HEIN可电极化化合物及其电容器制造技术

一种具有以下通式(I)的可电极化化合物：芳族多环共轭分子核1自组装形成超分子结构；m个供体基团R1和m’个受体基团R1’与核1连接；m和m’＝0、1、2、3、4、5或6，但不能都为0；p＝0、1、2、3或4，取代基R2(一个或更多个离子基团)直接或经由连接基团与核1连接。片段NLE具有非线性极化效应。自组装导电低聚物核2的数目n可以为0、2或4；s＝0、1、2、3或4，离子基团R3与核2连接；k＝0、1、2、3、4、5、6、7或8，电阻取代基R4使所述超分子结构电绝缘。

Hein electropolarizable compounds and their capacitors

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】HEIN可电极化化合物及其电容器优先权要求本申请要求于2018年1月12日提交的美国专利申请第15/870,504号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。美国专利申请第15/870,504号是2016年4月4日提交的美国专利申请第15/090,509号、2016年5月24日提交的美国专利申请第15/163,595号和2017年11月20日提交的美国专利申请第15/818,474号的部分继续申请，其全部内容通过引用并入本文。
本公开一般地涉及电路的无源组件，并且更具体地涉及可电极化化合物和基于该材料并且旨在用于能量储存的电容器。
技术介绍
电容器是一种无源电子组件，其用于以静电场形式储存能量并且包括由介电层隔开的一对电极。当两个电极之间存在电势差时，在介电层中存在电场。理想电容器的特征在于单一的恒定电容值，电容是每个电极上的电荷相对于它们之间的电势差之比。对于高电压应用，需要大得多的电容器。介电材料的一个重要特性是其击穿场。击穿场对应于材料遭受毁灭性破坏并在电极之间导电时的电场强度的值。对于大多数电容器几何形状，电介质中的电场可以通过两个电极之间的电压除以电极之间的间距(通常是介电层的厚度)来估计。由于厚度通常是恒定的，因此更通常的是指击穿电压，而不是击穿场。有许多因素可以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的击穿电压的重要因素。特别地，尖锐的边缘或尖端极大地增加局部电场强度并可能导致局部击穿。一旦在任意点开始局部击穿，击穿将迅速“寻踪(trace)”穿过介电层直到其到达对面的电极并引起短路。介电层的击穿通常如下发生。电场强度变得足够高而将电子从介电材料的原子中“拉出”，并使它们将电流从一个电极传导至另一个电极。如在半导体器件中观察到的那样，电介质中杂质的存在或晶体结构的缺陷可能导致雪崩击穿。介电材料的另一个重要特性是其介电常数。电容器使用不同类型的介电材料，包括不同种类的陶瓷、聚合物膜、纸和电解电容器。最广泛使用的聚合物膜材料是聚丙烯和聚酯。提高介电常数允许提高体积能量密度，这使其成为一项重要的技术任务。由于有机分子具有优于无机晶体的优势，因此已经对其二阶非线性光学(NLO)效应进行了广泛研究。所研究的特性例如包括其大的光学非线性、超快响应速度、高损伤阈值和低吸收损耗等。特别地，具有优异光学特性的有机薄膜在集成光学器件(例如光学开关、数据处理和信息处理)中具有巨大的潜力。在有机NLO分子中，偶氮染料生色团由于因p电子云的离域导致的其相对大的分子超极化率(b)而引起了许多研究者的特别关注。在过去的十年中，它们最常作为客体并入聚合物基体中(宾主聚合物)或接枝到聚合物基体中(官能化聚合物)。RogerD.Hartman和HerbertA.Pohl，“Hyper-electronicPolarizationinMacromolecularSolids”，JournalofPolymerScience：A-1部分第6卷第1135至1152页(1968)中更详细地描述了有机化合物的超电子极化。超电子极化可以被视为由激子的电荷对的顺应性相互作用引起的电极化外场，其中电荷在分子上是分开的并且分布在分子限定的域内。在本文中，研究了四种多并苯醌自由基聚合物。这些聚合物在100Hz下的介电常数为1800至2400，在100000Hz下减小至约58至100。所描述的材料生产方法的主要缺点是使用高压(高达20千巴)来形成旨在用于测量介电常数的样品。
技术实现思路
本公开提供了具有以下通式(I)的可电极化化合物：核1为具有二维平面形式的芳族多环共轭分子并且自组装成超分子结构。R1为与所述芳族多环共轭分子(核1)连接的电子供体基团，以及R1’为与所述芳族多环共轭分子(核1)连接的电子受体基团，m为受体基团R1的数目，m’为供体基团R’的数目，m和m’等于0、1、2、3、4、5或6，其中m和m’不都等于0，R2为直接或经由连接基团与所述芳族多环共轭分子(核1)连接的包含来自离子液体中使用的一类离子化合物中的一个或更多个离子基团的取代基，p为离子基团R2的数目，其等于0、1、2、3或4。包含核1与至少一个基团R1和/或R1’的标记为NLE的片段具有非线性极化效应。核2为导电低聚物，导电低聚物的数目n等于0、2或4。R3为直接或经由连接基团与导电低聚物(核2)连接的包含来自离子液体中使用的一类离子化合物中的一个或更多个离子基团的取代基，s为离子基团R3的数目，其等于0、1、2、3或4。R4为直接或经由连接基团与所述芳族多环共轭分子(核1)连接和/或与所述导电低聚物(核2)连接的电阻取代基。电阻取代基R4提供有机化合物在溶剂中的溶解性并使超分子结构彼此电绝缘。参数k为取代基R4的数目，其等于1、2、3、4、5、6、7或8。在一个方面中，本公开提供了包含有机溶剂和至少一种所公开的可电极化化合物的溶液。在另一个方面中，本公开提供了包含如上公开的可电极化化合物的混合物的晶体meta介电层(metadielectriclayer)。包含芳族多环共轭分子与至少一个基团R1的非线性可极化片段位于由电阻取代基R4(其提供有机化合物在溶剂中的溶解性并使超分子结构如超分子柱彼此电绝缘)形成的电阻介电封套(envelope)中。在又一个方面中，本公开提供了一种meta-电容器(meta-capacitor)，其包括两个金属电极，所述两个金属电极彼此平行设置并且可以是卷绕的或平坦且平面的；以及在所述电极之间的所述meta介电层，其中所述meta介电层包含一种或更多种类型所公开的可电极化化合物。包含芳族多环共轭分子与至少一个基团R1的非线性可极化片段、具有电子型和/或离子型极化性的导电低聚物和离子基团位于由电阻取代基(其提供有机化合物在溶剂中的溶解性并使超分子结构彼此电绝缘)形成的电阻介电封套中。通过引用并入本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请都通过引用以如同各个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指明通过引用并入本文一样的相同程度并入本文。附图说明图1A示意性地示出了根据本公开的一个方面的具有平坦且平面的电极的电容器。图1B示意性地示出了根据本公开的另一个方面的具有卷绕(圆形)电极的电容器。图2示出了这样的化学式，其示出可以包含在根据本公开的方面的Hein可电极化化合物中的被称为萘嵌苯片段的结构的可能变型。具体实施方式虽然在本文中已经示出和描述了本专利技术的多个实施方案，但是对本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方案仅以实例的方式提供。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化、改变和替换。应理解，可以采用本文描述的本专利技术实施方案的多种替代方案。本公开提供了可电极化化合物。芳族多环共轭分子(核l)中亲电子基团(受体)和亲核基团(供体)的存在促使共轭分子中电子密度的不均匀分布：一个地方中(供体区中)电子过剩而另一个地方中(受体区中)电子短缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有以下通式(I)的可电极化化合物：/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171120 US 15/818,474;20180112 US 15/870,5041.一种具有以下通式(I)的可电极化化合物：



其中核1为具有二维平面形式超分子结构的芳族多环共轭分子，R1为与所述芳族多环共轭分子(核1)连接的电子供体基团以及R1’为与所述芳族多环共轭分子(核1)连接的电子受体基团，m为受体基团R1的数目，m’为供体基团R’的数目，m和m’等于0、1、2、3、4、5或6，其中m和m’不同时等于0，R2为直接或经由连接基团而与所述芳族多环共轭分子(核1)连接的包含来自离子液体中使用的一类离子化合物中的一个或更多个离子基团的取代基，p为离子基团R2的数目，其等于0、1、2、3或4；
其中包含核1与至少一个基团R1和/或R1’的标记为NLE的片段具有非线性极化效应，
其中核2为导电低聚物，n为所述导电低聚物的数目，其等于0至4的整数，R3为直接或经由连接基团而与所述导电低聚物(核2)连接的包含来自离子液体中使用的一类离子化合物中的一个或更多个离子基团的取代基，s为所述离子基团R3的数目，其等于0、1、2、3或4；
其中R4为直接或经由连接基团而与所述芳族多环共轭分子(核1)连接和/或与所述导电低聚物(核2)连接的电阻取代基，k为取代基R4的数目，其等于1、2、3、4、5、6、7或8。


2.根据权利要求1所述的可电极化化合物，其中所述芳族多环共轭分子(核1)包含一个或更多个萘嵌苯片段。


3.根据权利要求2所述的可电极化化合物，其中所述一个或更多个萘嵌苯片段结合有一个或更多个苯基、和/或一个或更多个萘基、和/或一个或更多个蒽基。


4.根据权利要求2所述的可电极化化合物，其中所述萘嵌苯片段选自结构1至17：









其中n为0至3的整数。


5.根据权利要求1所述的可电极化化合物，其中所述受体基团(R1’)选自-NO2、-NH3+和-NR3+(季氮盐)、抗衡离子Cl-或Br-、-CHO(醛)、-CRO(酮基)、-SO3H(磺酸)、-SO3R(磺酸酯)、-SO2NH2、-SO2NHR、-SO2NR2(磺酰胺)、-COOH(羧酸)、-COOR(酯，从羧酸侧)、-CONH2、-CONHR、-CONR2(酰胺，从羧酸侧)、-CF3、-CCl3、-CN、-C(CN)2，其中R为选自包括下列的基团：烷基(甲基、乙基、异丙基、叔丁基、新戊基、环己基等)、烯丙基(-CH2-CH＝CH2)、苄基(-CH2C6H5)、苯基(+经取代的苯基)和其他芳基(芳族基团)、SO2CN、COCF3。


6.根据权利要求1所述的可电极化化合物，其中所述供体基团(R1)选自-O-(酚盐，如-ONa或-OK)、-NH2、-NHR、-NR2、-NRR’(胺)、-OH、-OR(醚)、-NHCOR(酰胺，从胺侧)、-OCOR(酯，从醇侧)、烷基、-C6H5、乙烯基，其中R和R’为独立地选自包括下列的基团：烷基(甲基、乙基、异丙基、叔丁基、新戊基、环己基等)、烯丙基(-CH2-CH＝CH2)、苄基(-CH2C6H5)、苯基(+经取代的苯基)和其他芳基(芳族基团)。


7.根据权利要求1所述的可电极化化合物，其中所述连接基团选自包括以下的列表：CH2、CF2、SiR2O、CH...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕维尔·拉扎列夫，塞缪尔·海涅，卡里纳·埃德，
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