电池以及其充电和放电的方法

摘要

提供具有所需特性的电池和充电/放电方法。根据本发明实施例的电池包括：第一电极层(6)；第二电极层(7)；和充电层(3)，对充电层施加第一电极层(6)和第二电极层(7)之间的充电电压。在充电层(3)的表面上，设置第二电极层(7)的区域夹在未设置第二电极层(7)的区域之间。

权利要求

1.一种电池，包括：

第一电极层；

第二电极层；以及

充电层，包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料，并且在所述第一电极层和所述第二电极层之间产生的充电电压被施加到所述充电层，其中所述第一电极层包括以彼此分离的形式形成的多个电极层图案，所述第二电极层包括以彼此分离的形式形成的多个电极层图案，在平面视图中，通过所述充电层，所述第一电极层的多个电极层图案的纵向方向是第一方向，所述第二电极层的多个电极层图案的纵向方向是与第一方向相交的第二方向，在充电期间，向所述多个电极层图案中的每个电极层图案提供所述充电电压，以及在放电期间，将负载连接至所述多个电极层图案中的一些电极层图案。

2.根据权利要求1所述的电池，其中，使用自然能源发电所产生的功率对所述充电层进行充电。

3.根据权利要求1所述的电池，其中，使用来自马达的再生能源对所述充电层进行充电，并且将对所述充电层进行充电的功率用于所述马达的电源。

4.一种对电池进行充电和放电的方法，所述电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电层，包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料，在所述第一电极层和所述第二电极层之间产生的充电电压被施加到所述充电层，所述第一电极层包括以彼此分离的形式形成的多个电极层图案，所述第二电极层包括以彼此分离的形式形成的多个图案，

在平面视图中，通过所述充电层，所述第一电极层的多个电极层图案的纵向方向是第一方向，所述第二电极层的多个电极层图案的纵向方向是与第一方向相交的第二方向，所述方法包括：通过向所述多个图案中的每个图案提供所述充电电压来对所述充电层进行充电；以及通过将负载连接至所述多个图案中的一些图案来对所述充电层进行放电。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用自然能源发电所产生的功率对所述充电层进行充电。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，使用来自马达的再生能源对所述充电层进行充电，并且将对所述充电层进行充电的功率用于所述马达的电源。

说明书

电池以及其充电和放电的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电池以及其充电和放电的方法。

背景技术

[0002] 本申请的申请人开发了一种电池(专利文献1和2)，该电池利用由紫外线照射引起的金属氧化物的光致激发结构变化(该电池在下文中称为量子电池)。专利文献1和2中公开的量子电池有望成为实现具有远超锂离子电池容量的容量的电池的技术。专利文献1和2中公开的蓄电池具有一种结构，其中，第一电极、n型金属氧化物半导体层、充电层、p型半导体层和第二电极被层叠在基板上。

[0003] 引文列表

[0004] 专利文献

[0005] [专利文献1]国际专利公布文本WO2012/046325

[0006] [专利文献2]国际专利公布文本WO2013/065093

发明内容

[0007] 技术问题

[0008] 这种量子电池具有平行板型结构以实现薄型电池。具体地，充电层设置在第一电极和第二电极之间，并且在充电层的整个表面上形成第一电极和第二电极。为了控制充电和放电特性，需要调整氧化物半导体层和充电层的组分和厚度。因此，如果氧化物半导体层和充电层的组分和厚度是确定的，则存在难以调整充电和放电特性的问题。

[0009] 本发明是鉴于上述问题而完成的。根据本发明，可以提供具有所需特性的电池。

[0010] 技术方案

[0011] 根据本发明的一个方面的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电层，设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间。所述充电层包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料。在所述充电层的表面上，形成有所述第二电极层的区域被夹在未形成所述第二电极层的区域之间。

[0012] 在上述电池中，在所述充电层的表面上沿任意方向交替布置形成有所述第二电极层的所述区域和未形成有所述第二电极层的所述区域。。

[0013] 根据本发明的一个方面的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电层，设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间。所述充电层包括n型金属氧化物半导体与绝缘材料。在所述充电层的表面上，沿任意方向交替布置形成有所述第二电极层的区域和未形成所述第二电极层的区域。

[0014] 根据本发明的一个方面的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电层，设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间。所述充电层包括n型金属氧化物半导体与绝缘材料。在所述充电层的表面上，形成有所述第二电极层的区域的至少一部分设置在未形成所述第二电极的区域之间。在所述充电层的表面上，未形成所述第二电极层的区域的至少一部分设置在形成有所述第二电极层的区域之间。

[0015] 在上述电池中，在所述充电层的表面上，所述第一电极层和第二电极层中的至少一个可以被分成多个图案。

[0016] 根据本发明的一个方面的电池包括：第一电极层；第二电极层；充电层，包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料，在所述第一电极层和所述第二电极层之间产生的充电电压被施加到所述充电层。在所述充电层的表面上，局部形成所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个。

[0017] 在上述电池中，在平面视图中，通过所述充电层可以交替形成所述第一电极层的图案和所述第二电极层的图案彼此重叠的重叠区域与所述第一电极层的图案和所述第二电极层的图案彼此不重叠的非重叠区域。

[0018] 根据本发明的一个方面的电池包括：第一电极层；第二电极层；以及充电层，包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料，在所述第一电极层和所述第二电极层之间产生的充电电压被施加到所述充电层。所述第二电极层包括以彼此分离的形式形成的多个电极层图案。在充电期间，向所述多个电极层图案中的每个电极层图案提供所述充电电压，以及在放电期间，将负载连接至所述多个电极层图案中的一些电极层图案上。

[0019] 在上述电池中，可以使用自然能源发电所产生的功率对所述充电层进行充电。

[0020] 在上述电池中，可以使用来自马达的再生能源对所述充电层进行充电，并且将对所述充电层进行充电的功率用于所述马达的电源。

[0021] 根据本发明的一个方面的对电池进行充电和放电的方法是一种包括以下步骤的对电池进行充电和放电的方法：第一电极层；第二电极层；以及充电层，包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料，在所述第一电极层和所述第二电极层之间产生的充电电压被施加到所述充电层，所述第二电极层包括以彼此分离的形式形成的多个图案，所述方法包括：通过向所述多个图案中的每个图案提供所述充电电压来对所述充电层进行充电；以及通过将负载连接至所述多个图案中的一些图案来对所述充电层进行放电。

[0022] 技术效果

[0023] 根据本发明，可以提供一种具有所需特性的电池以及其充电和放电的方法。

附图说明

[0024] 图1是示出了量子电池的基本结构的透视图；

[0025] 图2是示出了量子电池的基本结构的截面图；

[0026] 图3是示意地示出了确认电子泄漏现象的实验中使用的电池的平面图；

[0027] 图4是用于说明电子泄漏现象的图；

[0028] 图5是用于说明电子泄漏现象的图；

[0029] 图6是用于说明电子泄漏现象的图；

[0030] 图7是用于说明电子泄漏现象的图。

[0031] 图8是示意性地示出了根据本发明实施例的量子电池的结构的透视图；

[0032] 图9是示意性地示出了根据本发明实施例的量子电池的结构的截面图；

[0033] 图10是示出了图9中用虚线表示的部分的示意图；

[0034] 图11是示出了放电特性与图案宽度W和图案间的距离L之间的关系的曲线图；

[0035] 图12是表示对电荷输入的响应性的图；

[0036] 图13是示出了根据第一布局示例的量子电池的结构的透视图；

[0037] 图14是示出了根据第一布局示例的量子电池的结构的平面图；

[0038] 图15是示出了根据第一布局示例的量子电池的结构的截面图；

[0039] 图16是示出了根据第二布局示例的量子电池的结构的透视图；

[0040] 图17是示出了根据第二布局示例的量子电池的结构的平面图；

[0041] 图18是示出了根据第二布局示例的量子电池的结构的截面图；

[0042] 图19是示出了根据第三布局示例的量子电池的结构的透视图；

[0043] 图20是示出了根据第三布局示例的量子电池的结构的平面图；

[0044] 图21是示出了根据第三布局示例的量子电池的结构的截面图；

[0045] 图22是简单地示出了使用量子电池的再生系统的图；

[0046] 图23是示出了再生系统中的充电曲线的曲线图；以及

[0047] 图24是示出了再生系统中的马达启动时的放电曲线的曲线图。

具体实施方式

[0048] 将参考附图来描述本发明的实施例。以下所述实施例是本发明的示例。本发明不限于以下实施例。注意，在以下说明书和附图中由相同附图标记表示的部件表示相同的部件。

[0049] (A)关于量子电池

[0050] 量子电池的技术应用于根据以下所述实施例的电池。因此，在描述实施例之前，将简要说明量子电池。

[0051] 量子电池是利用金属氧化物半导体的光致激发结构变化的金属氧化物半导体蓄电池。量子电池是基于通过在带隙中形成新的能级来捕获电子的工作原理的电池(蓄电池)。

[0052] 量子电池是一种全固态的物理蓄电池，其本身就起到电池的作用。图1和图2中示出了量子电池的结构的示例。图1是示出具有平行板型结构的量子电池11的结构的透视图，图2是其平面图。注意，在图1和图2中，省略了诸如正极端子和负极端子之类的端子部件和诸如覆盖部件和涂覆部件之类的安装部件的图示。

[0053] 量子电池11包括充电层3、第一电极层6和第二电极层7。充电层3设置在第一电极层6和第二电极层7之间。因此，在第一电极层6和第二电极层7之间产生的充电电压被施加到充电层3。充电层3通过充电操作积聚(捕获)电子，并且通过放电操作来发射积聚的电子。充电层3是在电池未被充电的状态下保持(存储)电子的层。充电层3通过应用光致激发结构变化的技术来形成。

[0054] 例如在国际专利公布文本WO2008/053561中描述了术语“光致激发结构改变”。光致激发结构变化是由光照射所激发的材料的原子之间的距离发生改变的现象。例如，作为诸如氧化锡之类的非晶态金属氧化物的n型金属氧化物半导体具有引起光致激发结构变化的性质。光致激发结构变化现象导致在n型金属氧化物半导体的带隙中形成新的能级。量子电池11通过将电子捕获在能级来进行充电，并且通过发射捕获的电子而进行放电。

[0055] 充电层由包括n型金属氧化物半导体和绝缘材料的材料形成。在充电层3中填充覆盖有绝缘涂层的n型金属氧化物半导体的细微粒。n型金属氧化物半导体通过紫外线照射而经历光致激发结构变化，并且变成可以存储电子的形式。充电层3包括覆盖有绝缘涂层的多个n型金属氧化物半导体细微粒。

[0056] 第一电极层6例如是负电极层，并且包括第一电极1和n型金属氧化物半导体层2。n型金属氧化物半导体层2设置在第一电极1和充电层3之间。因此，n型金属氧化物半导体层2的一个表面与第一电极1接触，并且该n型金属氧化物半导体层2的另一个表面与充电层3接触。

[0057] 第二电极层7例如是正电极层，并且包括第二电极5和p型金属氧化物半导体层4。p型金属氧化物半导体层4设置在第二电极5和充电层3之间。因此，p型金属氧化物半导体层4的一个表面与充电层3接触，并且该p型金属氧化物半导体层4的另一个表面与第二电极5接触。形成p型金属氧化物半导体层4以防止将电子从第二电极5注入到充电层3中。

[0058] 第一电极1和第二电极5中的每一个可以由导电材料形成。金属电极的示例包括含有铝(Al)的银(Ag)合金膜。二氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)用作n型金属氧化物半导体层2的材料。

[0059] 当绝缘材料没有完全覆盖充电层3中的n型金属氧化物半导体层时，n型金属氧化物半导体可以与第一电极层6接触。在这种情况下，可以通过重新耦合直接将电子注入到n型金属氧化物半导体中。形成n型金属氧化物半导体层2以防止将电子从第一电极层6注入到充电层3中。如图1所示，n型金属氧化物半导体层2设置在第一电极1和充电层3之间。可以省略n型金属氧化物半导体层2。形成p型金属氧化物半导体层4以防止将电子从上部第二电极5注入到充电层3中。可以使用氧化镍(NiO)、铜铝氧化物(CuAlO2)等作为p型金属氧化物半导体层4的材料。

[0060] 尽管上面已经描述了具有形成有第一电极1和n型金属氧化物半导体层2的双层结构的第一电极层6，但是第一电极层6的结构不限于双层结构。例如，第一电极层6可以具有仅形成有第一电极1的单层结构。类似地，第二电极层7的结构不限于其中形成有p型金属氧化物半导体层4和第二电极5的双层结构。第二电极层7可以具有例如仅形成有第二电极5的单层结构。换句话说，第一电极层6和第二电极层7可以仅由金属电极构成。

[0061] (B)电子泄漏现象

[0062] 已经考虑到，在如图1和图2所示的量子电池中，在充电期间，电子仅在夹在第一电极层6和第二电极层7之间的充电层3中积聚。也就是说，已经考虑到电子仅在第二电极层7正下方的充电层3的区域中积聚。然而，作为本申请发明人的实验的结果，观察到的现象是，当电子填充在第二电极层7正下方的区域中时，电子也扩散到第二电极层7正下方的区域之外的区域。也就是说，已经证明电子也扩散到第二电极层7正下方的区域的之外的区域，并在其中积聚。

[0063] 下面将描述由本发明的发明人发现的电子泄漏现象。为了发现电子泄漏现象，使用了如图3所示的量子电池10。图3是示意性地示出充电层3上的第二电极层7的图案形状的XY平面图。

[0064] 参考图3，矩形图案的第二电极层7布置成阵列。具体而言，多个第二电极层7沿X方向和Y方向进行布置。未形成第二电极层7的区域布置在第二电极层7的相邻矩形图案之间。假设大致上在充电层3的整个表面上形成第一电极层6(图3中未示出)。

[0065] 此处将施加有充电电压的第二电极层7的图案称为图案7a。换句话说，除了图案7a以外，各图案不施加充电电压。测量在图案7a充电期间和在自然放电期间各个图案的电压。

[0066] 当图案7a进行充电时，图案7a附近的图案7b被充以电压。具体地说，基于在充电层3中积聚的电子，在没有施加充电电压的图案7b中也产生电压。在图案7a的充电停止之后，图案7a的电压由于自然放电而下降，而图案7b的电压增加。由于该实验的结果，发现了电子从充电区域扩散到充电区域附近的区域。

[0067] 图4至图7是用于解释量子电池10中的电子泄漏现象的模型图。参见图4至图7，在充电层3的整个表面上形成第一电极层6，在部分充电层3上形成第二电极层7。在这种情况下，将第一电极层6和第二电极层7通过充电层3而彼此重叠的区域称为重叠区域18，将第一电极层6和第二电极层7彼此不重叠的区域称为非重叠区域19。

[0068] 首先，如图4所示，为了给量子电池10充电，将电源31连接到第一电极层6和第二电极层7中的每一个，从而产生充电电压。在第一电极层6和第二电极层7之间产生的充电电压被施加到充电层3。在量子电池10的充电期间，电子(图中由“e”表示)开始积聚在第二电极层7正下方的区域中。具体而言，电子逐渐积聚在重叠区域18中。当重叠区域18充分地填充了电子时，电子开始进入第二电极层7正下方的区域之外的区域，如图5所示。也就是说，电子从重叠区域18扩散到非重叠区域19。

[0069] 之后，如图6所示，电子扩散到充电层3中直到电势变得恒定。换句话说，充电层3中的电子密度变得均匀。因此，重叠区域18中的电子密度与非重叠区域19中的电子密度基本相同。在放电期间，如图7所示，首先，逐渐释放第二电极层7正下方区域中的电子，然后逐渐释放第二电极层7正下方区域之外的区域中的电子。也就是说，在开始放电之后，重叠区域18中的电子密度变得比非重叠区域19中的电子密度低。

[0070] 由于已经考虑到电子仅在第二电极层7正下方的区域中积聚，所以大致在充电层3的整个表面上形成第一电极层6和第二电极层7的平行板型结构被用作量子电池的结构。然而，使用电子泄漏现象可以在局部形成电极层。这是因为只要在局部形成电极层之后充电层3的体积没有变化，就可以获得相同的功率容量。换句话说，当电池充分地进行了充电时，非重叠区域19中的电子密度与重叠区域18中的电子密度基本相同。因此，即使在不使用平行板型结构的情况下形成第一电极层6和第二电极层7，也可以维持电池的基本性能。因此，第一电极层6和第二电极层7的布局的自由度增加，这可以添加新的功能。

[0071] (C)电极层的布局

[0072] 如上所述，已经观察到的现象是，在充电期间，电子从电极的重叠区域扩散到电极的非重叠区域。这种泄漏现象的使用增加了电极层在形状和布局上的自由度，并且使电池的设计能够具有新的功能。

[0073] 例如，在第一电极层6和第二电极层7通过充电层3彼此重叠的重叠区域18中，响应速度高，而在第一电极层6和第二电极层7彼此不重叠的非重叠区域19中，响应速度低。因此，可以通过调节重叠区域18和非重叠区域19的面积来调节放电特性。这将参照图8至图11进行描述。

[0074] 图8是示意性示出量子电池10的结构的透视图。图9是图8所示的量子电池10的截面图。图10是示意性地示出由图9的虚线所表示的部分的图。图11是示意性地示出相对于第二电极层7的图案宽度W和图案之间的距离L的放电特性的曲线图。在图11中，横轴表示时间，纵轴表示输出功率。

[0075] 下面考虑分别如图8和图9所示的第二电极层7均形成为带状的量子电池1。参见图8和图9，在Y方向是纵向的情况下，第二电极层7的图案17均形成为矩形形状。多个图案17沿X方向并排布置。一个图案17在X方向上的宽度用W表示，并且相邻图案17之间的距离由L表示。在充电层3的整个下表面上形成第一电极层6。由于X方向和Y方向的宽高比非常大，所以在下面的描述中忽略Z方向。

[0076] 参照图8，在充电层3的表面(即XY平面)上，其中没有形成第二电极层7的区域被夹在形成有第二电极层的区域之间。此外，在X方向上，交替布置未形成第二电极层7的区域和形成有第二电极层7的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域的至少一部分设置在未形成第二电极层7的区域之间，并且在充电层3的表面上，未形成第二电极层7的区域的至少一部分设置在形成有第二电极层7的区域之间。

[0077] 如上所述，由于泄漏现象，电子也积聚在非重叠区域19中。因此，如图9的示意图所示，每个非重叠区域19均起到电池的功能。如以上参照图4至图7所述，在释放图案17的重叠区域18中的电子之后，释放非重叠区域19中的电子。因此，重叠区域18中的响应速度高，并且非重叠区域19中的响应速度低。如图10所示，在重叠区域18中存在具有低响应速度的电池B2，在非重叠区域19中存在具有低响应速度的电池B1和B3。换句话说，可以实现一种量子电池10，其中，具有高响应速度的电池B2和具有低响应速度的电池B1和B3放置在一起。响应速度可以通过调整图案宽度W和图案之间的距离L来改变。

[0078] 例如，当图案宽度W大并且图案之间的距离L小时，每个重叠区域18的面积大，并且每个非重叠区域19的面积小。在这种情况下，获得如图11中的A所示的放电特性，因此可以一次性获得大的功率。这些特性适用于例如驱动需要启动功率的马达。

[0079] 另一方面，当图案宽度W小并且图案之间的距离L大时，每个重叠区域18的面积小，并且每个非重叠区域19的面积大。在这种情况下，获得如图11中B所示的放电特性。输出功率小，并且以缓慢的速率逐渐对量子电池10进行放电。如果充电层3的面积没有变化，则不管图案宽度W和图案之间的距离L如何，功率容量都不会改变。即，在图11的A的情况下，相对于时间t对功率P进行积分而得到的值与图11的B的情况相同。因此，在图11的B的情况下，一次性抽取的功率是有限的，使得即使施加高负载时，电池也能够以恒定功率进行长时间的放电。这些特性适用于长时间使用的应用。

[0080] 如上所述，可以通过调整电极层的形状、尺寸和布局来调整充电和放电特性。随着重叠区域18的面积的增加，可以增加响应速度。电极层的布局变成在充电层3上局部形成电极层的局部电极结构，从而可以使充电和放电特性最优化。

[0081] 当采用局部电极结构时，具有高响应速度的电池和具有低响应速度的电池布置在一起。因此，该结构可以应对在自然能源发电的情况下发生极大变化的电源。例如，在通过例如光伏发电、风力发电或潮汐发电所获得的可再生能量对电池进行充电的情况下，电荷输入的变化较大。与具有低响应速度的锂离子电池等相比，根据本实施例的量子电池可以以小的损失高效地充电。

[0082] 图12示出了使用可变电源时的充电特性。在图12中，横轴表示时间，纵轴表示功率。在图12中，A表示电荷输入；B表示根据本实施例的量子电池10的充电功率；以及C表示作为比较示例的锂离子电池的充电功率。

[0083] 如图12所示，当电荷输入A变化时，量子电池10相对于电荷输入的响应速度低于锂离子电池的响应速度。具体而言，由于具有局部形成的电极层的结构的量子电池包括具有高响应速度的电池，因此充电功率B根据电荷输入的变化而变化。因此，当电荷输入A变化时，量子电池10的充电功率B高于锂离子电池的充电功率C。

[0084] 以这种方式，根据本实施例的量子电池10可以保持充电特性。此外，量子电池10形成为片状且进行堆叠，由此实现了对体积的有效改进并降低了成本。

[0085] (D)电极层的布局

[0086] (D-1)第一布局示例

[0087] 接下来，将参照图13至图15对电极层的第一布局示例进行描述。图13是示出根据第一布局示例的量子电池10的结构的透视图。图14是示意性地示出量子电池10的图案的布局的平面图。图15是示意性地示出图案的布局的截面图。在第一布局示例中，第一电极层6的图案16和第二电极层7的图案17被布置为彼此相交。即，图案16和图案17形成为交叉网状结构。

[0088] 具体而言，在以X方向为纵向的情况下，第一电极层6的图案16是矩形图案。多个图案16沿Y方向并排布置。另一方面，在Y方向为纵向的情况下，第二电极层7的图案17是矩形图案。多个图案17沿X方向并排布置。在充电层3的上表面上形成图案17，并且在充电层3的下表面上形成图案16。在充电层3的表面上，第二电极层7布置在未形成第二电极层7的区域的两侧。

[0089] 换句话说，在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域被夹在未形成第二电极层7的区域之间。此外，在X方向上，交替布置未形成第二电极层7的区域和形成有第二电极层7的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域的至少一部分设置在未形成第二电极层7的区域之间，并且在充电层3的表面上，未形成有第二电极层7的区域的至少一部分设置在形成有第二电极层7的区域之间。

[0090] 在充电层3的表面上，形成有第一电极层6的区域被夹在未形成第一电极层6的区域之间。在Y方向上，交替布置未形成第一电极层6的区域和形成有第一电极层6的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成有第一电极层6的区域的至少一部分设置在未形成第一电极层6的区域之间，并且在充电层3的表面上，未形成第一电极层6的区域的至少一部分设置在形成有第一电极层6的区域之间。

[0091] 在XY平面图中，图案16和图案17彼此相交的区域对应于重叠区域18。重叠区域18以外的区域对应于非重叠区域19。重叠区域18被非重叠区域19包围。非重叠区域19包括仅形成有图案17的区域；仅形成有图案16的区域；以及既不形成图案16也不形成图案17的区域。

[0092] 相邻重叠区域18之间的区域对应于非重叠区域19。更具体地，位于在X方向上从重叠区域18偏移的位置处的区域是存在图案16但不存在图案17的非重叠区域19。位于在Y方向上从重叠区域18偏移的位置处的区域是不存在图案16但存在图案17的非重叠区域19。因此，在XY平面图中，交替布置图案16和图案17彼此重叠的重叠区域18和图案16和图案17彼此不重叠的非重叠区域19。

[0093] 在充电期间，电子开始积聚在重叠区域18中，然后电子分散到非重叠区域19中，如图14中的箭头所示。在第一布局示例中，电极层形成为交叉网状结构，因此来自重叠区域18的电子的分散是均匀的。换句话说，电子从重叠区域18进行均匀分散。在放电期间，电子以相同的方式均匀地放电。

[0094] (D-2)第二布局示例

[0095] 将参照图16至图18对电极层的第二布局示例进行描述。图16是示出根据第二布局示例的量子电池10的结构的透视图。图17是示意性地示出第二布局示例的图案布局的平面图。图18是示意性示出量子电池10的第二布局示例的截面图。在第二布局示例中，第一电极层6的图案16和第二电极层7的图案17被布置为重叠彼此。

[0096] 在第二布局示例中，第一电极层6的图案16和第二电极层7的图案17被平行设置并且被布置成彼此重叠。具体而言，在XY平面示图中，图案16中相应的一个图案和图案17中相应一个图案具有在相同位置处彼此相向的面对面结构。在充电层3的表面上，第二电极层7布置在未形成第二电极层7的区域的两侧。在X方向上，交替布置重叠区域18和非重叠区域19。

[0097] 在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域被夹在未形成第二电极层7的区域之间。在X方向上，交替布置未形成第二电极层7的区域和形成有第二电极层7的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域的至少一部分设置在未形成第二电极层7的区域之间，并且在充电层3的表面上，未形成第二电极层7的区域的至少一部分设置在形成有第二电极层7的区域之间。

[0098] 在充电层3的表面上，形成有第一电极层6的区域被夹在未形成第一电极层6的区域之间。在X方向上，交替布置未形成第一电极层6的区域和形成有第一电极层6的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成有第一电极层6的区域的至少一部分设置在未形成第一电极层6的区域之间，并且在充电层3的表面上，未形成第一电极层6的区域的至少一部分设置在形成有第一电极层6的区域之间。

[0099] 在第二布局示例中，在Y方向是纵向的情况下，图案16和图案17是矩形图案。图案16和图案17中的每一个均具有相同的尺寸。在XY平面中，图案16中相应的一个和图案17中相应的一个被布置在相同的位置处。因此，每个图案16位于相应图案17的正下方。换句话说，每个图案16的整个面积与重叠区域18的面积相匹配。因此，假定第一布局示例的图案16和17的图案面积与第二布局示例中的图案面积相同，第二布局示例中的重叠区域18的面积大于第一布局示例中的重叠区域18的面积。

[0100] 由于重叠区域18的面积大，所以电极层之间的区域中的电子的积聚速率较高。另一方面，由于非重叠区域19中不存在图案16或图案17，所以电子的分散速率低。具体而言，电子从重叠区域18向非重叠区域19的扩散速率低。

[0101] (D-3)第三布局示例

[0102] 将参照图19至图21对电极层的第三布局示例进行描述。图19是示出根据第三布局示例的量子电池10的结构的透视图。图20是示意性地示出量子电池10的第三布局示例的平面图。图21是示意性示出量子电池10的第三布局示例的截面图。

[0103] 在第三布局示例中，第一电极层6的图案16和第二电极层7的图案17被平行设置并且被布置成彼此不重叠。即，在XY平面示图中，图案16和图案17具有交替布置的交错结构。在充电层3的表面上，第二电极层7设置在未形成第二电极层7的区域的两侧。

[0104] 换句话说，在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域被夹在未形成第二电极层7的区域之间。此外，在X方向上，交替布置未形成第二电极层7的区域和形成有第二电极层7的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成有第二电极层7的区域的至少一部分设置在未形成第二电极层7的区域之间，并且在充电层3的表面上，未形成第二电极层7的区域的至少一部分设置在形成有第二电极层的区域之间。

[0105] 在充电层3的表面上，形成有第一电极层6的区域被夹在未形成第一电极层6的区域之间。在X方向上，交替布置未形成第一电极层6的区域和形成第一电极层6的区域。换句话说，在充电层3的表面上，形成第一电极层6的区域的至少一部分设置在未形成第一电极层6的区域之间，并且在充电层3的表面上，形成有第一电极层6的区域的至少一部分设置在形成有第一电极层6的区域之间。

[0106] 在第三布局示例中，在Y方向是纵向的情况下，图案16和图案17是矩形图案。图案16和图案17的每一个均具有相同的尺寸。在XY平面中，图案16和图案17交替布置。在XY平面图中，每个图案17设置在两个相邻的图案16之间。换句话说，图案16和图案17沿X方向交替布置。

[0107] 因此，图案16不位于相应图案17的正下方。换句话说，每个图案16的整个面积不与每个图案17的面积重叠。在第三布局示例中，不存在重叠区域18。

[0108] 不存在重叠区域18，并且仅存在非重叠区域19。因此，在第三布局示例中，电子在充电期间逐渐积聚，并且电子在放电期间逐渐释放。

[0109] 以这种方式，电极层的图案16和17的形状、尺寸和布局的自由度增加，由此可以获得期望的充电和放电特性。更具体地，通过调整图案16和17的形状、尺寸、布局等，可以将重叠区域18和非重叠区域19之间的面积比设置为期望的值。因此，设计图案以便可以获得适当的充电和放电特性。当然，图案16和17的布局不限于第一至第三布局示例。

[0110] 请注意，第一至第三布局示例的结构可以组合在一起。例如，各自具有带状的图案16和17可以平行地形成，并且每个图案16仅有一部分可以与相应的图案17重叠。具体地，可以使图案17偏移相应图案16的半个间距来形成图案17。或者，也可以在充电层3上形成X方向为纵向的图案16和Y方向为纵向的图案17。

[0111] 在第一至第三布局示例中，未形成电极层的区域和形成有电极层的区域沿X方向或Y方向交替布置。然而，交替布置区域的方向没有特别的限制。即，只需要在充电层3的表面上沿任意方向交替布置形成有电极层的区域和未形成电极层的区域。

[0112] 只要在充电层3上局部形成第一电极层6和第二电极层7中的一个，则大致可以在充电层3的整个表面上形成第一电极层6和第二电极层7中的另一个。

[0113] 此外，在充电期间使用的图案16和17可以不同于在放电期间要使用的图案16和17。例如，在充电期间，充电电压被施加到图案16和17的整个面积。这样允许进行快速充电。
另一方面，在放电期间，多个图案16中仅有一些图案16连接到负载等。结果，一次性抽取的功率是有限的，并且电池可以长时间进行放电。

[0114] 因此，在该实施例中，第一电极层6和第二电极层7中的至少一个包括以彼此分离的形式形成的多个电极层图案。在充电期间，将充电电压提供给多个电极层图案中的每一个，并且在放电期间，将负载连接到多个电极层图案中的一些电极层图案。使用这样的充电和放电方法可以适当地控制充电和放电。

[0115] 以这种方式，通过将电极层分成多个图案来形成电极层，使得充电期间重叠区域18的面积可以与放电期间重叠区域18的面积不同。例如，放电期间重叠区域18的面积可以被设置为小于充电期间重叠区域18的面积。或者，放电期间重叠区域18的面积可以设定为大于充电期间重叠区域18的面积。第一电极层6或第二电极层7被分成多个图案，从而可以获得期望的充电和放电特性。

[0116] 在第一到第三布局示例中，第一电极层6被分成多个图案16，并且第二电极层7被分成多个图案17。但是，电极层中的一个可以具有集成图案。例如，大致可以在充电层3的整个面积上形成第一电极层6或第二电极层7。或者，第一电极层6或电极层7可以形成有预定形状的集成图案，使得在充电层3上局部形成第一电极层6或电极层7。仅需要将第一电极层6和第二电极层7中的至少一个分成多个图案。利用该结构，可以使充电期间重叠区域18的面积与放电期间重叠区域18的面积不同。换句话说，充电期间重叠区域18与非重叠区域19之间的面积比可以设定为不同于放电期间重叠区域18与非重叠区域19之间的面积比。因此，充电和放电特性可以被优化。

[0117] (E)再生系统的应用

[0118] 如上所述，量子电池10具有能够应对由可变电源进行充电的充电特性。此外，量子电池10具有能够一次性获得大启动功率的放电特性。具有充电和放电特性的组合的量子电池10可以应用于如图22所示的再生系统。

[0119] 在图22所示的再生系统中，作为电源的马达32与作为马达32的电源的量子电池10相互连接。马达32利用从量子电池10供给的功率来运行。量子电池10利用马达32减速时产生的动能(再生能量)进行充电。

[0120] 图23示出了再生系统中的充电功率。如图23所示，充电功率在再生系统中不是恒定的，而是变化的。例如，只有当马达32减速时才产生再生能量。即使在这样的情况下，也能够使用量子电池10高效地进行充电。

[0121] 图24示出再生系统中的马达32启动时的放电功率。在马达32启动时，需要较大的启动功率。同样在这种情况下，量子电池10可以一次性释放大功率。这使得能够快速地启动马达32。

[0122] 尽管以上已经描述了本发明的实施例，但是只要不损害本发明的目的和有利效果，本发明就包括适当的修改。此外，本发明不受上述实施例的限制。

[0123] 本申请基于2015年7月2日提交的申请号为2015-133351的日本专利申请进行的并对其要求优先权，其公开内容通过引用的方式全部并入本申请。

[0124] 附图标号列表

[0125] 1  第一电极

[0126] 2  N型金属氧化物半导体层

[0127] 3  充电层

[0128] 4  P型金属氧化物半导体层

[0129] 5  第二电极

[0130] 6  第一电极层

[0131] 7  第二电极层

[0132] 10 量子电池

[0133] 16 图案

[0134] 17 图案

[0135] 18 重叠区域

[0136] 19 非重叠区域

[0137] 31 电源

[0138] 32 马达