相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)案主張于2015年6月6日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第14/729,851號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該案為2014年12月17日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第14/574,175號(hào)的部分接續(xù)案，其為2014年1月16日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第14/156,457號(hào)的部分接續(xù)案，該案已在2015年1月27日獲頒為美國(guó)專利案第8,940,850號(hào)，該案主張于2013年4月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案第61/808,733號(hào)的權(quán)益并且其為2013年3月29日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第13/853,712號(hào)的部分接續(xù)案，該案已在2015年4月21日獲頒為美國(guó)專利案第9,011,627號(hào)，并且是2012年8月30日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第13/599,996號(hào)的部分接續(xù)案，該案已在2014年1月21日獲頒為美國(guó)專利案第8,633,289號(hào)，前述申請(qǐng)案均通過引用并入本文。

本公開內(nèi)容涉及一種使儲(chǔ)存并且釋放熵能的能量?jī)?chǔ)存裝置放電的方法以及包括該能量?jī)?chǔ)存裝置的電路的實(shí)施例。

背景技術(shù)：

靜電式電容是一種尚未廣泛用于體電能儲(chǔ)存的能量?jī)?chǔ)存方法。作為能量?jī)?chǔ)存的方法，靜電式電容器具有可以累積與釋放能量的卓越速度?？梢杂脕磉M(jìn)行這種能量?jī)?chǔ)存的物理機(jī)制已被廣泛記錄和描述。一般來說，在介電材料中的傳統(tǒng)靜電式能量?jī)?chǔ)存的充電和放電機(jī)制在數(shù)微微秒至數(shù)百微秒的時(shí)域范圍內(nèi)。

近來的趨勢(shì)是使用電化學(xué)電容器來提高電能儲(chǔ)存。這些電容器的增強(qiáng)的特性得自于兩種主要機(jī)制：雙層電容以及偽電容。雙層型電容器使用電氣雙層(在下面解釋)來實(shí)現(xiàn)非常小的電荷間隔(d)，這會(huì)提高給定電壓的電場(chǎng)(e)，提高電容(c)，并且因此相對(duì)于常規(guī)平面電容器來提高針對(duì)該給定電壓所儲(chǔ)存的能量(u)，如在下面的等式1至3中顯而易見的。

eq.1

其中，e＝電場(chǎng)，v＝電位差或電壓，以及d＝帶電平板的間隔。

eq.2

其中，k＝相對(duì)電容率或介電常數(shù)，c＝電容，以及ε0＝自由空間的電容率，a＝截面表面積。

eq.3

其中，u＝所儲(chǔ)存的能量，c＝電容，以及v＝電壓。

實(shí)際上，較小的厚度(d)允許這些平板的更多表面積封裝(通常是以滾動(dòng)或堆疊的方式)在給定的體積內(nèi)。如從等式2中顯而易見的是，該面積增加同樣會(huì)顯著地提高電容。具有上述本性的裝置通常被稱為電氣雙層電容器(edlc)。

在偽電容器(其為雙層電容器與電池之間的混合物)中，材料的主體和表面兩者均起關(guān)鍵作用。因此，雖然可以比常規(guī)的平面電容器儲(chǔ)存更多的能量，但是和先進(jìn)的電池一樣會(huì)面臨很多相同的可靠度和科學(xué)性的難題，包括因昂貴的原料以及復(fù)雜處理所造成的高成本。偽電容仿效電池技術(shù)，以發(fā)生在相關(guān)電極的表面處或非常接近于該表面處的化學(xué)反應(yīng)(氧化與還原)來儲(chǔ)存能量。這些反應(yīng)的表面本性是和化學(xué)電池技術(shù)不同的特性。這些效應(yīng)(即，雙層和偽電容)中的任一者或兩者可以用在所謂的“超電容器”中。

目前的edlc僅可以處理?yè)舸┲暗牡碗妷?。為獲取很多實(shí)際應(yīng)用(例如，電動(dòng)車輛)所需要的較高電壓，多個(gè)低電壓edlc會(huì)以和用于高電壓用途的串聯(lián)連接電池大致相同的方式串聯(lián)連接。

存在對(duì)可以串聯(lián)連接的并且能夠處理更高電壓的具有更大儲(chǔ)存容量的能量?jī)?chǔ)存裝置的需要。還存在對(duì)用于使這種能量?jī)?chǔ)存裝置放電的方法的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容涉及用于使熵能儲(chǔ)存裝置(eesd)放電的方法的實(shí)施例。還公開了包括一個(gè)或多個(gè)eesd的電路的實(shí)施例。

一種從能量?jī)?chǔ)存裝置向負(fù)載供應(yīng)能量的方法，包括：(i)提供電路，其包括被充電至第一電壓電平的第一能量?jī)?chǔ)存裝置，所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置包括第一電極和第二電極，介電膜位于這兩個(gè)電極之間，該介電膜包括熵材料，并且所述第一電極相對(duì)于所述第二電極帶正電或帶負(fù)電；以及(ii)在放電時(shí)間段內(nèi)以該電路的第一操作模式將反向極化電位施加至所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極，從而從所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置向連接至所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第二電極的負(fù)載供應(yīng)功率。在一些實(shí)施例中，所述反向極化電位小于所述第一電壓電平并且小于由所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置在高阻抗?fàn)顟B(tài)中產(chǎn)生的電壓。在某些實(shí)施例中，所述第一電極相對(duì)于所述第二電極帶正電，并且向所述第一電極施加該反向極化電位，包括向所述第一電極施加負(fù)電壓。在任一個(gè)或所有前述實(shí)施例中，所述電路可以包括串聯(lián)連接的多個(gè)第一能量?jī)?chǔ)存裝置。

提供被充電至第一電壓的第一能量?jī)?chǔ)存裝置，可以包括：將所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置連接至地；并且在將所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置充電至所述第一電壓的有效時(shí)間段內(nèi)，向所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置施加充電電壓。在一些實(shí)施例中，將所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置充電還包括：在施加該充電電壓時(shí)對(duì)所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)；將所述充電電流與選定的最小值進(jìn)行比較；以及當(dāng)所述充電電流等于或低于所述選定的最小電平時(shí)，將所述電路切換至第二操作模式，在該第二操作模式中，所述電路處于高阻抗?fàn)顟B(tài)中，以使得所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置不接收所述充電電壓，并且使得實(shí)質(zhì)上沒有任何能量從所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置供應(yīng)至所述負(fù)載。

在獨(dú)立實(shí)施例中，所述電路還包括：第二能量?jī)?chǔ)存裝置，其被充電至第一電壓電平并且與所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置串聯(lián)耦合；第一開關(guān)，其能夠操作用于將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置連接至地；以及第二開關(guān)，其能夠操作用于將該第二能量?jī)?chǔ)存裝置連接至所述負(fù)載，并且以所述電路的第一操作模式向所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極施加反向極化電位包括：?jiǎn)?dòng)所述第一開關(guān)，以將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置連接至地，以及啟動(dòng)所述第二開關(guān)，以將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置連接至所述負(fù)載。所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置可以包括第一電極和第二電極，介電膜位于這兩個(gè)電極之間，該介電膜包括熵材料。

在任一個(gè)或所有上述實(shí)施例中，從能量?jī)?chǔ)存裝置向負(fù)載供應(yīng)能量的方法還可以包括：在至少閾值恢復(fù)時(shí)間段中將所述電路切換至第二操作模式，以提供電壓恢復(fù)周期，在此期間，所述電路處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，以使得實(shí)質(zhì)上沒有任何能量從所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置供應(yīng)至所述負(fù)載并且所述熵材料會(huì)恢復(fù)至所希望的熵平衡電平；并且在所述第一操作模式與第二操作模式之間反復(fù)地切換所述電路，而不從外部電源對(duì)所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置進(jìn)行重新充電。在一些實(shí)施例中，所述放電時(shí)間段和所述恢復(fù)時(shí)間段共同構(gòu)成工作周期，并且其中，所述放電時(shí)間段為所述工作周期的0.1至99.9％。在任一個(gè)前述實(shí)施例中，如果所述能量?jī)?chǔ)存裝置在處于所述第二操作模式中時(shí)與所述負(fù)載中斷連接，則所述方法還包括在將所述電路從所述第二操作模式切換至所述第一操作模式之前將所述能量?jī)?chǔ)存裝置重新連接至所述負(fù)載。

在一些實(shí)施例中，在第一與第二操作模式之間切換該電路可以由控制器來執(zhí)行。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：(i)當(dāng)處于所述第一操作模式時(shí)利用控制器來監(jiān)測(cè)所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的電壓，直到該電壓到達(dá)所希望的放電電壓電平；(ii)當(dāng)?shù)竭_(dá)所希望的放電電壓電平時(shí)，利用所述控制器將所述電路從所述第一操作模式切換至所述第二操作模式；(iii)當(dāng)處于所述第二操作模式時(shí)利用所述控制器來監(jiān)測(cè)所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的電壓，直到該電壓到達(dá)所希望的恢復(fù)電壓電平；以及(iv)當(dāng)?shù)竭_(dá)所希望的恢復(fù)電壓電平時(shí)，利用所述控制器將所述電路從所述第二操作模式切換至所述第一操作模式。在獨(dú)立實(shí)施例中，該方法包括：(a)利用控制器接收所述放電時(shí)間段的時(shí)間值；(b)利用所述控制器接收所述恢復(fù)時(shí)間段的時(shí)間值；(c)當(dāng)所述電路處于第一操作模式時(shí)，利用所述控制器監(jiān)測(cè)所述放電時(shí)間段；(d)當(dāng)?shù)竭_(dá)所述放電時(shí)間段的時(shí)間值時(shí)，利用所述控制器將所述電路從第一操作模式切換至第二操作模式；(e)當(dāng)所述電路處于第二操作模式時(shí)，利用所述控制器監(jiān)測(cè)所述恢復(fù)時(shí)間段；(f)在到達(dá)所述恢復(fù)時(shí)間段的時(shí)間值之后，利用所述控制器接收所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的電流電平和電壓電平；(g)利用所述控制器將所述電流電平和電壓電平與所述電流電平和電壓電平的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以提供目標(biāo)值比較結(jié)果；以及(i)至少部分基于這些目標(biāo)值比較結(jié)果，利用所述控制器來更新所述放電時(shí)間段的時(shí)間值以及所述恢復(fù)時(shí)間段的時(shí)間值。可選地，該方法還包括：(j)利用所述控制器將所述電路從第二操作模式切換至第一操作模式；以及(k)重復(fù)步驟(c)至(i)。

在任一個(gè)或所有上述實(shí)施例中，所述電路可以包括第一能量?jī)?chǔ)存裝置的陣列，所述陣列包括m行并聯(lián)連接的n個(gè)串聯(lián)連接的能量?jī)?chǔ)存裝置，其中，m與n分別為大于一的整數(shù)。在這種實(shí)施例中，所述方法還包括：經(jīng)由多位置開關(guān)將所述負(fù)載連接至所述陣列的第一行；在第一放電時(shí)間段內(nèi)向該陣列的第一行中的第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極施加所述反向極化電位，從而從所述陣列的第一行向所述負(fù)載供應(yīng)功率；在所述第一放電時(shí)間段之后，經(jīng)由所述多位置開關(guān)將所述負(fù)載連接至所述陣列的后續(xù)行；并且在后續(xù)放電時(shí)間段內(nèi)向所述陣列的后續(xù)行中的第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極施加所述反向極化電位，從而從所述陣列的后續(xù)行向所述負(fù)載供應(yīng)功率。

一種示例性電路包括：(a)如本文中所述的第一能量?jī)?chǔ)存裝置；(b)第二能量?jī)?chǔ)存裝置，其包括第一電極和第二電極，介電膜位于這兩個(gè)電極之間，所述第一電極相對(duì)于所述第二電極帶正電或帶負(fù)電；(c)第一多位置開關(guān)，其連接至所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極并且被調(diào)適成(i)將所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極耦合至充電電壓源，(ii)將所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極耦合至負(fù)載，或(iii)將所述第一能量?jī)?chǔ)存裝置置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，以使得實(shí)質(zhì)上沒有能量從該第一能量?jī)?chǔ)存裝置供應(yīng)至負(fù)載；(d)第二多位置開關(guān)，其連接至所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置的第二電極并且被調(diào)適成將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置的第二電極耦合至負(fù)載或地；以及(e)第三多位置開關(guān)，其連接至所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極并且被調(diào)適成(i)將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極耦合至充電電壓，(ii)將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置的第一電極耦合至地，或(iii)結(jié)合所述第二多位置開關(guān)，將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，所述二多位置開關(guān)被定位成將所述第二能量?jī)?chǔ)存裝置的第二電極連接至地。在一些實(shí)施例中，該第二能量?jī)?chǔ)存裝置的介電膜包括介電材料。該電路可以還包括控制器，其能夠操作用于啟動(dòng)第一、第二以及第三多位置開關(guān)。

在獨(dú)立實(shí)施例中，一種示例性電路包括：(a)如本文中所公開的第一能量?jī)?chǔ)存裝置，該第一陣列包括m1行并聯(lián)的n1個(gè)串聯(lián)連接的能量?jī)?chǔ)存裝置，其中，m1和n1為整數(shù)；(b)第二陣列的能量?jī)?chǔ)存裝置，該第二陣列包括m2行并聯(lián)的n2個(gè)串聯(lián)連接的能量?jī)?chǔ)存裝置，其中，m2和n2為整數(shù)，所述第二陣列中的每個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置包括第一電極和第二電極，介電膜位于這兩個(gè)電極之間，每個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置的所述第一電極相對(duì)于所述第二電極帶正電或帶負(fù)電；(c)第一輸入多路復(fù)用器，其連接至地并且連接至所述第一陣列；(d)第二輸入多路復(fù)用器，其連接至所述第二陣列；(e)第一多位置開關(guān)，其耦合至所述第一陣列并且被調(diào)適成(i)將第一陣列耦合至充電電壓源，(ii)將第一陣列耦合至負(fù)載，或(iii)將第一陣列置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，以使得實(shí)質(zhì)上沒有能量從該第一陣列供應(yīng)至負(fù)載；(f)第二多位置開關(guān)，其耦合至所述第二輸入多路復(fù)用器并且被調(diào)適成(i)將所述第二輸入多路復(fù)用器耦合至充電電壓源，或(ii)將所述第二輸入多路復(fù)用器耦合至地；(g)第三多位置開關(guān)，其耦合至所述第二陣列的第一側(cè)并且被調(diào)適成(i)將所述第二陣列的第一側(cè)耦合至負(fù)載，(ii)將所述第二陣列的第一側(cè)耦合至地，或(iii)結(jié)合所述第二多位置開關(guān)，將第二陣列置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，所述二多位置開關(guān)被定位成將所述第二輸入多路復(fù)用器連接至地；以及(h)控制器，其能夠操作用于控制第一和第二輸人多路復(fù)用器，并且啟動(dòng)第一、第二以及第三多位置開關(guān)。

根據(jù)參考附圖進(jìn)行的以下具體實(shí)施方式，本發(fā)明的前述以及其它目的、特征、以及優(yōu)點(diǎn)將更加顯而易見。

附圖說明

圖1是示例性能量?jī)?chǔ)存裝置的示意圖。

圖2是示例性能量?jī)?chǔ)存裝置的示意性截面圖。

圖3是另一個(gè)示例性能量?jī)?chǔ)存裝置的示意性截面圖。

圖4示出了包括如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置的實(shí)施例的示例性電路的示圖。所示出的電路處于充電狀態(tài)(狀態(tài)a)、放電狀態(tài)(狀態(tài)b)、以及高阻抗?fàn)顟B(tài)(狀態(tài)c)。

圖5是從如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置向負(fù)載供應(yīng)能量的通用方法的流程圖。

圖6是用于對(duì)如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置充電的方法的流程圖。

圖7示出了包括兩個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置的示例性電路的示圖，這兩個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置中的至少一個(gè)為如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置的實(shí)施例。所示出的電路處于充電狀態(tài)(狀態(tài)a)、放電狀態(tài)(狀態(tài)b)、以及高阻抗/中止放電狀態(tài)(狀態(tài)c)。

圖8是使用具有兩個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置的電路向負(fù)載供應(yīng)能量的通用方法的流程圖，至少一個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置為如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置。

圖9是具有三個(gè)串聯(lián)的理想電容器的示例性電路的示圖。

圖10是具有三個(gè)串聯(lián)的熵能儲(chǔ)存裝置的示例性電路的示圖。

圖11是圖4的電路中的示例性熵能儲(chǔ)存裝置的放電速率相對(duì)于分?jǐn)?shù)電荷(fractionalcharge)的曲線圖。

圖12是示出負(fù)放電電壓對(duì)圖4的電路中的示例性熵能儲(chǔ)存裝置(具有50％的電荷)的放電速率的影響的曲線圖。

圖13用放電速率(a/m²)相對(duì)于負(fù)放電電壓的曲線圖來呈現(xiàn)與圖12相同的數(shù)據(jù)。

圖14是通過如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置的脈沖式放電向負(fù)載供應(yīng)能量的通用方法的流程圖。

圖15示出了包括由如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置的陣列的示例性電路的示圖。所示出的電路處于充電狀態(tài)(狀態(tài)a)、放電狀態(tài)(狀態(tài)b)、以及高阻抗?fàn)顟B(tài)(狀態(tài)c)。

圖16是示出在根據(jù)圖4、7、或15中的任一個(gè)的電路的操作期間的多位置開關(guān)的控制的流程圖。

圖17是示出在操作根據(jù)圖4、7、或15中的任一個(gè)的電路的脈沖式放電模式中的多位置開關(guān)的控制的流程圖。

圖18示出了示例性熵能儲(chǔ)存裝置的充電與放電的隨著時(shí)間的電壓。

圖19是示出將商用靜電式電容器從0v充電至10v時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的充電曲線。

圖20是示出利用0v的外加電壓來將圖19的商用靜電式電容器放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖21是示出利用-1v的外加電壓來將圖19的商用靜電式電容器放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖22是示出利用-2.5v的外加電壓來將圖19的商用靜電式電容器放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖23是示出利用-5v的外加電壓來將圖19的商用靜電式電容器放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖24是示出利用-7.5v的外加電壓來將圖19的商用靜電式電容器放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖25是示出利用-10v的外加電壓來將圖19的商用靜電式電容器放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖26是示出將如本文中所公開的熵能儲(chǔ)存裝置從0v充電至10v時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的充電曲線。

圖27是示出利用0v的外加電壓來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖28是示出利用-2.5v的外加電壓來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖29是示出利用-5v的外加電壓來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖30是示出利用-10v的外加電壓來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖31是示出利用0v的外加電壓和2秒的高阻抗區(qū)段來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖32是示出利用-2.5v的外加電壓和2秒的高阻抗區(qū)段來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖33是示出利用-5v的外加電壓和2秒的高阻抗區(qū)段來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖34是示出利用-10v的外加電壓和2秒的高阻抗區(qū)段來將eesd(已被充電至10v)放電時(shí)隨著時(shí)間變化的電壓的放電曲線。

圖35是示出在圖4的電路中的示例性熵能儲(chǔ)存裝置的脈沖式放電期間隨著時(shí)間的電壓變化的放電曲線。

具體實(shí)施方式

本公開內(nèi)容涉及用于對(duì)熵能儲(chǔ)存裝置(eesd)進(jìn)行放電的方法的實(shí)施例。還公開了包括一個(gè)或多個(gè)eesd的電路的實(shí)施例。所公開的方法以及eesd在能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍從平滑和旁通電壓浪涌的電子元件到電力網(wǎng)應(yīng)用的體能量?jī)?chǔ)存。能量?jī)?chǔ)存的范圍從小至微微焦耳的能量至數(shù)太拉焦耳的能量。本文中所述的方法和材料可應(yīng)用于任何這些規(guī)模的電平?？梢岳胑esd的常用裝置(固定式和移動(dòng)式)包括手機(jī)、膝上型電腦、汽車、電能電網(wǎng)備用和啟動(dòng)儲(chǔ)存器、以及作為電子電路中所常用的靜電式旁通(去耦)電容器的替代物。由于本文中所述的eesd以及本文中所公開的用于將eesd放電的方法具有高能量密度、優(yōu)選的安全性、以及低成本，可以預(yù)見電能儲(chǔ)存在應(yīng)用中的拓展用途，而這在先前被認(rèn)為是不可能的。

i.定義

提供以下對(duì)術(shù)語(yǔ)及縮寫的解釋以更好地描述本公開內(nèi)容并且指導(dǎo)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員實(shí)踐本公開內(nèi)容。如本文中所使用的，除非上下文另有明確規(guī)定，否則“包含”意指“包括”并且單數(shù)形式的“一”或“一個(gè)”或“所述”包括復(fù)數(shù)引用。除非上下文另有明確規(guī)定，否則術(shù)語(yǔ)“或”指代所陳述的替代元件中的單個(gè)元件或兩個(gè)或更多個(gè)元件的組合。

除非另行解釋，否則本文中所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本公開內(nèi)容所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。盡管與本文中所公開的相似或等同的方法和材料可以用于本公開內(nèi)容的實(shí)踐或測(cè)試中，但是下面描述了合適的方法和材料。材料、方法和示例僅是說明性的而不是要進(jìn)行限制。根據(jù)以下具體實(shí)施方式和權(quán)利要求，本公開內(nèi)容的其它特征是顯而易見的。

除非另行指出，否則說明書或權(quán)利要求書中所使用的表示部件量、電壓、溫度、時(shí)間等的所有數(shù)字應(yīng)被理解為被術(shù)語(yǔ)“大約”修飾。因此，除非隱含地或明確地另行指出，否則所闡述的數(shù)值參數(shù)是可以取決于所尋求的期望性質(zhì)和/或在本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件/方法下的檢測(cè)限度的近似值。當(dāng)直接且明確地區(qū)分實(shí)施例與所討論的先有技術(shù)時(shí)，實(shí)施例數(shù)字不是近似值，除非敘述了詞語(yǔ)“大約”。

為了便于審查本公開內(nèi)容的各種實(shí)施例，提供了具體術(shù)語(yǔ)的以下解釋：

電容器：一種能量?jī)?chǔ)存裝置，其包括由被稱為電介質(zhì)的實(shí)質(zhì)上非導(dǎo)電材料分隔開的兩個(gè)導(dǎo)電平板。該電容器的電容或儲(chǔ)存容量的數(shù)值取決于這些平板的尺寸、這些平板之間的距離、以及該電介質(zhì)的性質(zhì)。其關(guān)系如等式1中所示：

等式1：

其中，e0＝真空的介電常數(shù)(8.8542×10^-12f/m)，er＝相對(duì)介電常數(shù)(下面定義)，a＝一個(gè)平板的表面積(兩個(gè)平板具有相同的尺寸)，以及d＝兩個(gè)平板之間的距離。

介電材料：可以被外加電場(chǎng)極化的電絕緣體。

電介質(zhì)擊穿電壓：介電材料將“擊穿”并且導(dǎo)通電流時(shí)的電壓。該電介質(zhì)擊穿電壓為材料的介電強(qiáng)度的指標(biāo)。

eesd：熵能儲(chǔ)存裝置。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)eesd指代類電容器裝置，其中，該介電材料是如下面所定義的熵材料。

電絕緣材料或絕緣體：絕緣體是具有不自由流動(dòng)的內(nèi)部電荷的材料，并且因此該材料僅導(dǎo)通極少甚至不導(dǎo)通電流。認(rèn)識(shí)到并不存在完美的絕緣體，如本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“電絕緣材料”指代主要為絕緣的材料，即，具有的閾值擊穿電場(chǎng)超過在作為電容器正常使用期間被施加在該材料上的電場(chǎng)的材料，從而在正常使用期間避免電氣擊穿。

電極：如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“電極”指代電導(dǎo)體(例如，金屬、碳、或?qū)щ娋酆衔?或者“復(fù)合”電極，該“復(fù)合”電極包括電導(dǎo)體以及在該電導(dǎo)體的表面上的非導(dǎo)電材料。

熵材料：經(jīng)由該材料的熵變化來儲(chǔ)存能量的材料。在一些示例中，所述熵變化由電氣方式驅(qū)動(dòng)，并且該材料被稱為electroentropic^tm材料。在其它示例中，所述熵變化由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并且該材料被稱為magnetoentropic^tm材料。熵變化包括原子、分子、二級(jí)、和/或三級(jí)結(jié)構(gòu)變化，例如，聚合物的分子內(nèi)移動(dòng)和/或該材料內(nèi)的帶電或極性的分子種類的分子間移動(dòng)。所公開的熵材料的實(shí)施例包括多個(gè)聚合分子，尤其是包括一個(gè)或多個(gè)極性官能團(tuán)和/或可電離的官能團(tuán)的聚合分子。

esr：等效串聯(lián)電阻。

高阻抗?fàn)顟B(tài)：能量?jī)?chǔ)存裝置沒有連接至負(fù)載或充電電壓源的狀態(tài)。

絕緣或非導(dǎo)電層/涂層：如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“絕緣層”、“絕緣涂層”、“非導(dǎo)電層”以及“非導(dǎo)電涂層”指代根據(jù)歐姆導(dǎo)電率的觀點(diǎn)而言的電絕緣的材料的層或涂層，即，該材料的歐姆導(dǎo)電率小于1×10^-1s/m(西門子每米)。

負(fù)載：電路中或電路的一部分中吸取電力的元件。

聚對(duì)二甲苯：聚合的對(duì)二甲苯，也被稱為puralene^tm聚合物(carverscientific公司)，或聚合取代的對(duì)二甲苯。聚合的對(duì)二甲苯滿足以下化學(xué)式：

介電常數(shù)：如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“介電常數(shù)”指代材料變成極化的能力，從而將其空間體積的“介電常數(shù)”變成高于真空的值。材料的相對(duì)介電常數(shù)為其靜態(tài)介電常數(shù)除以真空的介電常數(shù)的度量，如等式2中所示：

等式2：

其中，er＝相對(duì)介電常數(shù)，es＝經(jīng)測(cè)量的介電常數(shù)，并且eo＝真空的介電常數(shù)(8.8542×10^-12f/m)。真空具有的相對(duì)介電常數(shù)為1，而水具有的相對(duì)介電常數(shù)為80.1(在20℃下)，并且有機(jī)涂層通常有3至8的相對(duì)介電常數(shù)。一般來說，術(shù)語(yǔ)“高介電常數(shù)”指代具有至少3.3的相對(duì)介電常數(shù)的材料。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“高介電常數(shù)”還指代使用介電常數(shù)提高技術(shù)(例如，浸沒在電場(chǎng)中)將介電常數(shù)提高至少10％的材料。

極性：術(shù)語(yǔ)“極性”指代化合物或化合物內(nèi)的官能團(tuán)，其中，電子不會(huì)在這些原子之間均等地共享，即，正電和負(fù)電電荷的區(qū)域至少部分永久性分離。

聚合物/聚合分子：經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)(即，聚合)形成的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元(例如，單體)的分子。

空間受限的介電膜：如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“空間受限的介電膜”指代包括多個(gè)聚合分子的電絕緣和/或高介電常數(shù)的介電膜，其具有一個(gè)或多個(gè)極性官能團(tuán)、可電離的官能團(tuán)、或其組合，其中，這些聚合分子中的至少一部分或給定聚合物分子的一部分在空間上受到限制，即，這些聚合分子中的至少一些或聚合分子的一部分在該介電材料內(nèi)的實(shí)體移動(dòng)的某個(gè)自由度會(huì)受到限制。當(dāng)該聚合分子的一部分結(jié)合至與該介電膜接觸的電極表面時(shí)可以引起空間受限。

ii.熵能儲(chǔ)存裝置(eesd)

能量?jī)?chǔ)存裝置中所儲(chǔ)存的能量和被施加至該裝置的電壓的平方有關(guān)。因此，重要的是，當(dāng)該裝置的主要用途為能量?jī)?chǔ)存時(shí)，該裝置的額定電壓盡可能高。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，除了具有高擊穿電壓之外，該裝置還擁有低泄漏電流。換言之，當(dāng)該能量?jī)?chǔ)存裝置已經(jīng)被充電至給定電壓時(shí)，從一個(gè)電極至另一個(gè)電極的電荷導(dǎo)通速率應(yīng)該為較小的值。當(dāng)該裝置已經(jīng)被充電用于能量?jī)?chǔ)存超過某個(gè)給定的時(shí)間段時(shí)，泄漏速率是足夠低的可接受值，該值會(huì)根據(jù)該儲(chǔ)存裝置的使用(其已儲(chǔ)存多久的時(shí)間)以及因而被儲(chǔ)存的能量的“值”(重新充電的容易程度以及充電的成本)而變化?？山邮艿男孤┲低ǔ?huì)因應(yīng)用不同而明顯不同。在所有的實(shí)施例中，通常避免并且最小化泄漏。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，在對(duì)大部分的能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估時(shí)，對(duì)于給定的泄漏電平可能具有相對(duì)介電常數(shù)以及最高額定電壓的最高值，會(huì)提供最佳的能量?jī)?chǔ)存裝置。還應(yīng)該注意的是，該能量?jī)?chǔ)存裝置以合理的速率放電和充電的能力同樣是一項(xiàng)重要的因素。對(duì)于大部分的電子應(yīng)用，能量?jī)?chǔ)存裝置充當(dāng)理想電容器的能力是一項(xiàng)重要的參數(shù)，尤其是當(dāng)以mmhz范圍內(nèi)及以上的頻率工作時(shí)。該能量?jī)?chǔ)存裝置還應(yīng)該具有完全放電以置于其電極內(nèi)的電荷的能力。所有的電容裝置都經(jīng)受“不可逆電介質(zhì)吸收”，但是在能量領(lǐng)域中，將電容器放電至由其應(yīng)用所確定的電平會(huì)限制該效應(yīng)可接受的程度。術(shù)語(yǔ)消耗系數(shù)通常被用來描述這些損耗但是在能量?jī)?chǔ)存的領(lǐng)域中，還會(huì)使用術(shù)語(yǔ)“往返效率”。這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)都可以在本文中用于通用能量?jī)?chǔ)存裝置。

熵能儲(chǔ)存裝置的實(shí)施例包括實(shí)質(zhì)上相互平行的兩個(gè)導(dǎo)電表面(電極)以及介于這些導(dǎo)體表面之間的熵介電膜。該裝置可以進(jìn)一步包括位于這些電極中的一者或兩者上的絕緣層或涂層。與常規(guī)的靜電式電容器相比，所公開的eesd的實(shí)施例具有非常慢的放電，大約為數(shù)毫秒至數(shù)秒。有利地，所公開的eesd穩(wěn)定、魯棒、具有低泄漏電流、并且可以具有5至500v的擊穿電壓。

a.電極

在一些實(shí)施例中，這些電極為平面或?qū)嵸|(zhì)上平面。這些電極可以為金屬、基于碳的、或?qū)щ娋酆衔铩Ｃ總€(gè)電極可以獨(dú)立地具有平滑表面或粗糙表面。例如，粗糙電極可以被制備為具有碳粒子，碳粒子給該電極提供遠(yuǎn)高于平滑電極(例如，由經(jīng)拋光的金屬制成的電極)的表面積。選定的表面粗糙度的量可以至少部分取決于給定能量?jī)?chǔ)存裝置或電容裝置所希望的外部電氣參數(shù)。與包括平滑電極的能量?jī)?chǔ)存裝置相比，包括粗糙電極的相似能量?jī)?chǔ)存裝置在短暫的時(shí)間段內(nèi)(例如，數(shù)微秒至毫秒或更長(zhǎng)的時(shí)間段)可以具有更快的充電及放電安培數(shù)(例如，100倍快)，接著會(huì)有與具有平滑電極的能量?jī)?chǔ)存裝置所提供的放電速率相似的較慢放電速率。

b.絕緣層

每個(gè)電極均可以在一個(gè)或多個(gè)表面上被涂布絕緣(非導(dǎo)電)層或涂層。具有絕緣涂層的電極會(huì)被稱為“復(fù)合電極”。在該能量?jī)?chǔ)存裝置中，該復(fù)合電極會(huì)被定向成使得該絕緣層與介電材料接觸。該絕緣層為該電極提供高絕緣性質(zhì)并且為要加入的介電材料提供結(jié)合位置。該絕緣層具有的歐姆導(dǎo)電率小于1×10^-1s/m，例如小于1×10^-2s/m、小于1×10^-5s/m、或者小于1×10^-10s/m。在某些實(shí)施例中，該歐姆導(dǎo)電率從1×10^-25s/m至1×10^-1s/m、從1×10^-10s/m至1×10^-1s/m、或者從1×10^-5s/m至1×10^-1s/m。該涂層的厚度范圍可以從數(shù)納米至大于10微米。在一些實(shí)施例中，該絕緣層具有的平均厚度從5nm至10μm，例如0.1-10μm、0.3-10μm、0.3-5μm、或0.3-2μm。在一個(gè)實(shí)施例中，從該第一電極的外表面至第二電極的外表面所測(cè)量到的，該涂層具有小于該電容器的總厚度的10％的平均厚度。該絕緣涂層可以通過任何合適的方式來涂覆，包含但不限于：氣相沉積、液體噴涂、以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的涂覆涂層的其它技術(shù)。示例性絕緣涂層為聚合的對(duì)二甲苯，例如，如us2014/0139974中所公開的puralene^tm聚合物涂層。

該絕緣層可以用適當(dāng)?shù)墓簿蹎误w來進(jìn)行改性，以便為該介電材料的聚合分子提供提高的介電常數(shù)和/或附接位置。在一些實(shí)施例中，這些共聚單體包括一個(gè)或多個(gè)不飽和鍵。例如，包括聚合的對(duì)二甲苯的絕緣層可以通過包括共聚單體而被改性，這些共聚單體包括但不限于：烯烴、乙烯衍生物、炔基團(tuán)衍生物、丙烯化合物、烯丙基團(tuán)化合物、羰基團(tuán)、環(huán)狀醚、環(huán)狀縮醛、環(huán)狀酰胺基團(tuán)、惡唑啉及其組合。在一些實(shí)施例中，這些共聚單體為：丙烯酸酯(例如，丙烯酸2-羧基乙基酯)、甲基丙烯酸酯(例如，3-(三甲氧基甲硅烷基)甲基丙烯酸丙酯)、α-蒎烯、r-(-)香芹酮、芳樟醇、環(huán)己烯、二戊烯、α-萜品烯、r-(+)-檸檬烯及其組合。共聚物可以包括交替的單體或者可以采用嵌段共聚物的形式。

c.包括熵材料的介電膜

在先前技術(shù)中，已經(jīng)假設(shè)被儲(chǔ)存在與電極相鄰的有各種名稱的層內(nèi)的能量為不可恢復(fù)。換言之，當(dāng)電位被施加至與具有能夠移動(dòng)通過該溶液的離子的溶液接觸的平坦電極時(shí)，離子便會(huì)移動(dòng)至該表面。一旦足夠接近該電極，這些離子便會(huì)被假設(shè)因?yàn)橛袕?qiáng)烈的靜電作用力將其結(jié)合在固定的地方而固定在該表面處。與溶劑分子碰撞的能量并不足以讓這些離子移位。如果從該表面處移除該電位，則這些離子便會(huì)以擴(kuò)散的方式自由移動(dòng)。引人關(guān)注的是，如果該電位從該電極表面處移除的話，則最靠近該電極的電氣雙層的最終崩解允許釋放固定離子的能量，以使得該能量不會(huì)被完全釋放成熱能，但代替地，該電極可以吸收由該崩解電場(chǎng)所產(chǎn)生的能量并且在該導(dǎo)體中產(chǎn)生電位和電流。該效應(yīng)為電氣雙層電容器(edlc)中能量?jī)?chǔ)存的基礎(chǔ)。

儲(chǔ)存在edlc的擴(kuò)散外層中的能量通常不會(huì)完全恢復(fù)。被形成為靠近該電極表面的電氣雙層被稱為helmholtz層，而遠(yuǎn)離該電極表面的電氣雙層則被稱為gouy-chapman層。這些層之間的一個(gè)區(qū)別在于，不能從該電氣表面處熱擴(kuò)散的離子層被稱為“helmholtz”層。這些層基本上因施加電位至該表面而固定在該工作溫度下。另一個(gè)區(qū)別在于，這些擴(kuò)散helmholtz層(gouy-chapman，但是常被稱為擴(kuò)散helmholtz層)，在本文中被稱為dh層，為隨機(jī)熱移動(dòng)能夠擴(kuò)散因該電場(chǎng)所誘發(fā)的離子排列的層。由于這并非尖銳邊界，所以可以使用與在1秒的周期內(nèi)50％的電位能損耗相關(guān)聯(lián)的任意時(shí)間單位來限定這兩個(gè)主要宏觀層之間的邊界層條件。

與主體相比，helmholtz層和dh層兩者(其在恒定的環(huán)境溫度下形成)熵降低。這些由熵改性的材料顯示已經(jīng)被示出的不同物理特性(例如，介電常數(shù))。例如，在美國(guó)專利案第8,633,289號(hào)中已經(jīng)示出這些經(jīng)改性的特性的申請(qǐng)，該案描述了二甲苯基([2,2’]對(duì)環(huán)芳烷)的穩(wěn)定中間二聚體的改良合成以及與該化合物和通用結(jié)構(gòu)有關(guān)的衍生物、用于形成環(huán)芳烷以及具有各種取代基的相關(guān)化合物的方法、以及應(yīng)用這些二甲苯基(或取代的二甲苯基)單體來制造涂層以及從反應(yīng)中間物所衍生的其它聚合物產(chǎn)物的方法。同樣，美國(guó)專利案第9,011,627號(hào)也尤其描述一種使用有機(jī)聚合物來制造用于電容器的高介電常數(shù)介電材料的方法，以便產(chǎn)生低導(dǎo)電性的介電涂層。

在熵降低的介電材料中提高介電常數(shù)的基本原理通過將這些電荷“組織”成多個(gè)離散的列與行的概念來理解。由于每個(gè)電荷層在能量上被優(yōu)化成位于可能基于周圍的離子電荷的最低能量配置中，所以從這些電極強(qiáng)加外部電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致可從該介電材料層中的其當(dāng)前位置獲得的離子或偶極子的最低能量狀態(tài)破壞。因此，當(dāng)施加該電場(chǎng)時(shí)，該偶極子或離子會(huì)從其靜置位置(即，其在施加該電場(chǎng)之前的位置)移動(dòng)，這進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電荷分布在該材料中的重新排列。這會(huì)導(dǎo)致所有其它偶極的其它重新排列在整個(gè)介電材料中繼續(xù)。沒有被轉(zhuǎn)換成熱的能量被該介電材料吸收。當(dāng)釋放能量時(shí)，如果所儲(chǔ)存的能量沒有通過其它機(jī)制(例如，增加的熱運(yùn)動(dòng)(例如，與溫度成比例的隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)))釋放，則可能發(fā)生該過程的反轉(zhuǎn)。以此方式反應(yīng)的介電材料會(huì)被稱為“熵”材料，因?yàn)槭┘油獠侩妶?chǎng)會(huì)誘發(fā)該介電材料內(nèi)的熵改變。

在熵“正?！辈牧系那闆r下，偶極和離子在電場(chǎng)中的重新排列并不一定會(huì)導(dǎo)致這些材料中的所有其它離子與偶極的重新排列。換言之，該偶極或該離子的重新排列可能在有很少或沒有與材料中的其它偶極和離子凈交互作用的情況下發(fā)生。在這些情況下，該材料將顯示與其熵降低形式相比較少的能量?jī)?chǔ)存能力。

如果該材料的粘性使得這些分子能夠發(fā)生移動(dòng)，則給定的偶極或離子因該電場(chǎng)的形成而儲(chǔ)存的能量能夠通過弛豫機(jī)制而消散，在這些機(jī)制中，能量會(huì)被轉(zhuǎn)換成使其本身對(duì)外表現(xiàn)為熱能的旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、平移、以及其它移動(dòng)。針對(duì)低粘性材料，已經(jīng)被儲(chǔ)存在這些擴(kuò)散helmholtz層(dh層)內(nèi)的能量因而會(huì)由于這些離子和偶極的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而損耗。

針對(duì)中等至高粘性的材料，形成這些helmholtz層(h層)及這些dh層的時(shí)間幀實(shí)質(zhì)上會(huì)提高。然而，分子的熱運(yùn)動(dòng)(現(xiàn)在排除晶格作為宏觀現(xiàn)象的振動(dòng))有效地下降至接近可忽略。在這些材料中，與熱消散該能量所需要的時(shí)間相比，可以相對(duì)快速地將電場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)存在h層和dh層中。熱消散基本上是與放射性衰減或擴(kuò)散相似的時(shí)間的一階衰減指數(shù)；如果在充電循環(huán)期間，該能量在例如1秒的時(shí)間段內(nèi)被吸收，則高粘性材料可能需要很多秒甚至數(shù)分鐘使得90％的能量作為熱能進(jìn)行消散。

熱衰減過程實(shí)質(zhì)上慢于電氣雙層能量?jī)?chǔ)存過程。因此，如果快速存取能量，則可以利用因形成這些h層和dh層而儲(chǔ)存的能量。在這種情形下，在已形成的偶極層和離子層中的大部分能量的釋放通過該電場(chǎng)并且接著與電位和電流耦合。由于這些h層和dh層的放電可能需要移動(dòng)分子以及原子，所以該放電過程可以比充電慢，但是相對(duì)于產(chǎn)生熱能的弛豫機(jī)制仍然保持快速。

該能量?jī)?chǔ)存裝置的一些實(shí)施例包含包括單介電材料層的介電膜，并且其它實(shí)施例包含包括多層介電材料的介電膜。該多層介電材料可以利用被多次沉積的單一材料來形成，在這些沉積之間有或者沒有表面改性。替代地，每層都可以具有不同的化學(xué)成分。在一些實(shí)施例中，該裝置被構(gòu)造成具有介電膜，其包括具有不同介電常數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)電介質(zhì)層。該介電膜的平均厚度范圍可以從數(shù)微米至數(shù)毫米。在一些實(shí)施例中，該介電膜的平均厚度從10μm至5mm，例如從10μm至1mm、從10μm至500μm、或從50μm至250μm。在一些實(shí)施例中，該介電膜的平均厚度為80-120μm，例如，100μm的平均厚度。

該介電膜可以包括導(dǎo)電或非導(dǎo)電的聚合物、無(wú)機(jī)金屬氧化物、混合金屬氧化物、混合聚合物和有機(jī)材料或其組合。在一些示例中，該聚合物為生物聚合物。

在一些實(shí)施例中，該介電材料具有液體特性，并且具有類似于蜂蜜或者更大的粘性。在某些實(shí)施例中，該介電材料的粘性從10,000cp至250,000cp。在獨(dú)立實(shí)施例中，該介電材料為固體。在一些實(shí)施例中，該介電材料具有可變的粘性。低粘性可以通過以熱、作用力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或改變所施加的介電材料的其它方式的形式施加或去除能量而以受控的方式提高。

該介電材料可以基本上沒有任何導(dǎo)電性；換言之，該介電材料在任一電極處或附近不會(huì)進(jìn)行氧化/還原并且不會(huì)呈現(xiàn)歐姆導(dǎo)電率。因此，所公開的能量?jī)?chǔ)存裝置的實(shí)施例并非傳統(tǒng)的電化學(xué)電池，而是與靜電式電容器更密切相關(guān)。然而，該介電材料能夠比傳統(tǒng)的電化學(xué)電池或靜電式電容器儲(chǔ)存更大量的比能以維持更長(zhǎng)的時(shí)間段。

在一些實(shí)施例中，該能量?jī)?chǔ)存裝置包括為非導(dǎo)電的高介電常數(shù)的介電材料。非導(dǎo)電、高介電常數(shù)的電介質(zhì)的兩個(gè)非限制性示例為蟲膠基質(zhì)中的玉米醇溶蛋白以及利用順丁烯二酸酐所衍生的蛋白質(zhì)。在其它實(shí)施例中，該介電材料是導(dǎo)電的；在這樣的實(shí)施例中，這些電極通常會(huì)如上所述被涂覆絕緣層，以便減少或防止歐姆導(dǎo)電。例如，當(dāng)該介電材料具有的電阻值小于每平方厘米2.5mω時(shí)，可以使用絕緣層。在一些實(shí)施例中，該能量?jī)?chǔ)存裝置包括介電常數(shù)為至少10至2,000,000并且歐姆導(dǎo)電率從1s/m至1×10^-25s/m的介電材料。

在一些實(shí)施例中，該介電材料為與該能量?jī)?chǔ)存裝置的兩個(gè)電極接觸的膜。通常，該接觸可以被描述為該膜與該電極的整個(gè)接觸表面之間的直接實(shí)體接觸。該介電材料可以接觸“裸”金屬或以碳為基礎(chǔ)的電極表面、或復(fù)合電極的絕緣層。

所公開的能量?jī)?chǔ)存裝置的實(shí)施例包含包括聚合分子的介電材料，這些聚合分子具有極性和/或可電離的官能團(tuán)，從而產(chǎn)生分子內(nèi)偶極以及偶極矩。這些聚合分子可以還包括一個(gè)或多個(gè)雙鍵。蛋白質(zhì)為可輕易取得的、具有低毒性的廉價(jià)極性聚合物。低毒性為優(yōu)于其它聚合物的很大優(yōu)點(diǎn)，并且允許這些能量?jī)?chǔ)存裝置循環(huán)利用或焚化。蛋白質(zhì)分子包括具有極性和/或可電離的官能團(tuán)的氨基酸。在分子中具有因兩性離子的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)極化和/或電荷分離的情況下，可以在該單一分子本身內(nèi)具有“完整”高介電極化能力。在很多蛋白質(zhì)基質(zhì)中，這些離子形式可以被該蛋白質(zhì)主干本身密封。極性聚合物的非限制性示例包括：玉米醇溶蛋白、大麻蛋白、小麥麩質(zhì)、聚(丙烯酸-順丁烯二酸共聚物)、聚(丙烯酸)、分離乳清蛋白、分離大豆蛋白、豌豆蛋白提取物、蟲膠、及其組合。

其它適合的聚合物包括但不限于：取代的(例如，氟化)和未取代的對(duì)二甲苯聚合物、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚乙二醇單酯、胺基甲酸酯聚合物、環(huán)氧樹脂聚合物、硅酮聚合物、有機(jī)萜類聚合物、天然有機(jī)聚合物(例如，諸如蟲膠之類的樹脂)、聚異氰酸酯及其組合。諸如下面的共聚物同樣在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)：丙烯酸共聚物(例如，具有乙烯丁基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯、以及甲基丙烯酸酯的共聚物)以及聚對(duì)二甲苯共聚物(例如，對(duì)二甲苯與丙烯酸酯(例如，丙烯酸2-羧基乙基酯)、甲基丙烯酸酯(例如，3-(三甲氧基甲硅烷基)甲基丙烯酸丙酯)、α-蒎烯、r-(-)香芹酮、芳樟醇、環(huán)己烯、二戊烯、α-蒎烯，r-(+)-檸檬烯及其組合的共聚物)。

在某些實(shí)施例中，聚合分子被衍生化，以附接額外的官能團(tuán)，例如，有助于這些聚合分子隨后結(jié)合至裸電極表面(即，裸金屬或碳表面)或隨后結(jié)合至復(fù)合電極表面的官能團(tuán)。示例性衍生劑包括但不限于：酸酐、碳二亞胺、亞氨酸酯和包括n-羥基琥珀酰亞胺和馬來酰亞胺、芳基疊氮化物或雙吖丙啶基團(tuán)的組合的試劑。在一些示例中，聚合物用酸酐進(jìn)行衍生化，所述酸酐例如：馬來酸酐、衣康酸酐、順式-4-環(huán)己烯-1,2-二羧酸酐或順式-5-降冰片烯-內(nèi)-2,3-二羧酸酐。衍生的聚合物分子可以通過交聯(lián)或通過與表面的其它反應(yīng)而結(jié)合到電極表面。當(dāng)聚合物分子用馬來酸酐進(jìn)行衍生化時(shí)，例如，衍生的聚合物分子可以通過雙鍵進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)可以通過任何合適的方式執(zhí)行，例如化學(xué)試劑(例如，自由基引發(fā)劑)、紫外光活化或熱激活。

發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，雖然這些聚合分子無(wú)法在這些電極之間自由地移動(dòng)；但是具有上述特性的聚合分子在空間受限時(shí)可以用于能量?jī)?chǔ)存。在對(duì)包括電極的能量?jī)?chǔ)存裝置和包含聚合物分子的介電材料進(jìn)行充電和/或放電之前，聚合物分子可以通過任何方式(包括共價(jià)鍵(單個(gè)或多個(gè))、范德華力或氫鍵)將聚合物分子結(jié)合到裸電極表面或復(fù)合電極的非導(dǎo)電或絕緣涂層而在空間上受限。在一些實(shí)施例中，聚合物分子與正電極接合。當(dāng)能量?jī)?chǔ)存裝置在后續(xù)使用期間充電和放電時(shí)，例如，當(dāng)能量?jī)?chǔ)存裝置隨后在電子電路中使用時(shí)，聚合物分子保持與電極結(jié)合。

在不希望受任何特定的操作理論的束縛的情況下，可以認(rèn)為在大分子內(nèi)，分子中僅有一部分會(huì)發(fā)生移動(dòng)，而分子中的其它部分則被充分結(jié)合在原來的地方，以避免全部移動(dòng)至較低的能量等級(jí)并且潛在能量的后續(xù)釋放會(huì)耦合至該電極，而不會(huì)作為熱運(yùn)動(dòng)被釋放。該移動(dòng)限制條件降低該介電分子中的自由度，并且結(jié)果會(huì)降低該分子吸收來自該電場(chǎng)的作為熱量的能量消散的能力。因此，被結(jié)合的聚合分子會(huì)耦合至該電場(chǎng)而使得該聚合分子由于其低自由度的關(guān)系而無(wú)法以熱的形式釋放能量。巨大分子的某些部分的移動(dòng)可以與使用這些技術(shù)來分析生物巨大分子的那些人已知的電泳移動(dòng)有關(guān)且相似。

在不希望受任何特定的操作理論的束縛的情況下，可以認(rèn)為當(dāng)該聚合物的一部分結(jié)合至該電極(或結(jié)合至該電極上的涂層)時(shí)，在極性和/或可電離的官能團(tuán)響應(yīng)于電場(chǎng)而重新配向時(shí)，該聚合物的其余部分則可能會(huì)在該介電膜內(nèi)拉伸、扭轉(zhuǎn)、或彎曲。這些構(gòu)形及位置的變化(即，熵的變化)會(huì)在該能量?jī)?chǔ)存裝置內(nèi)儲(chǔ)存能量。當(dāng)該能量?jī)?chǔ)存裝置放電時(shí)，已儲(chǔ)存的能量會(huì)在這些被結(jié)合的聚合物分子返回到低序構(gòu)形時(shí)作為電能釋放。包括聚合分子的熵介電材料被稱為“空間受限的介電膜”，其中，這些聚合分子中的至少一部分有低自由度。

因此，所公開的能量?jī)?chǔ)存裝置的一些實(shí)施例包含包括聚合分子的空間受限的介電材料。在一些實(shí)施例中，在該空間受限的介電材料中的這些聚合分子中的至少1％、至少10％、至少25％、至少50％、至少80％、或至少90％被結(jié)合至電極，在某些實(shí)施例中，這些聚合分子中的至少一部分結(jié)至該正電電極。當(dāng)該電極為復(fù)合電極時(shí)，這些聚合分子結(jié)合至該復(fù)合電極的絕緣層。結(jié)合的百分比可以通過在將這些聚合分子中的至少一部分結(jié)合至該電極之后測(cè)量被沖洗脫離該電極的聚合分子的數(shù)量來測(cè)量。

在某些實(shí)施例中，聚合分子結(jié)合至與該介電材料接觸的正電電極表面的至少1％、至少25％、至少50％、至少80％、或至少90％。可以視覺估計(jì)由結(jié)合聚合物覆蓋的表面的百分比，例如，通過光學(xué)顯微鏡來估計(jì)。在制造該能量?jī)?chǔ)存裝置之后，可以拆卸該裝置來檢查。沖洗該正電電極，例如，通過曝露于流水中，以去移除未結(jié)合的材料并且然后通過光學(xué)顯微鏡來檢査。結(jié)合聚合物覆蓋的表面的區(qū)域和沒有結(jié)合聚合物的區(qū)域可以輕易地區(qū)分。

聚合分子和電極之間的結(jié)合足夠強(qiáng)以承受偶發(fā)的破壞，例如，利用流水沖洗該電極和結(jié)合的聚合分子，流水的作用力等同于從一米的高度處落下的水，或者，在流水的作用力小于20n的情況下，通過人工擦洗這些結(jié)合的聚合分子。僅在電場(chǎng)已被施加在該能量?jī)?chǔ)存裝置上時(shí)才會(huì)觀察到具有此強(qiáng)度的結(jié)合。在一些實(shí)施例中，這些結(jié)合中的至少一部分可以通過施加相反極性的外部電壓至該裝置使得該正電電極變成負(fù)電而中斷。

d.示例性能量?jī)?chǔ)存裝置

在一些實(shí)施例中，能量?jī)?chǔ)存裝置100包括正電電極110、熵介電層120、以及負(fù)電電極130(圖1和圖2)。正電電極110以及負(fù)電電極130可以獨(dú)立地為導(dǎo)電金屬、半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物、或其它導(dǎo)電材料。在某些情況下，該材料的優(yōu)點(diǎn)在于高表面積的導(dǎo)體，例如，以碳為基礎(chǔ)或石墨稀型的電極。該介電層120包括膜材料，該膜材料(i)為電氣絕緣性和/或呈現(xiàn)高介電常數(shù)以及(ii)包括多個(gè)聚合分子?？蛇x地，絕緣層140、150設(shè)置在該正電電極110與該介電層120之間和/或設(shè)置在該介電層120與該負(fù)電電極130之間。在一些實(shí)施例中，如從該第一電極110的外表面112至該第二電極130的外表面132所測(cè)量到的，該絕緣層140、150的厚度可以小于該能量?jī)?chǔ)存裝置100的總厚度的10％?？梢园ń^緣層，以防止在該裝置的使用期間發(fā)生焦耳熱和/或歐姆導(dǎo)電損耗。

通過示例的方式，該絕緣層140、150可以包括金屬氧化物、puralene^tm(carverscientific公司所生產(chǎn)的聚合的對(duì)二甲苯)等離子體或膜涂層。該絕緣涂層140、150越厚，所需要的外加電壓便越高，以便在恒定的厚度處儲(chǔ)存給定量的能量。另外地，較厚的絕緣涂層140、150(例如，pet(聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯))也會(huì)產(chǎn)生幾乎相同大小的能量?jī)?chǔ)存能力下降。優(yōu)選puralene^tm涂層，因?yàn)槠渚哂懈籴樋椎奶匦?，即?shí)質(zhì)上為無(wú)孔，而且其能夠被涂覆成非常薄的層。這能夠使電容器的總厚度在100微米的范圍內(nèi)，因而能夠具有合理的電壓。例如，如果厚度為1000微米并且絕緣涂層140、150為該厚度的1％(均為5微米)，則為實(shí)現(xiàn)10v/微米的電場(chǎng)，必須在外部施加10,000v。這在經(jīng)濟(jì)性和安全性上使用太高的電壓。因此，非導(dǎo)電涂層140、150越薄，電壓就可以越低，同時(shí)保留該裝置的儲(chǔ)存能力。

使用廉價(jià)并且呈現(xiàn)非常可取的質(zhì)量(例如，減少針孔、平坦性等)的puralene^tm和下面為電介質(zhì)120描述的高分子重量的離子聚合物鹽，可實(shí)現(xiàn)典型edlc的能量密度的至少兩倍的能量密度。粘性改性劑(例如，溶劑、支鏈?zhǔn)骄酆衔?、低分子重量的低聚物、以及樹狀聚合?可以被加人該介電材料120中，以降低粘性。乙醇以及尚未反應(yīng)的材料皆可以作為這些用途。

介電層120包括導(dǎo)電或非導(dǎo)電的聚合物，并且還可以包括無(wú)機(jī)金屬氧化物、混合金屬氧化物、混合聚合物與有機(jī)材料及其組合。該聚合物可以為生物聚合物。在一個(gè)實(shí)施例中，這些聚合物中的至少一部分會(huì)結(jié)合至電極，以形成空間受限的介電層。在獨(dú)立實(shí)施例中，低粘性介電材料的粘性可以通過以熱、作用力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或改變所施加的介電復(fù)合物的其它方式的形式施加或去除能量而以受控的方式提高。該介電層120的粘性可降低，以幫助從這些結(jié)合的偶極層及離子層更快速地釋放能量。

在根據(jù)圖1與2的能量?jī)?chǔ)存裝置中，相反記號(hào)的等效電荷會(huì)流往這些電極110、130中的每一個(gè)。如果使用低粘性的電介質(zhì)120(即，高介電常數(shù)的材料或被施加至該電阻性或絕緣性涂層的表面的含有偶極的低粘性材料)，則在延長(zhǎng)的時(shí)間段中具有大量的電荷流動(dòng)。非常粘的材料在較低的充電流速下需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間。一旦從電壓源中加入了電荷，則電壓源的去除將導(dǎo)致電極上保持的電壓緩慢放電。泄漏電流電阻地釋放在h和dh層的形成中存儲(chǔ)的能量。

參考圖2，在一些實(shí)施例中，介電層120是包含熵膜材料的空間受限介電層，該材料(i)具有電氣絕緣性和/或呈現(xiàn)高介電常數(shù)，并且(ii)包括包含極性官能團(tuán)和/或可電離的官能團(tuán)的多個(gè)聚合物分子122。聚合物分子122還可以包括一個(gè)或多個(gè)雙鍵。在空間受限的介電層中，至少一些聚合物分子122經(jīng)由附接點(diǎn)124與正電極110(或絕緣層140，如果存在)結(jié)合。每個(gè)附接點(diǎn)124可以是共價(jià)鍵(單、雙、或三)、氫鍵、范德華力或強(qiáng)度足以防止聚合物分子122與正電極110分離的其它結(jié)合力，假設(shè)正電極110相對(duì)于負(fù)電極130保持為正電荷。一些聚合物分子122可以經(jīng)由附接點(diǎn)126與負(fù)電極130(或絕緣層150，如果存在)結(jié)合。每個(gè)附接點(diǎn)126可以是共價(jià)鍵(單，雙或三)、氫鍵、范德華力或強(qiáng)度足以防止聚合物分子122與負(fù)極130分離的其它結(jié)合力，假設(shè)負(fù)極130相對(duì)于正電極110保持為負(fù)電荷。正電極110和負(fù)電極130可以經(jīng)由導(dǎo)電引線115、135(例如，導(dǎo)線引線、跡線或其它路徑)附接到電壓源。

在獨(dú)立實(shí)施例中，能量?jī)?chǔ)存裝置200包括正電極210、空間受限介電層220和負(fù)電極230(圖3)?？臻g受限介電層220包括熵膜材料，該材料(i)具有電氣絕緣性和/或呈現(xiàn)高介電常數(shù)，并且(ii)包括包含極性官能團(tuán)和/或可電離的官能團(tuán)的多個(gè)聚合物分子222、223、224。聚合物分子還可以包括一個(gè)或多個(gè)雙鍵。絕緣或非導(dǎo)電層240、250設(shè)置在正電極210和介電層220之間以及介電層220和負(fù)電極230之間。一些聚合物分子222具有帶負(fù)電荷或部分負(fù)電荷的極性和/或可電離的官能團(tuán)，并且經(jīng)由附接點(diǎn)225與絕緣層240結(jié)合。一些聚合物分子223具有帶正電荷或部分正電荷的極性或可電離的官能團(tuán)，并且經(jīng)由附接點(diǎn)226與絕緣層250結(jié)合。一些聚合物分子224具有帶正電荷或部分正電荷的至少一個(gè)極性或可電離基團(tuán)，并且至少一個(gè)極性或可電離基團(tuán)是負(fù)電荷或部分負(fù)電荷。足夠長(zhǎng)的聚合物分子224可以跨越絕緣層240和250之間的距離并且可以結(jié)合到這兩個(gè)絕緣層。正極和負(fù)極210、230可以經(jīng)由導(dǎo)電引線215、235附接到電壓源。

當(dāng)使用可變粘性介電材料時(shí)，包括動(dòng)態(tài)改變粘性的方法可能是有利的。有許多已知的方法用于有效地創(chuàng)建流體粘性的可控變化，其中很多方法可以由熟知材料科學(xué)領(lǐng)域的人員容易地集成到系統(tǒng)實(shí)施方式中。

用于控制電介質(zhì)粘性的方法的一個(gè)非限制性示例是通過控制溫度。如果代替將上述裝置維持在恒定溫度，而是在充電期間或之后，將裝置從電極110或130向內(nèi)冷卻，則可以使電介質(zhì)的粘性從電極層110逐漸增加到電極層130，反之亦然。假設(shè)隨著溫度降低，粘性增加(盡管有時(shí)可以獲得相反的效果)，h和dh層作為熱能的放電可以減慢，并且基本上停止，完全凝固。因此，電能可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，直到準(zhǔn)備釋放。

以最小的加熱損耗釋放電能與其被充電的方式相似。隨著內(nèi)部電介質(zhì)的粘性降低，冷卻的裝置可以根據(jù)需要用環(huán)境熱或產(chǎn)生的熱量來升溫，以通過電極釋放電能。這種緩慢升溫具有防止h和dh層中所含能量快速排放的額外益處。可以協(xié)調(diào)電極和電介質(zhì)的升溫，以適應(yīng)電負(fù)載的能量需求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須注意，以便防止失控狀況，其中，電介質(zhì)的內(nèi)部或外部加熱導(dǎo)致溫度快速上升并且進(jìn)而在增加的不受控制的速率下降低粘性。

用于粘性控制的另一個(gè)公知的方法是通過利用非牛頓流體效應(yīng)。許多材料在不同程度上表現(xiàn)出粘性和施加應(yīng)力、剪切速率、時(shí)間或其它因素之間的非線性或偏移關(guān)系?？梢詫⑹┘拥牧α炕驂毫Γ缡┘拥诫姌O130。已經(jīng)注意到常見的材料，當(dāng)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力時(shí)，其呈現(xiàn)表觀粘性增加或降低。根據(jù)粘性變化的跡象，這些材料通常被分類為剪切增稠(膨脹料)或變薄(假塑性)。這種類別中的許多材料表現(xiàn)出粘彈性效應(yīng)，因?yàn)樵趹?yīng)力消除后具有恢復(fù)到其原始形狀的趨勢(shì)。另外，其它材料表現(xiàn)出對(duì)粘性隨應(yīng)力的時(shí)間依賴性(觸變和流變流體，再次取決于跡象)，并且還有一些表現(xiàn)出粘性和應(yīng)力之間的偏移關(guān)系。后者被稱為bingham塑料。

bingham塑料是一種粘彈性材料，在低應(yīng)力下表現(xiàn)為剛體，但在高應(yīng)力下作為粘性流體流動(dòng)。更具體而言，當(dāng)施加的應(yīng)力低于給定的極限時(shí)，bingham塑料已知用作固體，并且因此具有可測(cè)量的屈服應(yīng)力或其它因素。通過操作該特征，充當(dāng)bingham塑料的電介質(zhì)可以在低應(yīng)力條件下保持固態(tài)，保持在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)形成h和dh層。當(dāng)需要釋放存儲(chǔ)在所述層中的能量時(shí)，將向電介質(zhì)施加變化量的應(yīng)力，從而可控地降低其粘性。

可以選擇電介質(zhì)的組成，使得其呈現(xiàn)期望的一組非牛頓流體特性。然后，可以對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得應(yīng)力可以通過機(jī)械或其它方式施加，以適當(dāng)?shù)乜刂齐娊橘|(zhì)的粘性。對(duì)于非限制性示例，電容器堆疊可以放置在兩個(gè)板之間。底板將被原位固定，而頂板連接到機(jī)械、電磁、液壓或氣動(dòng)致動(dòng)器。當(dāng)需要對(duì)材料施加應(yīng)力時(shí)，致動(dòng)器可以以線性或旋轉(zhuǎn)方向施加力，以便施加被認(rèn)為最適合于流體應(yīng)用的剪切和法向應(yīng)力的最適合的量、速率和組合。替代方法包括使用液壓或氣動(dòng)氣囊在兩個(gè)固定板之間的電容器堆疊上施加應(yīng)力，以及用形狀記憶合金、電活性陶瓷、介電彈性體或其它有源元件包圍該裝置。

這些效果的組合還可以用于實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)粘性的變化。通過將非牛頓剪切增稠介電流體與低剛度和順應(yīng)性電極組合，電容器形成所謂的電活性聚合物或特別是介電彈性體致動(dòng)器。一旦對(duì)該電容器施加電荷，電極之間的靜電力就產(chǎn)生與兩個(gè)板塊正交的力。該力有效地將電介質(zhì)“擠壓”在一起，向電介質(zhì)施加正交應(yīng)力。如果這種電介質(zhì)也是非牛頓剪切增稠液，則隨著施加的剪切應(yīng)力增加，粘性將增加。

還可以通過改變其物理特性來動(dòng)態(tài)地控制介電材料的粘性，以增強(qiáng)電介質(zhì)的粘性電性質(zhì)。在粘電或電流變流體中，介電流體的組成和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對(duì)外部電場(chǎng)的反應(yīng)性增強(qiáng)。施加的電場(chǎng)可能導(dǎo)致極端、快速和可逆的粘性變化。電流變流體可以如上所述用作bingham塑料，使得屈服應(yīng)力與施加的電場(chǎng)成比例。電極的設(shè)計(jì)已經(jīng)顯示出增加電流變效應(yīng)。以大致相同的方式，電介質(zhì)可以被設(shè)計(jì)為顯示磁流變效應(yīng)，其將響應(yīng)磁場(chǎng)，而不是電場(chǎng)。磁流變效應(yīng)甚至可以通過對(duì)裝置的能量?jī)?chǔ)存機(jī)構(gòu)缺乏干擾而更為適用。

在介電彈性體致動(dòng)器和粘電體實(shí)施例的情況下，必須注意避免失控狀況。因?yàn)榱黧w的粘性由施加到其上的場(chǎng)強(qiáng)決定，所以特定的條件(例如，短路)是特別危險(xiǎn)的。如果允許存在短路狀態(tài)，則電極上的電荷將被快速去除，因此介電流體的粘性將迅速降低。粘性的這種降低將大大增加h和dh層的遷移率，導(dǎo)致儲(chǔ)存能量迅速排放到潛在危險(xiǎn)(即，短路)的負(fù)載內(nèi)。

iii.制造熵能儲(chǔ)存裝置的方法

制造能量?jī)?chǔ)存裝置的方法的一些實(shí)施例包括(a)將熵介電膜施加到導(dǎo)電的第一電極，所述熵介電膜包括膜材料，所述膜材料(i)具有電絕緣性和/或呈現(xiàn)高介電常數(shù)，(ii)包含多個(gè)聚合物分子；(b)使所述熵介電膜與導(dǎo)電的第二電極接觸；以及(c)在第一電極、熵介電膜和第二電極上施加電場(chǎng)，從而制成熵能儲(chǔ)存裝置。聚合物分子可以包括一個(gè)或多個(gè)極性官能團(tuán)、可電離官能團(tuán)或其組合?？梢栽谥圃祆啬軆?chǔ)存裝置時(shí)施加電場(chǎng)，或者可以通過初始充電電壓來供應(yīng)。至少一些聚合物分子通過在第一電極、熵介電膜和第二電極上施加電場(chǎng)而結(jié)合到第一電極，由此產(chǎn)生空間受限的熵介電膜，其中，多個(gè)聚合物分子中的至少一些結(jié)合到第一電極、第二電極或第一和第二電極的表面。在某些實(shí)施例中，通過(i)在第一電極、熵介電膜和第二電極上施加電場(chǎng)，使得第一電極為正電極，在有效時(shí)間段內(nèi)施加電場(chǎng)，以將至少一些聚合物分子結(jié)合到第一電極，(ii)用化學(xué)試劑處理熵介電膜，或(iii)其組合，產(chǎn)生空間受限的熵介電膜。

在獨(dú)立實(shí)施例中，在熵材料被完全固化或干燥之前和/或當(dāng)熵材料干燥和/或固化之前，可以可選地將一個(gè)或多個(gè)介電常數(shù)增強(qiáng)場(chǎng)施加到組件(即，第一襯底、第二襯底和位于其間的熵材料)。該場(chǎng)可以是通過在第一襯底和第二襯底上連接諸如直流電壓源等電壓源而產(chǎn)生的電場(chǎng)(例如，具有大于100v/cm的強(qiáng)度的電場(chǎng))；和/或磁場(chǎng)，例如將組件放置在磁源的磁性北極和南極之間使得在磁源的北極和磁源的南極之間磁場(chǎng)(例如，具有大于1高斯的強(qiáng)度的磁場(chǎng))大致垂直于第一襯底的外表面和第二襯底的外表面而提供該磁場(chǎng)。在低電場(chǎng)電位下，隨著電場(chǎng)勢(shì)的增加，介電常數(shù)的增加成比例地增加。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)有助于提高純有機(jī)化合物中電介質(zhì)的介電常數(shù)。

在另一個(gè)獨(dú)立實(shí)施例中，分層電介質(zhì)是由層疊在不同的第二介電膜上的第一介電膜產(chǎn)生的，每個(gè)第二介電膜由主要絕緣膜材料和/或高介電常數(shù)材料構(gòu)成。膜層夾在相對(duì)的第一和第二電極之間并與其直接接觸。在形成層期間或之后，通過以下中的一個(gè)或多個(gè)來增加一層或多層的介電常數(shù)：浸入電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)中，和/或?qū)⑦€原劑引入膜材料中。

a.熵介電膜形成

通過任何合適的方式(包括氣相沉積、液體噴涂、篩選、旋涂或成膜領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它方法)制備包括熵材料的介電膜，并將其施加到導(dǎo)電的第一電極。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電的第一電極是裸電極或包括絕緣層的復(fù)合電極，并且熵介電膜直接形成在裸電極表面上或復(fù)合電極的絕緣層上。然后，在熵介電膜與導(dǎo)電的第二電極接觸之前或之后，在低溫(例如，25-60℃)下干燥熵介電膜。在獨(dú)立實(shí)施例中，熵介電膜形成在可去除的載體膜(例如，聚四氟乙烯膜)上，干燥，并且隨后轉(zhuǎn)移到電極表面。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中，用于在適用于諸如電容器等能量?jī)?chǔ)存裝置中的襯底上形成高介電常數(shù)介電材料的可涂抹的薄涂層的方法需要通過將有機(jī)聚合物與溶劑組合并且將組合的有機(jī)聚合物與溶劑混合而形成潤(rùn)濕劑溶液。將組合的有機(jī)聚合物與溶劑混合后，可選地去除未溶解在潤(rùn)濕劑溶液中的任何顆粒物質(zhì)。潤(rùn)濕劑溶液然后可以與高介電常數(shù)介電材料組合并混合，以產(chǎn)生熵材料的液體或漿料。將液體或漿料以薄且均勻的涂層分散到適合用于能量?jī)?chǔ)存裝置的第一襯底上?？梢詫⒏稍飫┘尤氲綕?rùn)濕劑溶液中，然后，允許其干燥，以形成熵材料的膜。通過示例而非限制性地，有機(jī)聚合物可以是聚對(duì)二甲苯、蟲膠、玉米醇溶蛋白或硅油。替代地，當(dāng)與懸浮在聚合物基質(zhì)中的介電材料一起使用時(shí)，已經(jīng)顯示包括聚氨酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺、聚乙烯基磺酸、氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)、對(duì)二甲苯、硅酮或聚乙烯基硅烷的聚合物，以提供增強(qiáng)的介電性質(zhì)。盡管該列表不是可以使用的聚合物的詳盡列表，但是可以在不修改該方法的新穎實(shí)質(zhì)性的前提下，用多種不同聚合物和/或非導(dǎo)電材料代替聚合物基質(zhì)。可以將也適合用于能量?jī)?chǔ)存裝置的第二襯底放置在與第一襯底相對(duì)的熵材料上，熵材料設(shè)置在第一襯底和第二襯底之間?？蛇x地，可以將還原劑和/或鐵陽(yáng)離子或其它過渡金屬陽(yáng)離子加入潤(rùn)濕劑溶液中。還原劑可以包括硼氫化鈉。

在另一個(gè)獨(dú)立實(shí)施例中，該方法需要產(chǎn)生包含與交聯(lián)劑混合的聚合物的第一溶液。將第一溶液與高介電常數(shù)介電材料組合并混合，以產(chǎn)生液體或漿料。將液體或漿料以薄而均勻的涂層分散到第一襯底上。通過示例而非限制性地，聚合物可以是聚對(duì)二甲苯、蟲膠，玉米醇溶蛋白或硅油；并且交聯(lián)劑可以是二乙烯基硅烷、氰基丙烯酸酯或環(huán)氧樹脂?？蛇x地，可以向聚合物中加入還原劑(例如，硼氫化鈉)和/或過渡金屬陽(yáng)離子。未溶解在第一溶液內(nèi)的顆粒物質(zhì)可以可選地通過過濾、在離心機(jī)中分離或任何其它合適的技術(shù)去除。

在另一個(gè)獨(dú)立實(shí)施例中，用于在襯底上產(chǎn)生熵介電材料的可涂抹的薄涂層的方法需要產(chǎn)生和混合包含硅油和細(xì)磨高介電常數(shù)電介質(zhì)的第一溶液。將硼砂鹽加入到第一溶液中，以形成第二溶液。將第二溶液混合，直到形成漿料，該漿料被施加到第一襯底上，適合用于諸如電容器等能量?jī)?chǔ)存裝置中?？梢约訜峋哂兴┘拥臐{料的襯底，以促進(jìn)硅油的粘性增加并形成熵材料的膜。在粘性增加之后，可以將也適合用于諸如電容器等能量?jī)?chǔ)存裝置的第二襯底放置在與第一襯底相對(duì)的熵材料上，熵材料設(shè)置在第一襯底和第二襯底之間。設(shè)置在第一襯底和第二襯底之間的熵材料可以被熱處理，以穩(wěn)定精細(xì)研磨的高介電常數(shù)電介質(zhì)?？蛇x地，介電常數(shù)增強(qiáng)場(chǎng)可以施加在第一襯底、熵材料和第二襯底上。介電常數(shù)增強(qiáng)場(chǎng)可以是通過連接第一襯底和第二襯底上的電壓源而產(chǎn)生的電場(chǎng)以及通過將第一襯底、熵材料和第二襯底放置在磁源的磁性北極和南極之間而提供的磁場(chǎng)中的一者或兩者。

在一些實(shí)施例中，熵膜材料由包含溶劑和多個(gè)聚合物分子的液體或漿料制備。合適的溶劑包括但不限于鏈烷醇、亞烷基二醇、水及其組合。示例性溶劑包括乙醇、乙二醇、水及其組合。在一些實(shí)施例中，聚合物分子具有一個(gè)或多個(gè)極性官能團(tuán)、可電離官能團(tuán)或其組合。聚合物分子還可以包括一個(gè)或多個(gè)雙鍵。合適的聚合物分子如上所述。在某些實(shí)施例中，例如通過過濾或離心混合物，從混合物中除去未溶解的聚合物分子。

液體或漿料可以進(jìn)一步包含交聯(lián)劑。合適的交聯(lián)劑包括但不限于酸酐、碳二亞胺、亞氨酸酯、硼砂鹽、硼氫化鈉、以及包括n-羥基琥珀酰亞胺和馬來酰亞胺、芳基疊氮化物或雙吖丙啶基團(tuán)的組合的試劑。常見的交聯(lián)劑包括三烯丙基三嗪三酮和熟知聚合物化學(xué)的人員已知的其它三烯丙基或三乙烯基試劑。示例性的酸酐包括馬來酸酐、衣康酸酐、順式-4-環(huán)己烯-1,2-二羧酸酐、順式-5-降冰片烯-內(nèi)-2,3-二羧酸酐及其組合。

在一些實(shí)施例中，液體或漿料還包含引發(fā)劑，例如自由基引發(fā)劑，以催化聚合物分子之間的交聯(lián)。示例性引發(fā)劑包括熱和光活化的化學(xué)引發(fā)劑，包括但不限于偶氮二異丁腈、1,1'-偶氮雙(環(huán)己烷甲腈)、過氧化二異丙苯、2-羥基-2-甲基苯丙酮、樟腦醌、菲醌及其組合。在一個(gè)示例中，衣康酸酐和二枯基過氧化物用于交聯(lián)玉米醇溶蛋白分子。

在交聯(lián)完成之前，可以向液體或漿料中加入一種或多種鹽，例如，能夠與聚合物分子形成有機(jī)鹽和/或中和膜材料的鹽。在一些實(shí)施例中，可以使用碳酸鹽(例如，碳酸胍、碳酸銫、碳酸鍶或其組合)，因?yàn)榉磻?yīng)釋放二氧化碳并且不產(chǎn)生介電膜的不希望的抗衡離子污染。在一個(gè)實(shí)施例中，將鈦酸鋇加入到液體或漿料中。在獨(dú)立實(shí)施例中，加入電壓佐劑，例如，非導(dǎo)電聚合物。

通過任何合適的方式將熵材料的液體或漿料施加到導(dǎo)電的第一電極。在一個(gè)實(shí)施例中，將漿料涂覆到電極的固定或連續(xù)移動(dòng)的條狀物上。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過很多方式將液體或漿料傾倒到靜態(tài)定位的電極板上，例如但不限于從容器噴出或從混合容器傾倒壓力。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過旋涂將液體或漿料施加到電極。預(yù)期將液體或漿料從混合容器移動(dòng)到電極的其它方法。可以將液體或漿料分散、軋制或卷起，以覆蓋電極表面，并確保在電極表面上均勻涂覆熵材料。設(shè)想用于執(zhí)行該步驟的多種方式，包括但不限于使用擴(kuò)展涂刀、輥?zhàn)踊蚱渌绞健ｌ夭牧系臍庀喑练e可以通過霧化熵材料或化學(xué)氣相沉積來實(shí)現(xiàn)，如成膜領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的那樣。

在一個(gè)實(shí)施例中，將足夠量的液體或漿料施加到電極表面，以在干燥時(shí)產(chǎn)生所需厚度的熵介電膜。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以將兩層或多層液體或漿料施加到電極表面，以提供所需的厚度。在施加另一層之前，每層可以被干燥，或者在施加所有層之后，可以通過干燥進(jìn)行液體或漿料的順序沉積。當(dāng)施加兩層或更多層時(shí)，這些層可以具有相同或不同的化學(xué)成分。

可以加熱電極和熵介電材料，以去除溶劑并在電極表面上形成熵介電膜。在將熵材料與導(dǎo)電的第二電極接觸之前或之后可以進(jìn)行加熱。在一些實(shí)施例中，組件被夾緊或壓緊，以向熵材料施加壓力并將任何空氣或氣體壓出液體或漿料，使得第一和第二電極與電極的向內(nèi)表面完全緊密接觸。在某些實(shí)施例中，將組件加熱至150℃至300℃的溫度，以除去溶劑。根據(jù)特定的溶劑，其它溫度范圍可能是合適的。

在示例性實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的原理的用于能量?jī)?chǔ)存裝置的熵材料可以由溶解在酒精(例如，50ml無(wú)水乙醇)中的15克蛋白質(zhì)粉末(例如，玉米醇溶蛋白、sigma-aldrich#z3625)形成。將溶液在惰性氣氛下充分?jǐn)嚢?，直到得到完全溶解。向該溶液中分批加?0g馬來酸酐(例如，sigma-aldrich#m188)固體，劇烈攪拌并加熱至60℃，持續(xù)一段時(shí)間，例如，30分鐘。在該周期結(jié)束時(shí)，在5分鐘內(nèi)分批加入0.5g過氧化二異丙苯(sigma-aldrich#329541)。允許溶液在60℃以上的溫度下煮沸并攪拌1.5小時(shí)。將溶液冷卻至室溫。然后，分批加入固體碳酸胍(sigma-aldrich#g1165-9)，直到溶液為中性至堿性。所得到的蜂蜜著色液體可以用作電介質(zhì)。替代地，可以用胍中和其它材料，例如，共聚的馬來酸/丙烯酸(例如，sigma-aldrich#416053)，以產(chǎn)生類似的結(jié)果。也可以使用胍的替代物。作為非限制性示例，碳酸銫或碳酸銣可以用作替代物。可以取代其它有機(jī)、聚合物和無(wú)機(jī)陽(yáng)離子物質(zhì)。當(dāng)可選地中和到其鹽形式時(shí)，超高分子量丙烯酸/丙烯酰胺也是可能的電介質(zhì)。

在獨(dú)立實(shí)施例中，原位形成聚合物熵介電膜的分子。介電材料液體或漿料包括交聯(lián)劑和包含一個(gè)或多個(gè)極性官能團(tuán)、可電離官能團(tuán)或其組合的多個(gè)聚合物分子前體。在一些示例中，前體是氨基酸分子、寡肽、多肽或其組合。在某些實(shí)施例中，聚合物分子前體還包含對(duì)二甲苯單體。將液體或漿料如前所述地施加到第一電極。在施加后，交聯(lián)劑被活化，從而交聯(lián)聚合物分子前體，以提供包含多個(gè)聚合物分子的熵介電膜。交聯(lián)過程還可以將一些聚合物分子結(jié)合到電極表面，例如，當(dāng)電極是包括絕緣層的復(fù)合電極時(shí)。

在獨(dú)立實(shí)施例中，制備高介電常數(shù)介電材料的方法包括將有機(jī)聚合物溶解在溶劑中，以形成漿料或溶液。示例性聚合物包括但不限于蟲膠、硅油和玉米醇溶蛋白。任何未溶解的有機(jī)聚合物可以從漿料或溶液中除去，例如，通過使用過濾器或離心機(jī)。然后，可以向漿料或溶液中加入無(wú)機(jī)鹽。無(wú)機(jī)鹽可以是過渡金屬鹽，例如，gd、sr、sn、fe鹽或其混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，可以向漿料或溶液中加入擊穿電壓佐劑。擊穿電壓佐劑可以包括y、ni、sm、sc、tb、yb、la、te、ti、zr、ge、mg、pb、hf、cu、ta、nb、bi或其混合物中的一種或多種。為了便于篩選和干燥，可以將二甲基甲酰胺和/或二甲基亞砜加入到漿料或溶液中。然后，可以將漿料或溶液加熱至例如約150℃至約300℃的溫度，以除去或蒸發(fā)溶劑。該方法避免了高的工藝溫度，并產(chǎn)生具有高擊穿電壓的高介電電容器。

其它合適的介電材料包括導(dǎo)電聚合物鹽，例如丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯、聚吡咯等的鹽；無(wú)機(jī)金屬氧化物，例如鈣鈦礦(即，鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇等)；帶電離子液體，例如聚合物鹽和其它帶電荷的液體或半固體，其可能具有在基質(zhì)內(nèi)在某種程度上遷移或移動(dòng)的能力；或這些的混合物。

在另一個(gè)實(shí)施例中，本文中所公開的能量?jī)?chǔ)存裝置可以包含具有改變粘性性質(zhì)的熵介電材料。將可變粘性引入電介質(zhì)的方法可以包括可變溫度、可變電場(chǎng)、可變磁場(chǎng)、可變壓力、可變剪切和/或正應(yīng)力?？勺儔毫?、剪切力和應(yīng)力都是施加力的一種類型。施加力的方向和分布決定其是壓力、剪切力還是應(yīng)力。

制造磁流變熵介質(zhì)的示例性方法需要在整個(gè)電介質(zhì)中分布電絕緣(或非導(dǎo)電)磁性顆粒。一旦形成了h和dh層，將施加磁場(chǎng)，以增加粘性以及防止顆粒通過電介質(zhì)遷移并“鎖定”在h和dh層內(nèi)。改變磁場(chǎng)強(qiáng)度將允許通過電介質(zhì)本身內(nèi)的電荷遷移(電流)來控制層的分離。此外，施加的磁場(chǎng)可能潛在地為能量存儲(chǔ)引入額外的分層或熵變。

b.絕緣層形成

在一些實(shí)施例中，該方法還包括向第一電極施加絕緣層，以形成復(fù)合第一電極，并且然后，將熵介電膜施加到復(fù)合第一電極的絕緣層。在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣層包含聚合的對(duì)二甲苯。在另一個(gè)實(shí)施例中，絕緣層包含如上所述的對(duì)二甲苯和其它共聚單體的共聚物。通過任何合適的方式施加絕緣層，包括氣相沉積、液體噴涂、篩選、旋涂或成膜領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它方法。

在一些實(shí)施例中，使用氣相沉積來施加絕緣層。當(dāng)絕緣層包含聚合的對(duì)二甲苯時(shí)，二甲苯可以與單原子氧源反應(yīng)，以產(chǎn)生單體形式的對(duì)二甲苯。通過示例的方式，單原子氧源可以包含一氧化二氮或電離的雙原子氧。在一些實(shí)施例中，使二甲苯與單原子氧源反應(yīng)以產(chǎn)生單體形式的對(duì)二甲苯的步驟在大氣壓下在加熱至450℃至800℃的環(huán)境下以二甲苯與單原子氧源的化學(xué)計(jì)量比執(zhí)行。該反應(yīng)可以在電加熱的熱解反應(yīng)管中進(jìn)行，例如，inconel(鎳合金600)熱解反應(yīng)管。將惰性氣體(例如，氬氣或氮?dú)?單獨(dú)或與一氧化二氮等反應(yīng)性化合物一起的流動(dòng)流供應(yīng)給熱解反應(yīng)管。原料(例如，二甲苯蒸氣)被引入熱解反應(yīng)管中，并與反應(yīng)管中的單原子氧反應(yīng)。由于具有非常的反應(yīng)性和短暫性，單原子氧必須可用于與反應(yīng)室215中的揮發(fā)性混合物反應(yīng)。如上所討論的，單原子氧的來源可以是供應(yīng)載體氣體的氣態(tài)化合物或單獨(dú)供應(yīng)的氣態(tài)化合物，或另一種源，例如，等離子體發(fā)生器。單原子氧等離子體可以通過將氧氣(o2)暴露于電離氣體的電離能量源(例如，rf放電)來產(chǎn)生。替代地，諸如一氧化二氮(n2o)等化合物可以通過熱、催化和/或其它分解為反應(yīng)提供單原子氧。因此，提供了單原子氧等離子體發(fā)生器或單原子氧化合物(例如，n2o)進(jìn)料或另一合適的單原子氧源。等離子體氣體可以與上述原料一起使用，以形成中間氧化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物隨后可以反應(yīng)，以形成可以是單體、二聚體、三聚體、低聚物或聚合物的原料的氧化形式的反應(yīng)產(chǎn)物。在300℃至800℃的溫度下，反應(yīng)管的輸出足夠熱，以保持單體對(duì)二甲苯為單體形式。電極表面上的單體快速冷卻，導(dǎo)致單體的液體冷凝和單體快速聚合成聚合物。可以使用將冷非反應(yīng)性氣體混合到熱反應(yīng)物流內(nèi)的裝置來降低溫度并促進(jìn)離開反應(yīng)管的反應(yīng)性中間體的冷凝?？蛇x地，可以在反應(yīng)管的出口處使用膨脹閥，以提供熱氣的joule-thomson冷卻。

該方法可以擴(kuò)展到其它取代基，包括但不限于2-氯-1,4-二甲苯、2,5-二氯對(duì)二甲苯、2,5-二甲基苯甲醚、四氟對(duì)二甲苯以及1,2,4-三甲基苯。芳環(huán)上的取代基的元取向和鄰位取向也是可行的反應(yīng)原料。反應(yīng)可以概括為包括能夠與由等離子體或分解的含氧物質(zhì)或其中間反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的單原子氧反應(yīng)的所有化合物，并且還含有通過芳族環(huán)的存在而穩(wěn)定的氫原子。通常，這種氫原子位于苯環(huán)的α位(芐基位置)。已知從α芳族環(huán)位置移除的邁克爾結(jié)構(gòu)，對(duì)芳族環(huán)位置提供與氫α相似的反應(yīng)性，如熟知有機(jī)合成的人員所眾所周知的。然而，這種氫原子的反應(yīng)性不限于來自芳環(huán)的α和/或michael位置或芳環(huán)，例如，苯。許多不同的環(huán)、稠環(huán)和非環(huán)體系的其它芳族穩(wěn)定劑是已知的，如熟知有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的人員所知的。這種原料可優(yōu)選存在能夠被去除以形成部分氧化的原料的兩個(gè)氫原子。這些優(yōu)選的材料可以可選地具有二聚、三聚、低聚或聚合的能力。

當(dāng)絕緣層包括包含對(duì)二甲苯的共聚物時(shí)，二甲苯可以與單原子氧源反應(yīng)，以產(chǎn)生單體形式的對(duì)二甲苯。通過示例的方式，單原子氧源可以包含一氧化二氮或電離的雙原子氧。單原子氧等離子體可以通過將氧氣(o2)暴露于電離氣體的電離能量源(例如，rf放電)來產(chǎn)生。替代地，諸如一氧化二氮(n2o)等化合物可以通過熱、催化和/或其它分解為反應(yīng)提供單原子氧。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使二甲苯與單原子氧源反應(yīng)以產(chǎn)生單體形式的對(duì)二甲苯的步驟在大氣壓下在加熱至350℃至800℃的環(huán)境中以二甲苯與單原子氧源的化學(xué)計(jì)量比執(zhí)行。該反應(yīng)可以在電加熱的熱解反應(yīng)管中進(jìn)行，例如，inconel(鎳合金600)熱解反應(yīng)管。將單體形式的對(duì)二甲苯與共聚化合物(共聚單體)混合，即，與單體形式的對(duì)二甲苯共聚的化合物。單體形式的對(duì)二甲苯和共聚合化合物在混合時(shí)為氣態(tài)。等離子體氣體可以與上述原料一起使用，以形成中間氧化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物隨后可以反應(yīng)，以形成作為原料的氧化形式的反應(yīng)產(chǎn)物。將單體形式的對(duì)二甲苯與共聚合物混合后，所得混合物可能被捕獲在冷凝器中。冷凝器具有發(fā)生混合物冷凝的溫度。至少-30℃(例如，在-30℃至400℃的范圍內(nèi))的溫度允許大多數(shù)這種混合物冷凝。冷凝器包含促進(jìn)捕獲的溶劑?？蛇x地，捕獲的混合物可以與第三物質(zhì)(例如，另一種單體)、反應(yīng)性物質(zhì)或惰性物質(zhì)混合。將單體形式的對(duì)二甲苯與共聚合物混合后，可將所得混合物沉積在電極上。可以控制電極的溫度，以促進(jìn)沉積的混合物固化。當(dāng)將單體引導(dǎo)到電極表面上時(shí)，單體的快速冷卻(無(wú)論是改性的還是未改性的)導(dǎo)致單體的液體冷凝和單體快速聚合成聚合物。

可選地，沉積的混合物可以暴露于光引發(fā)光能和/或介電常數(shù)增強(qiáng)場(chǎng)，例如，磁場(chǎng)(例如，由釹磁體、s84、k&jmagnetics提供的)和/或電場(chǎng)(例如，直流電場(chǎng))。單體的冷凝和隨后的聚合可以在磁場(chǎng)中快速進(jìn)行。如果在聚合過程中目標(biāo)(即，電極上沉積的絕緣材料)和磁體保持相同的相對(duì)取向，則顯示發(fā)生介電常數(shù)的基線增加。如果在聚合或固相冷凝過程中與目標(biāo)的磁場(chǎng)關(guān)系的方向旋轉(zhuǎn)，則所得到的介電常數(shù)已顯示減小。

當(dāng)如上所述進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，將對(duì)二甲苯單體用作聚合分子，但在不存在施加的磁場(chǎng)的情況下，所沉積的材料的相對(duì)介電常數(shù)近似為3。當(dāng)材料如約200至2000高斯的磁通量255密度所述運(yùn)行時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)約為7。因此，已經(jīng)顯示磁場(chǎng)以顯著地將產(chǎn)品的介電常數(shù)提高2倍以上的因數(shù)。以類似的方式，有機(jī)酸的其它鹽、偶極和鹽可以在固化或聚合過程中進(jìn)行熵定向，以產(chǎn)生增強(qiáng)的高介電常數(shù)材料。介電常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)從10％提高到1000％以上。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，目標(biāo)被浸入諸如由4000v的高壓電源(emco，g40)提供的電場(chǎng)中。單體的冷凝和隨后的聚合可以在電場(chǎng)中迅速進(jìn)行。如果在聚合過程中目標(biāo)和電場(chǎng)保持相同的相對(duì)取向，則顯示發(fā)生介電常數(shù)的基線增加。如果在聚合或固相冷凝過程期間在目標(biāo)上的電場(chǎng)減少，則所得到的介電常數(shù)顯示更低。在存在電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)的情況下，介電反應(yīng)產(chǎn)物的冷凝已顯示增加冷凝電介質(zhì)的介電常數(shù)。該步驟可以應(yīng)用于除聚對(duì)二甲苯聚合物以外的化合物。

在冷凝過程中使用電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)，改變產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。在強(qiáng)場(chǎng)中冷凝之后，材料可能是或不是各向異性的。在一個(gè)實(shí)施例中，在強(qiáng)場(chǎng)中冷凝之后，該材料是各向異性的。在獨(dú)立實(shí)施例中，在強(qiáng)場(chǎng)中冷凝之后，該材料不是各向異性的。因此，該方法可以用作控制由該程序制備的反應(yīng)產(chǎn)物的機(jī)械性能的方式。

puralene^tm涂層140、150的厚度可以在5至30nm至大于10微米的范圍內(nèi)。然后，將涂覆的電極110、130用作施加介電材料120的基礎(chǔ)。

c.將聚合物分子與電極結(jié)合

在一些實(shí)施例中，在制造熵能儲(chǔ)存裝置的同時(shí)或者在最初對(duì)eesd充電的同時(shí)，在第一電極、介電膜和第二電極上施加電場(chǎng)。施加電場(chǎng)，使得第一電極用作正電極，并且第二電極用作負(fù)電極?；诮殡娔さ钠骄穸?，電場(chǎng)強(qiáng)度可以大于100v/cm，或至少為0.001v/μm。在某些實(shí)施例中，電場(chǎng)強(qiáng)度為0.005-1v/μm、0.01-1v/μm、0.1-1v/μm或0.4-0.6v/μm。

可以在有效的時(shí)間段施加電場(chǎng)，以將介電膜中的至少一些聚合物分子結(jié)合到第一電極，從而產(chǎn)生空間受限的介電膜。有效時(shí)間段至少部分地基于電場(chǎng)強(qiáng)度，并且可以在1秒至幾分鐘，例如，30秒至60分鐘、5分鐘至30分鐘、或5分鐘至15分鐘的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，電場(chǎng)為0.005-1v/μm，并且有效時(shí)間段為1秒至30分鐘。在一個(gè)實(shí)施例中，20分鐘的0.005-0.5v/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度有效地將超過50％的蛋白質(zhì)分子結(jié)合到包含聚合的對(duì)二甲苯的復(fù)合電極表面。在另一個(gè)實(shí)施例中，5-15分鐘的0.5-1v/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度有效地將超過90％的蛋白質(zhì)分子結(jié)合到包含聚合的對(duì)二甲苯的復(fù)合電極表面。

在一些實(shí)施例中，在組裝第一導(dǎo)電電極、介電膜和第二導(dǎo)電電極之后，用化學(xué)試劑處理介電膜，以將至少一些聚合物分子結(jié)合到第一電極，從而產(chǎn)生空間受限的介電膜。在某些實(shí)施例中，在第一電極、介電膜和第二電極上施加電場(chǎng)，并且用化學(xué)試劑處理介電膜。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一電極是復(fù)合電極，并且用化學(xué)試劑處理介電膜，包括在將電介質(zhì)層施加到絕緣層之前將自由基引發(fā)劑施加到絕緣層，并且然后激活自由基引發(fā)劑，以結(jié)合至少一些聚合物分子和絕緣層并產(chǎn)生空間受限的介電膜。示例性的自由基引發(fā)劑包括偶氮二異丁腈、1,1'-偶氮二(環(huán)己烷甲腈)、過氧化二異丙苯、2-羥基-2-甲基苯丙酮、樟腦醌、菲醌、其組合以及聚合領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它自由基引發(fā)劑。自由基引發(fā)劑通過氧化還原、光引發(fā)、熱引發(fā)或聚合領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它方法激活，從而將至少一些聚合物分子結(jié)合到絕緣層。

在獨(dú)立實(shí)施例中，第一電極是復(fù)合電極，并且用化學(xué)試劑處理介電膜，包括在介電膜的膜材料中包括自由基引發(fā)劑，并且在將介電膜施加到絕緣層之后激活自由基引發(fā)劑。

在獨(dú)立實(shí)施例中，第一電極是復(fù)合電極，并且用化學(xué)試劑處理介電膜，包括用衍生劑衍生聚合物分子，以提供能夠與復(fù)合第一電極的絕緣層交聯(lián)的官能團(tuán)，并且隨后通過使用自由基引發(fā)劑、紫外光、熱活化或其組合將官能團(tuán)交聯(lián)到絕緣層，由此產(chǎn)生空間受限的介電膜。示例性的衍生劑包括酸酐、碳二亞胺、亞氨酸酯、以及包括n羥基琥珀酰亞胺和馬來酰亞胺、芳基疊氮化物或二氮嗪基團(tuán)的組合的試劑。在一些實(shí)施例中，衍生劑是酸酐，例如馬來酸酐、衣康酸酐、順式-4-環(huán)己烯-1,2-二羧酸酐或順式-5-降冰片烯-內(nèi)-2,3-二羧酸酐。

在獨(dú)立實(shí)施例中，第一電極是復(fù)合電極，并且用化學(xué)試劑處理介電膜，包括在將介電膜施加到絕緣層之前，將等離子體施加到絕緣層的表面。等離子體通過使具有氧氣的載氣(例如，氮?dú)饣驓鍤?穿過高電壓“火花”等離子體而制成。在250khz時(shí)，火花上的電壓降約為100v至1000v。替代地，可以使用相同的氣體混合物，在高得多的電壓(例如，13.6mhz和<100v)下制造高頻等離子體。等離子體產(chǎn)生持續(xù)足夠長(zhǎng)(例如，幾毫秒)以氧化對(duì)二甲苯的單原子氧。介電膜中的聚合物分子與等離子體反應(yīng)，從而將至少一些聚合物分子結(jié)合到絕緣層并形成空間受限的介電膜。

可以組合使用用化學(xué)試劑處理介電膜的一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施例。例如，聚合物分子可以用衍生劑衍生化，在膜材料中可以包含交聯(lián)劑，并且自由基引發(fā)劑可以包含在膜材料中或者在施加介電膜之前施加到絕緣層上，并隨后激活。

iv.用于熵能儲(chǔ)存裝置的方法和電路

圖4示出了包括單個(gè)熵能儲(chǔ)存裝置c1(表示為(c-sci))的示例性電路。第一多位置開關(guān)s1適于將裝置c1連接到充電電壓源v0(狀態(tài)a)或放電電壓源vd(狀態(tài)b)，或者開關(guān)s1可以處于斷開(nc)的、高阻抗(hiz)位置(狀態(tài)c)。第二多位置開關(guān)s2適于將裝置c1連接到地面(狀態(tài)a)或負(fù)載，其表示為電阻器r1(狀態(tài)b、c)?？梢愿鶕?jù)需要通過測(cè)試點(diǎn)1、2在電路中的各個(gè)位置監(jiān)測(cè)電壓v1、v2。在下面的描述中，假設(shè)充電電壓相對(duì)于接地電壓為正，盡管可以理解的是，相反的極性和相對(duì)于此的電壓也可以相反，以給出基本上相同的電路作用。還可以理解，作為所引用的電壓的參考的接地電位是任意的參考點(diǎn)?？梢赃x擇任何電壓作為參考點(diǎn)，并代替在本文中引用的附圖中的接地電位，如通常對(duì)熟知電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域的人員所執(zhí)行的。

當(dāng)連接到充電電壓v0時(shí)，熵能儲(chǔ)存裝置c1經(jīng)由開關(guān)s2如狀態(tài)a中所示的連接到接地電位的其相對(duì)電極充電。當(dāng)獲得完全充電時(shí)，由于在裝置c1的電介質(zhì)上泄漏，所以除了非理想電流以外，在該穩(wěn)定狀態(tài)下不會(huì)有更多的電流流過?；謴?fù)電容裝置中的漏電流的方法在us2013/0229157a1中公開，并且可以在本文中實(shí)施，以減輕由于這種泄漏引起的損耗。

在狀態(tài)b中，裝置c1設(shè)置有多位置開關(guān)s1和s2，其被配置為允許通過負(fù)載r1將裝置c1放電。放電電壓vd可以是小于原始充電電壓v0且小于在處于hiz(未連接)狀態(tài)(狀態(tài)c)時(shí)由裝置產(chǎn)生的電壓的任何電壓。

圖5是示出從能量?jī)?chǔ)存裝置c1向負(fù)載r1供應(yīng)能量的一般化方法的流程圖500，包括在過程框510提供包括充電至第一電壓電平的能量?jī)?chǔ)存裝置c1的電路，能量?jī)?chǔ)存裝置c1包括第一和第二電極，在其間具有介電膜，所述介電膜包括本文中公開的熵材料。第一電極相對(duì)于第二電極帶正電或帶負(fù)電。在過程框520，在放電時(shí)間段在電路的第一工作模式中，將反向極化電位vd施加到能量?jī)?chǔ)存裝置c1的第一電極，由此從能量?jī)?chǔ)存裝置c1向負(fù)載r1供電。通過將裝置c1連接到放電電壓源，將反向極化電位施加到裝置c1。由放電電壓源提供的反向極化電位vd可以小于第一電壓電平并且小于在高阻抗?fàn)顟B(tài)下由能量?jī)?chǔ)存裝置產(chǎn)生的電壓。在一些實(shí)施例中，第一電極相對(duì)于第二電極帶正電，并將反向極化電位施加到第一電極包括向第一電極施加負(fù)電壓。

參考圖4和圖6的流程圖600，通過在步驟610將能量?jī)?chǔ)存裝置連接到地面，并在步驟620在有效地將能量?jī)?chǔ)存裝置c1充電到第一電壓的時(shí)間段，將充電電壓(例如，由充電電壓源提供的v0)施加到第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1，能量?jī)?chǔ)存裝置c1可以被充電到第一電壓。在一些實(shí)施例中，在施加充電電壓的同時(shí)監(jiān)測(cè)能量?jī)?chǔ)存裝置的充電電流。如電容器領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的，當(dāng)能量?jī)?chǔ)存裝置完全充電時(shí)，充電電流下降。因此，可以在步驟630將充電電流與所選擇的最小值進(jìn)行比較，并且當(dāng)充電電流處于或低于所選擇的最小值時(shí)，在步驟640將電路切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)，使得能量?jī)?chǔ)存裝置不再接收充電電壓，并且使得基本上沒有能量從能量?jī)?chǔ)存裝置提供給負(fù)載。當(dāng)希望將能量?jī)?chǔ)存裝置放電時(shí)，能量?jī)?chǔ)存裝置的第二電極連接到負(fù)載，并且反向極化電位被施加到第一電極，如圖4和5所示。

圖7示出了包括兩個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置c1、c2的示例性電路。能量?jī)?chǔ)存裝置c1、c2中的至少一個(gè)是本文中所公開的eesd的實(shí)施例。兩個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置c1、c1被配置成所謂的推挽配置。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是增加了負(fù)載r1上的總電壓，因此，既降低了給定功率電平所需的電流，又提高了與現(xiàn)有硅基裝置的兼容性。當(dāng)使用除本文公開的eesd之外的裝置時(shí)，通常不會(huì)考慮其它優(yōu)點(diǎn)。在狀態(tài)a中，能量?jī)?chǔ)存裝置c1使用多位置開關(guān)s1在正(+)端子與充電電壓v0連接，在另一端子與基準(zhǔn)或接地電壓連接。能量?jī)?chǔ)存裝置c2使用多位置開關(guān)s3在正(+)端子與充電電壓v0連接，并且使用多位置開關(guān)s2在另一端子與基準(zhǔn)或接地電壓連接。因此，在c1和c2的這種狀態(tài)下執(zhí)行給定容量電平的充電。在狀態(tài)b中，開關(guān)s1、s2和s3被重新配置，使得開關(guān)s1和s2連接到負(fù)載，并且開關(guān)s3連接到地面。多位置開關(guān)s1、s2和s3可以由計(jì)算機(jī)控制器或比較器驅(qū)動(dòng)。控制器/比較器還可以監(jiān)測(cè)v1和/或v2下的電路中的電壓。在狀態(tài)b的配置中，裝置c1對(duì)與正充電電壓v0具有相同極性的負(fù)載r1呈現(xiàn)正極性。然而，當(dāng)c2通過s3連接到地面時(shí)，正極變得接地，并且第二電極(s2處更接近負(fù)載)相對(duì)于地面進(jìn)入-v0。因此，第二裝置c2具有向負(fù)載的相對(duì)端子呈現(xiàn)的反向極性，使得負(fù)載極性與充電電壓v0相反。與地面的連接具有與向圖4的熵能儲(chǔ)存裝置c1施加負(fù)電壓相同的效果。利用典型的電容器，狀態(tài)b的配置理論上將負(fù)載r1上的電壓電位加倍到2×v0。然而，使用eesd，由于裝置c1、c2的動(dòng)力放電的電壓依賴性，所以狀態(tài)b的配置進(jìn)一步增加了裝置功率輸出。以這種方式，裝置c1、c2的非線性性能是意想不到的性能，在大多數(shù)電容器中是非典型的，特別是在預(yù)期用于eesd的大多數(shù)應(yīng)用的低頻區(qū)域中。在狀態(tài)c中，開關(guān)s2連接到地面，并且開關(guān)s1、s3被配置成將裝置c1、c2置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，其中，基本上沒有能量從裝置c1提供給負(fù)載r1。

在一個(gè)實(shí)施例中，裝置c1和c2都是如本文中所公開的eesd。在獨(dú)立實(shí)施例中，裝置c1、c2中的一個(gè)是eesd，并且另一個(gè)裝置是常規(guī)的靜電電容器。在圖7的示例性電路中使用靜電電容器作為一個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置(c1或c2)，可以通過呈現(xiàn)電流的更低阻抗路徑來幫助eesd(c1或c2中的另一個(gè))放電，同時(shí)仍然呈現(xiàn)良好的電壓，以幫助eesd的非線性放電。在一個(gè)非限制性示例中，諸如鋁電解質(zhì)等傳統(tǒng)靜電電容器可以替代任一個(gè)裝置(代替圖7的c1或c2)。

參考第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1是eesd的根據(jù)圖7的示例性電路和圖8的流程圖800，從能量?jī)?chǔ)存裝置向負(fù)載供應(yīng)能量的方法包括在過程框810處提供電路，該電路包括充電到第一電壓電平的第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1和充電到第一電壓電平的第二能量?jī)?chǔ)存裝置c2，其中，第二能量?jī)?chǔ)存裝置c2與第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1串聯(lián)耦合。第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1包括第一和第二電極，其間具有介電膜，介電膜包括如本文中所公開的熵材料，并且第一電極相對(duì)于第二電極帶正電或帶負(fù)電。第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1連接到負(fù)載。第二能量?jī)?chǔ)存裝置c2可以是常規(guī)靜電電容器或如本文中所公開的eesd。電路還包括可操作用于將第二能量?jī)?chǔ)存裝置連接到地面的第一開關(guān)和可操作用于將第二能量?jī)?chǔ)存裝置連接到負(fù)載的第二開關(guān)。該方法包括在過程框820將第二能量?jī)?chǔ)存裝置c2連接到地面和負(fù)載，并且在放電時(shí)間段在電路的第一操作模式中，在過程框830向第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1的第一電極施加反向極化電位(例如，接地)，從而從第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1向負(fù)載r1供電。反向極化電位可以小于第一電壓電平并且小于由第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1在高阻抗?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生的電壓。在一些實(shí)施例中，第一電極相對(duì)于第二電極帶正電，并向第一電極施加反向極化電位包括向第一電極施加負(fù)電壓。

傳統(tǒng)的靜電電容器在放電期間具有保持恒定的時(shí)間常數(shù)(r×c)，與施加的電壓無(wú)關(guān)。出乎意料地，所公開的eesd的實(shí)施例在放電時(shí)對(duì)于r×c不表現(xiàn)出恒定值。例如，如下面示例2的表2所示，隨著放電電壓從0v變化到-10v，充電到10v的eesd可以具有增加3倍的時(shí)間常數(shù)。對(duì)被充電的eesd施加負(fù)電壓，可以產(chǎn)生比通過施加0v(相對(duì)于v0)獲得的放電速率快1000％至2000％的放電速率。

圖9是具有串聯(lián)的三個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置c1、c2、c3的示例性電路的示圖。如果能量存儲(chǔ)器c1、c2、c3都是理想的電容器(例如，傳統(tǒng)的靜電電容器)并且具有相同的電容，則在施加充電或放電電壓vc時(shí)，v1、v2和v3處的電壓在每個(gè)電容器上顯示相同的電壓，等于vc的三分之一。如果一個(gè)電容器的電容小于其它兩個(gè)電容器，則更小電容器上的電壓降大于其它兩個(gè)。

在用eesd代替電容器的情況下，與完全由理想電容器組成的陣列一樣，在充電期間保持相同的關(guān)系。然而，在eesd裝置的陣列的放電期間，具有較小電容的裝置上的電荷積累增加其電壓降，從而增加其放電速率，從而降低其電壓降。因此，在其大多數(shù)放電循環(huán)期間，eesd的陣列在動(dòng)力放電方面比理想的電容器陣列更大程度地自調(diào)平。

圖10是具有三個(gè)熵能儲(chǔ)存裝置(表示為(c-sci))c1、c2、c3的示例性電路的示圖。如果一組eesd裝置串聯(lián)連接，則使用裝置符號(hào)周圍的三括號(hào)符號(hào)。添加下標(biāo)n，以表示串聯(lián)連接的裝置的數(shù)量。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解，串聯(lián)布置的eesd的數(shù)量不限于圖10所示的三個(gè)。可能有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)串聯(lián)布置的eesd。因此，n可以是大于1的任何整數(shù)，即，2、3、4、5等。

所公開的eesd的實(shí)施例具有不尋常的放電速率模式。圖11示出了圖4的示例性電路中的熵能儲(chǔ)存裝置c1的放電速率。圖11中的圖是使用20v的充電電壓和0v的放電電壓產(chǎn)生的。如圖所示，當(dāng)eesd僅部分充電到例如其總?cè)萘康?％時(shí)，放電至標(biāo)稱電壓的速率為約0.2a/m²。由于eesd充電到其全部容量的更大百分比，因此獲得了高得多的放電速率，在最大電荷的50％左右達(dá)到約7a/m²的最大值。雖然充電和放電的絕對(duì)速率隨介電材料的粘性、溫度和電容器厚度而顯著變化，但是相對(duì)放電速率可以從基態(tài)放電速率向最大放電速率增加30倍，如圖11所示。當(dāng)eesd接近完全充電時(shí)，放電速率下降到低得多的值，有時(shí)甚至低于1％電荷時(shí)的原始放電速率。這與當(dāng)完全充電時(shí)比部分充電時(shí)更快地放電的大多數(shù)電容器的性能形成鮮明對(duì)比。這個(gè)性能是意想不到的。盡管從快速能量放電角度來看不是可取的，但是當(dāng)從更大規(guī)模使用這些eesd時(shí)的安全觀點(diǎn)來看，這種行為是可取的。有利地，所公開的eesd的實(shí)施例在幾乎任何電荷水平下不容易快速放電，并且如果eesd遭受諸如沖擊或短路等不利的機(jī)械或電氣事件，則不容易發(fā)生不受控制的放電。

通過使用小于0v的放電電壓，可以顯著地改進(jìn)如本文公開的eesd的放電速率。圖12是示出如圖4的示例性電路所示的負(fù)放電電壓對(duì)熵能儲(chǔ)存裝置c1的放電速率的影響的示圖。如果eesd充電到20v，則通過將放電電壓改變?yōu)楸?v更負(fù)的值(相對(duì)于v0)，放電速率顯著提高。如果放電電壓實(shí)際上為負(fù)值(即，與充電電壓相反的極性)，則大多數(shù)電荷水平的放電速率以相當(dāng)大的方式改變。圖12中的圖示出了當(dāng)eesd上存在大約50％的部分電荷時(shí)負(fù)放電電壓對(duì)放電速率的影響。如圖12所示，放電速率增加幾倍，僅具有小的負(fù)電壓。當(dāng)eesd上的初始電壓增加到原始充電電壓的20％以上時(shí)，獲得降低的百分比效應(yīng)，盡管可以獲得更高的放電速率。在圖13，相同的數(shù)據(jù)顯示了每平方米放電速率的實(shí)際數(shù)字。

如圖12和13所示，如圖7所示的電路的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。假設(shè)每個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置c1、c2是相同構(gòu)造的eesd，圖7的配置增加了每個(gè)裝置c1、c2能夠傳送超過兩倍的功率。在圖7的示例性電路中，通過施加到每個(gè)裝置c1、c2的一個(gè)電極的-2.5v放電電壓，可以獲得傳送的功率的五到十倍的增加。如果裝置c1、c2連接到負(fù)載r1，放電到地面，則預(yù)期的功率傳送將是每個(gè)裝置單獨(dú)能夠傳送的兩倍。然而，利用圖7中的電路，施加到負(fù)載r1的負(fù)電壓為這兩個(gè)裝置產(chǎn)生有效的負(fù)放電電壓，并且當(dāng)如本文所公開的，裝置c1、c2中的至少一個(gè)是eesd時(shí)，將功率傳送增加四倍以上。有趣的是，如果這兩個(gè)裝置都是大致相等容量和功率傳送能力的eesd，則總功率輸出在裝置之間均等地平衡，因?yàn)槭┘拥矫總€(gè)裝置的負(fù)放電電壓決不允許將相反的熵裝置反向充電。這也有助于防止充電電壓在充電周期期間必須將一個(gè)裝置“放電”。這種平衡/均衡效果有助于在運(yùn)行中保持功率傳送和往返效率的最大化。

如果如圖7所示，在電路中使用兩個(gè)熵能儲(chǔ)存裝置c1、c2，并且這兩個(gè)裝置的容量和功率傳送基本上不同，則更魯棒(更高電流)的裝置在放電循環(huán)期間將大多數(shù)功率供給到負(fù)載r1(狀態(tài)b)中，這是由于其在負(fù)載過輕時(shí)缺乏電壓降。在這種情況下，更大的裝置可以對(duì)更小的裝置反向充電。如果將電路重新配置回充電狀態(tài)(狀態(tài)a)，則充電電壓v0會(huì)對(duì)更小的裝置放電，使其恢復(fù)為零電荷，并提供其能量，以將其正向充電至完全充電的某個(gè)百分比。在這個(gè)更小的裝置中的反向充電的能量損耗。此外，還需要在其充電期間供應(yīng)更大裝置提供給更小裝置的能量，因此在負(fù)載r1的另一側(cè)發(fā)生另一次能量損耗。應(yīng)注意確保不發(fā)生或最小化不對(duì)稱熵能儲(chǔ)存裝置的反向充電；否則系統(tǒng)“往返”效率則受到不利影響。

在電路充電和放電期間產(chǎn)生的另一個(gè)因素是每個(gè)eesd本身的非對(duì)稱放電。由于每個(gè)單獨(dú)的eesd由平行電極(例如，如圖1和圖2所示，電極110、130)組成，所以電極的厚度和平行度可能不完美。在這種情況下，或者在非均勻介電材料和厚度的情況下，裝置總面積的部分的充電和/或放電速率可能不同。在這種情況下，裝置的一部分可能比另一部分更快地放電。如果發(fā)生這種情況，則可以發(fā)生裝置內(nèi)反向充電。如果是這種情況，則eesd(例如，圖4中的裝置c1)可以從放電狀態(tài)(狀態(tài)b)移動(dòng)到高阻抗?fàn)顟B(tài)，即，未連接到負(fù)載或充電電壓(狀態(tài)c)，以提供靜止或恢復(fù)時(shí)間段，在此期間，在可以發(fā)生不可取的反向充電之前，可以發(fā)生電介質(zhì)的自然自平衡?！白云胶狻笔侵刚麄€(gè)熵介電材料中的電荷/熵狀態(tài)變得更加均勻。換言之，介電材料內(nèi)較小電荷或甚至反向電荷的區(qū)域可能會(huì)被從熵介電材料的相鄰區(qū)域接收的能量再次充電。

因此，在一些實(shí)施例中，如圖4所示的示例性電路如圖14的流程圖1400所示以脈沖放電模式工作。在過程框1420中的初始放電時(shí)間段(狀態(tài)b)之后，在過程框1430中，將電路切換到至少閾值恢復(fù)時(shí)間段的第二操作模式，以提供電壓恢復(fù)周期，在此期間，電路處于高阻抗?fàn)顟B(tài)(狀態(tài)c)，使得基本上沒有能量從第一能量?jī)?chǔ)存裝置供應(yīng)到負(fù)載，并且熵材料恢復(fù)到期望的熵平衡水平。電路可以在第一和第二操作模式(過程框1420、1430)之間反復(fù)地切換，而不從外部電源再次對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置充電。如果第二電極在第二操作模式下與負(fù)載斷開，則在將電路切換到第一操作模式之前，在過程框1440中重新連接。在每個(gè)放電期間，反向極化電位被施加到能量?jī)?chǔ)存裝置，從而在裝置中產(chǎn)生電壓降。在每個(gè)恢復(fù)期間，裝置電壓恢復(fù)(參見例如示例2和圖19)。

可以在過程框1450監(jiān)測(cè)第一能量?jī)?chǔ)存裝置的電壓，以確定其被放電超過選定的電平的時(shí)間(即，能量?jī)?chǔ)存裝置電壓無(wú)法恢復(fù)到期望電平的時(shí)間)。如果第一能量?jī)?chǔ)存裝置沒有放電到超過選定的電平，則電路切換回第一操作模式。如果第一能量?jī)?chǔ)存裝置被放電超過選定的電平，則在過程框1460處對(duì)第一能量?jī)?chǔ)存裝置進(jìn)行充電。參考圖4，通過將電路切換到狀態(tài)a充足的時(shí)間來執(zhí)行充電，以對(duì)第一能量?jī)?chǔ)存裝置c1充電。當(dāng)裝置c1充分充電時(shí)，電路切換回狀態(tài)b，脈沖放電方法可以恢復(fù)。在第二電極與負(fù)載斷開的實(shí)施例中，在將電路切換回第一操作模式之前，在過程框1470中，第二電極被重新連接到負(fù)載。

在一些實(shí)施例中，在步驟1425中監(jiān)測(cè)放電電壓。如果放電電壓處于或低于目標(biāo)電平，則電路在過程框1430中被切換到第二操作模式。類似地，可以在步驟1435監(jiān)測(cè)恢復(fù)電壓。如果恢復(fù)電壓處于或高于目標(biāo)電平，則在過程框1420中電路切換回第一操作模式。

作為一個(gè)示例，將eesd充電到第一電壓v1。在第一放電時(shí)間段，電路被配置為狀態(tài)b(參見例如圖4)，并且eesd被部分地放電到第二電壓v2，其中，v1>v2。然后，在恢復(fù)時(shí)間段內(nèi)將電路切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)(狀態(tài)c，圖4)，在此期間，eesd的電壓增加到第三電壓v3，其中，v1>v3>v2。該電路在第二放電時(shí)間段內(nèi)切換回狀態(tài)b的配置，以進(jìn)一步向負(fù)載供應(yīng)能量，并將eesd放電到第四電壓v4，其中，v1>v3>v4。電路在第二恢復(fù)時(shí)間段內(nèi)再次切換到狀態(tài)c的配置，在此期間，eesd的電壓增加到第五電壓v5，其中，v1>v3≥5v>v4。重復(fù)循環(huán)，每個(gè)后續(xù)的恢復(fù)電壓等于或略小于先前的恢復(fù)電壓。當(dāng)eesd完全或大部分放電時(shí)，可以通過施加充電電壓而再次充電到v1(參見例如狀態(tài)a，圖4)。

放電時(shí)間段和隨后的恢復(fù)時(shí)間段共同構(gòu)成工作周期。在一些實(shí)施例中，放電時(shí)間段為工作周期的0.1-99.9％，例如，工作周期的1-95％、5-90％、5-80％、10-70％或10-50％。因此，10ms的工作周期可以具有0.01-9.99ms、0.1-9.5ms、0.5-9ms、0.5-8ms、1-7ms或1-5ms的放電周期。

在一些實(shí)施例中，可以發(fā)生裝置內(nèi)和/或裝置間反向充電，例如，當(dāng)使用圖7所示的示例性電路時(shí)。因此，當(dāng)裝置c1、c2中的至少一個(gè)是如本文所公開的eesd時(shí)，如圖7所示的電路可以被置于高阻抗?fàn)顟B(tài)(狀態(tài)c)，以提供裝置c1、c2的恢復(fù)周期。在狀態(tài)c中，提供開關(guān)s1和s3的高阻抗位置。在一些實(shí)施例中，使用比較器或計(jì)算機(jī)控制器電路來監(jiān)測(cè)測(cè)試點(diǎn)tp1、tp2處的裝置電壓v1、v2，以確保始終保持電壓的期望極性并且還監(jiān)測(cè)裝置的平衡或“浮動(dòng)”電壓?；謴?fù)周期允許比較器/計(jì)算機(jī)控制器分別在裝置c1、c2的正電極處確定平衡電壓v1，v2以及熵介電材料中的電荷/熵異質(zhì)的任何區(qū)域的時(shí)間段在裝置c1、c2上重新調(diào)整，以具有更一致的電量。

如果需要例如如圖7所示的電路的脈沖放電，則可以使用下面在表1所示的開關(guān)s1、s2、s3位置的順序。該切換順序可以用于以熟知有源反饋控制回路的電子脈沖寬度調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域中的人員所知的方式來控制電流或電壓。在本文檔中所描述的熵裝置的情況下，使用脈沖寬度技術(shù)還有其它優(yōu)點(diǎn)，例如，允許熵介質(zhì)材料中的電荷/熵異質(zhì)的區(qū)域自平衡。這些優(yōu)點(diǎn)是意想不到的，并且在主動(dòng)反饋控制設(shè)計(jì)的普通課程中未預(yù)期。

表1

在脈沖負(fù)載高功率放電期間圖7的開關(guān)位置

重復(fù)到步驟4

由于未連接的高阻抗?fàn)顟B(tài)(圖7，狀態(tài)c)將在功率傳送中產(chǎn)生“死區(qū)時(shí)間”，所以如果需要，各種解決方案將自身呈現(xiàn)允許功率連續(xù)流向負(fù)載r1的可能性。這樣一種可能性是提供連接到相同負(fù)載的大量eesd。當(dāng)一“組”裝置處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)，另一組裝置被切換到負(fù)載，以提供連續(xù)電流。例如，圖7中的裝置c1和c2中的一個(gè)或兩個(gè)可以由并聯(lián)連接的兩個(gè)或更多個(gè)eesd代替，其中，任何一個(gè)eesd可以在任何給定時(shí)間連接到負(fù)載r1?；蛘?，可以添加簡(jiǎn)單的靜電電容器，來存儲(chǔ)能量的一部分并且在發(fā)生平衡和監(jiān)測(cè)所需的時(shí)間段內(nèi)保持功率傳送。

圖15示出了包括串聯(lián)連接的eesd陣列的電路。eesd的串聯(lián)連接提供更多的電壓，能夠?yàn)榻o定尺寸的導(dǎo)體提供更多的功率。兩個(gè)或更多個(gè)串聯(lián)的eesd的并聯(lián)連接使得功率能夠更連續(xù)地向流向負(fù)載。包括m個(gè)并聯(lián)連接行的n個(gè)串聯(lián)連接的eesd的多個(gè)裝置(m*n)在圖5中示出。當(dāng)使用所描述的脈沖技術(shù)時(shí)，包括幾行，提供了電流更連續(xù)地從陣列流入輸出。作為一個(gè)非限制性示例，如果10％的工作周期用于脈沖，則提供十行串聯(lián)連接的裝置將是有利的。在電路運(yùn)行期間，陣列中的各行循環(huán)通過放電和高阻抗?fàn)顟B(tài)。使用控制微處理器或模擬比較器驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用器開關(guān)陣列(mux1、mux2)以及s1、s2和s3，能夠控制電流和電壓，如控制電路和電子領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解的。

圖16和17是示出用于控制多位置開關(guān)以在包括熵能儲(chǔ)存裝置的電路(例如，圖4、7或15所示的電路)中提供脈沖放電的示例性算法的流程圖1600、1700。電路控制算法領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解所示算法僅僅是示例，并且可以使用其它算法來完成相同的控制步驟。控制可以由比較器或計(jì)算機(jī)控制器提供，如電路控制領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的。

參照?qǐng)D16的流程圖1600，示例性算法從步驟1605中的初始化和用戶輸入開始。在步驟1610中做出是否對(duì)eesd充電的決定。如果答案為“是”，則在步驟1620中，多位置開關(guān)(例如，圖4的開關(guān)s1、s2或圖7或圖15的開關(guān)s1、s2、s3)設(shè)置為充電狀態(tài)(例如，圖4、7或15的狀態(tài)a)。在步驟1630中讀取充電電流(例如，在圖4或圖7的測(cè)試點(diǎn)1、2處)并與最小值進(jìn)行比較。如果充電電流不低于最小值，則答案為“否”，并且在步驟1610中可以作出對(duì)eesd充電的另一決定。當(dāng)eesd完全充電時(shí)，充電電流下降到最小值以下，并且在步驟1650中，多位置開關(guān)被設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)(例如，圖4、7或15的狀態(tài)c)。在步驟1660中作出是否對(duì)eesd放電的決定。如果答案為“否”，則在步驟1670中設(shè)置或維持多位置開關(guān)，以提供高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果答案為“是”，則在步驟1680中，算法切換到脈沖模式放電算法。在圖17的流程圖1700中提供脈沖模式放電算法的細(xì)節(jié)。

參考圖17的流程圖1700，在步驟1701中啟用脈沖模式。分別在步驟1702和1703中，設(shè)定狀態(tài)b(放電)和狀態(tài)c(高阻抗)定時(shí)器。步驟1702和1703可以以任何順序同時(shí)或依次執(zhí)行。初始時(shí)間值可以例如由操作者輸入到控制器內(nèi)。在步驟1704中啟動(dòng)狀態(tài)b定時(shí)器。在步驟1705中，將多位置開關(guān)(例如，s1、s2、s3)設(shè)置為放電(例如，圖4、7或15的狀態(tài)b)。步驟1704和1705可以以任何順序依次執(zhí)行。然后，該算法在步驟1706中查詢狀態(tài)b定時(shí)器是否完成。當(dāng)答案為“是”時(shí)，在步驟1707中切換多位置開關(guān)，以將eesd置于高阻抗?fàn)顟B(tài)(例如，圖4、7或圖15的狀態(tài)c)。在步驟1708中，啟動(dòng)狀態(tài)c定時(shí)器。步驟1707和1708可以以任何順序依次執(zhí)行。然后，該算法在步驟1709中查詢狀態(tài)c定時(shí)器是否完成。當(dāng)答案為“是”時(shí)，在步驟1710中讀取eesd的電流和電壓(例如，在圖4或圖7的測(cè)試點(diǎn)1、2處)。在步驟1711中，將電流和電壓與目標(biāo)值進(jìn)行比較，并更新定時(shí)器值。當(dāng)電路包括eesd陣列(例如，如圖15所示)時(shí)，在步驟1711中增加行選擇器，以將一組不同的eesd切換到電路中。在步驟1712中，做出是否保持脈沖模式放電的決定。如果答案為“否”，則在步驟1713中禁用脈沖模式。

作為對(duì)狀態(tài)b和c使用定時(shí)器的替代方案，eesd的電壓可以由控制器監(jiān)測(cè)，這將由電路控制領(lǐng)域的普通技術(shù)人員進(jìn)行。例如，當(dāng)電路處于第一操作模式(放電模式)時(shí)，電壓可由控制器監(jiān)測(cè)，直到電壓達(dá)到期望的放電電壓電平。然后，將電路切換到第二操作模式(高阻抗模式)，直到電壓達(dá)到期望的恢復(fù)電壓電平。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的電壓達(dá)到期望的放電和恢復(fù)電壓電平時(shí)，電路可以在第一和第二操作模式之間切換。

v.示例

如下制備以下示例中使用的熵材料。用15克玉米醇溶蛋白(sigma-aldrich#z3625)形成用于能量?jī)?chǔ)存裝置的基于玉米醇溶蛋白的熵材料，向其中加入50ml無(wú)水乙醇。將溶液在惰性氣氛下充分?jǐn)嚢?，直到得到完全溶解。在總?0分鐘的劇烈攪拌下向該溶液中分批加入10g馬來酸酐(sigma-aldrich#m188)。在此期間，將溶液加熱至60℃。在該周期結(jié)束時(shí)，在5分鐘內(nèi)分批加入0.5g過氧化二異丙苯(sigma-aldrich#329541)。允許將溶液煮沸并在60℃以上攪拌1.5小時(shí)。將溶液冷卻至室溫。然后，分批加入固體碳酸胍(sigma-aldrich#g1165-9)，直到溶液為中性至堿性。將所得蜂蜜著色液體用作電介質(zhì)。

熵能儲(chǔ)存裝置還包括在每個(gè)電極上包含puralene^tm聚合物(聚合的對(duì)二甲苯)的絕緣層。間隔器用于提供電極之間的間隔(例如，約10微米的間距)，并且在電極之間包括隔板。組裝后，構(gòu)建的eesd被真空密封在鋁箔中，導(dǎo)線從密封的eesd延伸，用于電連接。

示例1

熵能儲(chǔ)存裝置的放電

現(xiàn)在參考圖18，在概念上示出根據(jù)本發(fā)明的原理的示例性能量?jī)?chǔ)存裝置的隨著時(shí)間的能量和電壓。能量?jī)?chǔ)存裝置通過耦合到120vdc電源的電阻充電。將picoscope^tm4262型連接到能量?jī)?chǔ)存裝置的每個(gè)電極并利用示波器的集成數(shù)學(xué)函數(shù)，允許計(jì)算和顯示流入電路的能量，如跡線405所示。施加到第一電極的電壓由跡線415a-415b表示，并且位移電流由跡線410表示。大約120v的第一充電電壓向電容器提供8.16j。在大約3分鐘標(biāo)記處施加的-120vdc的第二電壓顯示出8.08j的能量傳送。在該特定的電荷序列中，充電和放電的量大致相等。在電容器上的位移電流的集成顯示，吸收的能量和釋放的能量在數(shù)據(jù)采集裝置和集成程序的誤差范圍內(nèi)近似相等?？梢允褂酶L(zhǎng)的充電循環(huán)，但是在該時(shí)間幀內(nèi)，在該時(shí)間段內(nèi)在該電壓下供應(yīng)的基本上所有的能量都被能量?jī)?chǔ)存裝置所吸收。由于在初始切換期間能量?jī)?chǔ)存裝置的低電抗性，所以存在電源的某些下降。在計(jì)算范圍時(shí)考慮了這個(gè)電壓降。在該實(shí)施例中，吸收的能量為8.16j。樣品的體積為0.006333ml。能量密度為1288j/ml或198wh/kg。電荷集成顯示，當(dāng)放電循環(huán)比充電循環(huán)長(zhǎng)至少10倍時(shí)，基本上可以獲得>90％的電荷回收率。

示例2

靜電電容器和熵能儲(chǔ)存裝置的比較

在靜電電容器充電(放電)的情況下，實(shí)際的靜電電容器可以被建模為與電阻器串聯(lián)的理想電容器。

電流、電壓和時(shí)間常數(shù)(rc值)的關(guān)系如下。

c＝c1的電容

vs＝向電容器的第一電極提供電壓的電阻的電源電壓

vc＝電容器的電極上的電壓(在第一個(gè)電容電極和電阻器的連接處)

i＝電容器上的電流，或

r＝包括等效串聯(lián)電阻esr的電阻器的歐姆電阻

qc＝電容器的每個(gè)電極上累積的電荷

t＝時(shí)間

vs-ir-vc＝0

vs-vc＝ir

知道cv＝q，則

代替i，

可以從時(shí)間0到時(shí)間t集成，其中，q0是在時(shí)間0的電荷，q是在時(shí)間t的電荷。

可以使用以下關(guān)系代替q0，

cv＝q

并且通過初始電壓v0和電容c

通過簡(jiǎn)化形式

通過采用時(shí)間導(dǎo)數(shù)

這簡(jiǎn)化為

作為根據(jù)時(shí)間的電流的最終形式，這給出了時(shí)間依賴性

vs-vc＝ir

由于確定描述在電容器上的電壓(v)、rc和電流(i)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系的等式的形式，所以也用于表示電壓與其它量的關(guān)系。

從等式開始

通過將兩邊除以c

使用身份

cv＝q

使用指數(shù)時(shí)間衰減的一般形式方程擬合所有曲線，

在這種情況下，

yo＝vs

a1＝-(vs-vo)

x＝t

t1＝rc

以便

從該方程可以看出，電路中電容器上的電壓取決于電路的時(shí)間常數(shù)(t1或r*c)。為此，如圖4所示，構(gòu)建非極性150μf鋁電解電容器(cde#psu14535a1015h,cornelldubilier,liberty,sc)與1740歐姆電阻串聯(lián)的的電路。電容器用10v電源充電，并使用不同的電壓放電。電荷圖如圖19所示。分別在圖20-25中示出了顯示施加電壓為0v、-1v、-2.5v、-5v、-7.5v和-10v的放電曲線和曲線的擬合的圖。

曲線和擬合表明，電容器的放電和放電實(shí)驗(yàn)方法與使用前面等式定義的電路分析預(yù)測(cè)的一致。如曲線擬合圖的插入內(nèi)所示，放電的時(shí)間常數(shù)不隨電容器上的放電電壓而變化。在表2中總結(jié)數(shù)據(jù)。

然后使用包括含有玉米醇溶蛋白的熵介電材料的eesd進(jìn)行相同的程序(參見表3)。準(zhǔn)備并評(píng)估了基本均勻組成和結(jié)構(gòu)的四個(gè)獨(dú)立的eesd。在某些情況下，添加了短暫的(2秒)開路或“高阻抗”部分，以研究能量耗散率。eesd的充電曲線如圖26所示。分別在圖27-30中示出了顯示施加電壓為0v、-2.5v、-5v和-10v的放電曲線(沒有高阻抗部分)和曲線的擬合的圖。分別在圖31-34中示出了顯示具有在施加電壓0v、-2.5v、-5v和-10v之前的2秒高阻抗部分的放電曲線和曲線的擬合的圖。

eesd的上述放電曲線不能使用標(biāo)準(zhǔn)的一階指數(shù)衰減進(jìn)行擬合。但是，通過使用二階指數(shù)衰減等式，

可以在eesd上執(zhí)行良好擬合，具有大約0.99的良好度。使用傳統(tǒng)電容器，一階指數(shù)衰減擬合效果非常好。

表2

帶有參數(shù)方程的擬合值的繪制放電/充電曲線

表3

帶有參數(shù)方程的擬合值的繪制放電/充電曲線

表3中的數(shù)據(jù)表明，在這些熵能儲(chǔ)存裝置的充電/放電中同時(shí)存在至少兩個(gè)用于能量?jī)?chǔ)存的機(jī)構(gòu)。每個(gè)效應(yīng)的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不隨著放電電壓恒定，因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間常數(shù)將在傳統(tǒng)的電容器中(見表3)。注意到表3中rc1和rc2(時(shí)間常數(shù)1和2)的時(shí)間常數(shù)一致增加，因?yàn)殪啬軆?chǔ)存裝置上的放電電壓增加。

這表明可能存在在標(biāo)準(zhǔn)電容器中未發(fā)現(xiàn)的某種次要機(jī)制?？梢允褂妹總€(gè)效應(yīng)的時(shí)間常數(shù)來更好地研究?jī)煞N機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)表明，施加的電壓vs以及初始電壓v0可以影響電容器上的時(shí)間常數(shù)?？梢酝ㄟ^使用負(fù)放電電壓來修改放電速率。通過改變一個(gè)或兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，可以以可能增加放電時(shí)間或者在增加功率輸出的同時(shí)相反地減少放電時(shí)間的方式改變放電速率。

如果需要小于全電流放電或管理放電，則該電路還可以通過向計(jì)算機(jī)或比較器添加程序改變來實(shí)現(xiàn)該結(jié)果，如圖7所示。這種性質(zhì)的修改是電子電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。例如，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的控制，可能需要最大輸出(給定頻率的最大工作周期)的50％的期望電流。該電路將簡(jiǎn)單地以該頻率的脈沖寬度的一半脈動(dòng)或以一半頻率的相同寬度脈動(dòng)。上述的各種組合可以由設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)中的其它元素來選擇。

示例3

在電路中的熵能儲(chǔ)存裝置的脈沖放電

構(gòu)建如圖4所示的電路。能量?jī)?chǔ)存裝置c1是具有包含玉米醇溶蛋白的熵介電層的eesd。將eesd充電到10v的初始電壓。通過在狀態(tài)b的放電配置和狀態(tài)c的高阻抗(hiz)配置之間交替來獲得放電曲線(圖35)。放電曲線示出了eesd的初始快速放電發(fā)生了大約200微秒，之后是更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)更慢的、更平坦的、遠(yuǎn)遠(yuǎn)更少的功率放電。電路的配置變?yōu)閔iz狀態(tài)(狀態(tài)c)，裝置正電極的電壓隨著均質(zhì)化電介質(zhì)內(nèi)的不均勻性顯示“恢復(fù)”電壓。

參考圖35，上部跡線是施加到eesd的電壓。下部跡線顯示了eesd與連接到地面的1k電阻器之間的電壓(該電壓與從eesd流動(dòng)的電流成比例)?？梢钥吹綇臅r(shí)間0到字母a表示的時(shí)間的充電間隔周期1，在此期間，eesd在+10v處部分充電。

放電周期由線路a和線路b之間的時(shí)間表示。如圖所示，電壓從9.5v下降到-5v，以將電容器放電。如果放電電壓保持在接地電位，則從裝置放電的電流大約是裝置否則會(huì)放電的電流的20倍。然而，該大幅增大的放電電流與放電電壓不是恒定的。當(dāng)裝置以比接地電位更負(fù)的電壓放電時(shí)，所以可能發(fā)生裝置的反向極化。放電電流從這個(gè)非常高的價(jià)值迅速下降。這可以在下部跡線中看到，作為在第一脈沖的放電時(shí)間期間負(fù)電壓的減小。當(dāng)?shù)谝环烹娒}沖達(dá)到大約1毫秒的時(shí)間值時(shí)，eesd與放電電壓斷開并處于高阻抗?fàn)顟B(tài)或靜止期。線路b和線路c之間的間隔2是hiz靜止期。

放電電極(上部跡線)的電壓迅速增加至約3.4v。由于裝置允許在這種高阻抗?fàn)顟B(tài)下“靜置”，所以電壓稍微進(jìn)一步恢復(fù)，在下一個(gè)放電脈沖之前，從電壓的輕微向上漂移可以看出。隨著放電過程的進(jìn)行，電壓恢復(fù)的這種影響變得更加顯著。hiz“恢復(fù)時(shí)間”允許裝置將其電介質(zhì)平衡到更均勻的狀態(tài)。然后，下一個(gè)放電脈沖能夠產(chǎn)生明顯大于放電電壓保持恒定并連接的電流的電流。

在上述示例中，只允許放電達(dá)到每個(gè)放電/hiz工作周期的總時(shí)間的10％。施加10％工作周期放電的頻率約為1khz。盡管用這種脈沖放電制度產(chǎn)生更高的電流，但是裝置可能不會(huì)以連續(xù)放電電壓的速度放電。然而，當(dāng)使用脈沖放電技術(shù)時(shí)，具有極好的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵摷夹g(shù)有助于防止電介質(zhì)的反向極化。

雖然從一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的給定時(shí)間段內(nèi)放電的總能量可能更大，具有恒定的負(fù)電壓而不是短脈沖，但電介質(zhì)的反向極化具有其異質(zhì)性的可能性是一個(gè)問題。對(duì)于裝置的放電曲線的許多區(qū)域，使用脈沖放電獲得增加的放電速率。

關(guān)于脈沖放電方法特別感興趣的是在低電荷區(qū)域和高電荷區(qū)域中的放電速率大大降低(參見圖35)。這不是傳統(tǒng)靜電電容器預(yù)測(cè)的行為，特別是在圖形的完全充電部分。如果從充滿電荷的eesd放電到接地電位，則反向極化是不可能的。然而，接地電位放電電流大約為負(fù)電壓放電電流的1％。因此，使用上述脈沖負(fù)dc電壓技術(shù)，總體上獲得增加的能量放電速率。放電電流增加2000％，抵消10％的放電可用性，以在放電期間提供總功率輸出總體上升100％。

鑒于可應(yīng)用所公開的發(fā)明的原理的許多可能的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，所示出的實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選示例，而不應(yīng)被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。相反，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。因此，我們要求在這些權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)的內(nèi)容都屬于我們的發(fā)明。