sharp-聚合物和电容器制造技术

用于电容器的meta‑电介质膜包含具有电阻性外壳的复合分子、电阻性外壳内的可极化核心分子片段，该外壳由具有碳氢或碳氟化合物的烷基低聚单链或支链的低聚物构成。可极化核心具有通过核心分子片段的电子导电性或核心分子片段的离子部分的有限的流动性产生的电子或离子类型的可极化性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】sharp-聚合物和电容器要求优先权本专利申请要求于2016年2月12日提交的美国申请序列No.15/043,247的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本专利技术涉及一种电子电路的无源器件，更详细地说，涉及一种复合有机化合物和基于这种材料而用于储能的电容器。
技术介绍
电容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，在介电层出现电场。理想的电容器的特征在于一个单一的固定电容值，其是每个电极上的电荷与它们之间的电势差之比。为了高电压的应用，必须使用非常大的电容器。介电材料的一个重要特征是它的击穿电场。其对应于电场强度的值，此时该材料会发生灾难性故障，使电极之间导电。对于大多数电容器的几何形状，可以通过两个电极之间的电压除以电极之间的间距来近似电介质中的电场，其该间距通常是电介质层的厚度。由于厚度通常是恒定的，其更常见的是指击穿电压，而不是击穿电场强度。存在几个因素能够极大地降低击穿电压。特别地导电电极的几何形状是影响电容器应用中的击穿电压的重要因素。特别地，尖锐的边缘或尖端会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。电场的强度高到将介电材料的电子从原子中“拉”出，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介电常数。不同种类的介电材料被用于不同类型的电容，包括陶瓷、聚合物膜、纸质、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。一个重要的技术课题是提高介电常数，它使得提高体积能量密度。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的合成物获得非常高的介电常数ca.2.0*105(1kHz时)。以前研究了PANI含量对合成物的形态学上的、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、电气系数。SEM扫描电镜图显示出含有很多纳米级的PANI颗粒的高PANI含量(即20重量％)的合成物均匀分布在PAA矩阵中。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，有概率会进一步发展。在至少一个连续路径(途径)穿过形成于电容的电极之间的相邻的导电PANI颗粒时，会降低该电容的击穿电压。通过分散聚合作用而准备了聚(N-乙烯吡咯烷酮)[聚(1-乙烯基-2-吡咯烷酮)](poly(N-vinylpyrrolidone)[poly(1-vinylpyrrolidin-2-one)])。通过动态光散射确定了其平均颗粒大小为241±50nm(参见JaroslavStejskal以及IrinaSapurina，“Polyaniline:ThinFilmsandColloidalDispersions(IUPACTechnicalReport)”,PureandAppliedChemistry,Vol.77,No.5,pp.815–826(2005))。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在一维(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、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成块体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解作用，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。因此，基于合成物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。在RogerD.HartmanandHerbertA.Pohl,“大分子固体的超电极化(Hyper-electronicPolarizationinMacromolecularSolids)”，聚合物科学杂志(JournalofPolymerScience)：A-1部分Vol.6,pp.1135-1152(1968)中非常详细地记载了有机化合物的超电极化(Hyper-electronicpolarization)。超电极化被看作是由于具有激发子的电荷对的适应作用(pliantinteraction)而产生的电极化外场，其中电荷被分子化分离并且包含分子化限制区域。在本文章中研究了四聚并苯醌自由基聚合物。这些聚合物在100Hz时具有介电常数1800～2400，在100000Hz时减少为大约58～100。所述的材料生产方法的一个本质缺陷是为了测量介电常数而使用高压(高至20千巴)来形成样本。电容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，电容能够以非常高的能量密度即非常高的充电/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，现有的电容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来提供高容量、大能量储存密度、以及低成本的电容。
技术实现思路
本专利技术提供一种meta-电介质膜，包含具有电阻性外壳的复合分子、电阻性外壳内的可极化核心分子片段，该外壳由低聚物形成，该低聚物具有线性或支链的碳氢化合物(饱和或不饱和)、碳氟化合物、氯碳化合物、硅氧烯、和/或聚乙二醇的化合物，其中，可极化核心具有通过核心分子片段的电子导电性或核心分子片段的离子部分的有限的流动性产生的电子或离子类型的可极化性。在一个方面，上述复合有机化合物可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种sharp聚合物，其特征在于，具有极化性和电阻性，并具有以下的一般结构公式：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.12 US 15/043,2471.一种sharp聚合物，其特征在于，具有极化性和电阻性，并具有以下的一般结构公式：其中，核心是芳香族多环共轭分子，具有平面非等轴形状，通过π-π自组装而堆叠为柱状超分子，R1是使有上述机化合物溶解于溶剂的取代基，n是取代基R1的个数，等于0、1、2、3、4、5、6、7、或8，R2是位于端部的电阻性取代基，其提供对电流的电阻，包括线性或支链的碳氢化合物(饱和或不饱和)、碳氟化合物、硅氧烯、和/或聚乙二醇，R3和R4是位于侧部(终端和或弯曲位置)的取代基，包括形成用于离子液体的离子化合物类的一个或多个离子官能团，其通过连接官能团连接到芳香族多环共轭分子(核心)，其中，m是柱状超分子中的芳香族多环共轭分子的个数，其范围为3～100000。2.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，上述芳香族多环共轭分子(核心)包括萘嵌苯片段。3.根据权利要求2所述的sharp聚合物，其特征在于，上述萘嵌苯片段为结构1～21的一个。4.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，上述芳香族多环共轭分子为导电低聚物，为苯、噻吩、或聚并苯奎宁基低聚物、或它们的两个或更多的组合。5.根据权利要求4所述的sharp聚合物，其特征在于，上述导电低聚物是结构22～30中的任意一个，其中，I＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12，Z＝O、或S、或NR5，R5是非取代或取代的C1-C18烷基、非取代或取代的C2-C18烯基、非取代或取代的C2-C18炔基、非取代或取代的C4-C18芳基：6.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，用于sharp聚合物的溶解性(R1)的取代基为烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、支链和复合烷基、支链和复合氟化烷基、支链和复合氯化烷基中的任意一个、它们的任意组合，其中烷基为甲基、乙基、丙基、丁基、异丁基和叔丁基中的任意一个，芳基为苯基、苄基、萘基中的任意一个、或硅氧烯、和/或线性或支链的聚乙二醇。7.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，用于sharp聚合物的溶解性(R1)的取代基为CXQ2X+1，其中X≥1，Q是氢(H)、氟(F)、或氯(Cl)。8.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，溶剂为苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙酸、甲乙酮、烃、氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、苯、醇、硝基甲烷、乙腈、二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环、四氢呋喃(THF)、甲基环己烷(MCH)中的任意一个、以及它们的任意组合。9.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，至少一个电阻性取代基(R2)为烷基、芳基、取代烷基、取代芳基、氟化烷基、氯化烷基、支链和复合烷基、支链和复合氟化烷基、支链和复合氯化烷基中的任意一个、它们的任意组合，其中烷基为甲基、乙基、丙基、丁基、异丁基和叔丁基中的任意一个，芳基为苯基、苄基、萘基中的任意一个、或硅氧烯、和/或线性或支链的聚乙二醇。10.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，至少一个电阻性取代基(R2)为CXQ2X+1，其中X≥1，Q是氢(H)、氟(F)、或氯(Cl)。11.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，取代基R1和/或R2通过至少一个连接官能团连接到芳香族多环共轭分子(核心)。12.根据权利要求11所述的sharp聚合物，其特征在于，至少一个连接官能团为以下的结构31～41中的任意一个，其中W为氢(H)或烷基。13.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，取代基R3和/或R4通过至少一个连接官能团连接到芳香族多环共轭分子(核心)。14.根据权利要求13所述的sharp聚合物，其特征在于，至少一个连接官能团为CH2、CF2、SiR2O、CH2CH2O中的任意一个，其中R为H、烷基、氟中的任意一个。15.根据权利要求1所述的sharp聚合物，其特征在于，一个或多个离子官能团包括至少一个离子官能团，其为阳离子的[NR4]+、[PR4]+、作为阴离子的[-CO2]-、[-SO3]-、[-SR5]-、[-PO3R]-、[-PR5]-中的任意一个，其中R为H、烷基、氟中的任意一个。16.一种meta-电介质膜，其特征在于，包含具有电阻性外壳的复合分子、电阻性外壳内的可极化核心分子片段，该外壳由低聚物形成，该低聚物具有线性或支链的碳氢化合物(饱和或不饱和)、碳氟化合物、氯碳化合物、硅氧烯、和/或聚乙二醇的化合物，其中，可极化核心具有通过核心分子片段的电子导电性或核心分子片段的离子部分的有限的流动性产生的电子或离子类型的可极化性。17.一种meta-电容器...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·K·夏普，P·T·富路达，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