CN104115246A - 能量储存装置、能量储存装置的制造方法以及包含能量储存装置的移动电子装置 - Google Patents
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Abstract
能量储存装置包括：中间段(610)，包括多个双面多孔结构(500)，其中每个包含其两个相对表面(515，525)中的多个通道(511)；上段(620)，包括单面多孔结构(621)，其中包含其表面(625)中的多个通道(622)；以及下段(630)，包括单面多孔结构(631)，其中包含其表面(635)中的多个通道(632)。
Description
技术领域
一般来说，本发明的所公开实施例涉及能量储存装置，以及更具体来说，涉及用于能量储存装置的性能增强和制造技术。
背景技术
现代社会依赖能量的现成可用性。随着对能量的需求增加，能够有效储存能量的装置变得越来越重要。因此，包括电池、电容器、电化学电容器(EC)(包括伪电容器和电双层电容器(EDLC)—又称作超级电容器以及其它名称)、混合EC等的能量储存装置广泛用于电子以及之外的领域。具体来说，电容器广泛用于范围从电路和电力输送到电压调节和电池更换的应用。电化学电容器的特征在于高能量储存容量以及其它预期特性、包括高功率密度、小尺寸和小重量，并且因而成为供若干能量储存应用中使用的有希望候选。
以上所述的相关情况(国际申请No.PCT/US2010/029821)公开用于使用例如多孔硅来形成高能量密度电化学电容器的三维结构。在所公开实施例的一部分中，电化学过程用来将孔深入蚀刻到硅结构中，以及孔填充有电解质或者高k介电材料和/或与电解质结合的薄导电薄膜。
附图说明
通过阅读以下结合附图中的所附图表进行的详细描述，将会更好地了解所公开实施例，其中：
图1和图2是按照本发明的实施例的能量储存装置的截面图；
图3是按照本发明的实施例、在多孔结构的通道中形成的电双层的图示；
图4a和图4b分别是多孔硅结构的表面和截面切片的图像；
图5是可用于按照本发明的实施例的能量储存装置中的双面多孔结构的截面图；
图6和图7是按照本发明的实施例的能量储存装置的截面图；以及
图8是示出制造按照本发明的实施例的能量储存装置的方法的流程图。
具体实施方式
为了说明的简洁和清楚起见，附图示出构造的一般方式，并且可省略众所周知的特征和技术的描述及细节，以免不必要地影响对本发明的所述实施例的论述的理解。另外，附图中的元件不一定按比例绘制。例如，图中一部分元件的尺寸可相对于其它元件放大，以帮助提高对本发明的实施例的理解。某些附图可按照理想化方式示出，以便例如当结构示为具有直线、锐角和/或平行平面等时帮助理解，在现实世界条件下可能明显不太对称和有序。不同附图中的相同参考标号表示相同元件，而相似参考标号可以但不一定表示相似元件。
描述和权利要求书中的任何术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(若有的话)用于区分相似元件，但不一定用于描述特定顺次或时间顺序。要理解，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的实施例例如能够按照与本文所示或以其他方式所述的不同的次序进行操作。类似地，如果方法在本文中描述为包括一系列步骤或操作，则如本文所提供的这类步骤或操作的顺序不一定是可执行这类步骤或操作的唯一顺序，而是也许可能省略所述步骤或操作的一部分和/或也许可能将本文中没有描述的某些其它步骤或操作添加到该方法。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变化意在涵盖非排他的包含，使得包括元件列表的过程、方法、产品或设备不一定局限于那些元件，而是可包括未明确列出或者这种过程、方法、产品或设备固有的其它元件。
描述和权利要求书中的任何术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”等(若有的话)用于描述性目的，而不一定用于描述永久相对位置，除非另加具体说明或者由上下文说明。要理解，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的实施例例如能够按照与本文所示或所述的不同的其它取向进行操作。如本文所使用的术语“耦合”定义为按照电或非电的方式直接或间接连接。本文中描述为彼此“相邻”的对象在适合于使用词语的上下文的情况下可以是彼此物理接触、彼此接近或者在相同的一般地区或区域。本文中的词语“在一个实施例中”的出现不一定都表示同一个实施例。
附图详细描述
例如上述相关情况中所公开的、使用多孔导电或者半导通衬底所制作的电化学电容器在能量储存方面提供显著有益效果。但是，组装多孔导电或者半导通衬底以形成大EC是棘手的，因为多孔衬底通常是平坦的，并且较薄和较脆。衬底能够制作成较厚，以便进行补偿，但是所产生的较深孔将变得更难以填充有电解质并且填充有使用原子层沉积(ALD)所沉积的膜等。另外，较厚的多孔结构能够对处理期间的应力和破裂越来越敏感。如下面将详细论述，本发明的实施例为EC或其它能量储存装置提供机械强度和支承，同时简化其组装。
在本发明的一个实施例中，能量储存装置包括：中间段，包括多个双面多孔结构，该多个双面多孔结构中每个包含其两个相对表面中的多个通道；上段，包括单面多孔结构，单面多孔结构包含其表面中的多个通道；以及下段，包括单面多孔结构，单面多孔结构包含其表面中的多个通道。
虽然本文的论述的大部分将集中于电化学电容器，但是“能量储存装置”表示—除了EC之外—还明确包括混合电化学电容器(其与电化学电容器相似，在下文更详细论述)以及电池、燃料电池以及储存能量的类似装置。按照本发明的实施例的能量储存装置能够用于大量应用，包括在个人计算机（PC）中，包括台式和膝上型(笔记本)计算机、平板计算机、蜂窝电话、智能电话、音乐播放器、服务器、其它电子装置、汽车、公共汽车、火车、飞机、其它运输车辆、家用能量储存、用于太阳能或风能发电机、特别是能量采集装置所生成的能量的储存等等。
电化学电容器按照与管理常规平行板电容器的原理相似的原理进行操作，但是某些重要差别适用。一个显著差别涉及电荷分离机制。对于一类重要EC，这通常采取所谓的电双层或EDL、而不是常规电容器的电介质的形式。EDL在电解质与高表面积之间的界面处通过该界面一侧的电子(或空穴)以及另一侧的离子电荷载流子的电化学行为来创建，并且引起电荷的有效分离，而不管双层中的两层如此靠近的事实。(物理分离距离为大约单一纳米。)因此，典型EDL电容器可被认为是将电荷储存在其EDL中。EDL的每层是导电的，但是双层的性质防止电流流过它们之间的边界。(下面结合图3进一步论述EDL。)
正如常规电容器中那样，EDL电容器的电容与电极的表面积成正比，而与电荷分离距离成反比。在EDL电容器中可取得的极高电容部分归因于可归因于多通道多孔结构的极高表面积以及可归因于EDL的纳米级电荷分离距离，其因电解质的存在而发生，如上所述。可按照本发明的实施例使用的一种类型的电解质是离子液体。另一种是包括包含离子的溶液的电解质(例如Li2SO4、LiPF6)。有机电解质、水电解质和固态电解质也是可能的。
另一类电化学电容器是伪电容器，其中除了EDL电容之外，一种不同的储存机制—最初是感应电流而不是静电的储存机制—还能够在某些类型的电极表面发生。这通常称作“伪电容”，并且其特征在于与许多固态电极电池的操作相似的电荷储存过程。通常，伪电容器的电极之一涂敷有过渡金属氧化物，例如MnO2、RuO2、NiOx、Nb2O5、V2O5等，或者涂敷有其它材料，包括Mo2N、VN、W2N、W2C（碳化钨）、Mo2C、VC、适当导电聚合物或者组成其中储存电荷的活性材料的类似材料。这些材料能够与电解质、例如氢氧化钾(KOH)溶液配合使用；当装置被充电时，电解质将与材料发生反应，并且驱动电荷转移反应，其中储存能量。更具体来说，这些材料经过高可逆表面和近表面氧化还原(感应电流)反应(其因快速充电和放电动力学而实现比常规电池中的大量储存要高的功率)储存其能量的大部分。
混合电化学电容器是组合EC和电池的属性的能量储存装置。在一个示例中，涂敷有锂离子材料的电极与电化学电容器相结合，以便创建具有EC的快速充电和放电特性以及电池的高能量密度的装置。另一方面，混合EC、例如电池具有比电化学电容器要短的预计使用期限。
现在参照附图，图1和图2是能量储存结构100的截面图，其将用来引导介绍将帮助了解本发明的实施例的概念和结构的初始论述。如图1所示，能量储存结构100包括能量储存装置101和导通支承结构102。备选地，如图2所示，能量储存结构100包括能量储存装置101和非导通支承结构103。能量储存装置101包括由作为电子绝缘体和离子导体的分离器130相互分离的导电结构110和导电结构120。分离器130防止导电结构110和120相互物理接触，由此防止电短路。(在其它实施例中，由于以下所述原因，分离器是不必要的并且能够省略。)
导电结构110和120的至少一个包括多孔结构，其中包含多个通道，其每个具有到多孔结构表面的开口。这个特征是用于形成多孔结构的以下所述过程的结果。作为一个示例，多孔结构可在导通或者半导通材料中形成。备选地，多孔结构可在涂敷了导电膜(例如ALD导电膜(例如，ALD导电膜，例如氮化钛(TiN))的绝缘材料(例如氧化铝)中形成。在这点上，具有更高电导率的材料是有利的，因为它们降低能量储存装置的有效串联电阻(ESR)。在所示实施例中，导电结构110和导电结构120均包括这种多孔结构。相应地，导电结构110包括具有到对应多孔结构的表面115的开口112的通道111，以及导电结构120包括具有到对应多孔结构的表面125的开口122的通道121。
能量储存装置101的各种配置是可能的。在图1的实施例中，例如，能量储存装置101包括两个不同的多孔结构(即，导电结构110和导电结构120)，其隔着分离器130面对面接合在一起。作为另一个示例，在图2的实施例中，能量储存装置101包括单平面多孔结构，其中第一段(导电结构110)通过包含分离器130的沟槽231与第二段(导电结构120)分离。导电结构之一将是正极侧，而另一导电结构将是负极侧。沟槽231可沿直线分离导电结构110和120，但是备选地可使用更复杂形状、例如两个叉指电极的分支之间的曲折空间来分离它们。
作为一个示例，分离器130可能是透性膜或者其它多孔聚合物分离器。一般来说，分离器防止阳极和阴极的物理接触(这可能引起装置的电气故障)，同时准许离子电荷载流子的转移。除了聚合物分离器之外，若干其它分离器类型是可能的。这些包括无纺纤维布或者其它无纺分离器、液态膜、聚合物电解质、固态离子导体、玻璃纤维、纸、陶瓷等。在一些实施例中，无纺分离器是随机定向或者按照定向模式设置的纤维的集中。
应当注意，虽然在图2中示出，但是分离器在其中所示的配置中可以不是必要的，因为例如支承结构102可用来保持结构110与120之间的物理分离。作为另一个示例，导电结构110和120各可附连到陶瓷封装(未示出)，其将两个导电结构相互保持物理分离。
作为一个示例，导电结构110和120的多孔结构能够通过湿式蚀刻过程来创建，其中施加到导电结构表面的液态蚀刻剂按照与水能够在岩石中切开通道的方式至少有点相似的方式来蚀刻掉导电结构的部分。这是通道的每一个具有到导电结构表面的开口的原因；湿式蚀刻方法不能在多孔结构中创建全封闭空腔、即没有到表面的开口的空腔、就像岩石内部截留的气泡。这并不是说，那些开口因其它材料的存在或添加而无法覆盖有其它材料或者以其它方式封闭(其实际上在若干实施例中可能发生)，但是，无论是否被覆盖，到表面的所述开口是按照本发明的至少一个实施例的各多孔结构中的各通道的特征。(其中开口可被覆盖的一个实施例是其中作为电路或其它布线的一层外延硅在通道之上生长的实施例。)
通过正确蚀刻剂，应当有可能从大量材料来制作具有所述特性的多孔结构。各种形式的硅—包括冶金级硅、单晶硅、多晶硅和绝缘体上硅—是适用的一种材料。作为一个示例，可通过采用氢氟酸（HF）和乙醇或异丙醇的混合物蚀刻硅衬底，来创建多孔硅结构。更一般来说，多孔硅和其它多孔结构可通过诸如阳极化和染色蚀刻之类的过程来形成。下面将更详细论述按照本发明的实施例的蚀刻技术。
除了已经提到的多孔硅之外，可特别适合于按照本发明的实施例的能量储存装置的某些其它材料是多孔锗和多孔锡。使用多孔硅的可能优点包括它与现有硅技术的兼容性以及它在地壳中的充裕。多孔锗享有与用于那种材料的现有技术的结果相似的优点，以及与硅相比享有其自然氧化物(氧化锗)是水溶的并且因此易于去除的又一可能优点。(在硅表面形成的自然氧化物可截留电荷，这是不合需要的结果。)多孔锗也与硅技术是非常兼容的。使用作为零带隙材料的多孔锡的可能优点包括它相对某些其它导通和半导通材料的增强导通率。
其它材料也可用于多孔结构，包括半导通材料，例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)以及合金、例如硅和锗的合金。还可使用有机半导体。在一些实施例中，可将半导通材料—或者甚至绝缘材料—处理成使它们是导电的(或者更高导通的)。一个示例是退化地掺杂有硼的硅。除了多孔半导通衬底之外，多孔导电衬底也可用于EC，包括由诸如铜、铝、镍、钙、钨、钼和锰之类的金属所组成的衬底。
再次参照图1和图2，能量储存结构100还包括(在图1所示的实施例中)多孔结构的至少一部分上以及通道111和/或通道121的至少部分中的导电涂层140。这种导电涂层可以是必要的，以便保持或增强多孔结构的导通率，其还能够降低ESR，由此改进性能。例如，具有较低ESR的装置能够输送较高功率(其可在更大加速度、更大马力等方面来证明)。相反，较高ESR(在典型电池内部常常是普遍的一种条件)至少部分因许多能量作为热量浪费的事实(这是对长期性能和安全的关键考虑因素)而限制可用能量的量。
图1和图2所示的是电解质150，其产生EDL，如上所述。电解质150(以及本文所述的其它电解质)在附图中使用圆圈的随机排列来表示。这种表示意在传达如下思路：电解质是包含自由离子电荷载流子的物质(液态或固态，包括凝胶状材料)。圆圈是为了方便起见而选择，而不是要暗示关于电解质成分或质量的任何限制，包括相对离子电荷载流子的大小、形状或数量的任何限制。
在引入电解质150之后，电双层在多孔结构的通道中形成，如图3示意所示。在那个图中，电双层330在通道111之一中形成。EDL 330由两个成分组成：通道111的侧壁的电荷(在图3中示为正，但在其它实施例中可能为负)；以及电解质中的自由离子电荷载流子。因此，EDL 330提供电荷的分离，其是必要的，以便使电容器起作用。如先前所述，EDL电容器的大电容以及因而能量储存电位部分因电解质离子电荷载流子与电极表面电荷之间的小(大约1纳米(nm))分离距离而发生。
应当注意，多孔结构的图1和图2的图示是极为理想化的，因为所有通道111和121示为仅垂直延伸，这里只列举一个示例。实际上，通道可沿多个方向分叉，以创建复杂、无序图案，其可能看起来有点像图4所示的多孔结构。
图4a和图4b分别是多孔硅结构400(在本例中为多孔硅)的表面和截面切片的扫描电子显微镜(SEM)图像。如所示，多孔结构400包含多个通道411。应当理解，通道411可能沿其长度扭曲和翻转，使得单通道可具有垂直和水平部分以及既不是完全垂直也不是完全水平、而是介于其之间的某个位置的部分。注意，图4b中，通道延伸到靠近但是没有完全到达蚀刻结构的底部，因而在通道下面留下未蚀刻硅层402。在一个实施例中，未蚀刻层402充当多孔结构400(以及对应能量储存装置，未示出)的支承结构，并且因而是支承结构102的等效体。
图5是按照本发明的一实施例的双面多孔结构500的截面图。如下面将进一步论述，双面多孔结构500可用作按照本发明的实施例的能量储存装置的组件。如图5所示，双面多孔结构500包括表面515和相对表面525。多个通道511的每一个具有到结构500的表面515的开口512，以及多个通道521的每一个具有到结构500的表面525的开口522。两组通道均包含电解质550。导电中心部分560位于通道511与521之间。
可通过从两侧(每次一侧)蚀刻衬底，在到达衬底中点之前停止以便留下中心段(560)，来形成双面多孔结构500。蚀刻过程的精度是使得它可至少控制成在一微米左右之内，以及中心段560因而可根据需要具有大致一微米的厚度。但是，在某些实施例中，较厚的值用于中心段560，因为较大厚度提供整体结构的机械强度的较大措施。因此，在一些实施例中，中心段560可具有大致5或10微米或以上的厚度。
蚀刻可使用电化学蚀刻来实现，其利用HF和异丙醇(或者乙醇等)的稀释混合物来形成能够贯穿衬底的相当大部分的纳米孔。作为一个示例，可通过将上述HF混合物之一用作蚀刻剂，将电化学蚀刻技术应用于初始电阻率为0.7毫欧厘米(mΩ-cm)的固态硅晶圆，来制备双面多孔结构、例如双面多孔结构500。可使用大约每平方厘米25毫安(mA/cm2)至500 mA/cm2的范围的电流密度。(这些值中的面积分量表示形成孔之前的衬底表面的面积。)
除了提供机械强度之外，中心段560还形成通道511的尖端与通道522的尖端之间的电连接。重要的是，整个硅衬底的宽度可用于这个电连接，其与具有较小连接剖面的结构相比显著降低电阻率。此外，中心段的较小厚度(例如5-10微米，如上所述)提供电荷能够流过其中的低电阻通路。
以上论述参照按照本发明的实施例的多孔结构—包括双面多孔结构—进行。如上所述，这些多孔结构能够在多种材料中形成，包括硅(采取各种形式，包括冶金级硅、单晶硅、多晶硅和绝缘体上硅)、锗、GaAs、InP、BN、CdTe、锡、铜、铝、镍、钙、钨、钼、锰、碳化硅、有机半导体和硅锗合金。从其中制作多孔结构的材料在至少部分实施例中能够掺杂有增加其导电率的元素；这可使用本领域已知的标准技术进行。在一个实施例中，其中形成多孔结构的材料是硅，以及掺杂剂种类是硼，其可按照例如1019 atoms/cm3的浓度来引入硅中。其它可能的掺杂剂包括磷和砷(但是这些和其它n型掺杂剂要求蚀刻期间的照射过程(p型掺杂剂不要求))。
依靠作为通道创建技术的电化学蚀刻的本发明的实施例具有将掺杂剂引入从其中制作多孔结构的材料中的另一个原因。在涉及硅和HF蚀刻剂的情况下，认为高电场吸引缺陷处和孔的尖端处的空穴，其帮助硅与来自蚀刻剂的氟之间的反应。认为该过程涉及液体形式的SiF4分子的形成。SiF4被抽出并且最终从通道被冲洗掉，从而留下氢原子，其接合到侧壁并且还形成H2(其然后作为气体被去掉)。一些氢原子仍然保留；这些与剩余硅原子进行接合。这个过程向下蚀刻通道(各向异性地)，与按照各向同性方式的横向扩大(其只是抛光表面而没有形成通道)相反。如最好地理解那样，下面提出附加细节(但是必须要说，多孔硅形成的机制的准确细节至少在某种程度上仍然是不明确的)。
一般来说，在通道形成期间，半导体的直接分解几乎始终包括氧化加上氧化物的后续分解。因此，蚀刻剂(例如HF)必须能够分解氧化物。分解反应并且由此半导体中的通道形成的第二先决条件是电子空穴的可用性。与HF水溶液相接触的硅表面通过氢饱和，耗尽电子空穴，并且趋向于相对电解质是化学非活性的(这在蚀刻过程期间保护通道侧壁)。如果电压施加到电极，则硅晶圆中存在的空穴开始朝硅电解质界面迁移。在界面处，空穴去除一个硅接合，并且由此使一个硅原子更易于与电解质进行交互。最终，硅原子转移到溶液中。电极分解到具有最佳电流密度的区域中，并且通道在几乎没有电流密度的区域中形成。按照不同模型，通道生长的发起可开始于微空腔、结构缺陷、机械应变区域或者表面势场的局部扰动。
双面多孔硅衬底(或者在其它适当材料中形成的双面多孔结构)—例如双面多孔结构500—能够设置成使得形成电化学电容器叠层，其中电化学电容器能够按照使得它们形成能够实现比EC能够单独实现的性能更好的性能的能量储存装置的方式相互连接。能量储存容量和电压的大增加可通过按照这种方式堆叠多个多孔衬底来实现，如下面进一步说明。
关于任何电容器，理想电化学电容器的能量E如等式1所示取决于其电容和电压，
[等式1]
相应地，增加电化学电容器的电容C和/或(特别是)电压V将引起所储存能量E的增加。任何能量储存装置的目的当然是增加能够储存的能量，但是增加可实现电压因能量储存装置可与其配合使用的电路的工作电压要求而常常也是重要的。本发明的实施例通过实现上述堆叠配置来解决这两个问题。将(相等电容和相等能量的)两个电容器相互串联电连接—正如两个(或更多)导电多孔结构开始相互接触并且堆叠时进行的那样—引起能量和电压的加倍(与单独的电容器相比)以及电容减小1/2。相对电容更一般来说，串联连接的n个电容产生总电容1/C=1/C1+1C2+…+1/Cn。重要的是要注意，虽然通过串联地堆叠两个电容器没有创建附加能量—两个串联的相同电容器的能量只是两个单独电容器的能量之和，但是系统的特定能量容量(每重量的能量)和能量密度(每体积的能量)可因双面多孔结构的两侧的利用而显著改进。
通过减少封装步骤和材料，并且重要的是通过允许材料的更加节省成本使用，多个双面多孔衬底的堆叠也可引起成本降低。为了改进成本效率，期望使产生衬底的成本为最小，同时使衬底材料的每单位体积储存的总能量为最大。在这点上，应当理解，通道的深度D可通过诸如离子电荷载流子在通道中自由移动的能力以及关于对高纵横比结构执行ALD的可行性的限制之类的考虑因素来限制。不太陡的通道对应于较小表面积，以及因为电容与表面积成正比，所以较短通道引起较小电容，并且因此引起能量储存的降低容量。通过这个限制的通道深度，用于增加表面积以及同样地增加能量储存的技术在至少部分实施例中限制到增加给定体积中的深度限制通道的数量。这通过使用仅比单面多孔衬底的通道深度略厚(D+δ)的起始衬底、同时使用接近双面多孔衬底的两倍厚(2*(D+δ)的起始衬底(其中δ是衬底的非多孔部分(其被要求以提供机械稳定性)的最小厚度—通常从一μm至五μm或以上的任何位置)来实现。使用双面多孔衬底来实现这种增加在许多情况下能够是优选的，因为与具有等效数量的通道的单面多孔衬底相比，双面多孔衬底不太昂贵或者可更密集地封装。较低成本归因于如下事实：薄晶圆通常比厚晶圆成费用要高，这至少部分归因于薄化晶圆和/或在切割并且薄化晶圆时被去除(和浪费)的材料所需的附加处理。较大通道密度起因于如下事实：固态材料(没有通道)与多孔材料的比率对双面多孔衬底较低，并且引起以上所述的更大特定能量容量和更多能量密度。
附加成本节省因如下事实而是可能的：使用双面衬底实现原本对单面衬底所要求的组装步骤的将近一半的消除。这是因为叠层中的各双面衬底将包含两倍于单面衬底的通道；因此，给定数量的通道将是使用单面衬底的大致一半双面衬底可实现的，以及较少数量的双面衬底可使用大致一半数量的堆叠和其它组装操作来组装。
因为能量储存容量和电压的增加均是合乎需要的结果，所以由本发明的实施例所实现的类型的堆叠EC配置提供显著优点。根据需要，堆叠能量储存装置的单独组件(即，单独多孔衬底)能够并联电连接—例如通过使用与衬底侧面进行接触的导体，这在恒定电压电平产生电容和能量的加倍。
图6是按照本发明的一实施例的能量储存装置600的截面图。如图6所示，能量储存装置600包括中间段610，其包括均与首先在图5中示出的双面多孔结构500相同或相似的两个双面多孔衬底。在未示出实施例中，中间段610能够包括两个以上双面多孔结构。除了中间段610之外，能量储存装置600还包括其中包含单面多孔结构621的上段620以及其中包含单面多孔结构631的下段630。
单面多孔结构621与双面多孔结构500相似，但是它仅包含朝表面625开口的单组通道622。通道622包含电解质651。结构621的表面626—相对表面625—与导电层671相邻。类似地，单面多孔结构631包含朝表面635开口并且包含电解质652的单组通道632。结构631的表面636—相对表面635—与导电层672相邻。导电层671具有第一极性，而导电层672具有与第一极性相反的第二极性。换言之，如果导电层671保持在正电位，则导电层672具有负电位，反过来也是一样。在某些实施例中，导电层671和672是能量储存装置600的收集器。在一些实施例中，这些收集器可从能量储存装置600中省略，在这种情况下，位于通道分别与表面626和636之间的结构621和631的区域充当收集器。
能量储存装置600还包括位于每对相邻多孔结构之间的分离器681。与以上所述并且首先在图1中示出的分离器130相似，分离器681是电子绝缘体和离子导体，并且确保相邻多孔结构没有相互电短路。作为一个示例，分离器能够是聚合物分离器、无纺分离器、液态膜、聚合物电解质、固态离子导体、玻璃纤维、纸材料、陶瓷材料等。在一些实施例中，分离器681可采用位于同一位置的环氧树脂或者另一种适当粘合剂来替代。
仍然参照图6，在一些实施例中，多孔结构的一个或多个能够具有包含通道的内部区域691以及与内部区域相邻并且包括多孔结构的未蚀刻部分的外部区域692。外部区域692可比内部区域691要厚，意味着它延伸到离中心段560更大的距离。外部区域的额外高度提供插入分离器(若需要的话)的空间。可通过蚀刻晶圆以使得去除内部区域中的材料层，因而限定稍后蚀刻通道的区域，同时在适当位置留下外部的材料，来创建内部区域691。
图7是按照本发明的一实施例的能量储存装置700的截面图。如图7所示，能量储存装置700包括相互并联电连接的多个能量储存单元。各能量储存单元与能量储存装置600相同或相似。能量储存装置700还包括与能量储存单元600关联的开关网络710。当EC电容器放电时，它没有保持恒定电压，而是在放电期间均匀地降低(与电压在放电期间保持相对恒定的电池不同)。开关网络710包括接入和关断各种电容器以使得保持比较恒定电压的电路或者另外某种机构。例如，能量储存装置最初可相互并联连接，并且然后在一定量的电压衰退之后，能量储存装置的子集可通过开关网络来改变成串联连接，使得其单独电压贡献能够提升衰退的总电压。在一个实施例中，开关网络710可使用如现有技术中使用的现有硅装置技术(晶体管、可控硅整流器(SCR)等)来实现，而在其它实施例中，它可使用微机电系统(MEMS)继电器或开关(可以注意到，其趋向于具有极低电阻)来实现。
图8是示出制造按照本发明的一实施例的能量储存装置的方法800的流程图。作为一个示例，方法800能够引起创建能量储存装置，例如图6所示的能量储存装置600。
方法800的操作810是提供双面多孔结构，双面多孔结构包含其第一表面中的第一多个通道以及其相对第二表面中的第二多个通道。作为一个示例，双面多孔结构能够与首先在图5中示出的双面多孔结构500相似。第一多个通道以及在方法800的后续操作中形成的附加多个通道能够填充有电解质。
在一个实施例中，操作810包括：对衬底的第一表面执行第一蚀刻，以便在其中形成第一多个通道；对衬底的第二表面执行第二蚀刻，以便在其中形成第二多个通道；以及控制第一蚀刻和深度和第二蚀刻的深度，以便在第一多个通道与第二多个通道之间留下未蚀刻中心部分。作为一个示例，中心部分能够与首先在图5中示出的中心部分560相似。
方法800的操作820是提供第一单面多孔结构，第一单面多孔结构包含其表面中的第三多个通道。作为一个示例，第一单面多孔结构能够与首先在图6中示出的单面多孔结构621相似。
方法800的操作830是将第一单面多孔结构电化学地串联连接到双面多孔结构的第一表面。词语“电化学连接”因EC电容器中的电荷转移机制的双重性质—涉及电子和离子电荷载流子—而在这个上下文中(以及本文中适当的其它位置)使用。
方法800的操作840是提供第二单面多孔结构，第二单面多孔结构包含其表面中的第四多个通道。作为一个示例，第二单面多孔结构能够与首先在图6中示出的单面多孔结构631相似。
方法800的操作850是将第二单面多孔结构电化学地串联连接到双面多孔结构的第二表面。
在一些实施例中，方法800还包括提供一对或多对相邻多孔结构之间的分离器。作为一个示例，分离器能够与首先在图6中示出的分离器681相似。
虽然参照具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员会理解，可进行各种变更，而没有背离本发明的精神或范围。相应地，本发明的实施例的公开意在说明本发明的范围，而不是要进行限制。预计本发明的范围仅限制到所附权利要求书所要求的程度。例如，本领域的技术人员将易于清楚地知道，本文所述的能量储存装置及相关结构和方法可在多种实施例中实现，并且这些实施例的一部分的以上论述不一定表示所有可能实施例的完整描述。
另外，针对具体实施例描述了有益效果、其它优点和问题的解决方案。但是，有益效果、优点、问题的解决方案以及可使任何有益效果、优点或解决方案发生或者变得更为显著的任何元件或多个元件并不是要被理解为权利要求的任一个或全部的关键、必要或本质特征或者元件。
此外，如果本文所公开的实施例和/或限制为下列之一，则本文所公开的实施例和限制并非专用于在专用原则下的公开：(1) 在权利要求书中没有明确要求保护；以及(2) 在等效原则下，作为或者可能作为权利要求书中的明确元件和/或限制的等效物。
Claims (28)
1. 一种能量储存装置，包括：
具有第一表面和相对第二表面的双面多孔结构，所述双面多孔结构包含：
第一组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第一表面的开口；
第二组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第二表面的开口；
所述第一与第二组通道之间的导电中心部分；以及
所述第一组通道和所述第二组通道中包含的电解质；
与所述双面多孔结构的所述第一表面相邻的第一单面多孔结构，所述第一单面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含第三组通道，所述第三组通道中每个具有到所述第一单面多孔结构的所述第一表面的开口，并且所述第三组通道中中每个包含电解质；以及
与所述双面多孔结构的所述第二表面相邻的第二单面多孔结构，所述第二单面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含第四组通道，所述第四组通道中每个具有到所述第二单面多孔结构的所述第一表面的开口，并且所述第四组通道中每个包含电解质。
2. 如权利要求1所述的能量储存装置，还包括：
在所述第一单面多孔结构的所述第二表面的第一导电层，所述第一导电层具有第一极性；以及
在所述第二单面多孔结构的所述第二表面的第二导电层，所述第二导电层具有与所述第一极性相反的第二极性。
3. 如权利要求1所述的能量储存装置，还包括：
所述单面多孔结构之一与所述双面多孔结构之间的分离器，其中所述分离器防止所述双面多孔结构与所述单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过。
4. 如权利要求3所述的能量储存装置，其中：
所述分离器是聚合物分离器、无纺分离器、液态膜、聚合物电解质、固态离子导体、玻璃纤维、纸材料和陶瓷材料其中之一。
5. 如权利要求1所述的能量储存装置，还包括：
所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的第一分离器，所述第一分离器防止所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过；以及
所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的第二分离器，所述第二分离器防止所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过。
6. 如权利要求1所述的能量储存装置，还包括：
与所述双面多孔结构相邻的第二双面多孔结构，其中所述第二双面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含：
第五组通道，其中每个具有到所述第二双面多孔结构的所述第一表面的开口；
第六组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第二表面的开口；
所述第五与第六组通道之间的导电中心部分；以及
所述第五组通道和所述第六组通道中包含的电解质。
7. 如权利要求6所述的能量储存装置，其中：
所述第一和第二双面多孔结构电化学地串联连接。
8. 如权利要求6所述的能量储存装置，其中：
所述第一双面多孔结构电化学地连接到所述第一单面多孔结构；以及
所述第二双面多孔结构电化学地连接到所述第二单面多孔结构，使得所产生的等效电路包含并联电连接的多个电容器。
9. 如权利要求1所述的能量储存装置，其中：
所述多孔结构的至少一个包括其中包含所述通道的内部区域和与所述内部区域相邻的外部区域；以及
所述外部区域比所述内部区域要厚。
10. 如权利要求9所述的能量储存装置，其中：
所述外部区域包括所述多孔结构的未蚀刻部分。
11. 如权利要求1所述的能量储存装置，其中：
所述双面多孔结构从半导通材料来形成。
12. 如权利要求11所述的能量储存装置，其中：
所述半导通材料是硅、单晶硅、多晶硅、绝缘体上硅、锗、GaAs、InP、BN、CdTe、碳化硅、有机半导体以及硅和锗的合金其中之一。
13. 如权利要求1所述的能量储存装置，其中：
所述双面多孔结构从导通材料来形成。
14. 如权利要求13所述的能量储存装置，其中：
所述导通材料是锡、铜、铝、镍、钙、钨、钼和锰其中之一。
15. 一种能量储存装置，包括：
相互并联电连接的多个能量储存单元，其中各能量储存单元包括：
具有第一表面和相对第二表面的至少一个双面多孔结构，所述双面多孔结构包含：
第一组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第一表面的开口；
第二组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第二表面的开口；
所述第一与第二组通道之间的导电中心部分；以及
所述第一组通道和所述第二组通道中包含的电解质；
与所述双面多孔结构的所述第一表面相邻的第一单面多孔结构，所述第一单面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含第三组通道，所述第三组通道中每个具有到所述第一单面多孔结构的所述第一表面的开口，并且所述第三组通道中每个包含电解质；
在所述第一单面多孔结构的所述第二表面的第一导电层，所述第一导电层具有第一极性；
与所述双面多孔结构的所述第二表面相邻的第二单面多孔结构，所述第二单面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含第四组通道，所述第四组通道中每个具有到所述第二单面多孔结构的所述第一表面的开口，并且所述第四组通道中每个包含电解质；以及
在所述第二单面多孔结构的所述第二表面的第二导电层，所述第二导电层具有与所述第一极性相反的第二极性，
其中：
所述至少一个双面多孔结构、所述第一单面多孔结构和所述第二单面多孔结构相互串联电连接。
16. 如权利要求15所述的能量储存装置，还包括：
所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的第一分离器，所述第一分离器防止所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过；以及
所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的第二分离器，所述第二分离器防止所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过，其中所述第一和第二分离器是聚合物分离器、无纺分离器、液态膜、聚合物电解质、固态离子导体、玻璃纤维、纸材料和陶瓷材料其中之一。
17. 如权利要求15所述的能量储存装置，还包括：
与所述能量储存单元关联的开关网络。
18. 一种能量储存装置，包括：
中间段，包括多个双面多孔半导通衬底，所述多个双面多孔半导通衬底中每个包含其两个相对表面中的多个通道；
上段，包括单面多孔半导通衬底，所述单面多孔半导通衬底包含其表面中的多个通道；以及
下段，包括单面多孔半导通衬底，所述单面多孔半导通衬底包含其表面中的多个通道。
19. 如权利要求18所述的能量储存装置，还包括：
所述双面多孔半导通衬底的第一个与所述第一单面多孔半导通衬底之间的第一分离器，所述第一分离器防止所述第一双面多孔半导通衬底与所述第一单面多孔半导通衬底之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过；以及
所述双面多孔半导通衬底的第二个与所述第二单面多孔半导通衬底之间的第二分离器，所述第二分离器防止所述第二双面多孔半导通衬底与所述第二单面多孔半导通衬底之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过，其中所述第一和第二分离器是聚合物分离器、无纺分离器、液态膜、聚合物电解质、固态离子导体、玻璃纤维、纸材料和陶瓷材料其中之一。
20. 如权利要求18所述的能量储存装置，其中：
所述双面多孔半导通衬底和所述单面多孔半导通衬底各包括硅、单晶硅、多晶硅、绝缘体上硅、锗、GaAs、InP、BN、CdTe、碳化硅、有机半导体以及硅和锗的合金其中之一。
21. 一种移动电子装置，包括：
相互并联电连接的多个能量储存单元；以及
与所述多个能量储存单元关联的开关网络，
其中：
各能量储存单元包括：
具有第一表面和相对第二表面的至少一个双面多孔结构，所述双面多孔结构包含：
第一组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第一表面的开口；
第二组通道，其中每个具有到所述双面多孔结构的所述第二表面的开口；
所述第一与第二组通道之间的导电中心部分；以及
所述第一组通道和所述第二组通道中包含的电解质；
与所述双面多孔结构的所述第一表面相邻的第一单面多孔结构，所述第一单面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含第三组通道，所述第三组通道中每个具有到所述第一单面多孔结构的所述第一表面的开口，并且所述第三组通道中每个包含电解质；
在所述第一单面多孔结构的所述第二表面的第一导电层，所述第一导电层具有第一极性；
与所述双面多孔结构的所述第二表面相邻的第二单面多孔结构，所述第二单面多孔结构具有第一表面和相对第二表面，并且包含第四组通道，所述第四组通道中每个具有到所述第二单面多孔结构的所述第一表面的开口，并且所述第四组通道中每个包含电解质；以及
在所述第二单面多孔结构的所述第二表面的第二导电层，所述第二导电层具有与所述第一极性相反的第二极性；以及
所述至少一个双面多孔结构、所述第一单面多孔结构和所述第二单面多孔结构相互串联电连接。
22. 如权利要求21所述的移动电子设备，还包括：
所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的第一分离器，所述第一分离器防止所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过；以及
所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的第二分离器，所述第二分离器防止所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过。
23. 如权利要求22所述的移动电子装置，其中：
所述分离器是聚合物分离器、无纺分离器、液态膜、聚合物电解质、固态离子导体、玻璃纤维、纸材料和陶瓷材料其中之一。
24. 一种制造能量储存装置的方法，所述方法包括：
提供双面多孔半导通衬底，所述双面多孔半导通衬底包含其第一表面中的第一多个通道和其相对第二表面中的第二多个通道；
提供第一单面多孔半导通衬底，所述第一单面多孔半导通衬底包含其表面中的第三多个通道；
将所述第一单面多孔半导通衬底电化学地串联连接到所述双面多孔半导通衬底的所述第一表面；
提供第二单面多孔半导通衬底，所述第二单面多孔半导通衬底包含其表面中的第四多个通道；以及
将所述第二单面多孔半导通衬底电化学地串联连接到所述双面多孔半导通衬底的所述第二表面。
25. 如权利要求24所述的方法，其中：
提供所述双面多孔半导通衬底包括：
对所述衬底的所述第一表面执行第一蚀刻，以便在其中形成所述第一多个通道；
对所述衬底的所述第二表面执行第二蚀刻，以便在其中形成所述第二多个通道；以及
控制所述第一蚀刻的深度和所述第二蚀刻的深度，以便在所述第一多个通道与所述第二多个通道之间留下未蚀刻中心部分。
26. 如权利要求24所述的方法，还包括：
采用电解质来填充所述通道。
27. 如权利要求26所述的方法，还包括：
提供所述第一单面多孔半导通衬底与所述双面多孔半导通衬底之间的分离器，其中所述分离器防止所述双面多孔结构与所述第一单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过。
28. 如权利要求27所述的方法，还包括：
提供所述第二单面多孔半导通衬底与所述双面多孔半导通衬底之间的第二分离器，其中所述第二分离器防止所述双面多孔结构与所述第二单面多孔结构之间的电接触，但是准许来自所述电解质的离子电荷载流子经过。
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