高能量子电池

技术领域

本发明涉及能量存储装置领域，尤指高能量子电池。

背景技术

我们的主要能源是可再生能源或不可再生能源。我们使用的电力既不是可再生的也不是不可再生的。电力应该被定义为二次能源，因为它是通过将核能、太阳能、化石燃料和风能等初级能源转化为电能而产生的。关于电能的产生和储存，我们将相关能源在其基本元素水平上重新分为七类，我们称为＂七抽屉＂(或＂七子＂)。这七个类别是：

–Chemion化子，如化石燃料和核能(chemical and nuclear reactions)

–Phononion热子，如热能(heat entropy)

–Windtonion风子，如风能(wind)

–Waterion水子，如引力(gravitational force),势能(potential energy)

–Photonion光子，如太阳能(solar)

–Magnetmechanion磁力子，如磁性力学(magnetism mechanics)

–Blackenion黑子，如电离层自由离子(ionosphere free ions)

所有的七类能源都可以转化为电能，立即用作电源或储存在能量存储系统中。目前，几乎所有的存储解决方案都需要将电力转换为化学能来储存在电池中，这是一个涉及到通过热量和材料退化而造成的进一步损害的过程。另一种储存在小型电容器和超级电容器中的选择是微不足道的，因为存储容量不足。

完美的存储解决方案是以EMES技术的形式，其中能量的利用由磁子性质控制的量子磁耦合存储在电场和磁场中。

在量子力学的层面，电场与磁场可以相互转换，磁场可以束缚、控制电荷，且在薄磁性或薄非磁性区的结构中观察到巨磁阻效应GMR(Giant Magneto Resistance Effect)。巨磁阻效应显现出了电阻对外加电场产生反应时，从零场(zero-field)高阻抗状态至高场(high-field)低阻抗状态时的显著变化。这个变化中的电通量不仅可以用来表示＂0＂和＂1＂，以供计算机运算符和信息存储；也可利用这(GMR)原理来控制材料的阻抗，并与相应的外磁场进行耦合以便存储电能。

因此可用具有巨磁阻效应的磁性电容Mcap(Magnetic Capacitor)，制作高能量密度的电能存储装置EMES(Electro Magnetic Energy Storage)。而且该装置可以反复充放电，没有记忆效应，充放电时其本身也不会发热。

该发明将为高效存储并充分利用＂七抽屉＂方面的能量(尤其重要的是可直接大量捕获大气电离层中的电荷)提供了一种新的可行的技术方案及有效可靠的装置。

发明内容

本发明的目的之一是为了克服现有技术中存在的至少部分不足，提供高能量子电池。

本发明提供的技术方案如下：

高能量子电池，包括至少一个电磁能量存储EMES单元；所述EMES单元包括：第一电磁层、第二电磁层和磁性电容Mcap单元；所述磁性电容Mcap单元设置于所述第一电磁层及所述第二电磁层之间，用于储存电能；所述第一电磁层和所述第二电磁层用于在充电时形成磁场，储存磁能。

进一步地，所述Mcap单元包括：一第一磁性层；一第二磁性层；一介电层配置于所述第一磁性层及所述第二磁性层之间；其中所述介电层被用以储存电能,在存储着电能时，所述第一磁性层及所述第二磁性层的双极极性方向相反，用以防止电能泄漏。

进一步地，所述第一磁性层包括第一磁性区、第二磁性区和设置于所述第一磁性区与所述第二磁性区之间的传导区；所述第二磁性层包括第三磁性区、第四磁性区和设置于所述第三磁性区与所述第四磁性区之间的传导区；其中当所述Mcap单元存储着电能时，所述第一磁性区与所述第二磁性区的双极极性方向相反，所述第三磁性区与所述第四磁性区的双极极性方向相反。

进一步地，所述第一磁性区、所述第二磁性区、所述第三磁性区和所述第四磁性区分别为一薄膜。

进一步地，当对所述高能量子电池充电时，所述第一磁性层和所述第二磁性层与一电源耦接。

进一步地，当对所述高能量子电池充电时，所述第一电磁层和所述第二电磁层与一电源耦接。

进一步地，当对所述高能量子电池放电时，所述第一磁性层和所述第二磁性层与一负载耦接。

进一步地，当对所述高能量子电池放电时，所述第一电磁层和所述第二电磁层与一负载耦接。

进一步地，包括多个电磁能量存储EMES单元；所述多个EMES单元通过并联、串联或并串联方式连接。

进一步地，还包括：电压调节单元，与所述EMES单元电连接，并根据所述EMES单元的放电电压产生一具有一个定电压的输出电源；当所述EMES单元的放电电压大于该定电压时，所述电压调节单元对该放电电压进行降压，当所述EMES单元的放电电压小于该定电压时，所述电压调节单元对该放电电压进行升压。

通过本发明提供的高能量子电池，至少能够带来以下有益效果：利用磁性电容和静态、穏定的电磁耦合技术，在充电时将能量同时存储于EMES的电场和磁场中，具有具有高能量存储密度、寿命长、无记忆效应、可进行高功率输出和快速充放电，环境温度从摄氏零下50度到零上150度都能稳定工作等特点。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对高能量子电池的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的高能量子电池的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中磁性电容Mcap单元的一个实施例的结构示意图；

图3是对量子电池进行充放电的一个实施例的结构示意图；

图4是对量子电池进行充电的原理示意图；

图5是对量子电池进行放电的原理示意图；

图6是量子电池在充放电期间字线上的电流方向示意图；

图7是对量子电池进行充放电的另一个实施例的结构示意图；

图8是Mcap和EMES单元的放电特性示意图；

图9是本发明的高能量子电池的另一个实施例的结构示意图；

图10是储能技术演进示意图。

附图标号说明：

110.第一电磁层，120.磁性电容单元，130.第二电磁层，121.第一磁性层，122.介电层，123.第二磁性层，140.顶部字线，150.底部字线，160.基板，100.电磁能量存储单元，200.电压调节单元，10.量子电池，210.电源管理系统。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘制了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

现有能量存储技术存在诸多问题，为此本发明提供了高能量子电池，基于电磁储能(EMES)技术，在静态稳定的电磁耦合设备中存储电能。这是一种在充电和放电循环时，同时将能量存储在同一设备中的电场和磁场中的新方法。

该量子电池包括至少一个电磁能量存储EMES单元，该EMES单元包括：第一电磁层、第二电磁层和磁性电容Mcap单元；磁性电容Mcap单元设置于第一电磁层及第二电磁层之间，用于存储电能；第一电磁层和第二电磁层用于在充电时形成磁场并与Mcap形成电磁耦合。本发明利用磁性电容和静态、穏定的电磁耦合技术，在充电时将能量同时储存于EMES的电场和磁场中。

该量子电池具有高能量存储密度、寿命长、无热量散发、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点。

图1为本发明的一实施例的量子电池10。该装置包括至少一个电磁能量存储(EMES，Electro Magnetic Energy Storage)单元100。

每个EMES单元包括第一电磁层110、第二电磁层130和磁性电容单元120。磁性电容单元120设置于第一电磁层110及第二电磁层130之间，用于储存电能。第一电磁层110和第二电磁层130用于在充电时形成磁场，储存磁能。

具体地，第一电磁层110和第二电磁层130为电磁体，充电时形成磁场。

磁性电容(Mcap，Magnetic Capacitor)单元120是一种以硅半导体为原料，在一定的磁场作用下通过物理储能方式实现高密度、大容量存储电能的元件。其具有输出电流大、体积小、重量轻、超长使用寿命、充放电能力佳以及没有充电记忆效应等特性。

图2为磁性电容Mcap单元120的一种实施方式。图2中，Mcap单元120包括第一磁性层121、第二磁性层123和配置于第一磁性层121及第二磁性层123之间的介电层122。介电层122被用以储存电能，在存储着电能时，第一磁性层121及第二磁性层123的双极极性方向相反，用以防止电能泄漏。

第一磁性层121、第二磁性层123为永磁体。

具体地，第一磁性层121包括第一磁性区、第二磁性区和设置于第一磁性区与第二磁性区之间的第一传导区。其中当Mcap单元储存着电能时，第一磁性区与第二磁性区的双极极性方向相反。第一磁性区和第二磁性区分别为一薄膜。

第二磁性层123包括第三磁性区、第四磁性区和设置于第三磁性区与第四磁性区之间的第二传导区。其中当磁性电容单元储存着电能时，第三磁性区与第四磁性区的双极极性方向相反。第三磁性区和第四磁性区分别为一薄膜。

本实施例通过在Mcap周围增加额外的半永久磁层(即第一电磁层和第二电磁层)，在充电时将能量同时存储于Mcap的电场和半永久磁层形成的磁场中，使得量子电池10具有高能量存储密度，寿命长、无记忆效应、可进行高功率输出和快速充放电等特点。

量子电池10可包括多个EMES单元；多个EMES单元可根据需要通过并联、串联或并串联方式连接，提供不同的输出电压、电流和功率等级。

图3为量子电池充放电时的结构示意图。假设量子电池包含一个EMES单元。

其中，EMES单元的第一磁性层121和第二磁性层123分别与电源管理系统210相连接，形成第一充/放电回路；第一电磁层110通过顶部字线140、第二电磁层130通过底部字线150分别与电源管理系统210相连接，形成第二充/放电回路。底部字线150位于基板160上方。

充电时，电源管理系统210等效为一电源。经第一充电回路，对磁性电容单元进行充电，存于磁性电容单元的电场强度增加。同时经第二充电回路，对第一电磁层110和第二电磁层130进行充电，第一电磁层110和第二电磁层130之间形成磁场。第二充电回路上的电流会增强磁场强度。同时由于耦合效应，磁性电容单元的电场强度的增加也会使第一电磁层110和第二电磁层130之间形成的磁场强度增加。

放电时，电源管理系统210等效为一负载。经第一放电回路，磁性电容单元放电，存于磁性电容单元的电场强度减弱。同时经第二放电回路，第一电磁层110和第二电磁层130进行放电，第一电磁层110和第二电磁层130之间的磁场强度减弱。第二放电回路上的电流会减弱磁场强度。同时由于耦合效应，磁性电容单元的电场强度的减弱也会使第一电磁层110和第二电磁层130之间形成的磁场强度进一步减弱。

量子电池的充放电的原理示意如图4、图5所示。用球体表示电场，被压缩的弹簧表示磁场。能量储存于磁场和电场中。电场存于Mcap的介电层中，磁场存于两个电磁层中。

图4的a为没有充电时的初始状态示意图，b为充电状态的示意图。随着EMES的电容器部分(即磁性电容单元)的充电，电场强度增加。由于量子能级的耦合效应，电场强度的增加也会导致磁场强度的增加。如图4的b所示，随着球体的增强(电场强度的增加)，弹簧被压缩(磁场强度也增加)。

图5的c为EMES单元已充好电的状态示意图，d为放电状态的示意图。随着EMES的电容器部分(磁性电容单元)的放电，电场强度减弱。由于量子能级的耦合效应，电场强度的减弱也会导致磁场强度的减弱。如图5的d所示，随着球体的弹出(电场强度的减弱)，弹簧变松弛(磁场强度也减弱)。能量从电场(EMES的电容器部分)和磁场(EMES的磁场部分)中释放出来。

如图6所示，在EMES单元充电期间，不仅电场强度的增加会导致磁场强度的增加，而且字线上的电流也会增加EMES的磁场强度；在EMES单元放电期间，EMES的磁场强度将恢复正常，并在字线上产生与充电期间方向相反的电流。

图7为由多个EMES单元构成的量子电池进行充放电的一种结构示意图。

量子电池包含多个EMES单元，多个EMES单元并联，所有EMES单元的第一电磁层110通过顶部字线连接，第二电磁层130通过底部字线连接，顶部字线、底部字线分别与电源管理系统210相连接，形成第二充/放电电路。

所有EMES单元中磁性电容单元的第一磁性层121通过第二顶部字线连接，第二磁性层123通过第二底部字线连接，第二顶部字线、第二底部字线分别与电源管理系统210相连接，形成第一充/放电电路。(上述连接方式图7中未示出)。

图8为Mcap和EMES单元的放电特性示意图。可以看出，Mcap和EMES单元在放电期间的电压不能如一般蓄电池维持一定值，而是呈现为随着放电时间迅速递减的趋势。为此，对量子电池10进行了改进，如图9所示，相对图1增加了电压调节单元200。

电压调节单元200，根据EMES单元的放电电压产生一具有一个定电压的输出电源。当EMES单元的放电电压大于该定电压时，电压调节单元对该放电电压进行降压，当EMES单元的放电电压小于该定电压时，电压调节单元对该放电电压进行升压。

电压调节单元200可以采用现有的升降压转换器来实现。

借由电压调节单元200搭配EMES单元100,就可以克服EMES单元100输出电压(放电电压)不稳定的情况，而能提供一个定电压输出给需要的负载。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。