[发明专利]对电介质的改进

说明书

本发明涉及电介质及其在电容器中的应用。电容器是存储电荷的装置，并且通常包括被介电媒质间隔开的两个导电极板。在理想的系统中，所述极板保持电荷直到需要放电为止，并在进行放电时能够以受控的方式向系统提供电能。

影响电容量的因素为极板的面积、它们的间隔以及在它们之间的介电媒质存储电荷并抗拒所施加电压的能力。用相对介电系数来度量电介质的存储电荷的能力，该能力为材料沿着促进存储电能的附加能力的电场排列的能力。这又是材料的化学和形态结构的函数，并且对于多相系统，还是宏结构几何形状的函数。介电系数被表达为材料相对于真空存储电荷的能力的比率。

电介质可以用任何合适的绝缘材料来制造。介电系数以及电介质击穿强度越高，则能存储越多的能量。最终，任何电容器都将随着电位能升高到介电强度以上并导致电介质被电击穿而失效。

电介质通常由热塑或热固聚合物构成。诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯和聚苯乙烯这样的热塑材料全都已经被市场上用于电容器电介质应用，PET和PP最为常用。热固聚合物也被通常使用，或者单独使用或者与其它的绝缘系统结合使用。它们具有在约2至3.5范围内的介电系数。已知其它电容器，例如陶瓷。陶瓷易碎并通常缺乏在恶劣的环境下有效工作的充分的鲁棒性。另外，它们缺乏基于聚合物的塑料电介质的柔性，该基于聚合物的塑料电介质可以被紧密地卷绕，从而提供大的表面积，在高电压/电场条件下相应地提供更高的能量存储密度。

电介质材料的介电系数依赖于频率，因此，随着频率的升高，将发生从第一介电系数到可能具有很低的值的第二介电系数的转变。这是由于偶极子分子在电场中的行为的方式、以及电子和离子导电机理引起的。随着电场的建立，偶极子分子运动以沿着或对着电场线排列自身，通过这样做它们增加材料的能量储存容量。该机理使得能在电容器储存更多的能量。在AC系统中，正弦电场导致了分子根据频率而改变配向。然而，随着频率升高，作为偶极子固有的热动力响应，分子偶极子具有增大的相位滞后，因此，分子不能足够快的运动，并且电容器变得更有损耗。在给定的频率处，介电损耗达到峰值。在该频率之上，随着电场在AC周期上改变方向，作为偶极子具有相对于平衡位置的减小的方向位移的结果，相位滞后消失，从而该损耗也减小。这一现象通常被描述为德拜散射，并且可以在非理想条件下通过针对单个孤立的弛豫响应的Havriliak和Negami半经验关系进行描述。

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随着电容器上的电压增加，能量随着电压的平方上升，因此在更高的电压，可能显著地提高电容器的能量密度存储。然而，正如上面所指出的，随着电压升高，存在电介质被击穿的趋势，因此难以制造具有任何可靠性的高电压、高能量的电容器。