用于产生电的方法和装置及该装置制造方法

专利名称：用于产生电的方法和装置及该装置制造方法
用于产生电的方法和装置及该装置制造方法相关申请本申请要求以下专利的优先权2009年8月27日提交的国际专利申请No. PCT/ IL2009/00083U2010年3月3日提交的美国申请No. 61/310，188和2010年3月4日提交的美国申请No. 61/310，313。所有以上文献的内容通过引用全部结合于此，等同于记载在本文中。技术领域和
背景技术：
在本发明的一些实施方式中，本发明涉及能量转换，更特别地但是并非唯一地，涉及一种用于产生电的装置和方法。一些实施方式涉及一种适于制造可包含在用于产生电的装置中的结构的方法。能量转换系统接收一种形式的能量并将其转换成另一种形式的能量。在许多情况中，机械能(例如从热力发动机、水力或风力而产生的)驱动涡轮机的旋转，从而产生电。在其他情况中，在转换过程中不包括运动机件，例如，在固态电发生器中。但是，闭路电化学电池(通常称作电池)是这种电发生器的一个实例，其通常用于储存而不是有目的地产生电， 原因在于，包含于电池中的化学反应物的量会限制其产生电。开路电化学电池(例如可充电的燃料电池(例如，在产生待转换的化学能的氧化反应中用氢作为核心反应物))更可能用于一般的电产生。闭路和开路装置都具有这样的原理在电极和电解液之间，或在电解液内，发生不可逆的化学反应，通常产生装置的零件的化学降解，例如，电极的腐蚀，或燃料的消耗。其他能量转换系统包括热电、热离子和热隧道装置，其中，将热能转换成电。这些装置通常依赖于冷热表面之间的高温梯度和/或依赖于高工作温度。在大多数情况中，表面处于真空中，以确保保持驱动产生电的热梯度。然而，在一些这样的装置中，可用诸如铯蒸汽的气体来改变表面的特性并防止在电极附近形成空间电荷。

发明内容
本发明的一些实施方式涉及一种用于产生电的装置，其从气体分子的热运动中得到能量。在一些实施方式中，该装置包括气体介质和大量微粒，该大量微粒分布为形成在其中具有微粒间空隙的微粒结构。气体介质包括在空隙中进行热运动的气体分子。一些空隙与位于这些空隙侧面的微粒一起如下所述地用作活化电池(有源电池)。对于给定的这种活化电池，气体分子在位于空隙一侧的微粒的表面变得带电，并且通过热运动而越过空隙移动至位于空隙的相对侧的另一微粒的表面，并将净电荷转移至另一微粒。微粒结构的外侧可用作表面电极。可选地，将至少一个表面电极应用于微粒结构。可在使用前将气体介质引入微粒结构。或者，可在微粒间空隙中对微粒结构提供气体分子。固体表面将电荷转移至气体分子或从气体分子接收电荷的能力在这里被称作存在气体时的表面的“电荷可转移性”。下面进一步讨论术语“电荷可转移性”。
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装置内的活化电池的两个相对表面的电荷可转移性是不同的。本发明人已经发现了几种确保两个表面具有不同的转移电荷的能力的技术。优选地，对微粒进行原位的表面改性，从而，对于给定的活化电池，在该微粒间空隙的相对侧的基本彼此面对的微粒表面具有不同的电荷可转移性。考虑几种原位改性技术。通常，用大体沿着结构的厚度方向和/或与表面电极垂直地指向的电场来引起改性。电场用作在相对微粒表面之间提供电荷可转移性差异的对称断路器。可利用电动的电压源产生电场。或者，可通过在两个具有不同功函的电极之间插入微粒结构来产生电场，其中，利用功函的这种差异而产生所需电场。电场可使两个相对表面中的一个改性，或者其可以不对称的方式使两个相对表面都改性。表面改性可存在于液体或气体中，并且其可在升高或不升高的温度下执行，如在下文中进一步详细描述的。所考虑的表面改性处理的代表性实例包括，但不限于，化学改性、吸附、电镀、涂布和表面极化或定向。可通过电处理、热处理、电化学处理或电热处理及其任何组合来实现这些改性。根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种制造微粒结构的方法，该微粒结构用于在利用兼容气体(compatible gas，可相容气体)在微粒之间转移电荷的电发生器中使用。该方法包括由大量微粒形成一结构，其中，该结构在至少一部分微粒的第一和第二相对表面之间包含空隙；并使相对表面的至少一部分改性，从而，结合兼容气体，第一相对表面的电荷可转移性与第二相对表面的电荷可转移性不同。根据本发明的一些实施方式，在微粒处于干燥形式的同时在第一表面电极和第二表面电极之间执行所述形成步骤。根据本发明的一些实施方式，在支撑组件内执行所述形成步骤。根据本发明的一些实施方式，在微粒处于浆料中的同时执行所述形成步骤。根据本发明的一些实施方式，通过涂布、铸造、模制、对浆料施加机械压力、线材涂布、喷涂、旋涂、浆料挤出及其组合来实现所述形成步骤。根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括对结构应用至少一个表面电极。根据本发明的一些实施方式，所述改性包括在液体中执行的电化学改性。根据本发明的一些实施方式，液体包括极性溶剂。根据本发明的一些实施方式，液体包括非极性溶剂。根据本发明的一些实施方式，液体包括选自包含以下的组中的溶剂苯、氯仿、二甲亚砜、乙醇、己烷、十二烷、异烷烃、异丙醇、甲醇、水、以及它们的组合。根据本发明的一些实施方式，液体进一步包括从以下组成的组中选择的一种或多种电活性物质盐、染料、氧化物、单体和表面活性剂。根据本发明的一些实施方式，电活性物质选自包括以下的组乙酸铯、硫酸锰、氯化镍、硝酸镍、稀土新癸酸盐和柯赫酸盐(versatate salts)、2_乙基己酸铈、丙酸锰和新癸酸锰、2-乙基己酸钕、硼酸新癸酸钴络合物(cobalt borate neodecanate) ；Basonyl blau 636、Flexo Black、甲基紫2B ；异丙氧化钛、甲醇镁、氧化镍；吡咯；(双(十三基)磺基琥珀酸)2钡和磺基琥珀酸二辛基钠(琥珀酸二辛基磺酸钠)；以及它们的组合。根据本发明的一些实施方式，改性包括在气体环境中执行的电化学改性。根据本发明的一些实施方式，气体环境是选自包括以下的组中的一种或多种气体还原气体、氧化气体和卤化气体。根据本发明的一些实施方式，该气体选自包括以下的组二氧化氮、三氟化氮和氯化氢。根据本发明的一些实施方式，所述改性包括电热改性。根据本发明的一些实施方式，在存在基本垂直于相对表面的电场时执行改性，该电场由外部电源产生。根据本发明的一些实施方式，该方法包括对结构应用具有不同功函的表面电极， 其中，通过利用功函差异而产生的电场而至少部分地执行微粒表面的改性。根据本发明的一些实施方式，该方法包括在改性前对结构的至少一部分进行干燥或从中排出流体。根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括在改性后对结构的至少一部分进行干燥或从中排出流体。根据本发明的一些实施方式，通过对基片施加微粒浆料来形成该结构，然后在干燥或排出后从基片去除该结构。根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种通过如上所述或在下面进一步详细描述或举例说明的方法制造的微粒结构。根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种微粒结构，用于电发生器装置，所述电发生器装置利用兼容气体在微粒之间转移电荷以将热能转换成电。该微粒结构包括大量微粒和空隙，空隙在至少一部分微粒的第一和第二相对表面之间；其中，结合气体，第一相对表面的至少一部分的电荷可转移性与第二相对表面的至少一部分的电荷可转移性不同，使得相应的第一活性表面用来将电荷转移至与其相互作用的气体分子，并且相应的第二活性表面用来从与其相互作用的气体分子接收电荷，产生了相对微粒之间的电荷转移以及从微粒结构的一侧到其相对侧的净电荷转移。根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种用于将热能转换成电的电发生器装置。该装置包括如上所述或在下面描述或举例说明的微粒结构，以及在空隙的至少一部分中具有气体分子的气体介质。根据本发明的一些实施方式，对于一部分微粒中的每个微粒，微粒的所有表面的电荷可转移性基本是相同的。根据本发明的一些实施方式，第一相对表面和第二相对表面具有基本上相同的化学组成。根据本发明的一些实施方式，微粒结构或装置进一步包括第一电极和第二电极， 其设置成使得微粒结构在电极之间，其中，第一电极和第二电极具有相同材料的工作表面。根据本发明的一些实施方式，微粒结构或装置进一步包括第一电极和第二电极， 其设置成使得微粒结构在电极之间，其中，第一电极和第二电极的工作表面的材料的特征在于具有不同功函。根据本发明的一些实施方式，对于微粒表面的至少一部分，第一相对表面上的分子、原子或离子的类型的浓度与第二相对表面上的分子、原子或离子的类型的浓度不同。根据本发明的一些实施方式，微粒形成自支撑结构。根据本发明的一些实施方式，微粒是粉末形式并包含在支撑结构中。
根据本发明的一些实施方式，当没有外部施加的电压时，存在从微粒结构的一侧到其相对侧的净电荷转移。根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种对电激活系统供电的方法。 该方法包括将电激活系统与电发生器装置连接。根据本发明的一些实施方式，微粒是无孔的。根据本发明的一些实施方式，微粒是多孔的。根据本发明的一些实施方式，微粒是可膨胀的。根据本发明的一些实施方式，微粒是不可膨胀的(非膨胀的)。根据本发明的一些实施方式，微粒是涂覆的。根据本发明的一些实施方式，微粒是未涂覆的。根据本发明的一些实施方式，微粒具有小于1 μ m的平均厚度。根据本发明的一些实施方式，微粒的最长尺寸小于1mm。根据本发明的一些实施方式，用隔离物保持微粒之间的空隙。根据本发明的一些实施方式，用向外突出的粗糙特征保持微粒之间的空隙。根据本发明的一些实施方式，微粒基本是小片状的。根据本发明的一些实施方式，将微粒沿通常一致的方向分布。根据本发明的一些实施方式，微粒由选自包括以下的组的材料制成金属、半金属、合金、纯的(本征的)或掺杂的、无机的或有机的、半导体、介电材料、纯的(本征的)或掺杂的聚合物、导电聚合物、分层材料、陶瓷、氧化物、金属氧化物、盐、冠醚、有机分子、季铵化合物、金属陶瓷、玻璃和硅酸盐化合物、以及它们的任何组合。根据本发明的一些实施方式，微粒由选自包括以下的组的材料制成玻璃、蛭石、 片状脱落蛭石、膨胀蛭石、珍珠岩、金云母、石墨烯、石墨、石墨氧化物、还原的石墨氧化物、 铝和涂有硅石的铝。根据本发明的一些实施方式，将该结构封闭在被构造为包含兼容气体介质的封装物中。根据本发明的一些实施方式，所述气体介质选自包括以下的组空气、氩气、氯气、 二乙胺、氦气、氯化氢、氪气、甲烷、氖气、氮气、二氧化氮、三氟化氮、八氟丙烷、二氧化硫、六氟化硫、硫酰氟、四氟甲烷、水蒸汽、氙气、以及它们的组合。除非另外定义，否则这里使用的所有技术和/或科学术语具有本发明所属领域中的一名普通技术人员通常理解的相同含义。虽然在本发明的实施方式的实践或测试中可使用与这里描述的那些方法和材料相似或等同的方法和材料，但是下面描述了典型的方法和 /或材料。另外，材料、方法和实例仅是说明性的，并非旨在是限制性的。


这里参考附图和图像仅通过实例描述了本发明的一些实施方式。现在详细具体地参考附图，强调的是，通过实例示出细节并且是为了说明性地讨论本发明的所公开的实施方式的目的。在这点上，结合附图的描述使得本领域的技术人员了解如何实践本发明的实施方式。在图中图1是根据本发明的各种示例性实施方式的用于产生电的电池的示意图。图2A至图2E是根据本发明的各种示例性实施方式的包括用于将热能直接转换成电的微粒结构的装置的示意图。图3A是根据本发明的一些实施方式的用于制造微粒结构的方法的流程图。图;3B至图3C是根据本发明的一些实施方式的在存在电场时的表面改性处理的示意图。图4是根据本发明的一些实施方式的用于从浆料制造微粒结构的方法的流程图。图5是根据本发明的一些实施方式的用于从粉末制造微粒结构的方法的流程图。图6A至图6C是根据本发明的一些实施方式的适于挤压支撑组件中的粉末的处理的示意图。图7是根据本发明的一些实施方式的用于测量由微粒结构产生的电流的实验装置的示意图。图8示出了对于根据本发明的一些实施方式执行的实验的过程中的几个温度所测量的电流(作为时间的函数)。图9示出了对于由根据本发明的一些实施方式的各种方法激活的几个结构所测量的电流(作为温度的函数)。图10示出了在各种温度下对根据本发明的一些实施方式的几个结构所测量的电流(作为开路电压的函数)。图11示出了对根据本发明的一些实施方式执行的实验的过程中的结构的两个方向所测量的电流(作为时间的函数)。图12A至图121示出了根据本发明的一些实施方式制备的微粒结构的横截面和顶视图的显微照片。
具体实施例方式在其一些实施方式中，本发明涉及能量转换，更特别地但是并非唯一地，涉及一种用于生成电的微粒结构、装置和方法。一些实施方式涉及一种适于制造可包含在用于产生电的装置中的微粒结构的方法。将理解，并非必须将本发明的应用限制于在以下描述中阐述和/或在附图和/或实例中示出的部件的结构和布置方式和/或方法的细节。本发明能够是其他实施方式或以各种方式实践或执行。此外，虽然发明人认为对各种实施方式的操作给出的理论解释是正确的，但是所述和所要求的设备和方法并不取决于所述理论。各种实施方式并非必须是相互排斥的，因为可将一些实施方式与一个或多个其他实施方式组合以形成新的实施方式。 为了清楚起见，在一些图中，某些元件是不成比例地示出的。并不将这些图认为是设计说明书。现在参考附图，图1示出了根据本发明的各种示例性实施方式的用于生成电的电池(cell)装置10。可将电池装置10包含在微粒结构中(见图2A至图2E)。电池装置10 包括一对隔开的表面12和14，并可在表面12和14之间容纳兼容气体介质16。表面之间的空间在这里称作空隙或间隙。表面12和14分别是基片32和34的一部分或由其支撑。 气体分子18 (也表示为罗马数字I至VI)将电荷从第一表面12传送至第二表面14。气体分子的运动由其热能引起并由气体的温度决定。气体的温度由热能22保持，并由储热器20 供应，如在下面进一步详细描述的。
在图1的示意图中，在与表面12相互作用的过程中，中性或带电的气体分子I从表面12接收至少一个负电荷，产生了分子II，其在与其相互作用后离开表面12。当带电或中性的气体分子III到达表面14并与其相互作用时，表面14从分子接收至少一个负电荷， 产生了分子IV，其在与其相互作用后离开表面14。离开的分子II本质上与进入的分子I相同，除了其电荷以外。类似地，离开的分子IV本质上与进入的分子III相同，除了其电荷以夕卜。当气体分子Π越过表面12和14之间的间隙并在两个表面之间转移电荷时，II和III 代表相同的气体分子，包括电荷。当分子IV越过间隙并在两个表面之间转移电荷时，IV和 I可代表相同的气体分子，包括电荷。当任意两个中性或带电的气体分子V和VI在两个表面之间的间隙中碰撞时，分子可在其间转移电荷。分子V和VI可以和前述过程中的气体分子I相同的方式与表面12相互作用，或以与气体分子III相同的方式与表面14相互作用。离开表面的分子还可与间隙内的其他气体分子碰撞。例如，离开表面12的分子II可间接地越过间隙到达表面14，在其间与中间气体分子碰撞，如对分子V和VI描述的过程一样，其接着将负电荷转移至表面 14。因此，第一表面用作电荷供体表面，第二表面用作电荷受体表面。还可将此情况颠倒，第一表面用作电荷受体，第二表面用作电荷供体表面。如在这里使用的，术语“兼容气体”指的是具有便于通过在与这些分子与表面的相互作用的过程中获得或失去电荷而在两个表面之间转移电荷的分子的气体介质。在下文中，“气体分子”包括中性气体分子和具有负电荷或正电荷的气体离子。气体分子可经由两个表面之间的间隙中的气体分子之间的相互作用，而直接或间接地将净负电荷从表面12转移至表面14。在此电荷转移过程中，表面12变得带正电，表面 14变得带负电，从而在表面之间建立电势差。可通过将负载M (例如经由电触点26)与表面连接来利用此电势差。电流i从表面12通过负载流至表面14。因此，隔离的电池10可产生电流，可将多个这种电池包含在一个结构中，并最终包含在对电路、设备或其他负载供应电流的电源装置中。根据国际公开号W02010/023669A2的教导，分子和表面之间的相互作用可以是瞬时的，例如，经由弹性或非弹性碰撞过程，或是延时的，例如经由吸附-解吸过程，该专利的内容通过引用结合于此。如这里使用的，“吸附-解吸过程”或“吸附-解吸电荷转移过程”表示这样的过程分子首先由表面吸附足够长的时间，使得分子失去其大量动能，然后从表面解吸，其中， 分子在吸附前的净电荷与分子在解吸后的净电荷不同。在一些吸附-解吸过程中，分子和表面在吸附分子的时间间隔的过程中是热平衡的。在吸附时间的过程中，可将分子认为是表面的一部分。因此，在此时间间隔的过程中， 表面的电子波函数包括表面处所有分子的电子波函数，包括由表面吸附的那些。典型地，但是并非必须地，所吸附的分子在表面的最外分子层处。分子和表面之间的“瞬时过程”指的是这样的过程气体分子足够靠近表面以允许表面和分子之间的电荷转移，其中，该过程的时间间隔比在分子和表面之间达到热平衡所需的时间显著地短。一种类型的瞬时过程是碰撞。如果分子的电子波函数和表面的电子波函数之间至
10少存在部分的空间重叠，那么将气体分子和固体表面称为“相撞”。典型地，当气体分子的中心和固体表面的最外原子的中心之间的距离小于10埃，或小于5埃时(取决于用来实现电池的微粒表面材料和气体)，认为气体分子和固体表面相撞。当碰撞前的动能等于碰撞后的动能时，将碰撞称为是“弹性的”，当碰撞前的动能高于碰撞后的动能时，将碰撞称为是“非弹性的”。分子和表面之间的碰撞可以是弹性的或非弹性的。在任何以上情况中，普通技术人员将理解，该过程使表面12带正电并使表面14带负电，如图1所示。因此，根据本发明的一些优选实施方式，气体分子作为媒介实现从表面 12到表面14的负电荷转移和/或从表面14到表面12的正电荷转移。在本发明的各种示例性实施方式中，通过转移电子来促进从表面12到分子和从分子到表面14的电荷转移。因此，在这些实施方式中，分子从表面12接收电子并将电子转移至表面14。在本发明的各种示例性实施方式中，气体分子的动能仅归因于气体的温度。在这些实施方式中，不需要额外的机构(例如外部电压源)来保持气体分子的运动，这全部是因为热能的原因。此外，虽然气体与工作表面相互作用，但是与燃料电池不同，这种相互作用不包括不可逆的化学反应并且在过程中不消耗气体。当电池装置10达到稳定状态时，经过负载的电荷的量与通过气体分子转移至相应表面的电荷的量大致相同，并且，对于给定负载和温度，表面之间的电势差是大约恒定的。即使存在的话，表面之间的小温差在上述电荷转移机构中也不会起重要的作用。然而， 根据所有实施方式，并非必须排除温差的存在。电荷在表面12和14上的存在会产生对从一个表面向另一个表面传送电荷的分子造成势垒的电位。当在相应表面上回弹时，这本身表示为由表面12或14在带相反电荷的分子上施加的吸引力，并表示为在带相同电荷的分子上施加的排斥力。在热隔离条件中，由在表面之间回弹(并且，这样做时，克服势垒)的分子进行的电荷转移将连续减小气体分子的平均动能，导致气体介质冷却至气体分子的动能不再克服势垒的温度。然而，由于装置10与储热器20热连接，所以将热能22连续地供应至气体介质，从而补充气体分子的动能。储热器20可以是，例如，电池装置10在其中工作的环境(例如自然环境)，并可通过传导、对流和/或辐射将热能供应至电池装置10，接着转移至气体介质。一旦表面之间的电势差达到稳定状态，便由于已在表面上累积电荷后建立的电场而可抑制电荷转移。当将电池装置10与负载M连接时，从表面通过负载传导所累积的电荷，从而允许继续电荷转移的过程。由于流过负载的电流的原因，在负载处产生热量或其他有用功。因此，从储热器20转移至气体介质16的热能的至少一部分由负载M用来执行有用功。分子离开表面的方向取决于许多参数，诸如，分子的到达表面的速度(即速度和方向)和分子与表面之间的相互作用的类型(例如，参与碰撞的表面原子的数量、位置和方向)。一旦气体分子在特定方向上离开表面，则其移动一定距离，直到其与表面或另一气体分子碰撞并改变方向为止。气体分子的两次连续碰撞之间的平均距离称作平均自由路径， 并用希腊字母λ表示。λ的值取决于分子的直径、气压和温度。在本发明的各种示例性实施方式中，对于任何给定压力和气体组成，表面之间的间隙d足够小，以限制分子间碰撞的次数。此结构增加了有足够能量的分子在不与其他气体分子碰撞的情况下成功越过间隙的可能性。除了减少分子间碰撞的次数以外，足够小的间隙还减小了由带电分子和表面之间的相互作用产生的图像(image)电荷势垒，如在国际公开号W02010/023669A2中描述的，其内容通过引用结合于此。优选地，表面12和14之间的间隙d是装置10的工作温度和压力下的气体分子的平均自由路径的等级。例如，d可小于平均自由路径的10倍，更优选地小于平均自由路径的5倍，更优选地小于平均自由路径的2倍。例如，d可大约是平均自由路径或更小。表面 12和14之间的间隙d的典型的值小于或大约是lOOOnm，更优选地小于大约lOOnm，更优选地小于大约10nm，更优选地小于或大约是2nm。可以不止一种方式保持表面12和14之间的分离。在本发明的一些实施方式中， 在表面之间插入一个或多个不导电的隔离物28，以保持分离。隔离物在以下意义上是“不导电的”其防止大量电荷从一个表面流到基本面对的表面，从而使得能够在间隙上存在电势。根据间隙的大小d来选择隔离物观的大小。优选地，隔离物的尺寸是所需间隔。隔离物可以是，例如任何形状的纳米结构。在与表面基本上平行的平面中的隔离物的横截面面积优选地平均基本上比表面12和14的面积小或小一些(例如小10%或小20% )，以允许将表面充分有效地暴露于彼此。在本发明的一些实施方式中，通过这种表面的向外突出的粗糙特征来保持表面之间的分离(为了说明，见图2B，图2C和图2E)。当表面12和14中的至少一个由导电性差的材料制成时，这些实施方式特别有用。根据本发明的一些实施方式，表面之间的气体媒介的电荷转移出现在基本上低于 400°C，或低于200°C，或低于100°C，或低于50°C的温度下。然而，在一些实施方式中，气体媒介的电荷转移也出现在高于400°C的温度下。从本发明的范围并不排除在低于0°C的温度下的操作。虽然对于本实施方式的电池或装置的操作来说极端温度条件并不是必须的， 但是，能够是有效电荷输送体的高速气体分子的比例随着温度而增加。在本发明的各种示例性实施方式中，两个表面都处于低于30°C且高于15°C的温度下，例如在室温下(例如大约25°C)或在其附近。在本发明的一些实施方式中，两个表面都处于低于15°C且高于0°C的温度下，在本发明的一些实施方式中，两个表面都处于低于 0°C的温度下。在本发明的各种示例性实施方式中，两个表面在彼此的50°C内，或在10°C内，或在rc内。由于表面之间的电势差由用作从一个表面到另一个表面的电荷输送体的分子的热运动产生，所以不需要保持表面之间的温度梯度。因此，两个表面可基本上处于相同的温度。这与传统的热电转换器不同，在此热电转换器中，将发射电极保持在相对于集电极升高的温度下，并通过塞贝克效应来维持通过电负载的电子流。在这种传统的热电转换器中，没有用作电荷输送体的气体分子。相反，热电子从热发射电极直接流至冷集电极。表面12和14可具有任何形状。典型地，如图1和图2A至图2C所示，表面可以是基本平面的，但是也考虑非平面的结构(如图2D至图2E所示)。表面12和14可由不同材料制成，或可由具有改性表面的相同材料制成，以允许气体分子通过气体媒介电荷转移效应而在接触表面12的同时获得负电荷(例如通过获得电子)，和/或在接触表面14的同时获得正电荷(例如通过失去电子)。将本实施方式的气体媒介电荷转移归因于气体和/或表面的电荷可转移性。如这里结合表面而使用的，“电荷可转移性”表示表面将电荷转移至气体分子或从气体分子接收电荷的能力，并如这里结合气体分子而使用的，表示气体分子将电荷转移至表面或从表面接收电荷的能力。电荷可转移性描述了特定表面和特定气体分子之间的相互作用，并反映成相互作用导致电荷转移的可能性、电荷转移的程度以及电荷转移的极性。在本文中，将表面表示成当气体分子使表面带正电时具有正电荷可转移性，当气体分子使表面带负电时具有负电荷可转移性。例如，具有正电荷可转移性的表面是失去一个电子给气体分子的表面，使气体分子中性或形成分子-电子单元。具有负电荷可转移性的表面是从中性气体分子或分子-电子单元接收电子的表面。电荷可转移性取决于参与电荷转移的表面和气体的特性。电荷可转移性还可取决于气体的温度和/或压力，因为温度和压力影响了气体分子的动能以及许多材料特性，例如能隙、热膨胀、传导性、功函等。在数量上，可用能量单位表示电荷可转移性(表示为Θ)。 例如，可将正电荷可转移性定义为Θ =Esmin，其中，Esmin是从表面移动电子并将其附着至中性气体分子所需的最小能量，并可将负电荷可转移性定义为Θ =-E"min，其中，Esfmin是从中性气体分子移动电子并将其转移至表面所需的最小能量。应理解，当如上所定义地将θ以能量单位表示时，在一些情况中，其值并非必须与将电荷转移至中性分子所需的能量相同，因为当已经使分子和/或表面带电时也会出现电荷转移。因此，从气体分子移动电子并将其与表面结合所需的能量可高于或低于EMmin，从表面移动电子并将其附着至气体分子所需的能量可高于或低于Esmin，如现在将更详细地说明的。当气体分子带正电时，在分子和电子之间存在吸引的库伦力。因此，在从表面移动电子并将其附着至带正电的分子时所做的功可低于Esmin，因为分子倾向于这种附着。另一方面，在从带正电的分子移动电子并将其转移至表面时所做的功可高于EMmin，因为带正电的分子不倾向于使得电子从那里分离。当气体分子带负电时，情况相反。在从带负电的分子移动电子并将其转移至表面时所做的功可低于EMmin，特别是在电子松散地附着至分子的情况中。这是因为松散连接的电子的结合能低于中性分子的价电子的结合能。在从表面移动电子并将其附着至带负电的分子时所做的功可高于Esmin，这是由于电子和分子之间的排斥的库仑力的原因。Esmin和EMmin都取决于固体表面以及气体介质的性质。因此，表示给定固体表面和一种气体介质的相互作用的电荷可转移性并非必须与表示相同固体表面和另一种气体介质的相互作用的电荷可转移性相同。对于一些固体表面，使表面的电荷可转移性与表面的功函相互关联。然而，这两个量并不是相同的。而将表面的功函定义为从表面释放电子(通常释放至真空)所需的最小能量，电荷可转移性与移动电荷并将其附着至气体分子所需的能量相关，因此其取决于气体分子的特性以及表面的那些特性。
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应注意，在真空中具有一定功函的固体材料可能在有气体介质的情况中具有不同的表现，并可能在各种气体环境中显示出不同的接触电势差。在本说明书和权利要求中，术语“电荷可转移性”描述了特定固体表面在有特定气体介质存在且不是在真空中的情况中的状态。除了功函以外，表面的电荷可转移性还取决于其介电常数和气体分子接收或失去电荷的能力。气体介质的电子亲合势、电离势、负电性和正电性会影响气体分子接收或失去电荷的此能力，因此其也与电荷可转移性大致相关。一个众所周知的事实是气体分子可与表面交换电荷。1922年，K. H. Kingdon和 Irving Langmuir发现，铯原子与钨丝碰撞变得带正电(Proceedings of The 24th meeting of the American Physical Society,Cambridge,Massachusetts, 1922,page 381(美国物理学会第M届会议的会议记录，剑桥市，马萨诸塞州，1922，第381页))。可用各种方法来表现气体分子和表面之间的电荷转移的特征(由此表现电荷可转移性)。一种已知的方法是表面电离(Si)，其中，将与第一电极表面热平衡的所吸附的分子解除吸附成离子，并由第二电极收集以产生电流￠. . Zandberg and N. I. Ionov, "Surface Ionization", Israel program for scientific translations, Jerusalem, 1971 (E. Ya. Zandberg和N. I. Ionov, “表面电离”，以色列科技译文社，耶路撒冷，1971))。 第二种方法是过热表面电离(HSI)。在此方法中，分子在从第一表面分散并由第二表面收集以产生电流的同时高速电离(即具有超过平均热能的动能)(Albert Danon and Aviv Amirav, "Surface-Molecule electron transfer I2-Diamond scattering at l_12eV，，， Physical Review Letters, 61, 2961 (1988) (Albert Danon 禾口 Aviv Amirav，“表面-分子电子转移1至12eV下的I2-金刚石散射”，物理评论快报，61，四61 (1988)))。在SI和HSI方法中，在两个电极之间施加电压，以将离子从第一电极拉至第二电极。使在第二电极上测量的电流的幅值和方向与第一电极的材料和从那里解吸或散射的气体分子之间的电荷可转移性相关。在国际公开号W02010/023669A2的实例2中描述了另一种评估测试材料到特定气体的电荷可转移性的技术，该专利的内容通过引用结合于此。不管是直接测量电荷可转移性还是仅测量电荷可转移性的代表(proxy)(例如功函)，表示表面12和14与气体介质的相互作用的电荷可转移性或其代表的值都是不同的。在本发明的各种实施方式中，表示表面12与气体介质的相互作用的电荷可转移性是正的。典型地，但是并非必须地，表示表面14与气体介质的相互作用的电荷可转移性是负的。应理解，表面12的电荷可转移性足以是正的，因为当具有松散附着的电子的分子与表面14碰撞或由其吸附时，其具有将电子转移至表面14的不可忽略的可能性，即使对于中性分子来说表面14的电荷可转移性不是负的。可通过明智地选择气体介质和制成表面12与14(其可以是基片32和34的表面改性)的材料，来对每个表面实现适当的电荷可转移性。可在没有任何改性的情况下使用由适当材料制成的基片。或者，一旦选择基片，根据本发明的一些实施方式，便可使相应表面改性或涂布，以将电荷可转移性增强或减小至所需等级。表面改性可包括改变基片表面、对基片表面增加一种或多种材料、从表面去除一种或多种材料，或这些方式的组合。
改变基片表面可包括化学反应，包括但不限于氧化或还原，以及包括沉积或涂布的化学或物理吸附处理，如下面进一步详细描述的。对表面增加一种或多种材料可包括但不限于，涂布一层或多层，吸附一层或多层分子或原子等。在一些实施方式中，形成相应表面的材料直接涂布基片。在一些实施方式中，提供一个或多个内涂层，在基片和形成相应表面的材料之间插入。当改性包括增加材料时，基片的下层材料仍可是表面的一部分并参与电荷转移过程。从表面去除一种或多种材料包括但不限于，剥离技术、蚀刻等。任何这种表面改性在这里可称作表面激活或简单地称作激活。现在参考图2A至图2E，其是根据本发明的各种示例性实施方式的电源装置40的示意图。装置40包括多个电池10，每个电池10具有一对上述表面12和14和用于容纳表面之间的气体介质的间隙(为了说明，见图IA中的16)。通过气体媒介电荷转移效应，气体介质的分子将负电荷从表面12传送至表面14，和/或将正电荷从表面14传送至表面12， 如上面进一步详细描述的。在其中将电池10相互连接，以允许电流在相邻串联的电池之间流动。优选地，串联和并联地布置电池，与单一电池相比，串联布置提供增加的电压输出，并联布置提供增加的电流。此互连可从包括电池的微粒的表面的分层的、有序的或随机的分布和/或方向得到。如这里使用的，“串联电池”表示电池被布置成使得电流从一个电池流过相邻电池的电池。装置的总电压是沿着串联方向的电压的和，总电流由横向方向上的传送面积决定。在图2A至图2E所示的图中，装置40包括被分布为形成微粒结构的大量微粒44。 微粒44用作基片32和34 (图1所示)。如这里使用的，术语“大量”指的是范围从大于1000个个体到例如较大的无限数
量的微粒的数量。如这里使用的，术语“微粒”表示包括比电极小的微粒，其最长尺寸分别小于5mm， 优选地小于1mm，更优选地小于0. Imm,最优选地小于0. Olmm0在其厚度尺寸上，各个微粒可小于10 μ m,优选地小于lOOnm，更优选地小于lnm，最优选地小于或等于0. 3nm。这种微粒可具有任何形状，包括但不限于不规则的、球形的、球体的、细长的、平的、薄片状或小片状的。优选形状是平的(例如小片状的)，以在气体和微粒之间提供相对大的相互作用面积。 可使微粒彼此分离或可使其部分地连接(例如粘结、接触或以其他方式连接在一起)并部分地分离。微粒在微粒结构中的分布可以是随机的或者其可具有相同的顺序。例如，在一些实施方式中，以分层的方式堆叠微粒；在一些实施方式中，分层地布置微粒，而不是一个堆叠在另一个上，每层由大量可彼此横向地转移和/或彼此堆叠的微粒组成；并且，在一些实施方式中，随机地或根据电极之间的容积中的任意三维分布来分布微粒。如这里使用的，术语“微粒结构”包含所有这些实施方式，包括其所有组合或子组合。该结构不需要是刚性的。在限定于两个电极46和48之间的容积60中分布微粒44。在一些实施方式中，电极46和48是平面的或接近平面的，并可具有间隔突起或上述粗糙。气体分子(未示出，为了说明，见图1中的18)在微粒间空隙62中热运动。在一些实施方式中，以分层的方式在容积60中分布微粒，在一些实施方式中，以不分层的方式在容积60中分布微粒。在本发明的一些实施方式中，微粒44的至少一部分基本是小片状的。如这里使用的，“小片状微粒”指的是其沿着厚度方向的尺寸至少比其最长尺寸小 X倍的微粒，其中，X等于10或100。可在容积60内沿一致或不一致的方向上分布小片状微粒。如这里使用的，“一致方向”指的是这样的结构构造将大于50%的微粒彼此地或与外部电极46和48基本平行地或以小角度地(例如最多30°或最多20° )定向。如这里使用的，“不一致方向”指的是这样的结构构造对于结构内的任何虚平面， 至少50%的微粒相对于该平面以至少30°的角度倾斜。小片状微粒可以是包括单层或多层的微粒。如这里使用的，术语“表面”指的是可用作电池的一个表面的最外层。每个小片状微粒可具有两个平面或接近平面的表面，其优选地具有不同的电荷可转移性，在图2A中示出为不同的阴影。为了表达清楚，在图2B至图 2E中未示出这些不同的电荷可转移性。在下面描述并在以下实例部分中举例说明了几种在相对表面上提供具有不同电荷可转移性的微粒的优选技术。虽然参考小片状微粒描述了本发明的一些实施方式，但是将理解，小片状微粒的更详细的参考将不被解释为以任何方式限制本发明的范围。如图2A至图2E所示，微粒结构可由任何形状的微粒形成，包括但不限于不规则的、球形的、球体的、细长的、平的、薄片状或小片状的。对于任何这些形状，相对表面可具有不同的电荷可转移性。此结构确保越过间隙的彼此相对的微粒表面具有不同的电荷可转移性，从而促进气体媒介电荷转移的过程。在一些实施方式中(例如参见图2A，图2B，图2D和图2E)，微粒44形成自支撑的微粒结构，在一些实施方式中(例如参见图2C)，微粒包含在支撑组件52中。机械保持件的平面侧可基本由电极46和48形成。保持件52的侧壁M优选地是不导电的，并可选地，是不存在的。虽然在图2C中示出了包含在机械保持件内的微粒结构，其中，通过粗糙特征50隔开微粒，但是并非必须是这种情况，因为微粒间空隙也可由不导电隔离物观保持，如上面进一步详细描述并在图2A和图2D中示意性地示出的。可看作是用于促进电极46和48之间的电荷转移的多个电荷转移元件的微粒44 可彼此分离，或可部分地连接和部分地分离。例如，可将某些多孔材料看作是包括部分连接和分离的多个电荷转移元件，其中内部空隙至少部分地是可透气的。与本发明的实施方式一致，微粒和电荷转移元件的表面可彼此“相对”或“基本面对”。如这里使用的，这两个术语都不需要特定的方向角。相反，当用来表示相邻微粒或其他电荷转移元件的表面时，术语“相对”和“基本面对”包括任何在表面之间存在路径的方向。因此，例如，虽然图2D所示的相邻微粒是圆的，但是在不同微粒的相邻表面之间存在路径，因此相邻表面彼此相对并基本彼此面对。类似地，不管图2E所示的相对微粒表面的不规则和稍微成随机角度的性质如何， 相邻微粒的表面仍被称为是彼此相对并基本彼此面对的，因为在表面之间存在电子路径。 箭头56示出了这种路径的一个代表性实例。在操作中，每个微粒对的一个表面将负电荷转移至至少一部分气体分子，并且，相对表面越过间隙从至少一部分带电气体分子接收负电荷，如上面进一步详细描述的。除了气体媒介电荷转移以外，还可能存在在厚度方向上通过微粒的电荷传导。利用微粒的电导来建立后面的电荷传导，此电导由微粒的几何形状(特别是厚度)和电导率决定。应注意， 当微粒非常薄时，甚至可将通常认为是不导电的材料认为是导电的。下面提供了适于某些实施方式的优选电导率值。电极46和48之间的微粒形成可看作是大量与电池10相似的电池的分布的微粒结构。装置的功率密度随着总活性表面而增加，总活性表面大约是微粒的活性表面之和。如这里使用的，“活性表面”表示彼此相对并参与电荷转移过程的微粒的那些表面，即，其与气体相互作用并从分子转移或接收净电荷。根据微粒的尺寸和几何形状的不同，有用装置可具有范围从用于粗糙微粒的每立方厘米几千微粒到优选地用于非常精细的微粒的每立方厘米几亿微粒的微粒密度。理想地，对于给定微粒，微粒一侧上的表面用作一个电池的电子供体，微粒另一侧上的表面用作另一电池的电子受体，微粒本身用作两个电池之间的电互连。电极46和48的面向内的表面优选地也分别用作电子供体表面和电子受体表面，使得气体媒介电荷转移也出现在这些电极与紧邻该电极的微粒之间。或者，在一些实施方式中，电极表面与相邻微粒表面紧密接触(即，其间基本上没有间隙)，和在通过涂布、溅射或真空金属化对结构应用(施加)电极的情况一样。因此，通过微粒将电荷从一个电极传送至另一个电极，从而在电极之间产生电势差，可选地，在没有任何外部电压源时。可将电极46和48与外部负载M连接。当微粒的数量大且各个微粒的尺寸小时，并非必须使所有微粒都参与电荷转移过程。在本发明的一些实施方式中，对于一部分微粒的每个微粒，微粒的所有表面的电荷可转移性基本是相同的。这些实施方式是典型的，但是不是唯一的，用于根据下面描述的教导的一部分制造的特定结构。一个实例是这样一种情况两个或更多个相邻微粒无法在其间保持空隙。另一实例是这样一种情况两个相邻微粒之间的间隙过大。在这些情况中，这些微粒的相对表面不需要具有不同的电荷可转移性，对于其所有表面，这些微粒中的至少一个可具有基本相同的电荷可转移性。气体介质和储热器20之间的热交换保持了在每个电池的表面之间传送电荷的气体分子的热运动。可直接在气体和储热器20之间实现热交换和/或通过微粒的导热率实现热交换。概括地说，希望减小或消除在垂直于电极表面的方向上的相邻微粒之间的电接触，以使结构的总电势最大并使反向泄漏电流最小。如这里使用的，“反向泄漏电流”指的是通过接触产生的并且方向与气体媒介电荷转移的方向相反的电流。这种分路电流减小了装置的总效率。反向泄漏电流可由相邻微粒之间的直接传导产生并可以不止一种方式减小。在一些实施方式中，微粒44可由隔离物观隔开，如图2A所示。隔离物观优选地是不导电的， 例如，以减小或消除通过隔离物的反向泄漏电流。在一些实施方式中，如图2B至图2E所示，通过从相对面向的表面向外突出的粗糙特征50保持相邻微粒之间的空隙62。表面之间的总接触面积通常较小，使得通过粗糙特征50的泄漏电流也较小。可通过将至少一个面对的表面选择为导电较差的材料来进一步减小泄漏电流。
还考虑这样的实施方式一些微粒由隔离物隔开，一些微粒由向外突出的粗糙特征隔开。本发明人理解，在未充分隔开的相邻微粒中可能存在一些局部泄漏电流。然而，将这些电流对于电极46和48之间的总电势差的效应认为是可忽略的，因为装置中的其他微粒之间的气体媒介电荷转移可补偿局部电流。因为微粒结构具有大量微粒和大量电池，所以即使具有大量的这种局部短路电池，对于总系统效率的影响也是可以忽略的。在一些实施方式中，装置10和40可包括用于保持气压并防止气体介质的泄漏或污染的密封外壳36。为了表达清楚，仅在图1A，图2A，图2B，图2D和图2E中示出了外壳 36，但是也考虑在其他实施方式中使用密封外壳，例如以上结合图2C描述的实施方式。外壳36内的压力可与环境压力不同(高于或低于)。可选择封装36内的压力，以达到所需平均自由路径(压力越高，平均自由路径越小)和/或所需导热率(压力越高，导热率越高)。通过减小封装36内的压力，增加平均自由路径，并且通过增加压力，增加载体分子的数量和导热率。最佳压力平衡了这些效果，以产生最大电流。在本发明的各种示例性实施方式中，虽然也考虑更高的压力，但是封装36内的压力低于10个大气压，特别是对于间隔近的间隙。事实上，对于纳米范围的间隙，特别是当使用小分子直径的气体时(例如氦气)，可在几百个大气压的气压下达到高效率。通常，对于这种小间隙，压力上限将由压力安全考虑所限制或由气体在工作温度下的液化压力所限制。优选的气压超过一个大气压。 典型地，气压高于1. 1个大气压或高于2个大气压或高于3个大气压或高于4个大气压或高于5个大气压。以下是根据本发明的一些实施方式的适于制造微粒结构的方法的描述。将理解，除非另外定义，否则可在执行的许多组合或顺序中同时或连续地执行以下描述的操作。特别地，并不将流程图的排序认为是限制性的。例如，可以不同的顺序(例如相反的顺序)或基本上同时地执行两个或更多个以特定顺序出现在以下描述中或出现在流程图中的操作。另外，以下描述的几个操作是可选的，并且不需要执行。现在参考图3A，其是根据本发明的一些实施方式的用于制造微粒结构的方法的流程图。该方法在70开始并继续至71，在71处，在两个表面电极之间引入微粒。微粒可以是干燥粉末形式或是浆料的形式，如下面进一步详细描述的。该方法继续至72，在72处，使微粒或其至少一部分改性，使得对于每个改性的微粒，其一个表面的电荷可转移性与相对表面的电荷可转移性不同。可在液体或气体环境中并在任何适当的温度下执行改性。在一些实施方式中，在室温下(例如大约25°C)或在其附近执行改性。在一些实施方式中，在相对于室温升高的温度(例如高于10(TC，或高于200°C，或高于50(TC，或高于700°C )下执行改性。优选地，在存在基本垂直于电极表面的电场的情况下执行表面改性。可选地，一旦对部分或所有微粒间空隙填充导致改性的介质，便施加电场。当微粒是在一致方向上的小片状微粒时，电场也基本垂直于微粒的大体平面的表面。可通过对电极46和48施加电压或通过本领域已知的任何其他技术来产生电场。下面描述了这些技术中的一部分。电场用作提供相对表面的不对称改性并在相对微粒表面之间提供电荷可转移性差异的对称断路器。电场优选地产生如下过程的条件，在该过程中，使每个微粒对的相对表
18面的至少一个的表面特性改性。在图:3B至图3C中示出了此情况。图:3B示出了具有两个带有相同电荷可转移性的表面12和14的微粒44。图3C示出了在存在大体如箭头38所示的电场的情况下的相同的微粒44。电场沿着微粒44的厚度方向破坏对称性，并以将说明的方式促进表面12和14 获得不同电荷可转移性的过程。在激活电场时，一个或多个以下机制确保表面特性的改性(i)微粒表面处的化学反应，(ii)微粒表面的极性的变化，以及(iii)离子从一个表面到另一表面的迁移。由于可通过表面改性技术实现所期望的电荷可转移性，所以微粒44可由任何可传导适当电流的材料制成，至少在其厚度方向上传导，允许电流流过负载。可用具有高电导率(例如高于10、/m)的基片或具有低电导率(例如低于10_9S/m)的基片或具有中等电导率(例如在10_9至103S/m之间)的基片建立适当的电导率，前提是基片在厚度方向上(即在电流方向上)具有足够的电导率。因此，如果基片较薄，那么其可具有相对低的电导率， 并在本发明的一些实施方式仍是有用的。以下是根据本发明的一些实施方式的几个改性过程的描述。在本发明的一些实施方式中，在施加电场之前，使微粒或分层结构充满或接触在其中可选地具有电活性物质(例如溶解或悬浮的盐、氧化物、单体、表面活性剂、染料等)的液体介质，使得至少一部分微粒间空隙由液体介质占据。液体介质可包括极性溶剂或非极性溶剂。当用浆料制备微粒结构时，在用液体介质充满之前将其可选地干燥。或者，浆料本身可包含电活性物质，在此情况中，并不需要在施加电场之前使结构干燥。当导致改性的介质是包括电活性物质的液体介质时，表面处的化学相互作用可包括(i)化学反应(即表面的化学组成的转换)，( )在表面吸附电活性物质的至少一种成分，和/或(iii)增强电活性物质或其成分的集中(浓度)(例如经由电镀或电泳)。在液体中表面改性之后，使结构干燥。优选地，对结构施加电压，以产生基本垂直于电极表面的电场。在施加电场之后， 已使两个相对表面中的至少一个改性，因此其具有与相对表面不同的电荷可转移性。如这里结合微粒使用的，术语“表面”包含微粒的整个表面和微粒的部分表面。表面处的化学相互作用可以是实际的化学反应，或者可以是在表面处的电活性物质的至少一种成分的吸附作用，或者可以是由于该电活性物质的至少一种成分的电镀或电泳引起的该电活性物质的至少一种成分的浓缩。可选地，液体介质可包含相反电荷类型的电活性物质，使得一种类型与一个表面相互作用，而另一类型与相对表面相互作用。适于本实施方式的电活性物质的代表性实例包括但不限于，诸如，乙酸铯 (CH3CO2Cs)、硫酸锰(MnSO4)、氯化镍(NiCl2)、硝酸镍(Ni (NO3)2)、稀土新癸酸盐和柯赫酸盐、 2-乙基己酸铈、丙酸锰和新癸酸锰、2-乙基己酸钕、硼酸新癸酸钴络合物；诸如Basonyl blau 636、Flexo Black和甲基紫2B的染料；诸如异丙氧化钛、甲醇镁和氧化镍的氧化物； 诸如(双(十三基)磺基琥珀酸)2钡和磺基琥珀酸二辛基钠(C2tlH37O7NaS)的表面活性剂；以及它们的组合。液体载体可以是有机溶剂，优选地是高纯度的，例如但不限于，苯、氯仿、二甲亚砜、乙醇、己烷、十二烷、异烷烃(例如Isopar L)、甲醇、去离子水；以及它们的组合。在用浆料制备微粒结构和/或在液体中表面改性之后，可使结构干燥。在一些实施方式中，干燥过程可使总体积(表面和液体)收缩，使得，在排出后，表面之间的距离可比干燥前小。在一些实施方式中，使用气体环境中的电化学改性。在这些实施方式中，使微粒结构与改性气体(例如二氧化氮、三氟化氮或氯化氢)接触，优选地，在足以用气体填充微粒间空隙的至少一部分的压力下。当用浆料形成微粒结构时，优选地，在使其与气体接触之前使结构干燥或部分地干燥。然后对结构施加电压以产生基本垂直于电极表面的电场。使部分气体分子电离(例如通过与微粒表面或其他机构的电场相互作用)。这些离子使与其相互作用的微粒的表面改性。气体导致的表面改性出现在两个相对表面的至少一个上，使得对于每个改性的微粒，一个表面的电荷可转移性与相对表面的电荷可转移性不同。在一些实施方式中，在改性后从表面排出气体。典型地，选择所施加的电压，例如以在微粒结构内产生IO3至106v/m的等级的电场。化学表面改性的持续时间可根据微粒的类型、液体载体、电活性物质或气体，并根据执行改性时的条件而改变。典型的持续时间是从几秒到几小时，尽管在一些情况中可能需要许多小时(例如12小时，或M小时，或36小时，或48小时)。 在一些实施方式中，使用气体环境中的电热改性。在这些实施方式中，对结构施加电压以产生基本垂直于电极表面的电场，但是并非必须在存在附加液体载体、电活性物质或气体的情况中。当用浆料形成微粒结构时，优选地，在施加电压之前使结构干燥。可选地， 在高于室温的温度下施加电压。高温和电场的组合使得分子在微粒表面极化和/或离子朝着微粒表面迁移，使得在微粒的相对表面上形成不同的电荷分布。典型地，选择所施加的电压，例如，以在微粒结构内产生IO3至106v/m的等级的电场。典型的适于电热改性的温度直至大约800°C。本发明人还考虑这样一种技术对结构不施加外部电压。在这些实施方式中，微粒结构位于不同功函的电极之间。已知当使不同功函的两种材料短路时，电子从低功函材料流至高功函材料，以使两种材料之间的费米能级相等。低电导率的材料的此过程的特征时标(time scale)小于高电导率的材料的。例如，如果材料是金属，那么此过程几乎立即出现。两种材料的费米能级的相等导致相互充电，其中，低功函材料变得带正电，高功函材料变得带负电。类似地，相邻表面之间的电荷分布的这种差异建立了从低功函材料引导至高功函材料的电场。因此，那些表面之间的自由的带正电的分子朝着高功函表面漂移，并远离低功函表面。当微粒结构位于不同功函的电极之间时，本质上在这样的电场中，导致了分子在微粒表面极化和/或离子朝着微粒表面移动，使得在微粒的相对表面形成不同的电荷分布。典型地，电极之间的功函的差在室温下大于或等于0. IeV0还考虑这样的实施方式，在该实施方式中，组合两种或更多种以上改性技术。例如，微粒结构可具有不同功函的电极，并进一步被电化学或电热地改性。在任何以上表面改性技术中，温度和/或电场在改性过程中可能改变。例如，该过程可以高温开始，并在结构冷却至室温的同时在相同电场下继续。另一实例是这样的过程 在温度降低的同时增加电场。本发明人发现，任何以上表面改性技术在微粒的相对表面上实现电荷可转移性的差异，从而便于根据气体媒介电荷转移的原理而产生电。在本发明的发明人所进行的实验中，产生基本上稳定的电流并持续延长的时间段，证明本实施方式的表面改性技术实现了稳定的热能转换。该方法在73结束。以下参考图4至图6描述了更详细的根据本发明的一些实施方式的用于制造微粒结构的方法。图4是根据本发明的一些实施方式的用浆料制造微粒结构的方法的流程图。该方法在80开始并继续至81，在81处，形成微粒和液体的浆料。微粒可由任何适当的材料制成。适当微粒的代表性实例包括但不限于，玻璃片、蛭石、珍珠岩、MicroLite 、 石墨、石墨烯、氧化石墨(GO)、还原的氧化石墨(r-GO)以及铝片。当微粒的电导率高时(例如当微粒是铝片时)，其可选地由减小电导率的薄层(例如lOnm)涂布，例如硅石等。当希望制造通过粗糙特征保持微粒间空隙的微粒结构时，此实施方式特别有用。液体可以是任何类型的，前提是其在制备浆料的过程中不会与微粒不利地起反应。适于本实施方式的液体的代表性实例包括但不限于，水(优选地是去离子水)、有机溶剂(例如氯仿、乙醇、异丙醇等)和乙酸。液体内的微粒的浓度按重量计算典型地直至10%。 在混合之前，可对微粒施以被选择为增加其可湿性和/或减小其粘着性的实验方案。这种实验方案可包括化学处理、机械处理、洗涤(washing)等。该方法继续至82，在82处，对基片施加浆料以在基片上形成平面表面。可以本领域已知的任何适当的方式执行此涂布、成形、模制或铸造处理，包括但不限于旋涂、离心铸造、线材涂布(棒涂布)、逆转辊涂布、刮板涂布、喷涂等。在一些实施方式中，模制或挤出浆料，在此情况中并非必须将其施加在基片上。在替代实施方式中，可通过在液体中原位形成微粒来制造浆料(例如通过溶胶凝胶反应、聚合、结晶化、沉淀等)。在一些实施方式中，该过程包括施加机械压力。例如，可将高粘性浆料放在模具中，浆料在模具中受到施加于模具的至少一个表面上的机械压力，以形成浆料的平面表面。 模具的壁部(包括其至少一个表面)可选地涂有抗粘性材料(例如特氟纟合 )，以便于微粒结构从该壁部的后续释放。在施加压力之前，模具和浆料可受到剪切或振动，以去除留在微粒之间的空气并使微粒平行于模具表面地定向。振动频率和振幅可改变，并典型地取决于模具的大小。例如，对于5cm直径的模具，可将振动频率设置为50Hz，振幅为十分之几毫米。 模具中的典型压力直至大约700kg/cm2。在一些实施方式中，通过旋涂施加浆料。例如，可将浆料放在可旋转的支撑基片上，使得当旋转基片时，在基片的表面上形成一层薄的(优选地平面的)浆料。然后，优选地使浆料干燥，至少部分地干燥，以在支撑基片的表面上形成微粒结构。可重复执行该过程， 其中，在每个阶段，在之前形成的微粒结构上形成一层附加的浆料，直到达到所需厚度的微粒结构为止。在旋转过程中，浆料可受到各种类型的处理，包括例如鼓风、加热等。典型的旋转速度是大约200RPM，典型的鼓风温度直至大约60°C。在一些实施方式中，通过线材涂布(rod coating)施加浆料。例如，可将浆料放在支撑基片上，并可用移动线材涂布浆料达到预定厚度。然后，优选地使浆料干燥，至少部分地干燥，以在支撑基片的表面上形成微粒结构。可重复执行该过程，其中，在每个阶段，在之前形成的层上涂布附加层，直到达到所需厚度的微粒结构为止。在涂布过程中，浆料可受到各种类型的处理，包括例如鼓风、加热等。典型的线材速度是大约3cm/s至5cm/s，典型的鼓风温度直至大约70°C。
在一些实施方式中，通过喷涂施加浆料。例如，可将浆料供应至喷射装置中，例如喷枪等。然后可操作该装置以将浆料喷射在基片上。可调节装置的操作参数(气流、喷嘴端、喷射范围)，以实现基本均勻的涂布。支撑基片可选地涂有释放材料(例如特氟纟合 )， 以便于微粒结构之后与其基片的分离。可选地，可从下方加热基片，以便于在喷射装置的连续工作(activation)过程中及其之间使涂层干燥。下层基片的典型加热温度直至大约 80°C。浆料的粘性、载体流(例如空气)的压力以及喷嘴的大小会影响液滴的大小。类似地，喷嘴和支撑基片之间的距离会影响每层的均勻性，并且其取决于之前提到的气枪和浆料的特性。喷嘴和支撑基片之间的典型距离直至大约15cm，基本在IOcm左右。在一些实施方式中，将浆料引入具有一个或多个侧壁102和底部104的支撑组件 52中(见图6A)，其中，底部104可用作基片。一旦对基片施加浆料，该方法可选地并优选地继续至83，在83处，使液体浆料干燥。这可通过将结构暴露于高温(例如200°C或更高)下几个小时的时间段来实现。还可在真空条件下执行干燥。在一些实施方式中，该方法继续至84，在84处，使自支撑结构可选地与基片分离。这可在升高温度下进行，以便于干燥的微粒结构与基片之间的分离。还可通过对预涂有释放材料(例如特氟纟t )的基片施加浆料来便于从其支撑基片去除该结构。在本发明的各种示例性实施方式中，该方法继续至85，在85处，用表面电极涂布该结构。这可通过任何本领域中已知的技术来实现，例如但不限于溅射。例如，可将导电材料(例如铝、铬、金、锰、钼、镍、钯、钼、钛、钨等)溅射在结构的表面上以形成表面电极。优选地，在真空条件下执行该过程。本发明的范围并不排除其他电极形成技术，例如化学或物理沉积。还考虑这样的实施方式分别制备一个或多个表面电极(例如在平面上)并将其层压至微粒结构或以另外方式保持得与结构表面电接触。或者或另外，电极可由本质上接受或送出电荷或具有本质电荷可转移性特性的材料制成，或可涂有接受或送出电荷或具有电荷可转移性特性的材料。该方法可选地继续至86，在86处，使微粒的表面改性。这可通过任何上述表面改性技术来实现。在改性后，该方法可选地继续至87，在87处，该结构受到干燥处理或可选地受到排气处理，如上面进一步详细描述的。在一些实施方式中，该结构在初始改性后受到退火过程。当在液体中改性时这特别有用，并且退火可改进产生的电荷可转移性。例如，当用溶胶凝胶电泳实现表面改性时 (其中，退火促进了所需分子在改进表面的电荷可转移性的结构中的结晶化)，情况如此。 退火还可通过从沉积层去除可能影响电荷可转移性的热敏污染物来改进表面的电荷可转移性。在这些实施方式中，在高温下(例如高于250°C)执行一段时间(例如5至60分钟) 的退火。该方法在88结束。现在参考图5，其是根据本发明的一些实施方式的用干燥粉末或浆料制造微粒结构的方法的流程图。粉末或浆料通常包括具有或不具有隔离物的微粒，如上面进一步详细描述的。虽然可用于任何适当的干燥微粒材料，但是此方法对当从浆料干燥时不容易形成
22自支撑结构的微粒特别有用。这种微粒的代表性实例包括但不限于铝片。该方法在90开始并继续至91，在91处，通过拧紧螺钉以施加直至大约1. 5吨 (20MPa/210巴)的压力，将微粒挤压在支撑组件内的底面电极和顶面电极之间。在图6A至图6C中示意性地示出了示例过程。将微粒100引入具有一个或多个侧壁102和底部104的支撑组件52中。侧壁102 优选地由不导电且无粘性的材料制成(例如特氟纶 )，底部104是导电的并可用作底部电极。将附加的表面电极106(其可用作上电极)引入支撑组件52，并在电极106上施加力 F，以在电极104和106之间挤压微粒100。可选地，在施加压力之前轻轻地摇动支撑组件 52，以使微粒与电极104和106平行或成一些小角度地定向。在施加力后，可选地移除侧壁 102。该方法继续至92，在92处，该方法使微粒的至少一部分改性，使得其一个表面上的电荷可转移性与相对表面的电荷可转移性不同。表面改性过程可以是根据任何上述实施方式的过程。当使用液体环境中的电化学改性时，整个结构52优选地与适当的液体介质接触，使得液体介质使微粒间空隙的至少一部分变湿。然后，在电极104和106之间施加电压，如上面进一步详细描述的。当使用气体环境中的电化学改性时，结构52与适当的气体接触，优选地，在足够高以用气体填充微粒间空隙的至少一部分的压力下。然后，在电极之间施加电压，如上面进一步详细描述的。在化学的或其他方式的表面改性之后，该方法可选地继续至93，在93处，结构受到干燥或可选排气处理，如上面进一步详细描述的。该方法在94结束。在本发明的一些实施方式中，微粒44的表面12和14都是平滑的。在这些实施方式中，表面具有小于或大约是20A RMS的表面粗糙度，更优选地小于或大约是IOA RMS,更优选地小于或大约是5ARMS，如通过使用标准过程的原子力显微镜(AFM)的图像分析来传统地确定的。还考虑原子平面。进一步考虑具有几纳米或几十纳米(例如直至大约100纳米)的RMS粗糙度的表面。然而，将理解，本发明的范围并不排除基本上不平滑的表面。在替代实施方式中，微粒的表面包括向外突出的粗糙特征，如上面进一步详细描述的。可用于微粒44的表面12和/或表面14的适当材料包括磁性或非磁性物质，例如但不限于，金属、半金属、合金、纯的或掺杂的、无机的或有机的、半导体、介电材料、纯的或掺杂的聚合物、导电聚合物、分层材料、陶瓷、氧化物、金属氧化物、盐、冠醚、有机分子、季铵化合物、金属陶瓷、玻璃和硅酸盐化合物、以及它们的任何组合。可用于微粒44的任何表面12和/或14或用作表面12和/或14的改良剂的材料的适当的且代表性的实例包括但不限于，金属和半金属(例如，镍、金、钴、钯、钼、石墨、石墨烯、铝、铬、钆、钼、铪、钽等)及其氧化物(例如氧化钆、氧化石墨(可选地还原或部分还原)、硅石、氧化镧(III)、甲醇镁、氧化镁、二氧化锰、氧化镍锰、氧化钛、异丙氧化钛、掺锡氧化铟(ITO)和三氧化钨)、合金(例如不锈钢)、半导体(例如掺硼或掺磷硅片)、陶瓷、任选掺杂的(例如诸如MACOR 的玻璃陶瓷、氮化铝、六硼化镧和氮化硼)、 金属陶瓷(例如硅化铬)、玻璃和硅酸盐化合物(例如玻璃、二氧化硅和金云母)、盐，例如钙盐(例如磺化环烷酸钙、诸如NAP-ALL 的环烷酸钙盐、CaF2)、稀土盐(例如，诸如TEN-CEM 的稀土新癸酸盐或柯赫酸盐、诸如ΗΕΧ-CEM 的稀土辛酸盐，其是由2-乙基己酸制备的辛酸盐)、锆盐(例如，诸如CEM-ALL 、ZirconiumHEX-CEM 的羧酸锆盐)、 猛盐(例如 Manganese HEX- CEM 、ManganeseNAP- ALL 、Manganese Hydro Cure 和Hydro Cure II)、镍盐(例如氯化镍和硝酸镍)、季铵盐Arquad (例如Arquad 3HT- 75 )、铅盐(例如铅 CEM- ALL 、铅 NAP- ALL )、钴盐(例如钴 TEN- CEM 、钴 NAP-ALL 、钴CEM-ALL )、锌盐(例如锌NAP-ALL 、锌CEM-ALL 、锌HEX-CEM 、 硬脂酸锌)、苯胺黑、吡咯、石油磺酸钠、聚乙烯亚胺、马拉加膠(马来加树胶，gum malaga), OLOA 1200、卵磷脂、聚合物，例如硝化纤维、基于硝化纤维的聚合物、可选地掺杂的，(例如硝化纤维清漆)、聚偏二乙烯聚亚苯(polyvynilene phenilene)衍生物(例如MEH-PPV)、 基于聚氯乙烯的聚合物(例如Episol 310、Episol 410、Episol 440、Epivyl 32、 Epivyl 40、Epivyl 43、Epivyl S43、Epivyl 46)和丙烯酸树脂(例如 Elvacite 2041)以及它们的任何组合。某些以上材料也适合于微粒44，只要其能够形成自支撑结构即可，。这里提到的某些标记可以是习惯法或第三方的注册商标。通过实例使用这些标记，并且不应将其解释为是描述性的或将本发明的范围限制于仅与这种标记相关的材料。 也可使用这种材料的适当的等同物。可用作气体介质16的适当的材料包括但不限于，卤素和包含卤素的气体，例如
Atg、Bt*2、Cl_2、、工2、WFg、PF5、SoKg、ToKg、CK^、AsK^、BK^、CH^K、C^Kg、C^Kg、C^Kg、C^KgO、C^Kg、GgK^、 C2F6, CF3COCl、C2HF5, SiF4, H2FC_CF3、CHF3 和 CHF3 ；惰性气体，例如 Ar、He、Kr、Ne、Rn 和 Xe ； 含氮气体，例如 N2、NF3、NH3、NO、NO2、C4H11N 和 N2O ；含硫气体，例如 SF6、SF4、SO2 和 SO2F2 ；含氧气体；例如O2XO和CO2 ；含氢气体，例如H2、氘、i-C4H10和CH4 ；碱性气体，例如Cs、Li、Na、 K、Cr、Rb和％ ；以及它们的组合。在本发明的各种示例性实施方式中，气体介质相对于电池或装置的表面在化学上是惰性的。在上述适当的气体介质中，具有还原、氧化和卤化特性的气体特别适合于改性目的。可用作隔离物观的适当材料包括但不限于，任何绝缘的有机或无机化合物，例如现在举例说明的云母、笼型低聚硅倍半氧烷、聚丙烯、聚酰亚胺和硅石衍生物。可用如国际公开号W02010/023669A2的实例6中所述执行的实验来确定其他适当的材料，该专利的内容通过引用结合于此。代表性材料包括已发现在放电8分钟后具有超过50%的剩余电荷的那些材料，包括盐，包括氟化铝、柠檬酸铵、乙酸钡、溴酸钡、氯酸钡一水合物、硫酸钡、乙酸钙、氮化硼、碳酸钙、柠檬酸钙、磷酸三钙、溴化铯、氟化铯、硝酸铯、氮化镓、氟化锂、乙酸镁、氯酸镁、氟化镁、硫酸镁、溴酸钾、溴化钾、氯酸钾、氯化钾、高氯酸钾、乙酸钠、溴酸钠、氯化钠、氯酸钠、硝酸钠、高氯酸钠、硫酸钠、乙酸锶、碳酸锶、氯酸锶、 氟化锶、氢氧化锶、硝酸锶和硫酸锶；氧化物，包括氧化铝、氧化钙、氧化镁和氧化锌；以及染料，包括 Bontron E-84, Bontron E-88, Bontron E-89, Bontron111E-108、Bontron N-04, Bontron N-05 和 Bontron N-07o如上所述，微粒结构的微粒可由导电性相对差的电导体制成。通过实例，认为玻璃是不良导体，因为其在室温下的典型电导率(10_15S/m)比金属的典型电导率(KfS/m的等级)低得多。然而，这种材料的足够薄的层或微粒可传导大电流，适用于某些低功率应用。
适于基片32和34的材料的代表性实例包括但不限于，金属，例如但不限于，铝、 镉、铬、铜、钆、金、铁、铅、镁、锰、钼、镍、钯、钼、银、钽、锡、钛、钨和锌；半金属，包括但不限于锑、砷和铋；合金，包括但不限于黄铜、青铜、硬铝(杜拉铝)、因瓦合金和钢；纯的和掺杂的， 无机的和有机的，半导体和半导体异质结构，包括但不限于硅片、锗、硅、砷化镓铝、硒化镉、 砷化锰镓、碲化锌、磷化铟、砷化镓和聚乙炔；薄片状材料，包括但不限于石墨、石墨烯、氧化石墨、二硫化钨、二硫化钼、二硫化锡和六方氮化硼；纯的或掺杂的氧化物，包括但不限于硅石、三氧化钨、二氧化锰、氧化镍锰、掺锡氧化铟(ITO)；纯的或掺杂的陶瓷，包括但不限于氮化硼、氮化铝，以及诸如MACOR 的玻璃陶瓷；金属陶瓷，包括但不限于硅化铬；玻璃和硅酸盐化合物，包括但不限于玻璃和金云母；或它们的组合。还考虑任何涂有任何以上材料的材料的基片。适于基片和涂层的材料可以是磁性的(例如Co、Fe、Gd、Ni、GaMnAs等)和非磁性的(例如Al、Cu等)。表面12和14可以是裸露的基片(32和34)、表面改性的基片或有涂层的基片。裸露基片32和34的典型厚度从大约Inm到大约100 μ m。在本发明的一些实施方式中，裸露基片的厚度可以在Inm至20nm之间。在一些实施方式中，厚度可以低至一个原子单层(在石墨烯的情况中是0.34nm)。在某些表面改性的基片的情况中，(例如电化学改性的、氧化的或还原的表面)，表面12和14的典型厚度可低于lnm。然而，在有涂层或改性的表面的情况中，表面12和14的典型厚度从大约Inm到大约600nm，但是本发明的范围并不排除其他厚度。在基片32和表面12之间或基片34和表面14之间的任何中间层或结合层(如果存在的话)的情况中，典型厚度从低于Inm到大约250nm。如这里使用的，术语“大约”指的是士20%。术语“包括”、“包括”、“包含”、“含有”、“具有”及其变化表示“包括但不限于”。术语“由...组成”表示“包括但限于”。术语“基本上由...组成”表示该组成、方法或结构可包括附加成分、步骤和/或零件，但是只有当附加成分、步骤和/或零件不会在本质上改变所要求的成分、方法或结构的基本和新颖的特性时才是这样。如这里使用的，单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(所述，the)”包括复数含义，除非上下文清楚地另有表示。例如，术语“化合物”或“至少一个化合物”可包括多个化合物，包括其混合物。将理解，为了清楚起见，也可在一个实施方式中组合地提供在不同实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征。相反，为了清楚起见，也可单独地提供或以任何适当的子组合地提供或如在本发明的任何其他所述实施方式中适当地提供在一个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征。并不将各种实施方式的上下文中描述的某些特征认为是那些实施方式的基本特征，除非没有那些元件该实施方式便不起作用。如上描述并如在所附权利要求部分要求的本发明的各种实施方式和方面可在以下实例中找到实验支持。实例现在参考以下实例，其与以上描述一起以非限制性的方式示出了本发明的一些实施方式。
实例1理论思考在国际公开号W02010/023669A2的实例1中提供了本发明人建议的理论思考，作为通过具有不同电荷可转移性的表面之间的气体分子的热运动产生电流的假设基础，该专利的内容通过引用结合于此。实例2用开尔文探测器测量本实例描述了根据本发明的一些实施方式执行的实验，以通过开尔文探测器评估表面的电荷可转移性。如国际公开号W02010/023669A2的实例3中描述地执行实验，该专利的内容通过引用结合于此，具有与基线真空能级相关的微小改性。表IA的样本与W02010/023669A2中公开的实验相应，其基线真空能级(baseline vacuum level)是大约 l(T2mbar。在其他实验中，将开尔文探测器设备(开尔文控制07，Besocke Delta Phi)放在允许大约Krtibar的真空压力的可密封腔室中。通过在Imm厚度的薄盘或正方形玻璃元件上溅射30nm至IOOOnm的所需材料层来制备样本(更详细地见实例5，TCD和STG支撑部)。 在真空、空气、氩气(Ar)、四氟甲烷(CF4)、六氟丙烯(C3F6)、氦气(He)、二氧化氮(NO2)、氧气 (O2)、六氟化硫(SF6)和氙气中测试铝(Al)、金(Au)、氟化钙(CaF2)、钆(Gd)、铪(Hf)、六硼化镧(LaB6)、二氧化锰(MnO2)、镍(Ni)、铅(Pd)、钼(Pt)和钽(Ta)0通常从BOC气体公司购买至少99. 99%纯度的已经干燥的气体。开尔文探测器在第一步骤中测量样本和金参考探测器之间的接触电势差(CPD)， 测量在真空或气体中进行。在第二步骤中，对之前测量的CPD增加金探测器的功函值 (5. IeV)，以给出所测样本的功函(WF)。MM表IA至表IC总结了由开尔文探测器在以mbar表示的不同压力下在室温下测量的功函(WF)(单位是eV)，当基本真空压力是10_2和lOibar时，如所表示的。在 W02010/023669中公开了表1A，为了方便，在下面复制该表。表IB给出了在一个压力下测试的各种气体获得的结果，而表IC给出了通过气体获得的结果，针对每种气体在三种不同压力下进行测试。表IA
权利要求
1.一种制造微粒结构的方法，所述微粒结构用于电发生器中，利用兼容气体在微粒之间转移电荷，所述方法包括由大量微粒形成一结构，其中，所述结构在至少一部分所述微粒的第一和第二相对表面之间包含空隙；以及使所述相对表面的至少一部分改性，从而，结合所述兼容气体，所述第一相对表面的电荷可转移性与所述第二相对表面的电荷可转移性不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述微粒处于干燥形式的同时，在第一表面电极与第二表面电极之间执行所述形成步骤。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，在支撑组件内执行所述形成步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述微粒处于浆料中的同时执行所述形成步马聚ο
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过涂布、铸造、模制、对所述浆料施加机械压力、线材涂布、喷涂、旋涂、浆料挤出以及它们的组合来实现所述形成步骤。
6.根据权利要求1和5中任一项所述的方法，进一步包括对所述结构施加至少一个表面电极。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述改性包括在液体中执行的电化学改性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述液体包括极性溶剂。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述液体包括非极性溶剂。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述液体包括选自包括以下的组的溶剂苯、氯仿、二甲亚砜、乙醇、己烷、十二烷、异链烷烃、异丙醇、甲醇、水以及它们的组合。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，所述液体进一步包括选自包括以下的组的一种或多种电活性物质盐、染料、氧化物、单体和表面活性剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电活性物质选自包括以下的组乙酸铯、 硫酸锰、氯化镍、硝酸镍、稀土新癸酸盐和柯赫酸盐、2-乙基己酸铈、丙酸锰和新癸酸锰、 2-乙基己酸钕、硼酸新癸酸钴络合物；Basonyl blau 636,Flexo Black、甲基紫2B ；异丙氧化钛、甲醇镁、氧化镍；吡咯；(双(十三基)磺基琥珀酸)2钡和磺基琥珀酸二辛基钠；以及它们的组合。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述改性包括在气体环境中执行的电化学改性。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述气体环境是选自包括以下的组的一种或多种气体还原气体、氧化气体和卤化气体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体选自包括以下的组二氧化氮、三氟化氮和氯化氢。
16.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述改性包括电热改性。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，所述改性在存在基本垂直于所述相对表面的电场的情况下执行，所述电场由外部电源产生。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，包括对所述结构施加具有不同功函的表面电极，其中，通过利用所述功函的差异而产生的电场来至少部分地执行所述微粒的所述表面的所述改性。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，进一步包括在所述改性之前对所述结构的至少一部分进行干燥或从中排出流体。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，进一步包括在所述改性之后对所述结构的至少一部分进行干燥或从中排出流体。
21.根据权利要求19和20中任一项所述的方法，其中，通过对基片施加所述微粒的浆料来形成所述结构，然后，在所述干燥或排出之后从所述基片去除所述结构。
22.根据权利要求19所述的方法，进一步包括对所述结构施加至少一个表面电极。
23.一种通过根据权利要求1至22中任一项所述的方法制造的微粒结构。
24.一种微粒结构，用于电发生器装置中，利用兼容气体在微粒之间转移电荷以将热能转换成电，所述微粒结构包括大量微粒和空隙，所述空隙在至少一部分所述微粒的第一和第二相对表面之间；其中，结合所述气体，至少一部分的所述第一相对表面的电荷可转移性与至少一部分的所述第二相对表面的电荷可转移性不同，使得相应的第一活性表面用来将电荷转移至与其相互作用的气体分子，并且相应的第二活性表面用来从与其相互作用的气体分子接收电荷，产生了相对微粒之间的电荷转移和从所述微粒结构的一侧到其相对侧的净电荷转移。
25.一种用于将热能转换成电的电发生器装置，所述装置包括根据权利要求23和M中任一项所述的微粒结构；以及在所述空隙的至少一部分中具有气体分子的气体介质。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的微粒结构或装置，其中，对于一部分所述微粒中的每个微粒，所述微粒的所有表面的电荷可转移性是基本相同的。
27.根据权利要求23至沈中任一项所述的微粒结构或装置，其中，所述第一相对表面和所述第二相对表面具有基本上相同的化学组成。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的微粒结构或装置，进一步包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设置成使得所述微粒结构在所述电极之间，其中，所述第一电极和所述第二电极具有相同材料的工作表面。
29.根据权利要求23至27中任一项所述的微粒结构或装置，进一步包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设置成使得所述微粒结构在所述电极之间，其中，所述第一电极和所述第二电极的工作表面的材料的特征在于具有不同功函。
30.根据权利要求23至四中任一项所述的微粒结构或装置，其中，对于所述微粒表面的至少一部分，所述第一相对表面上的分子、原子或离子类型的浓度与所述第二相对表面上的分子、原子或离子类型的浓度不同。
31.根据权利要求23至30中任一项所述的微粒结构或装置，其中，所述微粒形成自支撑结构。
32.根据权利要求23至30中任一项所述的微粒结构或装置，其中，所述微粒是粉末形式并包含在支撑结构中。
33.根据权利要求23至32中任一项所述的装置，其中，当没有外部施加的电压时，存在从所述微粒结构的一侧到其相对侧的净电荷转移。
34.一种对电激活系统供电的方法，包括将所述电激活系统与根据权利要求23至33中任一项所述的装置连接。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒是无孔的。
36.根据权利要求1至34中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒是多孔的。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒是可膨胀的。
38.根据权利要求1至36中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒是非膨胀的。
39.根据权利要求1至38中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒是被涂覆的。
40.根据权利要求1至38中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒是未涂覆的。
41.根据权利要求1至40中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒的平均厚度小于1 μ m。
42.根据权利要求1至41中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒的最长尺寸小于1mm。
43.根据权利要求1至42中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，通过隔离物保持所述微粒之间的空隙。
44.根据权利要求1至42中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，通过向外突出的粗糙特征保持所述微粒之间的空隙。
45.根据权利要求1至44中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒基本是小片状的。
46.根据权利要求1至45中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒沿基本一致的方向分布。
47.根据权利要求1至46中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒由选自包括以下的组的材料制成金属、半金属、合金、本质的或掺杂的、无机的或有机的、半导体、介电材料、纯的或掺杂的聚合物、导电聚合物、分层材料、陶瓷、氧化物、金属氧化物、盐、 冠醚、有机分子、季铵化合物、金属陶瓷、玻璃和硅酸盐化合物、以及它们的任何组合。
48.根据权利要求1至47中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述微粒由选自包括以下的组的材料制成玻璃、蛭石、片状剥落蛭石、膨胀蛭石、珍珠岩、金云母、石墨烯、石墨、石墨氧化物、还原的石墨氧化物、铝和涂有硅石的铝。
49.根据权利要求1至48中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，将所述结构进一步封装在被构造为包含兼容气体介质的封装物中。
50.根据权利要求1至48中任一项所述的方法、微粒结构或装置，其中，所述气体介质选自包括以下的组空气、氩气、氯气、二乙胺、氦气、氯化氢、氪气、甲烷、氖气、氮气、二氧化氮、三氟化氮、八氟丙烷、二氧化硫、六氟化硫、硫酰氟、四氟甲烷、水蒸汽、氙气、以及它们的组合。
全文摘要
本发明公开了用在电发生器中的利用气体媒介电荷转移的微粒结构及其制造方法。该结构包括大量微粒，其在所述微粒的第一和第二相对表面之间包含空隙。使所述相对表面的至少一部分改性，使得所述第一相对表面的电荷可转移性与所述第二相对表面的电荷可转移性不同。
文档编号H02N11/00GK102484435SQ201080038164
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月26日 优先权日2009年8月27日
发明者优素福·亚约恩, 本-哈伊姆 尼尔·鲁宾, 本齐奥恩·兰达, 萨吉·阿布拉莫维奇, 阿希尔·奥菲尔, 阿米尔·利昂 申请人:兰达实验室(2012)有限公司