Предложен квантовый суперконденсатор, между электродами которого располагается наноструктурированный материал, состоящий из кластеров с туннельно прозрачными оболочками. (стр. 1 из 4)
PCT/EA02/0006 "QUANTUM SUPERCAPACITOR" (13 claims), WO03/003466 A1. Евразийский патент №003852.
КВАНТОВЫЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОР
Реферат
Предложен квантовый суперконденсатор, между электродами которого располагается наноструктурированный материал, состоящий из кластеров с туннельно прозрачными оболочками. Кластеры имеют такие размеры, при которых проявляются резонансные свойства электрона и лежат в интервале 7.2517нм 
< r < 29.0068нм
Эти размеры определяется кольцевым радиусом волны электрона согласно формуле 
, где 
- постоянная Планка, me – масса электрона, a = 1/137,036 – постоянная тонкой структуры, с – скорость света. Размер кластера задается в пределах от r0 до 4r0, причем толщина туннельно прозрачного промежутка не превышает r0. = 7.2517нм.
Накопление энергии в квантовом суперконденсаторе осуществляется за счет управляемого пробоя наноструктурированного материала – диэлектрика, с последующим его восстановлением. Энергия храниться равномерно по всему объему наноструктурированного материала за счет резонансного спаривания электронов на кластере. Предельная удельная энергия, накапливаемая в конденсаторе, составляет 1.66 МДж/кг.
Область техники
Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано в производстве конденсаторов для создания элементов (ячеек) памяти для интегральных микросхем, в высокодобротных контурах, в развязывающих элементах и в резервных источниках питания. Кроме того, они могут использоваться как источники тока для мобильных средств связи, в энергоустановках электромобилей, а также для буферного накопления электрической энергии с высокой удельной плотностью порядка 1 – 1,5 МДж/кг.
Уровень техники.
Известны электрические конденсаторы, обладающие большой удельной емкостью на основе твердых диэлектриков, например конденсаторы на диэлектриках BaTiO3 имеют большую диэлектрическую проницаемость e > 1000 и удельную емкость порядка 0,3 Ф/см3. Однако в большинстве энергетических приложений такой удельной емкости недостаточно. Для увеличения удельной емкости применяют разные методы. Наиболее эффективным является наноструктурирование диэлектриков типа BaTiO3 путем создания наноразмерных кластеров с оболочкой [1], или создание тонких наноразмерных пленок с легированием их металлом, [2]. С помощью такого подхода, удалось увеличить диэлектрическую проницаемость до e=105-106и достигнуть удельной емкости 100-1000 Ф/см3. В результате удалось получить удельную энергию, запасаемую в конденсаторе 2¸20 МДж/кг. Удельная энергия, запасенная в таких конденсаторах значительно превышает удельную энергию, запасаемую в свинцовых (0.08 МДж/кг) и никелевых (0.15 МДж/кг) электрохимических аккумуляторах и соизмерима с удельной энергией, запасаемой в лучших литиевых аккумуляторах (0.5 МДж/кг) [3]. Очевидно, преимущество конденсаторов перед электрохимическими аккумуляторами заключается в быстрой возможности накопления в них энергии и неограниченного количества циклов их перезарядки. Однако, в конденсаторах, выполненных по перечисленным выше патентам используется титанат бария с высокой степенью легирования металлами. Это приводит к трансформации диэлектрика в полупроводник. В результате появляются большие токи утечки, что приводит к быстрой потере накопленной энергии. Следовательно, применять такие конденсаторы для долговременного хранения энергии не эффективно. Кроме того, при увеличении запасенной энергии > 2 MДж/кг растрескивается сама пленка BaTiO3. Таким образом, достичь предельных значений 20 MДж/кг пока практически невозможно.
Известен другой тип конденсаторов с высокой удельной емкостью. Это так называемые суперконденсаторы, имеющим двойной электрический слой, образующийся между жидким электролитом и электродом. Для увеличения удельной емкости электрод выполнен из разнообразных материалов с большой удельной поверхностью, например [4], патент [5]. Удельная емкость таких конденсаторов 2-46 Ф/см3 при максимальной удельной энергии, запасаемой ими до 0.045 МДж/кг. Предельная запасенная энергия в таких конденсаторах определяется потенциалом диссоциации электролита, который не превышает 2-3 В. Такие конденсаторы достаточно быстро заряжаются и имеют неограниченный цикл перезарядки. Однако использование электролитов делает их ненадежными в эксплуатации, а также приводит к повышенным токам утечки, что сокращает время хранения энергии. Кроме того, низкая удельная запасаемая энергия не позволяет в практически важных случаях заменить ими электрохимические аккумуляторы.
В перечисленных выше твердотельных и жидкостных аккумуляторах используется механизм переноса ионов. Например, в BaTiO3 ионы сдвигаются относительно кристаллической решетки, а в жидкостных электролитах перенос ионов осуществляется за счет механического перемещения ионов относительно поверхности электродов. Такой процесс движения тяжелых ионов ограничивает скоростные характеристики. Поэтому такие конденсаторы нельзя применять в элементах памяти сверхбыстродействующих интегральных схем.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является улучшение энергетических характеристик конденсаторов, их быстродействия, создание конденсатора имеющего малые токи утечки и длительное время хранения заряда, а также неограниченное число циклов перезарядки.
Решить эту задачу возможно путем перехода от хранения заряда в виде ионов к хранению заряда в виде электронов. Однако, известные диэлектрики, в которых используется эффект смещения электронов относительно ионов, имеют e£100. По существу, во всех твердотельных диэлектриках накопление энергии происходит за счет совершения работы по повороту вектора поляризации в единице объема диэлектрика электронного или ионного типа. При этом максимально запасенная удельная энергия определяется известным уравнением
, (1)где e0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, E – напряженность электрического поля в конденсаторе, U – напряжение в конденсаторе, С – емкость конденсатора, q – заряд на конденсаторе. Из (1) видно, что увеличить удельную энергию можно двумя путями: либо увеличивая e, либо, что более эффективно, увеличивая E. Однако увеличение напряженности поля E приводит к необратимому пробою диэлектрика [6]. Пробой в твердых диэлектриках происходит за счет эмиссии электронов в диэлектрик с обкладок конденсатора. Эмитированные электроны в диэлектрик под действием ускоряющего электрического поля движутся от катода к аноду. На своем пути они испытывают многократные соударения, что приводит к образованию лавины электронов, т.е., к пробою. В результате ударной ионизации создаются положительные ионы, остающиеся в следе лавины и образующие остаточный заряд. Кроме того, существует возможность активизации находящихся в материале диэлектрика электронов, которые также участвуют в лавинообразном пробое. Кроме того, при увеличении толщины диэлектриков возникает так называемый объемный эффект, т.е., резко снижается пробивное напряжение диэлектриков, что приводит к уменьшению накапливаемой удельной энергии. Лавинный пробой приводит к деструкции материала диэлектрика и образованию дефектного канала, который не восстанавливается. В результате конденсатор выходит из строя.
В настоящее время существует много теорий механизма пробоя диэлектриков [6]. Но все они только приближенными способами решают отдельные частные задачи.
Сущность изобретения заключается в создании нового механизма накопления энергии во всем объеме твердых диэлектриков за счет управления механизмом пробоя и восстановления рабочих параметров материала диэлектрика.
В предлагаемом изобретении для одновременного увеличения e и E предлагается использовать новый механизм движения электронов в диэлектриках и полупроводниках с учетом модели пространственной структуры волны электрона, опубликованный в Заявке PCT [7]. В этой заявке показано, что форма электрона – его зарядовая волна изменяется в зависимости от скорости движения электрона и структуры материала, в котором он движется. В наиболее простых случаях его форму можно представить в виде заряженного тора, вращающегося вокруг своей оси. Для электрона, находящегося в минимуме своей энергии, его можно представить в виде тонкого, равномерно заряженного кольца с зарядом е, вращающегося вокруг своей оси со скоростью a2с, где a - постоянная тонкой структуры, а с – скорость света. Причем электростатическое поле такого электрона сосредоточено в его же плоскости, т.е., он представляет собой поперечную заряженную волну. В результате сечение взаимодействия между такими электронами минимально. Такое состояние электрона можно наблюдать в вакууме при движении его со скоростью относительно лабораторной системы координат, меньшей a2с или при его движении в сверхпроводниках [7]. Диаметр такого электрона находится из эксперимента при «туннелировании» электрона через вакуумный промежуток. Экспериментально установлено, что туннельный эффект исчезает при расстоянии между электродами около 8 нм [8, раздел 9.4]; [9, Глава 3.]. Этот исключительно важный экспериментальный факт постоянно игнорируется. Будем считать, что радиус такого кольцевого электрона связан с мировыми константами [7]:
r0 = /(mea2c)=7,2517 нм. (2)