[发明专利]储能器件及其生产方法

说明书

本发明提供了一种储能器件，其包括第一电极，第二电极、设置在所述第一和第二电极之间的固体多层结构。所述固体多层结构可以与所述第一电极和第二电极接触。固体多层结构可以包括平行于所述电极布置的层，该层具有序列(A‑B)_m‑A，其中A是绝缘层，B是包含在绝缘体基体中具有导电纳米颗粒的微分散体的胶状复合材料的极化性层，m是大于或等于1的数。层A可以具有至少约0.05伏/纳米(nm)的击穿电压，并且层B可以具有至少约100的介电常数。

技术领域

本申请要求于2016年4月4日提交的美国临时申请No.62/318134的权益，通过引用将其全部内容并入本文。

背景技术

电容是一种无源电子部件，其用于储存静电场形式的能量，包括被电介质层分隔的一对电极。在两个电极之间存在电势差时，在电介质层出现电场。该电场储存能量，理想的电容的特征在于一个单一的固定电容值，其是每个电极的电荷与它们之间的电势差之比。实际上，少量的泄漏电流会流过电极之间的该电介质层。电极和引线产生相应的串联电阻，引起击穿电压的电场强度会对电介质层产生限制。最简单的储能器件包括被具有介电常数ε的电介质层分隔的两个并联电极，每个电极具有面积S并且相互分开距离d。电极被认为均匀地扩展为面积S，可以用以下的公式表示表面电荷密度：±ρ＝±Q/S。由于电极的宽度比间隔(距离)d大很多，接近电容中心的电场相当于量级E＝ρ/ε。用电极之间的电场的线性积分定义电压。理想的电容的特征在于：如果用以下公式(1)定义固定电容量C，

C＝Q/V (1)

则面积越大则电容量越大，距离越大则电容量越小。因此，用高介电常数的材料制作的器件具有最大的电容量。

被认为具有击穿电场强度E_bd的特征电场是使电容中的电介质层变得导电的电场。这时产生的电压被称为器件的击穿电压，由电极之间的介电强度和间隔的乘积给出。

V_bd＝E_bdd (2)

电容所储存的最大容积的能量密度受限于与～ε·E²_bd成正比的值，其中，ε是介电常数，E_bd是击穿电场强度。因此，为了提高电容所储存的能量，必须提高电介质的介电常数ε和击穿电场强度E_bd。

在高电压应用下，需要使用更大的电容。有一些因素可以显著地降低击穿电压。在这些应用中导电电极的几何形状是重要的。特别地，尖锐的边缘或尖端会局部地极大提高电场强度并且能够导致局部击穿。一旦在任意一点开始局部击穿，则击穿会很快地“铺满”整个电介质层，直到到达相反电极而引起短路。

一般如下地产生电介质层的击穿。电场的强度高到使介电材料的自由电子从原子游离，使它们将电流从一个电极传导到另一个电极。在半导体器件中会观察到存在于电介质中的杂质或结晶结构的缺陷能够造成雪崩击穿。

电介质材料的另一个重要的特征是介电常数。不同种类的电介质材料被用于不同类型的电容，包括陶瓷、聚合物膜、纸质、以及电解质电容。最广泛使用的聚合物膜材料是聚丙烯和聚脂。一个重要的技术课题是提高介电常数，它使得提高体积能量密度。