电容器及其制造方法技术

本发明专利技术一般性地涉及电气工程和电子学。更详细地说，本发明专利技术涉及电子电路的无源器件，更详细地说，涉及旨在用于储存能量的电容器及其生产方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】交叉引用本申请要求于2014年5月12日提交的美国临时申请第61/991871号的权益，其通过引用整体并入本文中。
本专利技术一般性地涉及电子电路的无源部件，更详细地说，涉及旨在用于储能的电容器及其生产方法。
技术介绍
电容器是一种无源电子部件，其用于储存静电场形式的能量，包括被介电层分隔的一对电极。在两个电极之间存在电势差时，在介电层中存在电场。该电场储存能量，理想的电容器的特征在于单一的固定电容值，其是每个电极上的电荷与电极之间的电势差之比。实际上，少量的泄漏电流会流过电极之间的该介电层。电极和引线产生等效的串联电阻，介电层对引起击穿电压的电场强度具有限制。最简单的储能器件由被介电常数为ε的介电层分隔的两个平行电极组成，每个电极具有面积S并且相互分开距离d。电极被认为均匀地扩展为面积S，可以用以下的公式表示表面电荷密度：±ρ＝±Q/S。由于电极的宽度比间隔(距离)d大很多，因而接近电容器中心的电场是均匀的，量级E＝ρ/ε。电压定义为电极之间的电场的线性积分。理想的电容器的特征在于：由以下公式(1)定义固定电容量C，C＝Q/V(1)其表明面积越大则电容量越大，而距离越大则电容量越小。因此，用高介电常数的材料制作的器件具有最大的电容量。被称为击穿强度Ebd的特征电场是使电容器中的介电层变得导电的电场。这时产生的电压被称为器件的击穿电压，由电极之间的介电强度和间隔的乘积给出。Vbd＝Ebdd(2)电容器所储存的最大体积能量密度受限于与～ε·E2bd成正比的值，其中，ε是介电常数，Ebd是击穿电场强度。因此，为了提高电容所储存的能量，必须提高电介质的介电常数ε和击穿强度Ebd。在高电压应用下，必须使用更大的电容。有一些因素可以显著地降低击穿电压。在这些应用中导电电极的几何形状是重要的。特别地，尖锐的边缘或尖端局部地极大提高电场强度并且能够导致局部击穿。一旦在任意一点开始局部击穿，则击穿会很快地“铺满”整个介电层，直到到达相反电极而引起短路。一般如下地产生介电层的击穿。电场的强度变得高到从介电材料的原子释放电子，使它们将电流从一个电极传导到另一个电极。在半导体器件中会观察到存在于电介质中的杂质或结晶结构的缺陷能够造成雪崩击穿。介电材料的另一个重要的特征是其介电常数。不同种类的电介质材料被用于电容器，包括不同类型的陶瓷、聚合物膜、纸、以及电解质电容器。最广泛使用的聚合物膜材料是聚丙烯和聚脂。提高介电常数使得能够提高体积能量密度，这使其为一个重要的技术课题。用在磺化十二烷基苯(DBSA)存在下的聚丙烯酸(PAA)的水分散体中的苯胺的原位聚合合成了一种超高介电常数的聚苯胺复合材料，PANI-DBSA/PAA(参见Chao-HsienHoa等，“Highdielectricconstantpolyaniline/poly(acrylicacid)compositespreparedbyinsitupolymerization”，SyntheticMetals158(2008)，pp.630637)。水溶性PAA起到聚合物稳定剂的作用，保护PANI颗粒不会宏观聚集。包含30％重量的PANI的复合材料获得非常高的介电常数约2.0*105(1kHz时)。研究了PANI含量对复合材料的形态学上的、电介质的、电气特性的影响。在频率范围0.5kHz～10MHz下，分析了介电常数的频率依赖性、介电损耗、损耗因数、电模量。SEM扫描电镜图显示出由很多纳米级的PANI颗粒组成的高PANI含量(即20％重量)的复合材料均匀分布在PAA基质中。高介电常数是由于PANI颗粒的小电容的总和。该材料的缺点是有可能在电场下出现至少一个连续导电路径的渗透和形成，并且在电场增加的情况下，这种情形有概率会增加。在穿过相邻的导电PANI颗粒的至少一个连续路径(途径)形成于电容器的电极之间时，会降低该电容器的击穿电压。通过一种简单的基于溶液的自组装方法来制造掺杂了苯胺低聚物的单晶(参见YueWang等，“MorphologicalandDimensionalControlviaHierarchicalAssemblyofDopedOligoanilineSingleCrystals”，J.Am.Chem.Soc.2012，134，pp.9251-9262)。详细的机械学研究表明在诸如一维(1-D)的纳米纤维那样的结构能够聚合为高等级结构的地方，可以通过“自底向上”的分层组装来生产不同形态和维数的晶体。通过控制晶体的成核以及掺杂的低聚物之间的非共价相互作用，能够得到各种各样的结晶纳米结构，包括一维的纳米纤维和纳米线、二维的纳米带和纳米片、三维的纳米板、层叠片、纳米花、多孔网、空心球、绞线圈。这些纳米级的晶体与它们的体相对应物相比显示出较强的导电性以及令人感兴趣的结构性能关系例如形状依赖性的结晶度。进而，吸收研究表明通过监控分子溶剂相互作用，能够很大地预测这些结构的形态和维数并使其合理化。通过使用掺杂的四价苯胺作为模型系统，本文所述的结果和策略提供一种对有机材料的形状和大小的控制的普通方法。已知一种基于多层结构的能量储存器件。该能量储存器件包括第一和第二电极、包含阻断层和介电层的多层结构。第一阻断层被配置在第一电极和介电层之间，第二阻断层被配置在第二电极和介电层之间。第一和第二阻断层的介电常数都单独地大于介电层的介电常数。图1表示一种示例性的设计，其包括电极1和2、具有由介电材料(3、4、5)构成并被阻断材料的层(6、7、8、9)分隔的多层结构。阻断层6和9被对应地配置在电极1和2的附近，其特征在于介电常数高于介电材料的介电常数。该器件的缺点在于与电极直接接触的高介电常数的阻断层可能导致能量储存器件的破坏。基于复合材料并且包含可极化颗粒(例如PANI颗粒)的高介电常数的材料有可能出现渗透现象。所形成的层的多晶结构在晶粒之间的边界具有多个复杂的化学键。在所使用的高介电常数的材料具有多晶结构时，有可能沿着晶粒的边界发生渗透。已知的器件的另一个缺点是对所有层进行真空沉积是一个昂贵的制造工序。电容器作为能量储存器件相对于电化学能量储存设备例如电池具有公知的优点。与电池相比，电容器能够以非常高的功率密度即充电/再充电速率来储存能量，具有长生命期而很少退化，并且能够充电和放电(周期性)数十万或数百万次。然而，电容器经常并不如电池那样小体积或轻重量地、或者低能量储存成本地储存能量，使得电容器对于一些应用，例如电动汽车不实用。因此，需要一种能量储存技术的改进来提供更高体积和质量能量储存密度、以及较低成本的电容器。本专利技术所要解决的问题是：进一步提高电容器所储备的能量的体积和质量密度，同时降低材料和制造工序的成本。
技术实现思路
本专利技术的实施方式提供一种电容器，其包括第一电极、第二电极、配置在上述第一和第二电极之间的分子材料的介电层。上述电极是平坦和平面的，并且配置得相互平行。用以下的一般公式描述该分子材料：Dp-(核心)-Hq，(I)其中，核心是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，D和H是绝缘取代基，p和q是对应的D和H取代基的个数。绝缘取代基附着于可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。一种电容器的制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容器，其特征在于，包括：第一电极；第二电极；配置在所述第一和第二电极之间的分子材料的介电层，其中所述电极是平坦和平面的，并且配置得相互平行，用以下的一般公式描述该分子材料：Dp‑(核心)‑Hq   (I)其中，核心是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π‑体系，其特征在于其纵轴，D和H是绝缘取代基，p和q是对应的D和H取代基的个数，其中所述取代基附着到可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.12 US 61/991,8711.一种电容器，其特征在于，包括：第一电极；第二电极；配置在所述第一和第二电极之间的分子材料的介电层，其中所述电极是平坦和平面的，并且配置得相互平行，用以下的一般公式描述该分子材料：Dp-(核心)-Hq(I)其中，核心是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，D和H是绝缘取代基，p和q是对应的D和H取代基的个数，其中所述取代基附着到可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。2.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，至少一个绝缘基团D和至少一个绝缘基团H各自独立地选自烷基、氟化烷基、氯化烷基、支化和复合烷基、支化和复合氟化烷基、支化和复合氯化烷基、它们的任意组合。3.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，非等轴核心基于π-π相互作用形成导电堆叠体，绝缘取代基形成环绕所述堆叠体的绝缘子层，其中，相邻的非等轴核心的纵轴之间形成扭转角α，所述扭转角的范围为0°≤α≤90°，堆叠体中的所述核心之间的距离为0.34±0.1nm。4.根据权利要求3所述的电容器，其特征在于，非等轴核心形成扭转的导电堆叠体，其中，所述扭转角的范围为0°＜α≤90°。5.根据权利要求4所述的电容器，其特征在于，分子材料的介电层具有六方晶体结构。6.根据权利要求3所述的电容器，其特征在于，非等轴核心形成导电堆叠体，其中，所述扭转角α等于0，非等轴核心的纵轴与电极垂直。7.根据权利要求6所述的电容器，其特征在于，分子材料的介电层具有薄层状晶体结构。8.根据权利要求7所述的电容器，其特征在于，所述可极化非等轴核心至少在一个方向上具有平移周期性和对...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕维尔·伊万·拉扎列夫，
申请(专利权)人：柯帕瑟特科学有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US