[发明专利]混合电容器

说明书

技术领域

本发明涉及混合电容器。

背景技术

电容器在两个金属表面之间储存电荷。电容器能够基于电容器被构造的方式和两个金属表面之间使用的材料而被广义地分类为静电电容器、电解电容器和电化学电容器。在标准静电电容器中，两个金属电极被介电材料隔开并且电荷被储存在所述电极之间。电解电容器包括两个金属电极，其中一个电极涂覆有绝缘介电物和浸在电解液中的纸绝缘隔离片，所述绝缘介电物是所述金属电极的氧化物。通过氧化层提供绝缘的金属电极提供阳极(正极)，而液体电解液和第二金属表面提供阴极(负极)。

电化学电容器，也称为双层电容器或超级电容器，一般由两个相同的金属电极组成，每个金属电极涂覆有高表面积传导碳、浸入电解液中并且被隔离件隔开。电化学电容器具有高于电解电容器(一般具有几uF/cm²的电容)和静电电容器(一般具有nF/cm²数量级的电容)的大小很多数量级的电容(大于100F/g或者大于100uF/cm²)。然而，最大运行电压以及充放电的速度从电化学电容器(对于具有有机电解液的电容器来说为3V)到电解电容器和静电电容器(从几十到几百伏)显著增加。

相比于电池，电容器具有非常高的功率密度，但其能量密度低得多。储存在电容器中的电能(U)基于其电容(C)和其所能够运行的最大电压(V)的平方而变化，并且该关系被给定为U＝1/2CV2。为了增加储存在电容器中的能量，电容和运行电压都必须增加。电化学超级电容器具有非常高的电容，但是具有低的运行电压，而静电介电电容器具有更低的电容但具有高得多的运行电压。

发明内容

根据本发明的第一方面提供了一种电容器，该电容器包括：

具有介电涂层的第一结构化表面；

具有介电涂层的第二结构化表面；

在所述第一结构化表面和第二结构化表面之间设置的分隔件；和

在所述第一结构化表面和第二结构化表面之间设置的电解液。

本发明涉及一种电容器，该电容器是介电和电化学电容器的混合产物，它们混合的方式为该电容器采用了介电涂覆的表面，优选地由结构化的高表面积碳材料形成，并且被以电化学超级电容器的传统方式构造，因此其获得的电容类似于超级电容器的电容，但其具有更高的运行电压。因此，储存在混合电容器中的能量将被提高。这种构造不同于电解电容器的构造，因为其采用了高表面积碳表面并且绝缘氧化物并不是由电极的金属形成的金属氧化物。这能够使得这种电容器的构造更强大并且不具有极性。

结构化的表面优选地是传导结构，并且优选地包括电容器的电极。例如，结构化的表面优选地具有三维表面，其增加了电机用于电荷传输的表面积。结构化的纳米表面的示例是具有多孔碳和活性炭的褶皱板。

优选地，结构化的表面是具有纳米结构化的碳表面。优选的是，具有纳米结构化的碳表面包括碳纳米管(CNT)阵列。

根据第二方面，本发明提供了制造电容器的方法，该方法包括以下步骤：

a.提供具有介电涂层的第一结构化表面；

b.提供具有介电涂层的第二结构化表面；

c.在所述第一结构化表面和第二结构化表面之间设置分隔件；和

d.在所述第一结构化表面和第二结构化表面之间设置电解液。

优选的是，结构化的表面由碳形成。优选地，结构化的表面是CNT阵列。该阵列可以是整齐的阵列或者随机的阵列。优选的是，化学气相淀积(CVD)过程被用于制造CNT。在一个示例中，DC等离子体增强化学气相淀积生长室被用于产生具有取向的纳米管。

为了产生规则的CNT阵列，基底可被光刻预制以促进CNT仅在特定位置的生长。一个优选的生长过程由四个阶段组成：

(a)基底预处理(形成扩散阻挡物)，将硅被溅射到30nm厚的铌层；

(b)催化沉积，10nm厚的镍催化剂膜被沉积在基底上；

(c)催化剂退火(烧结)阶段，基底被加热到700℃然后保持10分钟以烧结催化剂层并且形成催化剂岛或纳米球体；和

(d)纳米管生长，其中引入了200sccm的NH₃流，开始阴极(基底)和阳极之间的直流放电，偏压增加到-600V，引入60sccm的乙炔(C₂H₂)进料气体流。

在一个示例中，总压力被保持在3.8mbar并且沉积在稳定的放电中执行10分钟。