P具有聚合物的骨架結構，獨立地為丙烯酸、甲基丙烯酸酯、聚丙烯(PP)(-[CH2-CH(CH3)]-)的重複單元、聚乙烯(PE)(-[CH2]-)的重複單元、矽氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯(有時寫作poly(ethylene terephthalate))的重複單元中的任意一個，該重複單元可以表示為-CH2-CH2-O-CO-C6H4-CO-O-。其中，第一類型的重複單元(尾部)是共聚物材料的低聚物形式的電阻性取代基。理想的是電阻性取代基具有不小於2eV的HOMO-LUMO能隙。參數n是骨架P結構單元上的尾部重複單元的個數，其範圍為3~100000，第二類型的重複單元(-L-Q)包括通過連接官能團L與結構骨架單元(P)連接的離子官能團Q，m是骨架P結構中的L-Q-重複單元的個數，其範圍為3~100000。另外，離子官能團Q包含一個或多個離子液體離子(離子液體所使用的離子化合物的類型)、兩性離子，或聚合酸。離子Q官能團的 能量相互作用可以小於kT，其中k是玻爾茲曼常數，T是環境溫度。進而，參數t是para-Furuta聚合物重複單元的平均個數，範圍為6~200000。其中，B是作為分子的反離子、或低聚物，其可以提供相反電荷以平衡共聚物的電荷，s是反離子的個數。
在該有機共聚合化合物的一個實施例中，其電阻性取代基尾部獨立地為聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯(PTFE)中的任意一個。在有機共聚合化合物的另一個實施例中，電阻性取代基尾部是烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、分支和複合烷基、分支和複合氟化烷基、分支和複合氯化烷基中的任意一個、以及它們的任意組合，其中，烷基為甲基、乙基、丙基、丁基、異丁基和叔丁基中的任意一個，芳基為苯基、萘基、苄基中的任意一個。可以在聚合後加入電阻取代基尾部。
在本發明的另一個方面，理想的是HOMO-LUMO能隙不小於4eV。在本發明的另一個方面，更理想的是HOMO-LUMO能隙不小於5eV。離子官能團Q包含一個或多個離子液體中所使用的離子化合物類的離子液體離子、兩性離子，或聚合酸。離散P結構單元中的Q官能團離子之間的相互作用的能量可以小於kT，其中k為玻爾茲曼常數，T為環境溫度。環境溫度可以為-60℃和150 ℃之間的範圍，溫度範圍理想的是-40℃和100℃之間。離子的能量相互作用依存於離子的有效半徑。因此，藉由增加離子之間的空間位阻，能夠減少離子相互作用的能量。在本發明的一個實施例中，至少一種離子液體離子為作為陽離子的[NR4]+、[PR4]+、作為陰離子的[-CO2]-、[-SO3]-、[-SR5]-、[-PO3R]-、[-PR5]-中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。官能團Q可以在聚合前或後被充電。在本發明的另一個實施例中，連接官能團L為表6中給出的結構1~6的低聚物。
在本發明的另一個實施例中，連接官能團L為表7中給出的結構7~16。
在本發明的另一個實施方式中，連接官能團L可以為CH2、CF2、SiR2O、和CH2CH2O中的任意一個，其中R為H、烷基、氟中的任意一個。可以在聚合後加入離子官能團Q和連接官能團L。
另一方面，本發明提供一種介電材料(有時稱為meta-介電材料)，其包含一個或多個para-Furuta聚合物類型，其包含兩性離子、陽離子液體離子、陰離子液體離子的被保護或位阻大的離子，或以上所述的聚合酸類。該meta-介電材料可以是兩性離子型para-Furuta聚合物、或帶正電荷(陽離子)para-Furuta聚合物與帶負電荷(陰離子)para-Furuta聚合物、聚合酸para-Furuta聚合物的混合物、或其任何組合。藉由疏水和離子相互作用，para-Furuta聚合物的混合物能夠形成或被誘導形成超分子結構。作為一個例子而非限定性的，帶正電荷的para-Furuta聚合物上的陽離子取代與該帶正電荷的para-Furuta聚合物平行的帶負電荷的para-Furuta聚合物的陰離子的反離子B，反之亦然；相鄰的para-Furuta聚合物的電阻性尾 部進而藉由范德華力促進堆疊，從而增加離子官能團隔離。同時包含陽離子para-Furuta聚合物和陰離子para-Furuta聚合物的meta-介電材料具有1：1比例的陽離子para-Furuta聚合物和陰離子para-Furuta聚合物。
線性或支化的(飽和或不飽和)烴、氟碳化合物、矽氧烷、和/或聚乙二醇作用使得連接/栓定/局部固定(linked/tethered/partially immobilized)的極化離子液體、兩性離子、或聚合酸(離子Q官能團)隔離。尾部藉由離子Q官能團的相互作用能量的空間位阻將離子Q官能團從同一或平行的para-Furuta聚合物上的其他離子Q官能團隔離，這有利於離子Q官能團的離散極化(即栓定/部分固定於平行的para-Furuta聚合物的陽離子液體和陰離子液體的極化)。此外，尾部使超分子結構的離子官能團相互隔離。平行的para-Furuta聚合物可能排列或被排列得反離子液體(即陽離子和陰離子型的栓定/部分固定(tethered/partially immobilized)的離子液體(Qs))相互相對地對齊(有時稱為陽離子para-Furuta聚合物和陰離子para-Furuta聚合物)。
para-Furuta聚合物具有Furuta超電子(hyperelectronic)或離子型極化。“超電子極化可以認為是由於激子的電荷對的適應性相互作用，由於外部電場而暫時集中在長、高度極化的分子上”。可藉由栓定/部分固定的離子液體的離子部分或兩性離子(Q)的有限流動性來實現離子型極化。此外，在本發明的一個方面，可以 單獨地、或與超電子和離子極化一起地，使用其他的極化機制，如偶極極化、具有金屬導電性的單體、聚合物。
此外，meta-介電層可以包含一個或多個類型的兩性離子para-Furuta聚合物、和/或陽離子Q官能團類或陰離子Q官能團類、和/或聚合酸，具有para-Fruta聚合物的一般配置：
meta-電介質在這裡被定義為一種介電材料，其由相對介電常數大於或等於1000、並且電阻率大於或等於1013歐姆/釐米的一種或多種結構的聚合物材料(SPMs)構成。特別地，meta-電介質中的SPM能夠藉由π-π相互作用或親水性和疏水性相互作用形成柱狀超分子結構。所述SPM的超分子能夠形成meta-介電材料的晶體結構。藉由在介質材料中使用SPM，極化單元能夠提供高介電性的分子材料。存在幾種極化機制，如偶極極化、離子極化、分子的超電子極化、具有金屬導電性的單體和聚合物。在 本發明的各方面中，可以利用具有所列出的極化類型的所有極化單元。此外，SPM是複合材料，包含絕緣取代基電的外殼，而將電介層中的超分子相互隔離，並提供儲能分子材料的高擊穿電壓。所述絕緣取代基為線性或支鏈而與可極化核心或共聚物骨架共價鍵合形成電阻性外殼的碳氫化合物(飽和或不飽和)、碳氟化合物、矽氧烯、和/或聚乙二醇。
如圖10所示，在儲能單元1的一個實施例中，所述一個或多個meta-電容器20的每一個包括第一電極21、第二電極22、設置在所述第一電極和第二電極之間的介電材料層23。所述電極21、22可以由金屬如銅、鋅、或鋁、或其它導電材料製成，並且大體上呈平面狀。在一個實施例中，電極和介電材料層23為長條形的材料夾在一起，與絕緣材料一起繞成線圈狀，絕緣材料例如為如聚丙烯或聚酯那樣的塑膠薄膜，防止電極21、22之間的電氣短路。於2015年6月26日申請的美國專利申請案第14/752600號中詳細描述了這種線圈狀的電容儲能設備的例子，其整體內容在此合併作為參考。雖然在圖10中為了方便而顯示了一個單一的meta-電容器20，但本發明的各個方面並不限於這樣的實施例。如圖7A、7B、7C、7D所示，本領域習知技術人員將了解電容式儲能裝置2可以包括如圖7B所示的多個並聯meta-電容器20，以提供所需的儲能容量，其容量規模大致與並聯的meta-電容器的個數對應。另外，電容式儲能裝置2包括如圖7C之兩個 或兩個以上串聯的meta-電容器來供應所需的電壓等級。此外，電容式儲能裝置2可以如圖7D所示，在包含各種串聯和並聯的組合的電容網路中包括三個或更多的meta-電容器的組合。例如，可以有三個電容器組合彼此並聯，而每個組合具有兩個串聯的電容器。
meta-介電材料23的特徵可以為介電常數κ大於100，擊穿電場Ebd大於或等於0.01伏(V)/納米(nm)。介電常數κ可以大於或等於大約100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、或100000。擊穿電場可以大於約0.01V/nm、0.05V/nm、0.1V/nm、0.2V/nm、0.3V/nm、0.4V/nm、0.5V/nm、1V/nm、或10V/nm。在此舉例而不是限定的方式，meta-介電材料23的特徵可以為介電常數κ在約100和約1000000之間，擊穿電場Ebd在約0.01V/nm和約2.0V/nm之間。
在另一實施例中，電容式儲能裝置可以包括多個串聯或並聯的meta-電容器。在另一實施例中，電容式儲能裝置還可以包括冷卻機構30。在一些實施例中，冷卻可以是被動式的，例如在電容式儲能裝置2和直流電壓轉換裝置上使用輻射散熱片。另外，諸如空氣、水、或乙二醇那樣的流體可以用作有源冷卻系統中的冷卻劑。在此舉例而不是限定的方式，冷卻系統30可以包括與電容式儲能裝置2和直流電壓轉換裝置3熱接觸的導管。導管充滿熱交換介質，其可以是固體、液體、或氣體。在一些實施例 中，冷卻機構可以包括配置成從熱交換介質中提取熱量的熱交換器。在其他實施例中，冷卻機構30可以包括電容式儲能裝置2和直流電壓轉換裝置3上的冷卻葉片形式的導管，熱交換介質例如藉由風扇將空氣吹到冷卻葉片上。在本發明的另一個實施例中，換熱器32可以包括配置為進行冷卻的相變熱管。相變熱管所進行的冷卻可以藉由相變材料的固液相變(例如，使用冰或其他固體的熔化)、或液氣相變(例如，藉由水或酒精蒸發)。在另一實施例中，所述管道或換熱器32可以包括包含固體-液體相變材料如石蠟的容器。
再次參照圖10、11和12，直流電壓轉換裝置3包括Vout<Vin的降壓轉換器、Vout>Vin的升壓轉換器、或在特定情況下為Vout<Vin而在其他情況下為Vout>Vin的雙向升壓/降壓轉換器。
在儲能單元的另一個實施方案中(參見圖11)，DC電壓轉換裝置3可以連接到具備適合的邏輯電路的控制板4、可實現閉迴路控制處理90、(可選的)通信介面5、以及與感測器上的直流電壓轉換裝置3連接的類比數位轉換器，該適合的邏輯電路例如為微處理器、微控制器、專用積體電路(ASIC)、現場可程式設計閘陣列(FPGA)、複雜可程式設計邏輯裝置(CPLD)，該類比數位轉換器例如為輸入電壓Vin並且輸出電壓Vout的電壓感測器V、來自/輸送到電容式儲能裝置2的電流Isd並且來自/輸送到直流電壓轉換裝置3的電流Ivc的電流感測器 A、電容式儲能裝置和/或直流電壓轉換裝置上的溫度感測器T。在一些實施例中，控制板4可以積體到直流電壓轉換裝置3中。該轉換裝置3可以具備降壓穩壓器、升壓穩壓器、具有獨立的輸入/輸出的降壓和升壓穩壓器、雙向升壓/降壓穩壓器、或分段PI(split-pi)轉換器，控制板4可以配置為在維持穩定的輸入電壓的情況下，在以或多或少的固定電流對電容器進行放電或充電的過程中，從直流電壓轉換裝置保持固定的輸出電壓Vout。
在此舉例而不是限定的方式，控制板4可以基於用於雙向降壓/升壓轉換器的控制器。在這樣的配置中，所述控制板4根據控制回路90的下列演算法對直流電壓轉換裝置的輸出電壓進行穩壓：(a)確定儲能系統的目標輸出電壓電平，(b)測定電容式儲能裝置的電壓，(c)如果電容式儲能裝置的電壓高於所需的輸出電壓、並且所需的結果是對設備進行放電，則將雙向降壓/升壓轉換器配置得降壓輸出方向上的電壓和直流，(d)如果電容式儲能裝置的電壓低於所需的輸出電壓、並且所需的結果是對設備進行放電，則將雙向降壓/升壓轉換器配置得升壓輸出方向上的電壓和直流，(e)如果電容式儲能裝置的電壓低於所需的輸入電壓、並且所需的結果是對設備進行充電，則將雙向降壓/升壓轉換器配置得降壓輸入方向上的電壓和直流，(f)如果電容式儲能裝置的電壓高於所需的輸出電 壓、並且所需的結果是對設備進行充電，則將雙向降壓/升壓轉換器配置得升壓輸入方向上的電壓和直流，(g)如果電容式儲能裝置的電壓低於預定電平，則將雙向降壓/升壓轉換器配置得停止輸出電力，(h)如果電容式儲能裝置的電壓超過預定電平，則將雙向降壓/升壓轉換器配置得停止輸入電力，(i)根據需要重複步驟(a)~(f)。
控制板4的操作細節一般取決於直流電壓轉換裝置設備所使用的降壓/升壓轉換器的類型。例如，降壓/升壓轉換器可以為圖15A所示的單開關轉換器的類型。這種轉換器包括高側開關SW，其具有與輸入電壓Vin連接的輸入端、以及與電感L的一端連接輸出端，電感L的另一端連接到地面或公共電壓(-)。電容C與輸出電壓Vout連接。脈衝開關信號S使開關接通和斷開。輸出電壓取決於開關信號S的工作週期。作為一個例子，開關可以為閘控開關裝置，如MOSFET裝置、堆疊的MOSFET裝置、IGCT裝置、高漏源電壓SiC MOSFET裝置，以及類似的依據對儲能單元的直流電壓轉換器的電壓或電流的要求的裝置。在閘控開關裝置的情況下，控制板4能夠藉由將這種類型的升壓/降壓轉換器配置成調整提供信號的開關設備的閘極端子。控制板4可以藉由調整開關信號S的工作週期而配置降壓/升壓轉換器的類型。
圖15B表示出另一種四開關降壓/升壓轉換器。在這種類型的轉換器中，第一開關SW1連接在輸入電壓Vin的 高壓側(+)和電感L的輸入端之間，第二開關SW2連接在電感L的輸出端和公共電壓(-)之間，第三開關SW3連接在電感L的輸入端和公共電壓之間，第四開關SW4連接在電感的輸出側和輸出電壓Vout的高壓側(+)之間。輸入電容Cin可以連接到輸入電壓Vin，輸出電容Cout可以連接到輸出電壓Vout。
開關SW1、SW2、SW3、SW4根據來自控制板4的開關信號，切換斷開(open：不導電)和接通(closed：導電)的狀態。例如，如該圖3和圖4所示那樣，為了進行降壓模式的操作，第二開關SW2斷開，第四開關SW4接通，脈衝降壓模式開關信號施加到第一開關SW1和第三開關SW3。控制板4在降壓模式下，可以藉由調整開關信號S1和S3的工作週期，來調整輸出電壓Vout。例如，如該圖5和圖6所示那樣，為了進行升壓模式的操作，第一開關SW1斷開，第三開關SW3接通，脈衝升壓模式切換信號加到第二開關SW2和第四開關SW4。在升壓模式下，所述控制板4能夠藉由調整開關信號S2和S4的工作週期，來調整輸出電壓Vout。
在此作為舉例而不是限定的方式，直流電壓轉換裝置3可以如圖9A、9B、9C、9D，9E、9F、9G、9H、9I那樣，具備一個或多個開關電壓轉換器100，其如圖13A、13B、14A、14B所示那樣，與圖11、12的電容式儲能單元3的電壓標誌v_c(t)、v_i(t)、以及v_o(t)對應地，根據需要對輸入/輸出進行降壓/升壓，實現充電和放電過程。 如圖9F、9G、9H、9I所示，輸入/輸出埠可以分為單獨的輸入和輸出。這些單獨的輸入和輸出可以具有不同的匯流排電壓。例如，可以具有來自與用於傳輸電力的輸出直流匯流排或向交流轉換器輸送直流不同的電壓的太陽能轉換器的輸入直流匯流排。開關型電壓轉換器100可以為降壓轉換器(如圖8B所示)、升壓轉換器(如圖8A所示)、降壓/升壓轉換器、雙向降壓/升壓(分段PI)轉換器(如圖8D所示)、uk轉換器、單端初級電感轉換器(SEPIC)、反向降壓/升壓轉換器(如圖8C所示)、四開關降壓/升壓轉換器中的任意一個。
在圖9A、9B、9C、9D，9E、9F、9G、9H、9I中，開關型電壓轉換器100藉由互連系統102與電源埠101連接。電源埠101包括一個正端子和負端子，它們一起工作而向任一方向輸送電力。電源埠可以是輸入、輸出或雙向。控制介面104藉由控制網路103連接到開關型電壓轉換器100上的所有控制介面。控制網路可以傳送目標電壓、目標電流、檢測電壓、檢測電流、溫度、以及控制系統所需的其它參數。控制網路103、控制介面104、控制板4、以及控制回路90可以合併到單個的離散物理封裝中，也可以不合併。例如，一個實施例可以包含分佈在一個系統中的所有該元素，而另一個實施例可以包含存在於一個單一的微處理器單元中的所有元素。
在一個實施例中，所述控制板4能夠以以下方式控制直流電壓轉換器3，即在meta-電容器從初始充電狀態 ((v_c(t))向最低的充電狀態(v_c(t)=Vmin,op)的放電過程(見圖13B和14B)中，維持儲能單元的輸出電壓，例如該直流電壓轉換器的輸出電壓Vout而使其處於固定的電平，其中，最小的充電狀態(Vmin,op)被定義為與等於初始預留能量的0%~20%的剩餘能量對應的meta-電容器的電壓，可以藉由來計算meta-電容器的預存能量，其中E是能量，C是電容，V是電壓。在控制板4為可程式設計裝置的實施例中，儲能單元的固定輸出電壓可以是可程式設計值。
在儲能單元的另一個實施例中，所述輸出電壓由以下這樣的直流電壓轉換裝置保持固定不變，即降壓穩壓器、升壓穩壓器、具有獨立的輸入/輸出的降壓和升壓穩壓器、雙向升壓/降壓穩壓器、分段PI轉換器中的任意一個。
在一些實施例中，單元1包括配置成能夠進行以下的參數的測量的電路：meta-電容器的電壓、流入或流出meta-電容的電流、流入或流出直流電壓轉換裝置的電流、直流電壓轉換裝置的輸出電壓、meta-電容器中的一個或多個點的溫度、直流電壓轉換裝置中的一個或多個點的溫度。在另一實施例中，儲能單元還包括交流反向器以產生交流輸出電壓，其中直流電壓轉換裝置的直流輸出電壓是交流反向器的輸入電壓。在另一個實施例中，儲能單元還包括電力電子開關，其基於矽絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、SiC MOSFET、GaN MOSFETs、石墨烯、或含 有有機分子的開關。在儲能單元的一個實施例中，電力電子開關包括多個串聯連接的開關元件，以使能夠對高於單個開關元件的擊穿電壓的電壓進行開關。
在本發明的另一方面中，電容式儲能模組40如圖16所示。在所示的示例中，儲能模組40包括該那樣的兩種或兩種以上的儲能單元1。每個儲能單元包括具有一個或多個meta-電容器20和直流電壓轉換器3的電容式儲能裝置2，直流電壓轉換器3可以是降壓轉換器、升壓轉換器、或降壓/升壓轉換器。此外，每個模組可以包括圖10、11、12所示的該那樣的控制板4、以及(可選的)冷卻機構(未圖示)。該模組40還可以包括互連系統，該互連系統連接各個儲能單元的陽極和陰極，而產生電容式儲能模組的共陽極和共陰極。
另一方面，在一些實施例中，所述互連系統包括參數匯流排42和電源開關PSW。儲能模組40中的每個儲能單元1可以藉由電源開關PSW連接到參數匯流排42。這些開關允許兩個或多個模組藉由能夠作為共陽極和共陰極的兩個或多個路徑選擇性地並聯或串聯。電源開關還允許一個或多個儲能單元與所述模組斷開連接，例如允許單元的冗餘和/或維護而不中斷模組的操作。電源開關PSW可以基於固態功率開關技術或藉由機電開關(如繼電器)來實現，或兩者的某種組合。
在一些實施例中，儲能模組還包括功率計44，其用於監視電力輸入到所述模組或輸出模組。在一些實施例 中，儲能模組還包括網路化控制節點46，其被配置為控制來自所述模組的電力輸出和電力輸入。網路化控制節點46允許每個模組藉由高速網路與系統控制電腦對話。網路化控制節點46包括電壓控制邏輯電路50，其被配置為藉由各自的控制板4選擇性地控制每個儲能單元2中的每個直流電壓轉換器3的操作。所述網路化控制節點46還可以包括開關控制邏輯電路52，其用於控制電源開關PSW的操作。控制板4和功率開關PSW可以藉由資料匯流排48連接到網路化控制節點46。網路化控制節點46中的電壓控制和開關邏輯電路可以藉由一個或多個微處理器、微控制器、專用積體電路(ASIC)、現場可程式設計閘陣列(FPGA)、或複雜可程式設計邏輯裝置(CPLD)來實現。網路化控制節點46可以包括網路介面54，使得例如藉由資料匯流排48，在各個儲能單元2的電壓控制邏輯電路50和控制板4之間傳輸信號，也在開關邏輯電路52和電源開關PSW之間傳輸信號。
根據本發明的另一個方面，電容式儲能系統可以包括兩個或多個網路化的電容式儲能模組，例如圖16所示的類型。這種電容式儲能系統60的一個實施例如圖17所示。該系統60包括兩個或多個圖16所示的類型的儲能模組40。每個電容式儲能模組40包括兩個或多個電容式儲能單元1，例如圖10、圖11、圖12所示的類型，藉由互連系統42連接並由網路化控制節點46控制。每個電容式儲能模組還可包括模組功率計44。雖然並非如圖16所 示，各網路化控制節點46如上所述，可以包括控制各個電容式儲能電池1的電壓控制器的電壓控制邏輯電路50、控制模組內部的電源開關的開關邏輯電路52。此外，每個網路化控制節點46包括內部資料匯流排48和網路介面54，它們可以如上所述地連接。輸入輸出到電容式儲能模組40的電力藉由系統電源開關PSW連接到系統電源匯流排62，其可以基於固態功率開關技術或藉由機電開關(如繼電器)來實現，或兩者的某種組合。在一些實施例中，可以具有連接在每個電容式儲能模組40和系統電源匯流排62之間的反向器(未圖示)，而將直流電力從所述模組轉換為交流電源，反之亦然。
系統60包括連接到系統資料匯流排68的系統控制器66。該系統控制器可以包括開關控制邏輯70、電壓控制邏輯72和系統網路介面74。電壓控制邏輯72可以配置為控制各個模組40的各個單元1中的各個直流電壓控制器的操作。開關控制邏輯70可以配置為控制系統電力開關SPSW的操作、以及各個電容式儲能模組40中的電源開關PSW。可以藉由網路介面74、系統資料匯流排68、用於特定模組的網路化控制節點46的網路介面54、模組資料匯流排48、各個單元1的控制板4，在特定的電容式儲能模組的特定電容式儲能單元1中，從電壓控制邏輯72向特定的直流電壓控制裝置3發送電壓控制信號。
在此舉例而不是限定的方式，系統控制器66可以是確定性控制器、非同步控制器、或具有分散式時脈的控制 器。在電容式儲能系統60的一個具體的實施例中，系統控制器66可以包括分散式的時脈，其配置為讓在一個或一個以上電容儲能模組40的一個或一個以上電容式儲能單元中的若干個獨立的電壓轉換裝置同步。
本發明的一個層面可以是比傳統的電能儲存系統更大規模的電能儲存裝置。藉由將一個或多個meta-電容器與DC電壓轉換裝置選擇性地組合成一個單元，再將兩個或多個單元組合成模組，或將兩個或多個模組組合成系統，能夠滿足廣泛的儲能需求。
以上詳細說明了本發明的較佳實施例，但是也可以使用不同的替代方案、修改和等效物。因此，以上說明並不限定本發明的範圍，而是由所附請求項及其等效範圍來決定。在此描述無論是否為較佳的任何特徵，都可以與所描述的無論是否為較佳的任何其他特徵相結合。在請求項中，除非另有明確說明，不定冠詞「一個」是指在所述物件後面的一個或多個項目的數量。正如此處所使用的，在替代方案中所列出的元件中，“或”字用於邏輯包含的含義，例如，除非明確說明，“X”或“Y”包括單獨的X、單獨的Y、或其兩者X和Y。列為替代方案的兩個或多個元素可以組合在一起。所附請求項並不限於包括手段功能用語的限定，除非此種限定在給定請求項中明確地使用了“用於...的手段”的用語。

Claims (26)

  1. 一種儲能單元，包括：至少一個電容式儲能裝置；及直流電壓轉換裝置，其中，該電容式儲能裝置包括一或多個meta-電容器，其中，在該電容式儲能裝置放電的期間，該電容式儲能裝置的輸出電壓為直流電壓轉換裝置的輸入電壓，其中，在該電容式儲能裝置充電的期間，該電容式儲能裝置的輸入電壓為該直流電壓轉換裝置的輸出電壓，其中，該一或多個meta-電容器的每一者包括第一電極、第二電極、配置在該第一電極和該第二電極之間的meta-介電材料層，其中，該meta-介電材料層由具有極化性和電阻性的一或多個複合有機化合物構成，且其中，該meta-介電材料層的相對介電常數等於或大於100。
  2. 根據請求項1所述的儲能單元，其中該meta-介電材料層的電阻等於或大於1013歐姆/釐米。
  3. 根據請求項1所述的儲能單元，其中該meta-介電材料層包括一或多個類型的Sharp聚合物、和/或一或多個類型的Furuta聚合物。
  4. 根據請求項3所述的儲能單元，其中該meta-介電材料層包括兩個或更多Furuta聚合物，並包括具有陽離子類型的固定(immobilized)離子液體官能團的Furuta聚合物。
  5. 根據請求項3所述的儲能單元，其中該meta-介電材料層包括兩個或更多個Furuta聚合物，並包括具有陰離子類型的固定(immobilized)離子液體官能團的Furuta聚合物。
  6. 根據請求項1~5中任一項所述的儲能單元，其中該一或多個meta-電容器具有大於或等於約0.01V/nm的擊穿電場。
  7. 根據請求項1所述的儲能單元，其中還包括冷卻機構，其與該電容式儲能裝置和/或該直流電壓轉換器熱接觸。
  8. 根據請求項7所述的儲能單元，其中該冷卻機構是被動式冷卻機構，或是能夠使用空氣、水、或乙二醇作為冷卻劑。
  9. 根據請求項7所述的儲能單元，其中該冷卻機構配置為具有相變材料以消除來自該電容式儲能裝置和/或該直流電壓轉換器的熱。
  10. 根據請求項7所述的儲能單元，其中該冷卻機構包括容器，該容器包含固體-液體相變材料。
  11. 根據請求項10所述的儲能單元，其中該固體-液體相變材料是石蠟。
  12. 根據請求項1所述的儲能單元，其中該直流電壓轉換裝置包括基於降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器、雙向降壓/升壓(分段pi：(split-pi))轉換器、uk轉換器、單端初級電感轉換器(SEPIC)、反向降壓/升壓轉換器、或四開關降壓/升壓轉換器的控制板。
  13. 根據請求項12所述的儲能單元，其中該控制板配置為在該一或多個meta-電容器從初始充電狀態到最小充電狀態的放電過程中維持該儲能單元的固定輸出電壓，其中，最小充電狀態被定義為與等於儲存在meta-電容器中的初始預留能量的0%~20%的剩餘能量對應的meta-電容器的電壓。
  14. 根據請求項13所述的儲能單元，其中藉由控制板對該儲能單元的固定輸出電壓進行程式設計。
  15. 根據請求項13所述的儲能單元，其中該直流電壓轉換裝置包括一或多個開關型電壓轉換器，其中該開關型電壓轉換器配置為降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器、雙向降壓/升壓(分段pi：(split-pi))轉換器、uk轉換器、單端初級電感轉換器(SEPIC)、反向降壓/升壓轉換器、或四開關降壓/升壓轉換器。
  16. 根據請求項13所述的儲能單元，還包括電路，該電路配置以能夠觀測以下參數：在該一或多個meta-電容器上的電壓、輸入或輸出該一或多個meta-電容器的電流、流入或流出該直流電壓轉換裝置的電流、該直流電壓轉換裝置的輸出電壓、在該一或多個meta-電容器中的一或多個點處的溫度、該直流電壓轉換裝置中的一或多個點處的溫度。
  17. 根據請求項13所述的儲能單元，還包括電力反向器，其配置以從該直流電壓轉換器接受直流(DC)輸出電壓，並配置以將來自該直流電壓轉換器的直流輸出電壓變換為交流(AC)輸出電壓。
  18. 根據請求項1所述的儲能單元，其中該直流電壓轉換器還包括電力電子開關，其基於矽絕緣閘雙極電晶體(IGBT)、碳化矽(SiC)金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、氮化鎵(GaN)MOSFET、石墨烯或有機分子開關。
  19. 根據請求項18所述的儲能單元，其中該電力電子開關包括多個串聯的開關元件。
  20. 一種電容式儲能模組，包括具有陽極和陰極的兩個或更多個的個別儲能單元和互連系統，其中，該互連系統連接該個別儲能單元的陰極和陽極以建立該電容式儲能模組的共同陰極和共同陽極，其中該個別儲能單元每一者包括與直流電壓轉換裝置連接的一或多個meta-電容器，其中該個別儲能單元每一者包括至少一個電容式儲能裝置和直流電壓轉換裝置，其中該電容式儲能裝置包括一或多個meta-電容器，其中在該電容式儲能裝置放電的期間，該電容式儲能裝置的輸出電壓為該直流電壓轉換裝置的輸入電壓，其中在該電容式儲能裝置充電的期間，該電容式儲能裝置的輸入電壓為該直流電壓轉換裝置的輸出電壓，其中，該一或多個meta-電容器的每一者包括第一電極、第二電極、配置在該第一電極和該第二電極之間的meta-介電材料層，其中，該meta-介電材料層由具有極化性和電阻性的一或多個複合有機化合物構成，且其中，該meta-介電材料層的相對介電常數等於或大於100。
  21. 根據請求項20所述的儲能模組，其中該互連系統包括藉由電源開關與該兩或更多個個別儲能單元連接的參數匯流排。
  22. 根據請求項20所述的儲能模組，其中還包括與該兩或更多個個別儲能單元連接的功率計。
  23. 根據請求項20所述的儲能模組，其中還包括連接至該兩或多個個別儲能單元的網路化控制節點。
  24. 一種電容式儲能系統，包括：一或多個電容式儲能模組，其中，該一或多個儲能模組的每一者包括具有陽極和陰極的兩或更多個個別儲能單元、互連系統，其中該兩或更多個個別儲能單元的每一者包括至少一個電容式儲能裝置、直流電壓轉換裝置，其中該電容式儲能裝置包括一或多個meta-電容器，其中在該電容式儲能裝置放電的期間，該電容式儲能裝置的輸出電壓為該直流電壓轉換裝置的輸入電壓，在該電容式儲能裝置充電的期間，其中該電容式儲能裝置的輸入電壓為該直流電壓轉換裝置的輸出電壓；與該兩或更多個電容式儲能模組連接的互連系統，其中該互連系統連接該個別儲能單元的該陰極和該陽極以建立該電容式儲能模組的共同陰極和共同陽極，個別儲能單元之每一者包括與該直流電壓轉換裝置連接的一或多個meta-電容器，電源互連系統和系統控制器，其與該兩個或多個電容式儲能模組連接，其中，該一或多個meta-電容器的每一者包括第一電極、第二電極、配置在該第一電極和該第二電極之間的meta-介電材料層，其中，該meta-介電材料層由具有極化性和電阻性的一或多個複合有機化合物構成，且其中，該meta-介電材料層的相對介電常數等於或大於100。
  25. 根據請求項24所述的電容式儲能系統，其中該系統控制器包括確定性控制器、非同步控制器、或具有分散式時脈的控制器。
  26. 根據請求項25所述的電容式儲能系統，其中該分散式時脈用於使一或多個個別儲能模組中的數個獨立直流電壓轉換裝置同步。
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