单电极电池和作为器件的两个以上电池的串联体

1.本发明是一种全温度静电效应器件，其包含极高电容率的铁电体以及电极、铁电体、铁电诱发的超导体、半导体、绝缘体、超导体、基于铁电体的器件或其部件。它还可以包含单电极铁电性诱发的超导体与一个或多个电极、单电极电池或全电池的联合体。为了观察和应用该现象并随后捕集所产生的电位差，如同在霍尔效应中，导体端子连接在电池、电池联合体或器件的不同点。在由一个或多个铁电性诱发的超导体或铁电绝缘体电池构成的器件中，所述电池不必彼此物理接触；一个端子可连接到第一电池且另一个连接到第三电池，在所述三个电池中的任何之间没有物理接触。随着铁电体的偶极子的自发和动态排列，在一个和多个电池或器件的表面的不同点处引起电位差，并且可通过导体端子来捕集电流。在两个或几个单电极电池、单电极电池和一个电极、全电池或器件之间，由第一电池在界面处产生的电场足以在第二电池上引起对称极化，从而导致电荷载流子在表面的一侧上的积累以及在另一侧上的镜像电荷，如霍尔效应的产品中。


背景技术：

2.铁电材料是具有自发电极化的材料，可通过施加外部电场使所述自发电极化反转。所有的铁电体都是电热体，它们的自然电极化是可逆的和温度相关的。
3.霍尔效应产生跨电导体的电位差。在原始霍尔效应中，由于垂直于施加磁场的施加电流，电位差是由镜像电荷积累而建立。在本发明中，该效应是由跨电绝缘体或导体的电位差和来自电荷积累的电力产生的静电效应；它不必涉及横向的施加电流或施加的磁场。
4.用于捕集能量并随后存储能量的新架构的开发为人类带来重要的益处。
5.超导体是能够显示出零电阻的材料；因此，它是与电子相关的性质。超导体还能够在没有外加电压的情况下维持电流，在超导电磁体中利用的性质，诸如在mri机器中发现的那些。实验已证明，超导线圈中的电流可以持续数年而没有任何降低。已经报道了若干材料在低温下显示超导性(如be、ti、zr、zn、sn)，以及高温铜酸盐超导体(如hgba2ca2cu3o
x
)或铁基的fese。已知的最高温度超导体是h2s，但是它还需要高的压力。
6.因此，超导体能够在没有任何损耗的情况下传输电力，并且不表现出热耗散(没有焦耳效应)。
7.可以在具有非常不同电容率的两种材料之间的界面处产生二维超导性，例如铁电材料和其它材料。这是由于在该材料/铁电绝缘体界面处发生的突然相变(电容率突然改变)，这自发地破坏对称性并诱发2d超导性。
8.超导性可以沿着金属与具有极高电容率的铁电体的界面发生。
9.2d超导性也可沿以下界面产生：空气/铁电体、离子液体/铁电体、半导体/铁电体，例如在本文中所呈现的器件中。
10.电流可以从一个界面向另一界面在铁电体-超导体的表面上传导，穿过该表面，同时保持偶极子排列和极化。即使在使器件电池放电时，这种现象也能够导致几年之久的带电。
11.具有极高介电常数的铁电玻璃，如li
3-2ymy
xo(m＝be，ca，mg，sr，ba；x＝cl，br，i)，li
3-3yay
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，na
3-2ymy
xo(m＝be，ca，mg，sr，ba；x＝cl，br，i)，na
3-3yay
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，k
3-2ymy
xo(m＝be，ca，mg，sr，ba；x＝cl，br，i)，k
3-3yay
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，或晶态材料如li
3-2y-zmyhz
xo(m＝be，ca，mg，sr和ba；x＝cl，br，i)，li
3-3y-zayhz
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，na
3-2y-zmyhz
xo(m＝be，ca，mg，sr和ba；x＝cl，br，i)，na
3-3y-zayhz
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，k
3-2y-zmyhz
xo(m＝be，ca，mg，sr和ba；x＝cl，br，i)，k
3-3y-zayhz
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，其中0≤y≤1且0≤z≤3，其混合物或其与下列材料的混合物：cacu3ti4o
12
、batio3、yba2cu3o
7-x
、srtio3或其它铁电体或超导体材料，或者它们与下列材料的混合物：cu2o、sio2、li2s、li2o、lii、na2s、na2o、nai、k2s、k2o、ki、al2o3、mgb2、h2o、h2s、聚合物、离子液体、或其它溶剂或离子材料，能够在与具有显著不同的介电常数的材料的界面处成为超导体；该材料甚至可以是空气，其在不存在“电池”或“器件”的情况下将使铁电材料成为2d超导体。
12.在下文中，单电极电池是由与高介电常数材料接触的一个电极构成的电池。该电池可具有在所述高介电常数材料顶部上的保护层。该电极可以是导体或半导体或其混合物。该电池的端子可以连接到电极中的不同点，可能位于相反侧，并且可以与所述高介电常数材料的表面接触。
13.全电池是在其间具有铁电材料的两个或多于两个电极的电池。所述电极可以是相似的或相异的。
14.在下文中，单电极电池、全电池或其混合物的联合体是这样的联合体，其中将所述电池定位成似乎它们彼此连接(可能串联)，使准平行侧与最近的一个电池/多个电池对齐。所述电池可以通过相同类型的电极或者通过相异的电极连接。队列中的第一电池可以连接到第三电池，而第二电池不连接到第一电池和第三电池。
15.发明概述
16.本发明涉及铁电诱发的电位差：在接触的导体的两个不同点之间，或只是在极高介电常数的铁电体的附近，或者在铁电体和与其接触的导体-收集体的表面之间，或者在两个单电极电池之间，或者在可从低于室温到高于室温运行的全电池或电池联合体之间。
17.本发明涉及铁电极化以及在导体、半导体、单电极电池、全电池或电池联合体中的静电诱发的电位差，以及铁电性诱发的超导体表面电流。
18.本发明的特征是在与铁电体无物理接触(物理隔离)的导体、半导体、绝缘体、电池、或电池联合体中提供铁电性诱发的电荷积累。
19.本发明的一个特征是在电极、全电池、电池联合体中提供铁电性诱发的电荷积累，并且因此在不引发电磁感应(其包括磁通量的变化)的法拉第定律的情况下引起电位差，不引发磁场和横向电流(如在原始霍尔效应中)，并且不引发摩擦或与任何所述材料的任何机械相互作用。因此，本发明提供一种在没有任何物理接触的情况下连续地对电池或电池联合体进行充电或自充电的方式。
20.本发明公开了一种单电极电池，其包含铁电-绝缘体和电极、铁电体、铁电诱发的超导体、半导体、绝缘体、超导体、基于铁电体的器件或其部件，其中端子在不同点处连接到所述电池，其中所述铁电-绝缘体在界面处并且在从-40℃到170℃的温度下具有高于103的介电常数εr。
21.此外，本发明揭示了单电极电池，其中铁电-绝缘体是li
3-2ymy
xo(m＝be，ca，mg，sr，ba；x＝cl，br，i)，li
3-3yay
xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，na
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xo(m＝be，ca，mg，sr，ba；x＝cl，br，i)，na
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xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，k
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xo(m＝be，ca，mg，sr，ba；x＝cl，br，i)，k
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xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，或晶态材料如li
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xo(m＝be，ca，mg，sr和ba；x＝cl，br，i)，li
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xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，na
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xo(m＝be，ca，mg，sr和ba；x＝cl，br，i)，na
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xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，k
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xo(m＝be，ca，mg，sr和ba；x＝cl，br，i)，k
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xo(m＝b，al；x＝cl，br，i)，其中0≤y≤1且0≤z≤3，其混合物或其与下列材料的混合物：cacu3ti4o
12
、batio3、yba2cu3o
7-x
、srtio3或其它铁电体或超导体材料，或者它们与下列材料的混合物：cu2o、sio2、li2s、li2o、lii、na2s、na2o、nai、k2s、k2o、ki、al2o3、mgb2、h2o、h2s、聚合物、离子液体、或其它溶剂或离子材料。
22.另外，所述单电极电池可以具有与聚合物、树脂、增塑剂、胶或其它粘合剂混合的铁电-绝缘体。
23.此外，本发明的单电极电池具有铁电-绝缘体嵌入基质如纤维素、纤维玻璃或布中的可能性。
24.本发明还公开了一种单电极电池，其中电极-导体是al、zn、mg、k、li、na、合金、化合物、复合物、混合物或泡沫。
25.所述单电极电池可以呈现这样的配置，其中电极-导体是c、cu、fe、ni、sn、ti、黄铜、青铜、合金、化合物、复合物或泡沫。
26.所述单电极电池可以呈现另外的配置，其中电极-导体是c-泡沫、c-纳米管、c-毡、c-纸、石墨或石墨烯。
27.所述单电极电池可以呈现另外的配置，其中电极-半导体是si、ga、gaas、p-或n-掺杂的si、或者p-或n-掺杂的ga、或者其它半导体如batio3。
28.所述单电极电池可以呈现另外的配置，其中电极和铁电-绝缘体具有矩形、盘、圈(ring)、环(toroidal)或任何规则或不规则的形状。
29.所述单电极电池可以呈现另外的配置，其中电极和铁电-绝缘体具有锯齿形边缘或有利于电荷积累的任何其它形状。
30.所述单电极电池可以呈现另外的配置，其中该电池被绝缘体保护层保护。
31.所述单电极电池可以呈现另外的配置，其中该电池被包裹在封装体中。
32.本发明还公开了如上所述的两个以上单电极电池的串联体，其中所述两个或更多个电池彼此对齐，并且所述电池以mm距离或cm距离隔开而没有物理接触，或者其中所述两个或更多个电池接触，使得一个电池的负电极与下一个电池的正电极连接，从而增加电池电位。
33.此外，本发明揭示了其中电池是导体、半导体或超导体的串联体。
34.另外，该串联体可呈现两个电极，所述两个电极之间具有铁电-绝缘体。
35.该串联体可以呈现另外的配置，其中全电池是两个单电极电池的串联体，其中电极是相似的或相异的。
36.该串联体可以呈现另外的配置，其中电极是zn和c。
37.该串联体可以呈现另外的配置，其中负载连接到电池的负电极和不同电池的正电极。
38.该串联体可以呈现另外的配置，其中负载是led。
39.该串联体可以呈现另外的配置，其中两个导体电极被一个或多个交替的铁电材料和/或绝缘体材料的层对隔开。
40.使用所述的电池或者两个以上单电极电池的串联体呈现了若干应用，例如：作为用于能量收集器的器件，能量存储器件，作为以下的部件：晶体管、计算机、量子计算机、传感器、充电器、驱动器、热离子器件、温度控制器、物联网、光伏电池、面板、风力涡轮机、智能电网、电力传输、变压器、电力存储设备、电动机、飞机、汽车、船舶、潜艇、卫星、无人机、火箭和/或航天器。
附图说明
41.参考以下描述和所附权利要求书以及附图将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
42.图1是从其侧视图看到的单电极电池的实施方案；
43.图2是从其顶视图或底视图看到的单电极电池的实施方案；
44.图3是两个单电极电池组的实施方案，它们似乎要串联连接，但它们之间没有任何物理接触；
45.图4是单电极电池和一个导体电极组的实施方案，电池和电极似乎要串联连接，但它们之间没有任何物理接触；
46.图5是单电极电池和一个半导体电极组的实施方案，电池和电极似乎要串联连接，但它们之间没有任何物理接触；
47.图6是三个单电极电池的实施方案，它们似乎要串联连接，在第一电池和第二电池以及第二电池和第三电池之间没有任何物理接触；
48.图7是两个单电极电池和电极-导体组的实施方案，它们似乎要串联连接，但是第一电池和电极-导体以及电极和第三电池之间没有物理接触；
49.图8是两个单电极电池和电极-半导体组的实施方案，它们似乎要串联连接，但是第一电池和电极-半导体以及该相同电极和第三电池之间没有物理接触；
50.图9是具有铁电材料和绝缘体的交替层的多层电池的实施方案，其中在与绝缘体的界面处所述绝缘体保持铁电-超导表面电子，从而在绝缘体上的电子和正镜像电荷之间形成电容器；
51.图10是铁电体/绝缘体电池的实施方案，其中绝缘体在界面处保持铁电-超导表面电子，从而在绝缘体上的电子和正镜像电荷之间形成电容器；
52.图11是铁电体/绝缘体电池的实施方案，其中绝缘体在界面处保持铁电-超导表面电子，从而在绝缘体上的电子和正镜像电荷之间形成电容器，在界面处自发地形成绝缘体/半导体的另一电容器。
53.图12是三个全电池组的实施方案，它们似乎串联连接，但在第一电池和第二电池以及第二电池和第三电池之间没有任何物理接触；图12(照片)是图12实施方案的示例；
54.图13是对应于三个全电池组的任何两个电极之间的测量的电化学电位差的“台阶”图的实施方案，它们似乎要串联连接，但不允许第一电池和第二电池和第三电池之间的任何物理接触；
55.图14是导体圈、线圈或环型的实施方案，部分填充或填充有铁电材料；
56.图15是可放大或切换电子信号的铁电体/绝缘体/半导体电池的实施方案；
57.图16是可放大或切换电子信号的铁电体/半导体电池的实施方案；
58.图17是在单电极电池和具有开路电压ocv＝1.38v的全电池之间的串联的联合体的实施方案；红色led，其在1.48v的最小电位和23μa的最小输入电流下发光，其被该串联的联合体点亮；
59.图18是单电极电池和电极-导体之间的串联联合体的实施方案，其中在所述单电极电池中观察到电位差vf，并且在所述电极-导体中观察到电位差vc。
具体实施方式
60.在下面和图1-18中通过举例说明本发明的优选实施方案。所述附图仅是示例，并且为了简化，大多数电池被绘制为正方形，但是它们可以是矩形、盘形、圈、环、不规则，或者它们可具有如锯齿的许多边缘以便在限定的点中积累电荷。
61.图1示出单电极电池10的侧视图，导体基底100与具有极高介电常数的铁电绝缘体200接触。可以通过图1中未呈现的保护层或封装体来保护所述电池免受水分影响。在电池中已诱发电位差之后，端子300和310收集电流。
62.图2示出图1中的电池10的顶视图20。
63.图3示出两个电池20的组30，它们似乎要串联连接，但它们之间没有任何物理接触。由于铁电-绝缘体200的自发极化，在两个电池20之间形成“电容器”。电池之间的绝缘体可以是空气、环氧树脂、特氟隆、聚合物、胶、离子液体或其它介电材料。
64.图4示出了一个电池20的组40，该电池似乎要与电极-导体400串联连接，但它们之间没有任何物理接触。由于铁电-绝缘体200的自发极化在导体400中引起霍尔效应，在电池20和电极400之间形成“电容器”。
65.图5示出了一个电池20的组50，该电池似乎要与电极-半导体500串联连接，但它们之间没有物理接触。由于铁电-绝缘体200的自发极化，在电池20和电极500之间形成“电容器”。如果半导体是n-或p-掺杂的，则发生负电荷或正电荷的漂移，从而在半导体中引起电荷积累，并因此引起表面处不同点的电位差。
66.图6示出了三个电池20的组60，所述电池似乎要串联连接，但在第一和第二之间以及第二和第三之间没有物理接触。由于铁电-绝缘体200的自发极化，在第一电池和第二电池之间以及第二电池和第三电池之间形成两个“电容器”。
67.图7示出了位于组70的极端中的两个电池20，所述电池似乎要与电极-导体400串联连接，它们之间没有物理接触。由于铁电-绝缘体200的自发极化，在第一电池和电极400之间以及电极400和第二单电极电池之间形成两个“电容器”。
68.图8示出了位于组80的极端中的两个电池20，所述电池似乎要与其间的电极-半导体500串联连接，它们之间没有任何物理接触。由于铁电-绝缘体200的自发极化，在第一电池和电极500之间以及电极500和第二电池之间形成两个“电容器”。
69.图9示出了由一个或几个铁电-绝缘体200和绝缘体600到620层形成的多层电池90。所述绝缘体可以是空气、环氧树脂、特氟隆、聚合物、胶、离子液体、丙烯酸或其它介电材料。铁电-绝缘体的极高介电常数产生电场，该电场使电介质极化。此外，绝缘体600到620不
允许大部分表面超导体电子隧穿通过它们，而是由于铁电材料自发产生的电场它们在具有铁电体的表面处极化。因此，绝缘体将在与铁电体表面平行的两个表面之间示出电位差。
70.图10示出铁电体/绝缘体电池100。绝缘体600可以是任何介电材料；在电池的界面处，由于铁电体200的电化学电位和自发极化的自发排列因而形成电容器，从而引起表面超导性。
71.图11示出铁电体/绝缘体/半导体电池110。绝缘体可以是任何介电材料，并且在电池的界面处，由于铁电体200的电化学电位和自发极化的自发排列因而将形成电容器，从而引起表面超导性。在界面绝缘体600和半导体500处，形成另一电容器。半导体可以是si、ge、gaas、gan、gap、cu2o或具有通常约0.2≤eg≤3ev或更高的带隙能量的任何其它材料。
72.图12示出具有端子800、810、900、910、1000和1010的三个全电池组120，它们似乎要串联连接，但是在电池700和710之间以及电池710和720之间没有物理接触。形成两个“电容器”，在电池700和710之间的第一个以及在电池710和720之间的第二个。图12a、12b、12c和12d(照片)示出了组120的示例的照片。
73.图13示出了由类型700、710和720的电池构成的器件120中的电化学电位的“台阶”图130的示例，每个电池由cu和al的相异电极构成。获得相似电极cu(1)、cu(2)和cu(3)以及相似电极al(1)、al(2)和al(3)的电化学电位之间的差异的测量以及相异电池电极的组合的电化学电位差的测量值。在不同电池(2)和(3)的相异电极之间获得最大电位差，μ
cu(3)-μ
al(2)
＝1.361v，这标示了与任何其它先前报道器件的明显区别。如果将电池串联连接，则电位差将为v＝1.177 1.313 1.000＝3.490v，如果将电池并联连接，则无论选择哪两个相异电极来测量电位差，电位差都将相同。
74.图14示出了圈、卷或环型电池140，其中所述圈填充有或部分填充有铁电材料，该铁电材料将自发极化并最终示出表面超导性的。然后，圈或环中的电子将自由地在圈中传导。
75.图15示出可放大或切换的铁电体/绝缘体/半导体电池150；在该电池中，铁电绝缘体200可在与绝缘体600以及半导体510和520(例如n掺杂的半导体)的界面处被负性极化。负性极化是由于表面超导性并且能够产生传导电子的通道。
76.图16示出可放大和切换的铁电体/半导体电池160；在该电池中，铁电绝缘体200可在与半导体500、510和520的界面处被正性极化。镜像负电荷将在与导体400的界面处排列。
77.图17示出由串联的联合体170构成的闭合电路的示例，其中全电池2000之间具有物理接触，具有开路电压ocv 1.38v，具有单电极电池20和红色led。所述红色led被点亮。由于全电池的ocv不足以点亮所述红色led，因此证实了单电极电池20的贡献，这清楚地示出了单电极电池能够收集和储存能量。
78.图18示出由两个电池组180构成的闭合电路的示例，它们似乎要串联联接，但在单电极电池20和电极-导体400之间没有物理接触。作为实验，当电池从液氮温度加热时，vf电位的测量可以显示：在约t≥-70℃的温度下，vf≥1.0v且电流if≥200μa。在同一实验中，在t≥20℃下vc≥0.8v。
79.众所周知，对于诸如batio3的材料，其为半导体，当低于居里温度时，该高电阻晶体在其边界处产生具有高介电常数和低电位势垒的铁电特性，电子能够容易地穿透该势垒从而导致低的电阻率(bain和chand，ferroelectrics principles and applications，
wiley-vch，2017，chapter 4，pg.93)。
80.在常规的金属-绝缘体-半导体场发射晶体管(fet)中可获得的典型的载流子面密度n
2d
仅为n
2d
≈1
×
10
13
cm-2
，这对于诱发超导性是不令人满意的。在本发明的电池中，在低温至高温下观察到超导性，并且在电极/铁电体的界面处积累的电荷载流子的数量经计算为n
2d
≥10
15
cm-2
。
81.铁电诱发超导性的实现不涉及铁电结构，因为铁电绝缘体200可为非晶或玻璃，但极大地涉及偶极子的动态聚结和排列，这实现了超导性。在本器件中，超导性发生在极高介电常数铁电材料与空气、金属或具有非常不同介电常数的任何其它材料接触的表面处。
82.在实施方案30至120中，可以跨电极、电池或器件之间的物理绝缘体屏障传导电子。
83.介电材料(含有在电场存在下极化的分子的球形腔体)中的洛伦兹腔体的表面上的极化电荷可被视为形成连续分布。此外，如果材料是各向同性，则所有原子可被彼此平行的点偶极子替换，并且由于偶极子，电场被降低到零。这时，总电场为
[0084][0085]
其中e是总电场，e
appl.
是外加电场，p是极化矢量并且ε0是真空的电容率。对于铁电-绝缘体200如li
2.99
ba
0.005
clo的过度简化，在不存在外加电场时在25℃下的极化可达到p＝1.5c.cm-2
(braga et al.j.am.chem.soc.2018，140，17968-17976)，这体现在能够极化在毫米以上距离处的其它材料的非常高的电场，从而引发霍尔效应。被极化从而使它们的电化学电位或费米能级排列的两种材料的界面处的电场为e≥10mvm-1
。当极化表面以距离d≤1nm隔开时，通常会观察到后一种电场。
[0086]
另一方面，在具有电容c的绝缘材料中的介电损耗p
l
(功率)由以下获得，
[0087]
p
l
＝v22πfctanδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0088]
其中v是电位差，f是频率且tanδ是介电损耗角正切值。
[0089]
铁电绝缘体的自发极化导致非常高的电场，该电场能够使在铁电材料的mm或cm距离处的其它材料极化，从而诱发镜像电荷，并因此在与铁电-绝缘体靠近的材料的不同侧之间引起电场及电位差。
[0090]
在实施方案10和20的单电极电池中，如果所述电极具有比所述铁电体更高的费米能级，则所述电极在与所述铁电体的界面处积累电子，所述铁电体积累阳离子，而电子在所述铁电材料(与空气或保护层接触)的自由表面处自由地传导。该电极的实施方案是al、zn、mg、k、li、na、sr或具有的费米能级高于铁电体的费米能级的任何合金、化合物、混合物或复合物。
[0091]
铁电体表面超导性有利于要被负性极化的单电池电极的连续电荷。还可通过铁电材料的偶极子的负极的积累来实现该极化。
[0092]
本发明的电池或器件10至180可用于储能器件的非接触充电。