[发明专利]固态储能装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年1月30日递交的名称为“SOLID STATE ENERGY STORAGE DEVICES”的美国临时专利申请No.61/592,517的优先权，该临时专利申请出于各种目的以引用的方式并入本文。

技术领域

本专利申请涉及用于储能的装置和制造与使用这样的装置的方法。

背景技术

通常，电容式储能装置包括两个电极，介电材料置于这两个电极之间。图1为示出电容式储能装置的简化图。如图1所示，介电材料103位于电极101和电极102之间。当在电极两端施加电压时，介电材料变得极化并且电荷储存在电极板上。

遗憾的是，如下文所述的，传统的储能装置存在不足。期望有新的并且改进的储能装置。

发明内容

本专利申请描述了用于储能的装置和用于制作和使用该装置的方法。在各个实施方式中，阻挡层设置在储能装置的介电材料和电极之间。阻挡层的特征为高于介电材料的介电常数。还存在其他实施方式。

在一个实施方式中，本发明提供了一种包括隔开的第一电极和第二电极的储能装置。介电层设置在第一电极和第二电极之间。第一阻挡层设置在第一电极和介电层之间并且第二阻挡层设置在第二电极和介电层之间。第一阻挡层和第二阻挡层的介电常数均独立地大于介电层的介电常数。

根据本申请，介电材料可以具有不同的相对介电常数，该相对介电常数可以在约2和25之间，在约3和15之间，或者在其他范围内。介电层可以具有能带间隙大于4eV的材料。介电层还可以具有大于0.5V/nm的击穿场强的材料。

介电层可包括选自氧化物、氮化物、氮氧化物和氟化物的材料。介电层还可以包括选自SiO₂、HfO₂、Al₂O₃或Si₃N₄的材料。

具有较高相对介电常数的阻挡层可以具有大于20的相对介电常数。阻挡层的材料可以具有小于4eV的能带间隙，并且击穿场强可以在1mV/nm和200mV/nm之间。根据本申请，第一阻挡层和第二阻挡层可独立地包括选自离子型导电材料和非离子型导电材料的材料。根据本申请，离子型导电材料可以选自Li⁺导体、H⁺导体、Mg²⁺导体、Na⁺导体、O^-导体、F^-导体、Li₃PO₄和Li₃PO_4-xN_x。非离子型导电材料可以为多铁性高-k材料，诸如，CaCu₃Ti₄O₁₂、La_2-xSr_xNiO₄、纳米复合高-k材料、高-k陶瓷材料、钙钛矿铁电材料、PZT（Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃）、SrTiO₃、PbTiO₃、BaTiO₃、(BaSr)TiO₃等。

第一阻挡层和第二阻挡层独立地包括介电常数在包括介电层的材料的介电常数的10倍和10000倍之间的材料。在具体实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层独立地包括介电常数在包括介电层的材料的介电常数的50倍和1,000倍之间的材料。第一阻挡层和第二阻挡层可以独立地具有在4nm和100nm之间的厚度。在具体实施方式中，介电层具有在10nm和10μm之间的厚度。第一阻挡层和第二阻挡层可以独立地具有在介电层厚度的10倍和1000倍之间的厚度。

应当理解，阻挡层材料和介电层材料根据应用而不同。在一个实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为PZT且介电层为SiO₂。在另一实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为LiPON且介电层为SiO₂。在另一实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为LiPON且介电层为Li₂O。在另一实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为LiPON且介电层为LiF。