CN103227048B

CN103227048B - 固态储能装置

Info

Publication number: CN103227048B
Application number: CN201310034515.9A
Authority: CN
Inventors: 蒂姆·胡米; 弗里德里希·B·普林茨; 韦斯顿·亚瑟·赫尔曼; 约瑟夫·汉; 瑞纳·法史英
Original assignee: Quantumscape Corp
Current assignee: Kundenskop battery Co.
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: US20150235768A1; US20130194716A1; US9293255B2; US9087645B2; CN103227048A; EP2620962A1

Abstract

本发明涉及一种固态储能装置。本专利申请描述了用于储能的装置和制作与使用该装置的方法。在各个实施方式中，阻挡层设置在该储能装置的介电材料和电极之间。该阻挡层的特征在于，该阻挡层的介电常数比所述介电材料的介电常数高。还存在其他的实施方式。

Description

固态储能装置

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 STORAGEDEVICES”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。

阻挡层也可以具有不同的材料。在一个实施方式中，第一阻挡层包括阳离子导电材料且第二阻挡层包括阴离子导电材料。在另一实施方式中，第一阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。在另一实施方式中，第二阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。

通过上文所述的结构，所述装置可以具有在5Whr/kg和1000Whr/kg之间的、在10Whr/kg和650Whr/kg之间的、或者在50Whr/kg和500Whr/kg之间的能量密度。在某个实施方式中，能量密度可以大于50Whr/kg，或者大于100Whr/kg。

第一电极具有的逸出功可以大于第二电极的逸出功。第一电极的逸出功可以大于4.0eV以及第二电极的逸出功可以小于4.5eV。

应当理解，本发明的实施方式提供了优于传统技术的多种优点。在该专利申请中，储能装置能够保持高于传统电容式储能装置的场强并且其因此可以用于高能量密度的电容式储能器。更具体地，根据本发明的储能装置与传统装置相比能够忍受住较高的击穿电压（并且因此改善了稳定性和可靠性），因此可以具有较高级别的能量密度。还存在如下文所述的其他优点。

附图说明

图1为示出电容式储能装置的简化图。

图2示出对于电容式储能装置的示例性电流电压曲线。

图3示出多种常用电介质的介电常数和击穿场强。

图4示出高能量密度的储能装置的一种形式。

图5示出因Fowler-Nordheim隧道效应的开始而引起的能量密度。

图6示出Li₃PO₄和Li₃PO_4-xN_x的态密度（DOS）的计算。

图7示出包括电极和通过阻挡材料的层隔开的多个介电材料层的装置的一个示例。

图8示出包括第一电极和第二电极、设置在该第一电极和第二电极之间的介电层、以及第一阻挡层和第二阻挡层的装置800。

图9示出储能装置的击穿电压。

图10为示出根据本发明的实施方式的利用SiO₂作为介电材料和利用PZT作为阻挡材料的示例性储能装置的性能的图表。

具体实施方式

本专利申请描述了用于储能的装置和制造与使用这样的装置的方法。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。阻挡层的特征在于，其介电常数比介电材料的介电常数高。还存在其他实施方式。

与电化学储能器（例如，蓄电池）相比，电容式储能器具有公知的优点。与蓄电池相比，电容器能够以非常高的功率密度即充电/再充电速率来储存能量，贮藏寿命长且退化小，并且可以充放电（循环的）数万次或者数百万次。然而，储存能量的电容器通常并不像蓄电池那样有较小的体积或者重量，或者储存每份能量的成本并不低，这使得对于诸如电动车的应用而言，电容器是不实用的。因此，提供能够以单位体积和/或单位质量储存更密集的能量的电容式储能器是储能技术中的一个进步。

图2示出对于电容式储能装置的示例性电流电压曲线。通常，电极两端的电压V是电极上所储存的电荷Q的某种函数，如图2中的实曲线所示。将存在某一最大电压V_max，在介电材料开始击穿之前，该装置可以被充电至该最大电压V_max。对于线性材料，电容不取决于Q，且V（Q）=Q/C，如图2中的虚线B所示。

通常通过下式给出该装置中储存的总能量：

对于线性材料而言，其简化为：

电容C等于电极的面积A乘以介电材料的介电常数ε除以电极之间的距离d。该装置的能量密度ρ因此可以写成：

ρ=1/2ε*E_max ² （3）

其中，E_max为介电材料中可承受的最大场强并且等于V_max/d。

从等式3中可以看出，装置的能量密度可以随着介电材料的介电常数增大而增大和/或随着介电材料中可承受的最大场强的增大而增大。如图3所示，电容式储能器受到传统的高介电常数的介电材料中仅可承受相对低的场强这一因素的限制，图3示出多种常用电介质的介电常数和击穿场强。图3上的虚线表明标准介电材料的能量密度限于约3Wh/L。

本专利申请描述了与传统的电容式储能装置相比能够承受较高场强的储能装置，并且因此其可以用于高能量密度的电容式储能器。

图4示出本文所述的高能量密度的储能装置的一种形式。装置400包括隔开的第一电极410和第二电极420以及设置在电极之间的介电层430。装置还包括设置在第一电极和介电层之间的阻挡层440与设置在第二电极和介电层之间的阻挡层450。阻挡层440和阻挡层450由其介电常数高于介电层材料的介电常数的材料制成。阻挡层440和阻挡层450可以是相同或者不同的材料。

在本专利申请中，介电层也称为“低-k材料”以及阻挡层也称为“高-k材料”。术语“高”和“低”表示材料的介电常数的相对大小，而不是介电常数的绝对值。

不受理论的约束，认为图4中示出的结构具有增大的击穿耐受性且因此具有较高的能量密度，这是因为阻挡层抑制载荷子从电极注入到介电材料中。如图5所示，认为该装置可具有高能量密度，这是因为从电极到介电材料的Fowler-Nordheim（FN）隧道效应的开始被延迟至较高的电压。FN隧道效应的延迟起因于在低-k材料界面处的载荷子不足。图5示出面积B大于面积A。界面处的电子的隧穿几率与势垒的面积呈以指数方式负相关（根据WKB近似）。从而，通过增大势垒高度，面积B将增大，不利的电子隧穿的概率以指数方式降低。此外，如果在界面处存在双层并且如果双层具有排斥电子的电荷，则FN隧道效应将进一步受到抑制。例如，如果在上述示例中的最左侧的高-k层传导阴离子，则阴离子将在高-k/低-k界面处产生双层，并且该负电荷将排斥来自该界面的电子。

介电层通常可以由任何介电材料制成。在该装置的一种形式中，介电层的材料具有大于0.5V/nm的击穿场强。击穿场强取决于：（i）在导电电极之间放置约50nm厚的测试材料的层，其中一个电极近似呈具有约100μm的直径的圆形，并且另一电极具有大于100μm的直径；（ii）在电极两端施加线性电压斜升，从0V开始以速率约0.1V/s斜升；以及（iii）根据施加的电压测量在电极之间流动的电流。在近似室温下测量击穿电压。图9示出了典型的电流-电压曲线，示出了初始低电压区域910和击穿区域920。所计算的击穿电压为电流是所测量的电容式充电电流的十倍时的电压。在图9中，例如，如果电容式充电电流为10^-10A，则击穿电压为约1V（即940处），在1V电压处电流为10^-9A。击穿场强被计算为击穿电压除以测试材料的厚度，该厚度可以通过横断面TEM、X-射线反射计（XRR）或者椭圆测量术来测量。在约0.8V（即930处）处示出的电流波动为这样的电流-电压曲线的典型特征并且在接近击穿电压处的电压处看到该电流波动。

在装置的另一形式中，介电层材料具有小于15的相对介电常数。相对介电常数测量方法如下：在两个面积为A的导电电极之间放置厚度d的测试材料层并且以扫描速率s扫描电压，测量电容式充电电流I，并且按照比率ε=(I/s)*(d/ε₀A)计算相对介电常数ε。在约室温下测量相对介电常数。

在装置的另一形式中，介电层材料具有大于4eV的能带间隙。击穿场强、相对介电常数和本段中所述的能带间隙为可以用于介电层的材料的材料性质；它们不是复合的阻挡层/介电层/阻挡层系统的材料性质。

可以使用的特定介电层材料包括SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、氧化物、氮化物、氮氧化物和氟化物。在一个形式中，介电层材料为SiO₂、HfO₂、Al₂O₃或Si₃N₄。

阻挡层通常可以由其介电常数大于介电层材料的介电常数的任何材料制成。在该装置的一个形式中，阻挡层材料具有在1mV/nm和200mV/nm之间的击穿场强。在装置的另一形式中，阻挡层材料具有大于100的相对介电常数。在装置的另一形式中，阻挡层材料具有小于4eV的能带间隙。在该装置的一个形式中，阻挡层材料为离子传导型，其具有大于100的相对介电常数以及大于3eV的能带间隙。该段中所述的击穿场强、相对介电常数和能带间隙为可以用于阻挡层的材料的材料性质；它们不是复合的阻挡层/介电层/阻挡层系统的材料性质。

阻挡层材料可以为离子型导电材料或者非离子型导电材料。

在离子型导电阻挡层材料的情况下，材料的介电常数至少部分地源于材料内的离子迁移，该离子迁移使在每一界面处形成双层。这些双层可以设计成进一步使界面处的电子浓度减小以延迟FN隧道效应的开始，如图5中所描述的。在一个形式中，离子型导电材料为阴离子导体。在一个形式中，离子型导电材料为阳离子导体。在一个形式中，离子型导电材料为Li⁺导体、H⁺导体、Na⁺导体、O^2-导体或者F^-导体。在一个形式中，离子型导电材料为Li⁺离子导体。在一个形式中，离子型导电材料为Li₃PO₄或者Li₃PO_4-xN_x。如本专利申请中所使用的，LiPON是指Li₃PO_4-xN_x。图6示出Li₃PO₄和Li₃PO_4-xN_x的态密度（DOS）的计算，其示出这些材料随着具有高的相对介电常数而具有高能带间隙，进一步延迟FN隧道效应的开始。在该装置的一个形式中，第一阻挡层为阴离子导电材料以及第二阻挡层为阳离子导电材料。

在该装置的一个形式中，阻挡层中的一个或者两个阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。这样的装置的示例在图8中示出，其中，装置800包括第一电极810和第二电极820、设置在第一电极810和第二电极820之间的介电层830以及设置在介电层与第一电极之间的第一阻挡层840以及介电层与第二电极之间的第二阻挡层850。第一阻挡层包括阴离子导电材料860和阳离子导电材料870，第二阻挡层包括阴离子导电材料880和阳离子导电材料890。在其他形式中，第一阻挡层和第二阻挡层中仅有一个包括阳离子导电材料和阴离子导电材料两者，另一阻挡层包括非离子型导电材料或者阳离子导电材料或阴离子导电材料。在该装置的某种形式中，独立地对于第一阻挡层和第二阻挡层，阴离子导电材料靠近电极，而在该装置的其他形式中，阳离子导电材料靠近电极。

在非离子型导电阻挡层材料的情况下，该材料的介电常数至少部分地源于该材料的内在极化度。在一种形式中，非离子型导电材料为高-k陶瓷材料。在一种形式中，非离子型导电材料为钙钛矿铁电材料。在另一形式中，非离子型导电材料为PZT（Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃）。在另一形式中，非离子型导电材料为SrTiO₃、PbTiO₃、BaTiO₃或(BaSr)TiO₃。在另一形式中，非离子型导电材料为高k多铁性材料。在另一形式中，非离子型导电材料为CaCu₃Ti₄O₁₂或La_2-xSr_xNiO₄。在另一形式中，非离子型导电材料为高-k纳米复合材料。

如上文所述，阻挡层材料的介电常数高于介电层材料的介电常数。在该装置的一个形式中，阻挡层材料的介电常数比介电层材料的介电常数大10和10000之间的倍数。在另一形式中，阻挡层材料的介电常数比介电层材料的介电常数大100和1000之间的倍数。

电极通常可以由与该电极所接触的该装置的材料相容的任何导电材料制成。在一个形式中，电极可以独立地由Pt、Cu、Al、Ag或Au制成。电极可以为相同或不同的材料。在一个形式中，电极具有不同的逸出功。在一个形式中，充电期间正偏置的电极的逸出功小于充电期间负偏置的电极的逸出功。在一个形式中，充电期间正偏置的电极具有小于4.5eV的逸出功。在一个形式中，充电期间负偏置的电极具有大于4.0eV的逸出功。

阻挡层通常可以具有保持该层的载荷子注入抑制功能的任一厚度。在一个形式中，阻挡层的厚度在4nm和100nm之间。介电层通常可以具有最大化储能密度同时在高场下保持绝缘性能的任一厚度。在一个形式中，介电层的厚度在20nm和10μm之间。如下面的计算所示出的，介电层比阻挡层厚可以是有利的。在一个形式中，介电层的厚度在阻挡层的厚度的1倍和1000倍之间。

计算显示，能量主要储存在低-k材料中，通过以下实施例来说明：

高-k材料和低-k材料的示例性性质：

		高-k材料	低-k材料
				材料介电常数		800	4
击穿场强	V/nm	0.1	20
				最大绝对电压	V	20000	-
材料密度		5	2.65

所计算的能量密度：

以上实施例说明了利用这样的装置可以实现比现有技术的蓄电池中的能量密度高的能量密度。

多层装置：图7示出该装置的一个形式，该装置包括电极710和电极720以及通过阻挡材料层760、770、780、790隔开的多个介电材料层730、740、750。

层压装置：在该装置的一个形式中，介电层和阻挡层为直接相互接触的层压的层，其具有如4、图7和图8和本文其他部分中示出的架构。在其他形式中，该装置包括一个或多个在电极中的一个或多个电极、介电层和阻挡层之间的界面层。

能量密度：在一个形式中，如本文所述的装置具有在5Whr/kg和1000Whr/kg之间的能量密度。在另一形式中，如本文所述的装置具有在10Whr/kg和650Whr/kg之间的能量密度。在另一形式中，如本文所述的装置具有在50Whr/kg和550Whr/kg之间的能量密度。在另一形式中，如本文所述的装置具有大于50Whr/kg的能量密度。如本文中所使用的，能量密度为在该装置水平的能量密度，即，储存在该装置中的总能量除以该装置的质量。

制作该装置：本文中描述的装置可以以多种方式来制造，例如，使用喷溅涂覆法、物理气相沉积（PVD）、原子层沉积（ALD）或化学气相沉积（CVD）。在本文描述的一种制作方法中，使用Applied Materials的Endura5500（200mm）通过喷溅涂覆法来制造该装置。在该装置的一个形式中，层压装置通过在基板上依次沉积阻挡层、介电层和电极来制造。在一个形式中，不需要基板并且可以直接将阻挡层、介电层和电极层置于其中一个电极上。

该装置的用途：本文中描述的装置通常可以在要求储能的任何应用中使用。该装置可特别适于用在诸如电车、混合电车和网格储存和管理的应用中。

该装置的实施例：

可以通过以下介电层和阻挡层制作该装置：

在本文描述的储能装置的一个形式中，高能量密度的电容式储能材料可具有以下特征的一个或多个特征：

1）抑制Fowler-Nordheim隧道效应的开始；

2）提供高的击穿强度；和

3）制造期间或者在高电压应力期间的缺陷容忍度增大。

1）高的击穿强度

在一个形式中，本文描述的装置可具有高的击穿强度，这是因为：a）FN隧道效应不突出（例如，计算表明，SiO₂的其他失效机理将击穿容忍度限制到约20V/nm），b）低-k材料内在地为高击穿材料（例如，因为高纯度、低缺陷浓度、高的能带间隙等），c）电场主要在具有高的击穿强度的低-k材料中降低，d）通过低-k材料的薄纳米层与高-k材料的薄纳米层的交错，导电带中的任何自由载荷子不会借助碰撞电离而获得足够的动能以导致破坏。

2）缺陷容忍度

为了使高电压击穿强度增大，在电压应力下的材料具有低的缺陷浓度是有利的。将缺陷态引入绝缘体的能带间隙中间的缺陷可以导致绝缘体的击穿。缺陷导致击穿的一种机理是，当缺陷在电容器中靠近电极形成时，场在这些缺陷周围集中，这增强了那些缺陷周围的电流，这导致加热（和离子化），从而导致进一步的缺陷生成，形成正反馈。在层压结构中，缺陷和电流之间的该反馈不能产生，这是由于邻近（缺陷的）绝缘体的材料不是导电性的。

图10为示出根据本发明的实施方式的示例性储能装置的性能，其中，SiO₂作为介电材料，PZT作为阻挡材料。该图的产生基于以下条件：

·基质被模型化为“PZT”，ε=400

-PZT E_dens=0.5*400*ε₀*0.1V/nm=4.9Wh/l

·阻挡层被模型化为SiO₂，ε=3.9，其为0.5nm且具有2.0nm的间距。

如图10的图表所示，通过阻挡层的厚度，稳定的且基本上均匀的电场保持在约0.48V/nm。当所施加的电场为约0.1V/nm时，能量密度为约0.23Wh/l。高ε区域具有低场，以及低ε区域具有高场。当所施加的电场为2.2V/nm时，能量密度为约112Wh/l。

在示例性实施方式中，阻挡层的特征在于，阻挡层具有2nm的厚度以及2nm的间距。当所施加的能量为0.1V/nm时，能量密度为约0.095Wh/l。当所施加的能量为5.2V/nm时，能量密度为约257Wh/l。

以下描述旨在能够使本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明并且将其并入特定应用的背景中。各种变型和在不同应用中的多个用途对于本领域的技术人员很容易理解，本文限定的通用原理可以应用到宽范围的实施方式。因此，本发明不旨在局限于列出的实施方式，而是最宽范围与本文中所记载的原理和新特征一致。

本文描述的装置的大量的制造方法对于本领域的技术人员是显而易见的。作为非限制性示例，一种制造顺序一般如下文所述。导电性基材或具有导电性涂层的绝缘基材形成第一电极。通过PVD、喷溅涂覆法、蒸涂、高速率蒸涂、近距离升华法、CVD、ALD、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或者溶液合成（诸如，化学水浴沉积法（CBD）、沉淀法、喷雾涂覆、旋转涂布、辊式涂布、狭缝模具式涂布等）来交替沉积介电材料和阻挡材料。例如，可以通过在Applied Materials Endura200mm系统中反应性RF喷溅Si至氧电浆中而沉积成SiO₂。可以以类似的方式在氮电浆中由Li₃PO₄靶标沉积LiPON。介电层/阻挡层的一个或多个层叠体可以依次交替。可以通过溶液方法或者真空方法来沉积顶部电极，例如从上文提供的列表中选择一种方法来沉积。该装置可以出于可靠性而被封装并且通过半导体封装中常用的任一种技术来防止氧气或湿气进入，例如，通过聚对二甲苯层和钛层交替。通过蓄电池装置中常见的密封连通电极。

读者的注意力集中在和该说明书同时递交的所有文件和文献，这些文件和文献与该说明书公开以受公众监督，所有这样的文件和文献的内容以引用的方式并入本文。除非明确表明，否则在该说明书中公开的所有特征（包括所附权利要求书、摘要和附图）可以由用于同样、等同或类似目的的备选特征替换。因此，除非明确指出另外的含义，否则所公开的各个特征仅是一般系列的等同或类似特征的一个示例。

此外，权利要求中没有明确声明用于执行特定的功能的“装置”或者用于执行特定的功能的“步骤”的任何要素不能被理解为35U.S.C.第112章第6段中规定的“装置”条款或“步骤”条款。具体地，本文的权利要求中“步骤”或“作用”的使用不旨在调用35U.S.C.112,第6段的规定。

应该注意，标签左、右、前、后、顶部、底部、正向、逆向、顺时针方向和逆时针方向，如果使用的话，则仅出于方便的目的并且不旨在表示任何特定的固定方向。相反，它们用来反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

尽管上文对具体实施方式进行了全面描述，然而，可以使用各种变型、替代构造和等同物。因此，上文的描述和例证不应该看做限制本发明的范围，本发明的范围通过所附的权利要求书所限定。

Claims

1.一种储能装置，包括：间隔开的第一电极和第二电极；SiO₂或SiO_xN_y介电层，该介电层设置在所述第一电极和所述第二电极之间；第一阻挡层，所述第一阻挡层设置在所述第一电极和所述介电层之间；和第二阻挡层，所述第二阻挡层设置在所述第二电极和所述介电层之间，其中，所述第一阻挡层的介电常数和所述第二阻挡层的介电常数都独立地大于所述介电层的介电常数；且其中所述第一阻挡层包括阳离子导电材料以及所述第二阻挡层包括阴离子导电材料。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别包括具有在1mV/nm和200mV/nm之间的击穿场强的材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阳离子导电材料选自Mg²⁺导体、Li⁺导体、H⁺导体和Na⁺导体；且所述阴离子导电材料选自O^-导体和F^-导体。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述阳离子导电材料为选自Li₃PO₄和Li₃PO_4-xN_x的Li⁺导体。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别包括介电常数在包括所述介电层的材料的介电常数的10倍与10000倍之间的材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别具有在4nm和100nm之间的厚度。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述介电层具有在10nm和10μm之间的厚度。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别具有在所述介电层的厚度的10倍和1000倍之间的厚度。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层包括阴离子导电材料。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第二阻挡层包括阳离子导电材料。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有在50Whr/kg和500Whr/kg之间的能量密度。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有大于50Whr/kg的能量密度。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置具有大于100Whr/kg的能量密度。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电极的逸出功大于所述第二电极的逸出功。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一电极的逸出功大于4.0eV以及所述第二电极的逸出功小于4.5eV。