[发明专利]固/气双层电容器及电存储器件

说明书

本发明涉及双层电容器，更具体地讲，涉及利用与气体（最好是惰性气体）接触的导电固体来形成具有很高的比能量密度（能量与重量之比）的双层电容器。这种器件可以小到适用于微电子技术，也可以大到适用于电力存储;并可得到控制以作为有源元件提供可变的导电性。

利用导电固体和液态电解质的双层电容器，其工作原理不同于双板电解电容器。在这些电容器中，导电固体和液态电解质的界面处出现有双层电荷。通常，导电固体浸在诸如稀硫酸之类的液态电解质中。导电固体表面内侧几个原子厚的一层固体，构成了电容器的一个电极;而第二个电极是在电解质中的“虚”电极。在界面处，固体电极之外1至2埃的空间包含着该虚电极。一层极化的溶剂分子被引向电子层的电场。在极化（偶极）层之外，有一个第二带电区，该区含有许多位于伸入溶剂主体约25埃的扩散层中的离子粒子。商业上的双层电容器，包括两个由液态电解质和离子渗透隔离器分开的导体，并且是双极器件。如果利用电解质中的离子来形成双极器件的虚电极之间的回路，电容器中的电荷就通过一负载放电。没有这种离子电荷传送通路，就无法利用虚电极的能量。

在这些器件中，通过把活性炭用于固体电极，得到了高电容。活性炭是一种有很多孔的材料，具有很大的表面积。例如，一克活性炭可有1000至2000平方米的表面积。

与电池不同，双层电容器可无限地循环使用，并有至少10年的寿命。另外，这些器件易于焊接定位、通常不会泄漏或爆炸、且易于显示其电荷。另外，它们没有电池（如Ni-Cd电池）中常见的有害存储效应。

另外，双层电容器的工作温度范围比电池的大。例如，这些电容器可在-25℃至+70℃工作，并可在-40℃至+85℃贮存。

然而，采用导电固体和液态电解质的双层电容器的一个缺点，是这种电容器的工作电压低。当电荷超过约1.2V时，商用双层电容器中常用的硫酸溶液就会分解成氢和氧。因此，这种单一的双层电容元件的最大工作电压仅为1.2V。如果超过此工作电压，会发生化学离解，使该器件损坏。由于工作电压低，双层电容器的应用受到限制。

为增加电压，必须把这种电容器串联。但这种连接有两个缺点。第一，当电容器串联时，总电容减小;第二，电阻增大，这会在充电和放电情况下造成功率耗散或损耗，从而降低电流处理能力。在双层电容器生产中，有多达6个电容单元（每单元为6法拉）被串联。这就意味着要把6个单元总计为36法拉的电容降到1法拉，和把电阻增大5倍，才能够为较高电压的应用而产生可接受的工作电压。

用气体代替液态电解质，可克服固/液双层电容器电压低的弱点。为产生等离子体或近似等离子体状态而被激发的惰性气体，在具有离子性和传导电流的能力以及可被极化方面，是与电解质等同的。惰性氦气的电离电势约为24 1/2V，因而用氦作为这种气体而制成的双层电容器会有约24 1/2V的极间电压。固/气系统对离子导电的电阻很低，因而有比固/液器件高的动态效率。由于其电离电压高-高于固/液双层电容器的击穿电压，固/气器件可存储更多的能量。电容器中的能量正比于电压的平方（E＝1/2CV²）。

固/气双层电容器与固/液电容器相比的另一优点，是极化的惰性气体原子，比在固/液双层电容器生产中形成极化层的永久水偶极子，更容易移动且具有更简单的对称性。因此，在固/气器件中有更好的偶极子填充和更大的比能量密度。另外，在固/液器件中，固体电极的电场在容剂分子的非对称永久偶极子上产生力矩，从而通过热辐射造成能量损失。

一种特别有利的固/气双层器件，由串联成一个双极器件而工作的两个双层电容单元组成。这种双极器件的放电，是利用设在气体中的栅极或造成气体电离的其他手段（如磁场），使气体电离而引发的。利用由导电材料制成的栅极，可施加电离电压，使电容元件的虚电极之间导电。固/气双极器件的一个优点是：在拉入电路时，它是可控的，而起开关的作用，其手段是向栅极（如有的话）施加一个会得到反向极性的电压以阻止电离，或阻止气体电离的其他手段。

另外，借助电势改变或频率改变而使栅极处于不同的供能状态，可产生不同的电离状态，它可影响总电容，器件的电阻，及电子层、偶极层和离子扩散层的厚度。元件间距和/或气体压力的变化也会导致电容、电阻、电子层厚度、偶极层厚度、及离子扩散层厚度参数的类似变化。

图1是用于描述本发明的固/气双层电容器的模型或示意图，图中显示了两个串联以形成一个双极器件的单元。

图2是根据本发明的实际固/气双层电容器的一个实施例的透视图。

图3是显示图2电容器部件的分解图。

图4是通过图2电容器中心的剖视图。