储能分子材料、结晶电介质层和电容器制造技术

本发明专利技术提供一种储能分子材料、结晶电介质层、以及电容器，其能够解决与一些储能器件相关联的进一步提高储存能量的体积和质量密度的问题，同时降低材料的成本。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】储能分子材料、结晶电介质层和电容器
技术介绍
电容器是用于以静电场的形式储存能量的无源电子部件，并且包括由电介质层隔开的一对电极。当在两个电极之间存在电位差时，在电介质层中存在电场。理想的电容器的特征在于其电容值的单一恒定值。其是每个电极上的电荷与它们之间的电位差的比值。实际上，位于电极之间的电介质层能够传递少量的漏电流。电极和引线引入等效的串联电阻，并且电介质层对导致击穿电压的电场强度有限制。最简单的储能器件由介电常数为ε的电介质层隔开的两个平行的电极组成，每个电极具有面积S并且彼此隔开距离d地设置。电极被认为均匀地在区域S上延伸，并且表面电荷密度可以由下式表示：±ρ＝±Q/S。由于电极的宽度比间隔(距离)d大得多，电容器中心附近的电场均匀地为幅度E＝ρ/ε。电压被定义为电极之间的电场的线积分。理想的电容器的特征在于由公式(1)定义的恒定电容C，C＝Q/V(1)这表明电容随着面积而增加，随着距离减小。因此，由高介电常数的材料制成的器件的电容最大。被称为击穿强度Ebd的特征电场是使电容器中的电介质层变为导电性的电场。发生这种情况时的电压被称为器件的击穿电压，由介电强度和电极之间的间隔的乘积给出，Vbd＝Ebdd(2)存储在电容器中的最大体积能量密度被与～ε×E2bd成比例的值所限制，其中ε是介电常数，Ebd是击穿强度。因此，为了增加电容器的存储能量，需要增加电介质的介电常数ε和击穿介电强度Ebd。通常在电场的强度变得足够高使得电子从储能分子材料的原子中释放出来并使它们从一个电极传导到另一个电极时，产生电介质层的击穿。储能分子材料中的杂质的存在或结晶电介质层的缺陷可能导致如在电容器中观察到的雪崩击穿。储能分子材料的其他重要特征是其介电常数。不同类型的储能分子材料被用于电容器，包括不同种类的陶瓷、聚合物膜、纸和电解质电容器。最广泛使用的薄膜材料是聚丙烯和聚酯。介电常数的增加能够提高体积能量密度，这使其成为重要的技术任务。用掺杂了磺化十二烷基苯(DBSA)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合成物，PANI-DBSA/PAA(参见Chao-HsienHoa等，“Highdielectricconstantpolyaniline/poly(acrylicacid)compositespreparedbyinsitupolymerization”，SyntheticMetals158(2008),pp.630–637)。水溶性PAA被用作聚合物稳定剂，保护PANI颗粒不会宏观聚集。含有30重量％的PANI的复合材料得到了2.0×105(在1kHz下)的非常高的介电常数。研究了PANI含量对复合材料的形态、电介质和电学性能的影响。在0.5kHz至10MHz的频率范围内分析了介电常数、介电损耗、损耗角正切和电模量的频率依赖关系。SEM显微照相显示，具有高PANI含量(即20重量％)的复合材料由均匀分布在PAA基质内的许多纳米级PANI颗粒组成。高介电常数归因于PANI颗粒的小电容的总和。这种材料的缺点是可能发生渗透并在电场下形成至少一个连续导电路径，而这种状况的概率随着电场的增加而增加。当在电容器的电极之间形成通过相邻的导电PANI颗粒的至少一个连续路径(轨道)时，会使得这种电容器的击穿电压变得相对较低。通过一种简单的基于溶解的自组装方法来制造掺杂了苯胺低聚物的单晶体(参见YueWang等，“MorphologicalandDimensionalControlviaHierarchicalAssemblyofDopedOligoanilineSingleCrystals”，J.Am.Chem.Soc.2012,134,pp.9251-9262)。详细的机械学研究表明通过“自底向上”的分层组装，能够产生不同形态和维度的晶体，由此一维(1-D)的纳米纤维那样的结构能够聚合为更高等级的结构。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、渗透网、空心球、绞线圈。与基于形状的结晶度那样的所关注的结构性能关系一样，这些纳米级的晶体与它们的体材料(bulkcounterparts)相比显示出较强的导电性。进而，专业研究表明通过监控分子溶剂作用，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能够提供一种对有机材料的形状和大小的控制的普通方法。电容器作为储能器件相对于电化学储能器件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能量密度即充电/放电速率来储存能量，具有长生命期而很少退化，并且能够充电和放电(周期性)数十万乃至数百万次。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，使得电容并不适合于一些应用，例如电动汽车。因此，需要一种能量储存技术的改进，使得相对于单位体积和/或质量而更密集地储存能量。本专利技术的各方面所要解决的问题是：进一步提高储能器件的容量和所储存的能量的质量密度，同时降低材料和制造工序的成本。
技术实现思路
本专利技术提供一种储能分子材料、结晶电介质层和电容器，其能够解决与一些储能器件相关联的进一步提高储存能量的体积和质量密度的问题，同时降低材料的成本。储能分子材料是具有分子结构的分子量较低的结晶电介质材料。其他电介质材料，例如聚合物也是分子，但其特征在于分子量的分布。一方面，本专利技术提供一种具有以下一般分子结构式的储能分子材料：其中，Cor是主要为平面的多环分子系统，其通过π-π相互作用形成柱状超分子堆叠，P是提供极化的极化性单元，I是高击穿绝缘取代基(high-breakdowninsulatingsubstituentgroup)，n是1、2、3、4、5、6、7或8，m为1、2、3、4、5、6、7或8。另一方面，本专利技术提供一种具有以下一般分子结构式的储能分子材料：其中D-moiety(D-部分)是通过π-π相互作用形成柱状超分子堆叠的极化性单元，I是高击穿绝缘取代基，m是1、2、3、4、5、6、7或8。另一方面，本专利技术提供一种包含所述的储能分子材料的结晶电介质层。另一方面，本专利技术提供一种电容器，包括第一电极、第二电极和设置在所述第一和第二电极之间的结晶电介质层。电极是平坦且平面并且彼此平行的。结晶电介质层包括所述的储能分子材料。交叉引用在此通过参考同样地合并本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请，犹如每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地引用。附图说明图1是表示基于本专利技术的一个方面的电容器的示意图。具体实施方式尽管在本文中已经示出和描述了本专利技术的各个方面，但是对于本领域技术人员显而易见的是，仅以示例的方式提供这些方面。在不脱离本专利技术的情况下，本领域技术人员可以想到许多变更、变化和替换。应当理解为能够采用本文描述的各方面的各种替代方案。本专利技术提供一种储能分子材料。根据本专利技术的一个方面，储能分子材料包含执行不同(各种)功能的三个组分。主要为平面的多环分子系统(Cors)使得储能分子材料具有形成超分子的能力。进而，超分子使得形成结晶电介质层的晶体结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种储能分子材料，其特征在于，具有以下通式分子结构式：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.21 US 14/719,0721.一种储能分子材料，其特征在于，具有以下通式分子结构式：其中Cor是主要为平面的多环分子系统，其通过π-π-相互作用形成柱状超分子堆叠，P是极化性单元，I是高击穿绝缘取代基，n是1、2、3、4、5、6、7或8，m为1、2、3、4、5、6、7或8。2.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述平面多环分子系统包含具有选自以下结构1～6的通式结构式的四环大环片段，其中M表示金属原子或两个质子(2H)。3.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述平面多环分子系统包含选自三萜烯、十碳环烯、二苯并芘、六苯并菲、1.2,3.4,5.6,7.8-四-(亚萘基)-蒽、二苯并三苯、四苯并庚烯、过苝、六苯并己烯的平面稠合多环烃，并具有选自以下结构7～17的通式结构式。4.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述平面多环分子系统包含具有选自以下结构18～25的通式结构式的六苯并苯片段。5.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述极化性单元包含具有选自以下结构26～32的通式结构式的导电低聚物，其中X＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12。6.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述极化性单元包含具有选自以下结构33～53的通式结构式的萘嵌苯片段。7.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述极化性单元选自掺杂的低聚苯胺和对低聚亚苯基。8.根据权利要求7所述的储能分子材料，其特征在于，所述掺杂的低聚苯胺是在苯胺苯环上具有SO3-基团或COO-基团的自掺杂的低聚苯胺。9.根据权利要求7所述的储能分子材料，其特征在于，所述掺杂的低聚苯胺通过酸性化合物而混合掺杂，所述酸性化合物选自烷基-SO3H酸或烷基-COOH而以氧化态与低聚苯胺混合。10.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述高击穿绝缘取代基中的至少一个独立地选自–(CH2)n–CH3、–CH((CH2)nCH3)2)(其中n＝1……50)、烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、支链烷基、支链芳基及其任何组合，其中，烷基选自甲基、乙基、丙基、丁基、异丁基和叔丁基，芳基选自苯基、苄基和萘基。11.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，还包含选自以下结构33～42的至少一个连接单元，其将主要为平面的多环分子系统(Cor)与极化性单元(P)连接起来。12.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，所述主要为平面的多环分子系统(Cor)是以下的二萘嵌苯，其包含通过连接单元(L)连接到二萘嵌苯结构的间位的极化性单元(P)，其中s等于0、1、2、3、4、5或6。13.根据权利要求1所述的储能分子材料，其特征在于，主要为平面的多环分子系统(Cor)可以是以下的二萘嵌苯，其包含通过连接单元(L)连接到二萘嵌苯结构的顶位的极化性单元(P)，其中s等于0、1、2、3、4、5或6。14.根据权利要求1所述的储能分子...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·I·拉扎列夫，
申请(专利权)人：电容器科学股份公司，
类型：发明
国别省市：美国,US