高電壓高功率儲(chǔ)能器件、系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高電壓高功率儲(chǔ)能器件、系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)方法。提供了一種具有提高的操作電壓的高功率密度儲(chǔ)能器件。這種器件可包括在導(dǎo)電襯底上具有結(jié)構(gòu)化表面的陰極，被定位成與該陰極鄰近的陽極，其中該陽極包括具有結(jié)構(gòu)化表面的硅襯底，以及其中該陰極的結(jié)構(gòu)化表面被定向成朝向該陽極的結(jié)構(gòu)化表面。該器件還包括施加到陽極的結(jié)構(gòu)化表面的介電材料，施加到陰極的結(jié)構(gòu)化表面的導(dǎo)電材料或者贗電容材料；以及設(shè)置在陰極和陽極之間的電解質(zhì)。
【專利說明】高電壓高功率儲(chǔ)能器件、系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)方法

【背景技術(shù)】
[0001]從具有高電壓和高功率能力的儲(chǔ)能容量中受益的新興系統(tǒng)通常采用電容器型器件，例如常規(guī)電化學(xué)電容器或者具有基于電解器件的混合形式的電容器。電容器可廣泛用于從電路和功率輸送到電壓調(diào)節(jié)和電池更換變動(dòng)的應(yīng)用。電容性器件可存儲(chǔ)的總能量可由該器件的有效表面面積、間隔的距離以及其在所累積的電荷之間的電容率，以及空間的電壓的平方來確定。
[0002]隨著電容器技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出幾種類型。作為一個(gè)例子，電雙層電容器(EDLC)，也稱作超級(jí)電容器，其特征在于高儲(chǔ)能和功率密度，尺寸小，并且重量低，并且因此在各種應(yīng)用中的使用中成為有力競爭者。然而，常規(guī)的EDLC趨向于具有僅幾伏的大大限制的適用電壓。另一方面，常規(guī)的電解電容操作于高電壓(多達(dá)幾百伏)，但是由于表面面積有限所以導(dǎo)致能量容量較低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的儲(chǔ)能器件的一部分的示意圖；
[0004]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硅襯底的結(jié)構(gòu)化表面的一部分的示意圖；
[0005]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的儲(chǔ)能器件的一部分的示意圖；
[0006]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括儲(chǔ)能器件的單片器件的示意圖；以及
[0007]圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的增加儲(chǔ)能器件的操作電壓和儲(chǔ)能容量的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0008]為了說明的目的，盡管下面的詳細(xì)說明中包含了許多詳情，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該清楚可以對(duì)下面細(xì)節(jié)做出許多改變或替換并且這些改變或替換可視為包括在本文中。
[0009]因此，沒有所闡述的任何權(quán)利要求的一般性的任何損失，并且沒有對(duì)所闡述的權(quán)利要求施加任何限制的情況下來闡述下面的實(shí)施例。還應(yīng)該理解的是，本文中所使用的術(shù)語的目的僅在于描述特定的實(shí)施例，并不旨在進(jìn)行限制。除非另有定義，否則本文中所使用的所有技術(shù)和科技術(shù)語具有本發(fā)明所屬的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所通常理解的相同含義。
[0010]如該說明書和所附權(quán)利要求使用的那樣，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括多個(gè)指示對(duì)象，除非上下文明確地另有說明。因此，例如“一層”的參考包括了多個(gè)這樣的層。
[0011]在本說明書中，“包括”，“包含”以及“具有”等等在美國專利法中具有將其授予給它們的含義，并且意味著“包括”，并且通常解釋為開放式術(shù)語。術(shù)語“由……構(gòu)成”或者“由……組成”是封閉式術(shù)語，并且僅包括與這樣的術(shù)語結(jié)合所具體列出的部件、結(jié)構(gòu)、步驟等等，其也是根據(jù)美國專利法得出的?！盎居伞瓨?gòu)成”或者“主要由……構(gòu)成”具有由美國專利法授予給它們的含義。特別是，這種術(shù)語通常是封閉式術(shù)語，除非允許包含其他的項(xiàng)目、材料、部件、步驟或者元件，其并未在實(shí)質(zhì)上影響與之結(jié)合使用的(一個(gè)或多個(gè))項(xiàng)目的基本和新穎的特性或功能。例如，存在于成分中但是不影響成分性質(zhì)或特性的微量元素如果出現(xiàn)在“主要由……構(gòu)成”的語境下，將是可允許的，即使并沒有明確記載于遵循這種術(shù)語的項(xiàng)目列表中。當(dāng)使用開放式術(shù)語，例如“包括”或者“包含”時(shí)，應(yīng)該理解的是，應(yīng)該也給予對(duì)“主要由……構(gòu)成”的語言和“由……構(gòu)成”語言的直接支持，如同已明確陳述。
[0012]說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等，如果存在的話，用于在類似的元件之間進(jìn)行區(qū)分，并不一定用于描述特定的順序或者按時(shí)間次序。應(yīng)該理解的是，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)那闆r下是可以互換的，以使得例如本文中所描述的實(shí)施例能夠以在本文中說明或以其他方式示出的那些不同的順序進(jìn)行操作。類似地，如果本文中將一種方法描述為包括一系列的步驟，這些步驟在本文中出現(xiàn)的次序并不一定這些步驟必須被執(zhí)行的唯一次序，并且某些所述的步驟可以省略，和/或本文中未描述的某些其他步驟可以添加到該方法中。
[0013]說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“之上”、“下面”
等等，如果存在的話，用于說明的目的，并且不一定用于描述永久的相對(duì)位置。應(yīng)該理解的是，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)那闆r下是可以互換的，以使得本文中所描述的實(shí)施例能夠以在本文中說明或以其他方式示出的那些不同的定向進(jìn)行操作。術(shù)語“耦合”，如本文所述，被定義為以電氣或非電氣方式直接或間接連接。本文中被描述為彼此“鄰近”的對(duì)象，根據(jù)該短語被使用的上下文，可以彼此物理接觸，彼此很靠近，或者彼此在相同的整體區(qū)域或面積上。本文中的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”，或者“在一個(gè)方面”并不必全部表示相同的實(shí)施例或者方面。
[0014]如本文所用，術(shù)語“基本上”表示動(dòng)作、特征、特性、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、項(xiàng)目或者結(jié)果全部或者幾乎全部的范圍或程度。例如，“基本上”被封閉的物體可表示為該物體或者被完全封閉或者幾乎完全封閉。與絕對(duì)完全性的確切可允許的偏差程度在某些情況下取決于特定的情景。然而，總的來說，完全的接近度將會(huì)具有如同獲得絕對(duì)和全部完全相同的總體結(jié)果。在否定使用時(shí)“基本上”的使用同樣適用于表示動(dòng)作、特征、特性、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、項(xiàng)目或者結(jié)果的完全缺少或者接近完全缺少。例如，“基本上沒有”顆粒的組分或者是完全缺少顆粒，或者是接近完全缺少顆粒從而使得其效果將與完全缺少顆粒相同。換句話說，“基本上沒有”成分或元素的組分仍然可實(shí)際包含這種項(xiàng)目，只要不存在其可測量效果即可。
[0015]如本文中所使用的那樣，術(shù)語“大約”用于通過假定給定值可以“略高于”或者“略低于”端點(diǎn)而提供了數(shù)值范圍端點(diǎn)的靈活性。
[0016]如本文中所使用的那樣，為方便起見，多個(gè)項(xiàng)目、結(jié)構(gòu)元件、組成元素和/或材料可在公共列表中呈現(xiàn)。然而，這些列表應(yīng)該構(gòu)建成如同該列表的每個(gè)成員單獨(dú)被識(shí)別為獨(dú)立并且唯一的成員。因此，這種列表的單獨(dú)成員不應(yīng)該依據(jù)它們?cè)谙嗤M中的出現(xiàn)且沒有相反指示而被解釋為相同列表的任何其他成員的法律上的等效。
[0017]濃度、量、以及其他數(shù)值數(shù)據(jù)在本文中可以以范圍的格式表達(dá)或者表示。應(yīng)該理解的是，這種范圍格式僅僅為了方便和簡便起見而使用，因此應(yīng)該靈活解釋為不僅包括該范圍的界限所明確記載的數(shù)值，而且還包括該范圍內(nèi)所包含的所有單獨(dú)數(shù)值或者子范圍，就像每個(gè)數(shù)值和子范圍被明確記載。作為例示，數(shù)值范圍“約I到約5”應(yīng)該解釋為不僅包括明確記載的值約I到約5，而且還包括所指示范圍內(nèi)的單獨(dú)值和子范圍。因此，包括在這個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)的是諸如2、3、4的單獨(dú)值以及諸如從I到3，從2到4以及從3到5等的子范圍等等，以及單獨(dú)的1、2、3、4、5。
[0018]這種相同的原理適用于僅記載一個(gè)數(shù)值作為最小或最大值的范圍上。此外，這種解釋應(yīng)該適用，而不管所描述的范圍或者特性的寬度。
[0019]貫穿本說明書中的對(duì)“示例”的引用意味著與該示例結(jié)合所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，貫穿本說明書的各個(gè)位置中短語“在一個(gè)示例中”的出現(xiàn)并不一定全都指代相同的實(shí)施例。
[0020]
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面提供了技術(shù)實(shí)施例的初始概述，并且然后進(jìn)一步詳細(xì)描述了特定的技術(shù)實(shí)施例。這種初始概述旨在幫助讀者更快速地理解該技術(shù)，并且不旨在確定該技術(shù)的關(guān)鍵的或者基本的特征，并且它也不旨在限制所要求主題的范圍。
[0022]電雙層電容器(EDLC)的電壓范圍和能量容量能夠通過將高k高擊穿介電層結(jié)合到陽極側(cè)由此引入與該電容器的雙層串聯(lián)的另一高壓電容器而提高。在一個(gè)方面中，例如，類電解質(zhì)電容器可通過施加介電層到諸如硅的襯底的結(jié)構(gòu)化表面而形成，并且具有比得上常規(guī)EDLC的大的表面面積。這種結(jié)構(gòu)化表面可以具有納米到微米范圍的表面特征。整個(gè)器件電壓可以由(陽極側(cè)上的)所選擇的介電層厚度來確定，其與介電層的擊穿電壓相關(guān)。與金屬-絕緣體-金屬(MM)電容器不同，介電應(yīng)力更加均勻，并且可經(jīng)受更高的場強(qiáng)，這是因?yàn)殡娙萜麟娊赓|(zhì)繼續(xù)初始形成電極的愈合工作，根據(jù)需要局部修復(fù)和加厚介電材料。該愈合過程由介電層中的針孔及其他缺陷處的電容器的直流泄漏電流來驅(qū)動(dòng)，其在每當(dāng)直流電壓被施加到電容器時(shí)(即，每當(dāng)電容器在工作時(shí))引出。即使對(duì)于沉積在多孔結(jié)構(gòu)上的非常薄的介電材料，擊穿電壓也高于具有類似介電層和相關(guān)厚度的對(duì)應(yīng)的MIM結(jié)構(gòu)的。這主要是因?yàn)檫@樣的事實(shí):不同于MIM，在任一側(cè)上沒有累積實(shí)際的電子電荷。這有效消除了至少大部分隧道電子，并且也因此提高了介電擊穿電壓的開始(即，提高了其閾值)。
[0023]因此，通過選擇介電常數(shù)值高于電解質(zhì)的合適材料，可以提高整個(gè)器件的操作電壓和儲(chǔ)能容量，在某些情況下，與對(duì)于陽極和陰極二者采用相同孔結(jié)構(gòu)和相同導(dǎo)電涂覆厚度的常規(guī)多孔硅電化學(xué)電容器相比，提高了至少33%。通過進(jìn)一步增加介電厚度，可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓；然而，由于作為厚膜沉積所需要的與較大微硅結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的較低有效表面面積的結(jié)果，整體電容減小，因而能量容量不能同時(shí)提高。為了進(jìn)一步澄清，操作電壓的增加可能由于以下事實(shí)，大部分電壓降在介電層兩端，從而使得器件的總電壓高于電解質(zhì)的電化學(xué)窗口。根據(jù)這種設(shè)計(jì)所存儲(chǔ)的能量可以比用于高電壓高功率操作的許多廣泛使用的常規(guī)電解質(zhì)電容器高多個(gè)量級(jí)。
[0024]因此，在如圖1所示的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種具有提高的操作電壓的高功率密度的儲(chǔ)能器件。這種器件可包括在導(dǎo)電襯底106上具有結(jié)構(gòu)化表面104的陰極102，以及定位成與陰極102鄰近的陽極108。陽極108包括具有結(jié)構(gòu)化表面112的硅襯底110，其中陽極108的結(jié)構(gòu)化表面112被定向成朝向陰極102的結(jié)構(gòu)化表面104，從而在其間形成空間或區(qū)域120。此外，介電材料114被施加到陽極108的結(jié)構(gòu)化表面112，并且導(dǎo)電材料116 (或者贗電容材料)被施加到陰極102的結(jié)構(gòu)化表面104。此外，電解質(zhì)被沉積到陰極102和陽極108之間的空間或區(qū)域120中。圖2示出了具有硅襯底202的陽極的特寫部分，該硅襯底202具有結(jié)構(gòu)化表面204。介電材料206被涂覆到硅襯底202的結(jié)構(gòu)化表面204。
[0025]在構(gòu)造陽極時(shí)所用的硅襯底材料可以是任何類型的硅或者能在儲(chǔ)能器件中使用的復(fù)合硅材料。例如，硅可以是單晶、多晶、非晶、多孔等等。此外，可根據(jù)器件的設(shè)計(jì)來對(duì)娃材料摻雜或者不摻雜?？擅子脫诫s來改變娃材料的各種性質(zhì)，包括電氣和機(jī)械性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，娃材料可以是多孔娃材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，娃材料可以是導(dǎo)電多孔娃材料。
[0026]此外，在其中熱管理可能成為問題的某些高功率方面，可使用結(jié)構(gòu)化硅表面作為模板，并且硅能夠充當(dāng)犧牲層，以形成導(dǎo)熱性質(zhì)良好的金屬材料的結(jié)構(gòu)化表而。這種金屬表面因此對(duì)于后續(xù)的電極制造具有高的表面面積。然后可通過涂覆具有高擊穿材料的結(jié)構(gòu)化金屬表面來形成陽極，該高擊穿材料例如高擊穿氧化物。作為一個(gè)非限定性的示例，諸如Ta、Al和/或Nb的元素可直接陽極化到該結(jié)構(gòu)化金屬表面上。作為另一示例，可使用燒結(jié)來形成采用金屬氧化物顆粒的介電層。
[0027]結(jié)構(gòu)化表面可被定義為任何表面修正，其增加了其上執(zhí)行這種修正的材料的表面面積。在某些方面，具有結(jié)構(gòu)化表面的硅襯底與缺少這種表面結(jié)構(gòu)化的襯底相比，具有高得多的表面面積。應(yīng)該注意到，增加硅襯底表面面積的到任何程度的任何類型的結(jié)構(gòu)化被視為落入到當(dāng)前的范圍內(nèi)。在某些情況下，結(jié)構(gòu)化表面可包括增加材料表面面積的不同的表面特征。盡管這樣的表面特征可以是對(duì)電容器或超級(jí)電容器器件的使用有益的任何尺寸，但是在一方面中，表面特征可以具有約10納米到約100微米的平均尺寸。在另一個(gè)方面，表面特征可以具有從約10納米到約300納米的平均尺寸。在又一方面中，表面特征可以具有約10納米到約80納米的平均尺寸。表面特征類型的非限制性示例包括柱、管、溝槽、圓錐、棱錐、壁、孔、海綿等等，包括其合適的組合。應(yīng)該注意到，給定表面特征的平均尺寸的測量可依據(jù)該特征而改變。例如，諸如柱、管、圓錐和棱錐之類的垂直定向的表面特征可從該特征的底部到頂峰測量。另一方面，對(duì)于孔，平均尺寸可測量為該孔的平均直徑，而溝槽可以測量為溝槽寬度。在某些方面，該結(jié)構(gòu)化材料可以具有從約30納米到約300納米的孔尺寸。注意，以上也適用于除硅以外的其他材料上的結(jié)構(gòu)化表面，諸如，例如，陰極的結(jié)構(gòu)化表面。
[0028]此外，通過任何已知的方法來形成結(jié)構(gòu)化表面，并且任何的這種方法被視為在當(dāng)前的范圍內(nèi)。自然而然，被形成的表面類型可以指示用于形成這種材料的技術(shù)。例如，在某些方面，表面結(jié)構(gòu)可通過諸如陽極化、包括光刻的MEMS處理、化學(xué)蝕刻等等之類的技術(shù)以及其他已知的方法來形成。此外，通過改變結(jié)構(gòu)化表面的三維特性，以及介電材料的厚度，可將結(jié)果所得的器件優(yōu)化成實(shí)現(xiàn)更高的能量容量。
[0029]在儲(chǔ)能器件設(shè)計(jì)中的材料選擇可依賴于結(jié)果所得器件的期望參數(shù)而極大地改變。關(guān)于介電材料，例如，在構(gòu)造陽極時(shí)有用的任何材料可以被視為在當(dāng)前的范圍內(nèi)。在一個(gè)方面，例如，介電材料可以是高擊穿高K氧化膜。這種介電材料的非限制性示例可包括Si02、Ta205、Nb205、A1203、Ti02、Hf02, HfS1x, HfAlOx、VOx, SrTi03、(Ba, Sr)Ti03、LiNb03、Bi2Ti203等等，并包括其合適的組合。此外，在某些方面，介電材料可以是鈣鈦礦氧化物。用于形成這些材料的一種技術(shù)可包括沉積前體材料(例如，Ta、Nb、Al等)到結(jié)構(gòu)化表面上，以及通過例如陽極化之類的任何已知知工藝將該前體材料轉(zhuǎn)化成期望的氧化物。在某些方面，介電材料可以施加為結(jié)構(gòu)化表面的涂層。在其他方面，介電材料可以是顆粒材料。在一個(gè)方面，介電材料的厚度可以從約20納米到約2微米。此外，還可考慮采用諸如退火之類的后熱處理來改進(jìn)介電材料的穩(wěn)定性和物理特性。
[0030]在一個(gè)方面，介電材料可包括呈極性的氧化物電介質(zhì)。與傳統(tǒng)的靜電電容器相比，采用這種介電材料制成的電解質(zhì)電容器還可以是呈極性的。這種情況下，電容器應(yīng)該根據(jù)正確極性來連接以正確地工作。
[0031]可采用各種技術(shù)來形成介電材料，并且能夠在結(jié)構(gòu)化硅表面上沉積這種材料的任何已知方法被視為在當(dāng)前的范圍內(nèi)。例如，可通過各種非限定性的方法來沉積介電材料，包括CVD、PVD、ALD生長、超臨界流生長、水熱法生長等等。此外，可通過諸如溶液澆鑄、電泳法、燒結(jié)等等之類的方法將介電顆粒材料沉積到結(jié)構(gòu)化硅上。
[0032]陰極可以用多種導(dǎo)電材料制成，如果這樣的材料能夠使用在本公開的電容器器件中，這樣的材料的通用示例包括，但不局限于，導(dǎo)電聚合物、金屬、金屬合金、金屬泡沫、碳基材料，諸如硅、碳化硅之類的導(dǎo)電半導(dǎo)體，以及其組合。注意，在某些情況下，非導(dǎo)電材料可通過摻雜或者與金屬或者其他導(dǎo)電顆?；旌隙瞥蔀閷?dǎo)電的。在其他方面，沉積在導(dǎo)電襯底上的贗電容材料(例如，Ru02、Mn02、V205、Ni0x、Co0x等等，其中，x為正整數(shù))可以形成有效的陰極，并且可設(shè)計(jì)成調(diào)節(jié)并且優(yōu)化整個(gè)器件電壓和容量。在某些情況下，可通過采用 ALD (TiNx, TixAlyNz, VNx, NbNx, MoNx, TiCx, ZrCx, HfCx, VCx, NbCx, TaCx, WCx、TiSix,NiSix, CoSix、Mo、W、Pt、Ru等等，再次，其中x是正整數(shù))、超臨界流生長、電鍍(N1、Co、Cu、PcUAu等等)或者其他兼容工藝而將導(dǎo)電材料沉積到具有結(jié)構(gòu)化表面的Si襯底上，來形成陰極。在某些情況下，娃處理(silicidat1n)還可以被應(yīng)用以進(jìn)一步改進(jìn)陰極性能。注意，可以考慮使用適于用作陰極中的導(dǎo)電材料涂層的任何材料，并且任何能夠用作陰極襯底的材料被視為在當(dāng)前范圍內(nèi)。導(dǎo)電材料的其他非限定性示例可包括金屬、金屬氮化物、金屬硅化物、金屬碳化物、金屬硼化物等等，并且包括其組合。此外，可將導(dǎo)電涂層施加為任何厚度，這取決于結(jié)果所得電極的期望設(shè)計(jì)和功能。然而，在一個(gè)方面，導(dǎo)電涂層的平均厚度可為從約0.5納米到約25納米厚。然而，應(yīng)該理解的是，在某些實(shí)施例中，該厚度可以僅僅是期望導(dǎo)電性的度量，而不管任何實(shí)際的厚度。無需依據(jù)實(shí)際物理尺寸來測量厚度。在某些方面，最小厚度可以是產(chǎn)生期望導(dǎo)電水平的最小量。在其他方面，充足或者期望厚度的確定可以僅通過所實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)電性的測量而完成。
[0033]在某些方面，可在結(jié)構(gòu)化表面和覆蓋材料層(即，或者陽極的介電材料或者陰極的導(dǎo)電材料)之間施加中間層。該中間材料可用在陽極中、陰極中或者陽極和陰極二者中。該層的一個(gè)目的在于改進(jìn)結(jié)構(gòu)化表面和其上沉積的無論什么覆蓋材料之間的粘附。該中間層還可減小熱處理過程中的擴(kuò)散，并且穩(wěn)定這些材料之間的界面。此外，考慮在其間設(shè)置多個(gè)中間層。當(dāng)布置在這些層之間時(shí)可提供有益處的任何中間材料都被視為在當(dāng)前范圍內(nèi)。這種中間材料的非限定性示例可包括Cr、T1、Au、Pt及其相關(guān)的其他氧化物。
[0034]已經(jīng)知道了大量合適的電解質(zhì)，并且所述電解質(zhì)可根據(jù)結(jié)果所得器件的設(shè)計(jì)和期望性質(zhì)來進(jìn)行改變。通常電解質(zhì)可具有高的離子導(dǎo)電性，以降低等效串聯(lián)電阻(ESR)，其能夠用于提升功率密度。在某些方面，電解質(zhì)可以是具有高離子導(dǎo)電性的水性電解質(zhì)(例如，基于H2S04)，其可改進(jìn)器件的功率性能。然而，除了其他之外，尤其還考慮到基于水性、有機(jī)、離子液體電解質(zhì)的方法或者其溶劑方法能夠優(yōu)化整體器件性能。電解質(zhì)的非限定性示例可包括KOH、NaOH,以及其組合；有機(jī)電解質(zhì)，諸如溶解在ACN(乙腈)或者溶解在PC(碳酸丙烯酯)中的TEABF(四氟硼酸四乙胺)；離子液體電解質(zhì)，諸如EMIMBF4 (C6H11F4BN2) ,EMIM FAP (C12H11F18N2P)、EMM OTF (C7H11F3N2O3S)、MOEDEA NTF (C9H18F6N2O5S2)、MOEMPL NTF(C10H18F6N2O5S2)以及其組合。
[0035]在某些方面有益的是包括設(shè)置在陰極和陽極之間的隔板(s印arator)。該隔板將陰極與陽極電隔離或隔開，并且允許電解質(zhì)的離子穿過。如圖3所示，例如，隔板302位于介電材料114和導(dǎo)電或者贗電容材料116之間，并且被電解質(zhì)包圍。合適的隔板材料的示例可以包括，但不局限于濕法布層(wet-laid)、無紡PP、微孔膜(ePTFE或者HDPE)基材料。注意，前一附圖中采用的附圖標(biāo)記被視為與上述描述所適用于的前述附圖相同或者足夠相似。
[0036]還考慮到當(dāng)前的器件可以被結(jié)合到各種系統(tǒng)中。例如，在另一方面，如當(dāng)前教導(dǎo)的儲(chǔ)能器件可被單片集成到硅襯底或者封裝上。如圖4所示，例如，一種具有單片集成的儲(chǔ)能器件的電子系統(tǒng)可包括半導(dǎo)體襯底402、至少一個(gè)電子電路元件404以及至少一個(gè)儲(chǔ)能器件406。電子電路元件404和儲(chǔ)能器件406由此被單片形成在半導(dǎo)體襯底402上。電子電路元件可包括任何類型的電路元件，該電路元件可有益地與襯底上的儲(chǔ)能器件組合。非限定性的實(shí)施例包括CPU、GPU、控制電路、集成電路、晶體管兀件、_■極管、光電_■極管，等等。此外，單片襯底可另外包括電路408，該電路408在儲(chǔ)能器件406和電子電路元件404之間提供電連接。
[0037]此外，在某些方面，可將多個(gè)儲(chǔ)能器件組合以形成具有增強(qiáng)的電氣性能的系統(tǒng)。在一個(gè)方面，例如，提供一種具有提高的操作電壓的高儲(chǔ)能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可包括如上所述的多個(gè)高儲(chǔ)能器件，其中所述多個(gè)高儲(chǔ)能器件根據(jù)希望電壓更高(串聯(lián))或者功率更高(并聯(lián))來串聯(lián)或并聯(lián)地功能性耦合在一起。在某些方面，這種系統(tǒng)可通過將已經(jīng)制造為單獨(dú)單元的高儲(chǔ)能器件帶到一起而形成。在其它方面，在制造過程中可將高儲(chǔ)能器件作為系統(tǒng)形成在一起。在某些情況下，可考慮將各種結(jié)構(gòu)在串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)造的器件之間進(jìn)行共用。例如，在一個(gè)方面，一對(duì)鄰近的高儲(chǔ)能器件可共用雙側(cè)表面結(jié)構(gòu)化襯底，或者在某些情況下，可共用復(fù)合雙側(cè)表面結(jié)構(gòu)化襯底。
[0038]本發(fā)明還提供了與當(dāng)前儲(chǔ)能器件相關(guān)聯(lián)的方法。例如，在一個(gè)方面，如圖5所示，提供了一種增加儲(chǔ)能器件的操作電壓和儲(chǔ)能容量的方法。這種方法可包括502在硅陽極上形成結(jié)構(gòu)化表面，504將介電材料施加到該陽極的結(jié)構(gòu)化表面，506將陰極定位成與陽極的結(jié)構(gòu)化表面鄰近，508將隔板定位在陽極和陰極之間，以及510在陽極和陰極之間設(shè)置電解質(zhì)。
[0039]在一個(gè)示例中，具有提高的操作電壓的高功率密度儲(chǔ)能器件包括:1)在導(dǎo)電襯底上具有結(jié)構(gòu)化表面的陰極；2)被定位成與該陰極鄰近的陽極，該陽極包括具有結(jié)構(gòu)化表面的硅襯底，陰極的結(jié)構(gòu)化表面被定向成朝向陽極的結(jié)構(gòu)化表面；3)施加到陽極的結(jié)構(gòu)化表面的介電材料；4)施加到陰極的結(jié)構(gòu)化表面的導(dǎo)電材料或贗電容材料；以及5)設(shè)置在陰極和陽極之間的電解質(zhì)。
[0040]在一個(gè)示例中，將隔板設(shè)置在陰極和陽極之間，以將陰極與陽極電隔離，并允許電解質(zhì)的離子穿過。
[0041]在一個(gè)示例中，陰極的結(jié)構(gòu)化表面或者陽極的結(jié)構(gòu)化表面中至少之一在尺寸上具有從約10納米到約100微米的表面特征。
[0042]在一個(gè)示例中，表面特征包括從由柱、管、溝槽、圓錐、棱錐、孔、海綿及其組合構(gòu)成的組所選擇的成員。
[0043]在一個(gè)示例中，陽極包括導(dǎo)電硅襯底，該導(dǎo)電硅襯底包括從由單晶硅、多晶硅、非晶硅、多孔硅及其組合構(gòu)成的組中選擇的材料。
[0044]在一個(gè)不例中，陽極包括導(dǎo)電多孔娃襯底。
[0045]在一個(gè)示例中，介電材料是顆粒材料。
[0046]在一個(gè)示例中，介電材料是高擊穿高K氧化膜。
[0047]在一個(gè)示例中，介電材料包括從由Si02、Ta205、Nb205、A1203、Ti02、Hf02、HfSi0x、HfAlOx, VOx, SrTi03、(Ba, Sr) Ti03、LiNb03、Bi2Ti203 及其組合所構(gòu)成的組中選擇的成員。
[0048]在一個(gè)不例中，導(dǎo)電材料選自由TiNx、TixAlyNz、VNx> NbNx> MoNx> TiCx> ZrCx>HfCx, VCx, NbCx、TaCx, WCx, TiSix, NiSix, CoSix、Mo、W、Pt、Ru、N1、Co、Cu、Pd、Au 及其組合所構(gòu)成的組。
[0049]在一個(gè)示例中，贗電容材料選自由Ru02、Mn02，V205、Ni0x、CoOx所構(gòu)成的組。
[0050]在一個(gè)示例中，陰極包括從由導(dǎo)電聚合物、金屬泡沫、碳基材料、導(dǎo)電硅、導(dǎo)電碳化硅及其組合所構(gòu)成的組中選擇的材料。
[0051]在一個(gè)示例中，電解質(zhì)是水性電解質(zhì)、有機(jī)電解質(zhì)或者離子液體電解質(zhì)。
[0052]在一個(gè)示例中，一種具有單片集成的儲(chǔ)能器件的電子系統(tǒng)，可包括:1)半導(dǎo)體襯底；2)至少一個(gè)電子電路元件；以及3)本文所記載的至少一個(gè)儲(chǔ)能器件，其中所述至少一個(gè)儲(chǔ)能器件和所述至少一個(gè)電子電路元件被單片形成在該半導(dǎo)體襯底上。
[0053]在一個(gè)示例中，電子電路元件包括處理單元。
[0054]在一個(gè)示例中，電子電路元件包括控制單元。
[0055]在一個(gè)示例中，一種具有提高的操作電壓的高儲(chǔ)能系統(tǒng)，可包括串聯(lián)或并聯(lián)地功能性耦合在一起的多個(gè)本文中所記載的多個(gè)高儲(chǔ)能器件。
[0056]在一個(gè)示例中，所述多個(gè)高儲(chǔ)能器件共用至少一個(gè)雙側(cè)表面結(jié)構(gòu)化襯底。
[0057]在一個(gè)示例中，一種提高儲(chǔ)能器件的操作電壓和儲(chǔ)能容量的方法，可包括:1)在導(dǎo)電硅電極上形成結(jié)構(gòu)化表面；2)將介電材料施加到陽極的結(jié)構(gòu)化表面；3)將陰極定位成與陽極的結(jié)構(gòu)化表面鄰近；4)在陽極和陰極之間定位隔板；以及5)在陽極和陰極之間設(shè)置電解質(zhì)。
[0058]在一個(gè)示例中，該電解質(zhì)根據(jù)器件的操作過程期間介電層的泄漏電流根據(jù)需要局部地修復(fù)和加厚介電層。
[0059]盡管前面的示例是一個(gè)或多個(gè)特定應(yīng)用中特定實(shí)施例的說明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，在不脫離本文中所提出的原理和概念的情況下，可以在實(shí)施形式、使用和細(xì)節(jié)上進(jìn)行大量的修改。因此，旨在不進(jìn)行限制，除了如下面所闡述的權(quán)利要求進(jìn)行的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率密度儲(chǔ)能器件，其具有提高的操作電壓，包括: 在導(dǎo)電襯底上具有結(jié)構(gòu)化表面的陰極； 被定位成與該陰極鄰近的陽極，陰極的結(jié)構(gòu)化表面被定向成朝向陽極的表面； 施加到陽極的結(jié)構(gòu)化表面的介電材料； 施加到陰極的結(jié)構(gòu)化表面的導(dǎo)電材料或贗電容材料；以及 設(shè)置在陰極和陽極之間的電解質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的器件，其中該陽極具有結(jié)構(gòu)化表面。
3.權(quán)利要求1的器件，其中該陽極包括硅材料。
4.權(quán)利要求1的器件，還包括隔板，該隔板設(shè)置在陰極和陽極之間，以將陰極與陽極電隔離，并允許電解質(zhì)的離子穿過。
5.權(quán)利要求1的器件，其中陰極的結(jié)構(gòu)化表面在尺寸上具有從約10納米到約100微米的表面特征。
6.權(quán)利要求5的器件，其中所述表面特征包括從由柱、管、溝槽、圓錐、棱錐、孔、海綿及其組合構(gòu)成的組所選擇的成員。
7.權(quán)利要求3的器件，其中陽極的結(jié)構(gòu)化表面在尺寸上具有從約10納米到約100微米的表面特征。
8.權(quán)利要求7的器件，其中所述表面特征包括從由柱、管、溝槽、圓錐、棱錐、孔、海綿及其組合構(gòu)成的組所選擇的成員。
9.權(quán)利要求1的器件，其中該陽極包括導(dǎo)電硅襯底，該導(dǎo)電硅襯底包括從由單晶硅、多晶硅、非晶硅、多孔硅及其組合構(gòu)成的組中選擇的材料。
10.權(quán)利要求1的器件，其中該陽極包括導(dǎo)電多孔硅襯底。
11.權(quán)利要求1的器件，其中該介電材料是顆粒材料。
12.權(quán)利要求1的器件，其中該介電材料是高擊穿高K氧化膜。
13.權(quán)利要求1的器件，其中該介電材料包括從由Si02、Ta205、Nb205、A1203、Ti02、Hf02, HfS1x, HfAlOx、VOx, SrTi03、(Ba, Sr) Ti03、LiNb03、Bi2Ti203 及其組合所構(gòu)成的組中選擇的成員。
14.權(quán)利要求1的器件，其中該導(dǎo)電材料選自由TiNx、TixAlyNz、VNx、NbNx、MoNx、TiCx、ZrCx、HfCx、VCx、NbCx、TaCx, WCx, TiSix, NiSix, CoSix, Mo、W、Pt、Ru、N1、Co、Cu、Pd、Au 及其組合所構(gòu)成的組。
15.權(quán)利要求1的器件，其中該贗電容材料選自由Ru02、Mn02、V205、Ni0x、Co0x及其組合所構(gòu)成的組。
16.權(quán)利要求1的器件，其中該陰極包括從由導(dǎo)電聚合物、金屬泡沫、碳基材料、導(dǎo)電硅、導(dǎo)電碳化硅及其組合所構(gòu)成的組中選擇的材料。
17.權(quán)利要求1的器件，其中該電解質(zhì)是水性電解質(zhì)、有機(jī)電解質(zhì)或者離子液體電解質(zhì)。
18.一種電子系統(tǒng)，具有單片集成的儲(chǔ)能器件，包括: 半導(dǎo)體襯底； 至少一個(gè)電子電路元件；以及 權(quán)利要求1的至少一個(gè)儲(chǔ)能器件，其中所述至少一個(gè)儲(chǔ)能器件和所述至少一個(gè)電子電路元件被單片形成在該半導(dǎo)體襯底上。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述電子電路元件包括處理單元。
20.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述電子電路元件包括控制單元。
21.—種具有提聞的操作電壓的聞儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括: 權(quán)利要求1的多個(gè)高儲(chǔ)能器件，其串聯(lián)或并聯(lián)地功能性耦合在一起。
22.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)高儲(chǔ)能器件共用至少一個(gè)雙側(cè)表面結(jié)構(gòu)化襯
。
23.一種提高儲(chǔ)能器件的操作電壓和儲(chǔ)能容量的方法，包括: 在導(dǎo)電娃電極上形成結(jié)構(gòu)化表面； 將介電材料施加到陽極的結(jié)構(gòu)化表面； 將陰極定位成與陽極的結(jié)構(gòu)化表面鄰近； 將隔板定位在陽極和陰極之間；以及 在陽極和陰極之間設(shè)置電解質(zhì)。
24.權(quán)利要求23的方法，其中該電解質(zhì)根據(jù)器件的操作過程期間介電材料的泄漏電流根據(jù)需要局部地修復(fù)和加厚介電材料。
【文檔編號(hào)】H01G11/24GK104517737SQ201410616413
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】陳朝暉 申請(qǐng)人:英特爾公司