JP2018503243A - Energy storage device - Google Patents

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Abstract

高誘電率、低リークの、コンデンサのようなエネルギー貯蔵装置及びこのようなエネルギー貯蔵装置の製造方法の実施形態を説明する。開示の装置は、導電性の第1電極及び第2電極と、第1電極及び第2電極の間に配置された立体拘束の誘電体膜とを含む。立体拘束の誘電体膜は、複数の高分子を含み、当該高分子の少なくとも一部は第1電極に結合する。開示の装置は、第1電極と誘電体膜との間に及び/又は第2電極と誘電体膜との間に絶縁層を含んでもよい。【選択図】図2Embodiments of a high dielectric constant, low leakage energy storage device such as a capacitor and a method of manufacturing such an energy storage device are described. The disclosed apparatus includes conductive first and second electrodes and a sterically constrained dielectric film disposed between the first and second electrodes. The sterically constrained dielectric film includes a plurality of polymers, and at least a part of the polymers is bonded to the first electrode. The disclosed apparatus may include an insulating layer between the first electrode and the dielectric film and / or between the second electrode and the dielectric film. [Selection] Figure 2

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2014年9月26日付け出願の米国特許出願第14/499,028号の一部継続出願である、2005年12月17日付け出願の米国特許出願第14/574,175号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。また、この出願は、2013年4月5日付け出願の米国仮特許出願第61/808,733号の優先権を主張する、2014年1月16日付け出願の米国特許出願第14/156,457号の一部継続出願であり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。また、この出願は、2013年3月29日付け出願の米国特許出願第13/853,712号の一部継続である2014年9月19日付け出願の米国特許出願第14/490,873号の一部継続出願であり、放棄された2012年11月7日付け出願の米国特許出願第13/671,546号の一部継続出願であり、米国特許第8,633,289号として2014年1月21日に特許を受けた米国特許出願第13/599,996号の一部継続出願であり、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[Cross-reference of related applications]
This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 14 / 499,028, filed on September 26, 2014, and U.S. Patent Application No. 14 / 574,175, filed on December 17, 2005. Which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application also claims US Provisional Patent Application No. 14/156, filed Jan. 16, 2014, which claims priority from US Provisional Patent Application No. 61 / 808,733, filed April 5, 2013. No. 457, a continuation-in-part application, which is incorporated herein by reference in its entirety. This application is also a continuation of US Patent Application No. 13 / 853,712 filed on March 29, 2013, which is a continuation of US Patent Application No. 14 / 490,873 filed on September 19, 2014. A continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 13 / 671,546 filed abandoned on November 7, 2012, and as U.S. Patent No. 8,633,289 in 2014 U.S. Patent Application No. 13 / 599,996, patented on January 21, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

本開示は、高誘電率、低リークの、コンデンサのようなエネルギー貯蔵装置及びこのようなエネルギー貯蔵装置の製造方法の実施形態に関する。   The present disclosure relates to an embodiment of a high dielectric constant, low leakage energy storage device such as a capacitor and a method of manufacturing such an energy storage device.

静電容量は、エネルギーを貯蔵する方法の1つであるが、大容量の電気エネルギーの貯蔵には広く使用されていない。一般的に、誘電体材料に静電エネルギーを貯蔵する際の従来の充電及び放電のサイクルは、ピコ秒から数百マイクロ秒の時間範囲にある。単位質量当たりのエネルギー密度と、単位体積当たりのエネルギー密度との両方において、よりエネルギー密度を高めて、エネルギーを貯蔵する必要性がある。   Capacitance is one method of storing energy, but is not widely used for storing large amounts of electrical energy. In general, conventional charge and discharge cycles in storing electrostatic energy in a dielectric material are in the time range of picoseconds to hundreds of microseconds. There is a need to store energy by increasing the energy density in both the energy density per unit mass and the energy density per unit volume.

本開示は、高誘電率、低リークの、コンデンサのようなエネルギー貯蔵装置及びこのようなエネルギー貯蔵装置の製造方法の実施形態に関する。実施形態に係るエネルギー貯蔵装置は、導電性の第1電極と、導電性の第2電極と、立体拘束型の誘電体膜とを備える。立体拘束型の誘電体膜は、導電性の第1電極と導電性の第2電極との間に配置され、複数の高分子を含む。エネルギー貯蔵装置は、当該エネルギー貯蔵装置が充電及び/又は充電されていない場合、導電性の第1電極と第2電極との間に配置される誘電体材料の重量のみに基づいて、少なくとも1Wh/kgのエネルギー貯蔵容量を有する。ある実施形態では、絶縁層は、導電性の第1電極、導電性の第2電極又は導電性の第1電極及び第2電極の両方の上に配置される。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、高分子は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有してもよい。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、高分子は、タンパク質分子であってよい。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、高分子は、誘電体膜と接触する導電性の第1電極の表面の少なくとも1%に結合してもよい。   The present disclosure relates to an embodiment of a high dielectric constant, low leakage energy storage device such as a capacitor and a method of manufacturing such an energy storage device. The energy storage device according to the embodiment includes a conductive first electrode, a conductive second electrode, and a three-dimensionally constrained dielectric film. The three-dimensionally constrained dielectric film is disposed between the conductive first electrode and the conductive second electrode, and includes a plurality of polymers. The energy storage device is at least 1 Wh / based only on the weight of the dielectric material disposed between the conductive first electrode and the second electrode when the energy storage device is charged and / or not charged. Has an energy storage capacity of kg. In some embodiments, the insulating layer is disposed on the first conductive electrode, the second conductive electrode, or both the first and second conductive electrodes. In any or all of the above embodiments, the polymer may have one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. In any or all of the above embodiments, the macromolecule may be a protein molecule. In any or all of the above embodiments, the polymer may bind to at least 1% of the surface of the conductive first electrode in contact with the dielectric film.

ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置の製造方法は、誘電体材料を備える誘電体膜を導電性の第1電極に付与するステップ(a)を含む。誘電体材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)複数の高分子を含む。さらに、当該製造方法は、誘電体膜を導電性の第2電極に接触させるステップ(b)と、第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたって電場を印加するステップ(c)とを含む。このようにして、エネルギー貯蔵装置が製造される。特定の実施形態では、当該製造方法は、絶縁層を導電性の第1電極に付与して第1複合電極を形成するステップと、誘電体膜を第1複合電極の絶縁層に付与するステップとをさらに含む。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、電場は、100V/cmよりも大きくてよい。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、高分子は、タンパク質分子であってよい。   In one embodiment, a method for manufacturing an energy storage device includes the step (a) of applying a dielectric film comprising a dielectric material to a conductive first electrode. The dielectric material (i) exhibits electrical insulation and / or high dielectric constant, and (ii) includes a plurality of polymers. The manufacturing method further includes a step (b) of bringing the dielectric film into contact with the conductive second electrode, and a step (c) of applying an electric field across the first electrode, the dielectric film, and the second electrode. In this way, an energy storage device is manufactured. In certain embodiments, the manufacturing method includes applying an insulating layer to the conductive first electrode to form a first composite electrode, and applying a dielectric film to the insulating layer of the first composite electrode. Further included. In any or all of the above embodiments, the electric field may be greater than 100 V / cm. In any or all of the above embodiments, the macromolecule may be a protein molecule.

ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置の製造方法は、誘電体材料を備える誘電体膜を、導電性の第1電極に付与するステップ(a)を含む。誘電体材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する、複数の高分子を含む。当該製造方法は、誘電体膜を導電性の第2電極に接触させるステップ(b)と、立体拘束の誘電体膜を形成するために、高分子の少なくとも一部を導電性の第1電極に結合させるステップ(c)とを含む。このようにして、エネルギー貯蔵装置が製造される。高分子の少なくとも一部を導電性の第1電極に結合させるステップは、以下のステップ(i)、ステップ(iii)又はステップ(iii)を含む。ステップ(i)は、第1電極が正電極となり、高分子の少なくとも一部が第1電極に結合するのに有効な時間にわたり電場が印加されるように、第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたる電場を印加するステップである。ステップ(ii)は、化学剤で前記誘電体膜を処理するステップである。ステップ(iii)は、当該ステップ(i)及び当該ステップ(ii)を組み合わせたステップである。   In one embodiment, a method for manufacturing an energy storage device includes the step (a) of applying a dielectric film comprising a dielectric material to a conductive first electrode. The dielectric material includes a plurality of polymers that (i) exhibit electrical insulation and / or high dielectric constant, and (ii) have one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. The manufacturing method includes the step (b) of bringing the dielectric film into contact with the conductive second electrode, and forming at least a part of the polymer on the conductive first electrode in order to form a sterically constrained dielectric film. Combining (c). In this way, an energy storage device is manufactured. The step of bonding at least a part of the polymer to the conductive first electrode includes the following step (i), step (iii) or step (iii). In step (i), the first electrode, the dielectric film and the first electrode are applied so that the first electrode becomes a positive electrode and an electric field is applied for a time effective for at least a portion of the polymer to bind to the first electrode. Applying an electric field across two electrodes. Step (ii) is a step of treating the dielectric film with a chemical agent. Step (iii) is a step combining the step (i) and the step (ii).

上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、電場は、誘電体膜の平均厚さに基づき、少なくとも0.001V/mであってよい。ある実施形態では、電場は、0.005〜1V/μmであり、有効な時間は、1秒から30分である。   In any or all of the above embodiments, the electric field may be at least 0.001 V / m based on the average thickness of the dielectric film. In certain embodiments, the electric field is 0.005 to 1 V / μm and the effective time is 1 second to 30 minutes.

上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、製造方法は、絶縁層を導電性の第1電極に付与して第1複合電極を形成するステップと、誘電体膜を第1複合電極の絶縁層に付与するステップとをさらに含んでもよい。一実施形態では、高分子の一部を結合させるステップは、有効な時間にわたり、第1複合電極、誘電体膜及び第2電極にわたって電場を印加するステップを含み、これにより、高分子の少なくとも一部が、第1複合電極の絶縁層に結合する。独立した実施形態では、化学剤で誘電体膜を処理するステップは、誘電体膜を絶縁層に付与する前にラジカル開始剤を絶縁層に付与するステップと、誘電体膜を絶縁層に加えた後にラジカル開始剤を活性化させるステップとを含み、これにより、高分子の少なくとも一部が第1複合電極の絶縁層に結合する。独立した実施形態では、化学剤で誘電体膜を処理するステップは、以下の、ステップ(i)、ステップ(ii)、ステップ(iii)、ステップ(iv)、ステップ(v)又はステップ(vi)を含む。当該ステップ(i)は、誘導化剤で高分子を誘導化して、第1複合電極の絶縁層に架橋可能な官能基を生成するステップである。当該ステップ(ii)は、誘電体膜の膜材料に架橋剤を含ませるステップである。当該ステップ(iii)は、誘電体膜の膜材料にラジカル開始剤を含ませて、誘電体膜を絶縁層に付与した後にラジカル開始剤を活性化させるステップである。当該ステップ(iv)は、誘電体膜を絶縁層に付与する前に絶縁層にラジカル開始剤を付与し、誘電体膜を絶縁層に付与した後にラジカル開始剤を活性化させるステップである。当該ステップ(v)は、誘電体膜を絶縁層に付与する前にプラズマを絶縁層に印加するステップである。当該ステップ(vi)は、上述のステップ(i)、上述のステップ(ii)、上述のステップ(iii)、上述のステップ(iv)、上述のステップ(v)の何れかを組み合わせたステップである。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、絶縁層は、p−キシリレンを含んでもよい。   In any or all of the above-described embodiments, the manufacturing method includes the steps of applying an insulating layer to the conductive first electrode to form a first composite electrode, and forming a dielectric film on the insulating layer of the first composite electrode. A step of assigning. In one embodiment, coupling a portion of the polymer includes applying an electric field across the first composite electrode, the dielectric film, and the second electrode for an effective time, thereby providing at least one of the polymers. The portion is coupled to the insulating layer of the first composite electrode. In an independent embodiment, treating the dielectric film with a chemical agent comprises applying a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer, and adding the dielectric film to the insulating layer. Activating the radical initiator later, whereby at least a part of the polymer is bonded to the insulating layer of the first composite electrode. In an independent embodiment, the step of treating the dielectric film with a chemical agent comprises the following step (i), step (ii), step (iii), step (iv), step (v) or step (vi): including. The step (i) is a step of derivatizing the polymer with a derivatizing agent to generate a crosslinkable functional group in the insulating layer of the first composite electrode. The step (ii) is a step of adding a crosslinking agent to the film material of the dielectric film. The step (iii) is a step in which a radical initiator is included in the film material of the dielectric film, and the radical initiator is activated after the dielectric film is applied to the insulating layer. The step (iv) is a step of applying a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the insulating layer. The step (v) is a step of applying plasma to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer. The step (vi) is a step obtained by combining any of the above-mentioned step (i), the above-mentioned step (ii), the above-mentioned step (iii), the above-mentioned step (iv), or the above-mentioned step (v). . In any or all of the above embodiments, the insulating layer may include p-xylylene.

上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、高分子は、タンパク質、パリレン、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー、ポリエチレングリコール、ウレタンポリマー、エポキシポリマー、シリコーンポリマー、テルペノイドポリマー、天然樹脂ポリマー、ポリイソシアネート又はそれらの組み合わせを含んでもよい。高分子は、タンパク質又は誘導化タンパク質を含んでもよい。   In any or all of the above embodiments, the polymer is a protein, parylene, acrylic acid polymer, methacrylic acid polymer, polyethylene glycol, urethane polymer, epoxy polymer, silicone polymer, terpenoid polymer, natural resin polymer, polyisocyanate or the like May be included. The macromolecule may comprise a protein or derivatized protein.

上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、導電性の第2電極は、絶縁層を備える第2複合電極であってよく、第2複合電極は、絶縁層が誘電体膜に接触するように配置される。上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、誘電体膜を導電性の第1電極に付与するステップは、除去可能なキャリア膜上に誘電体膜を形成するステップと、キャリア膜を除去するステップと、誘電体膜を導電性の第1電極に移すステップとを含んでもよい。   In any or all of the above embodiments, the conductive second electrode may be a second composite electrode comprising an insulating layer, the second composite electrode being arranged such that the insulating layer is in contact with the dielectric film. Is done. In any or all of the embodiments described above, the step of applying the dielectric film to the conductive first electrode includes the steps of forming the dielectric film on the removable carrier film, and removing the carrier film. And transferring the dielectric film to the first conductive electrode.

上述の実施形態の何れか又は全てにおいて、高分子は、インサイチュで形成される。このような実施形態では、製造方法は、架橋剤及び複数の高分子前駆体を含む組成物を第1電極に付与するステップと、架橋剤を活性化させて、これにより、高分子前駆体を架橋させて、複数の高分子を含む誘電体膜を生成するステップとをさらに含む。ここで、高分子前駆体は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを含むものである。ある実施形態では、高分子前駆体は、(i)アミノ酸分子、(ii)オリゴペプチド、(iii)ポリペプチド又は(iv)それらの組み合わせを含む。ある実施形態では、高分子前駆体は、p−キシリレンモノマーをさらに含む。   In any or all of the above embodiments, the polymer is formed in situ. In such an embodiment, the manufacturing method includes applying a composition including a cross-linking agent and a plurality of polymer precursors to the first electrode, and activating the cross-linking agent, thereby forming the polymer precursor. Cross-linking to produce a dielectric film containing a plurality of polymers. Here, the polymer precursor includes one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or a combination thereof. In certain embodiments, the polymeric precursor comprises (i) an amino acid molecule, (ii) an oligopeptide, (iii) a polypeptide or (iv) a combination thereof. In certain embodiments, the polymeric precursor further comprises a p-xylylene monomer.

独立した実施形態では、エネルギー貯蔵装置の製造方法は、金属化表面を有するポリマーの第1シート又はロールを提供するステップ(a)であって、当該第1シート又はロールは、金属化表面に絶縁層を備え、ここで、絶縁層は、金属化表面の端部が露出するように、金属化表面を完全にはコーティングしないステップ(a)と;膜材料を含む誘電体膜を前記絶縁層に付与するステップ(b)であって、当該膜材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含むステップ(b)と;金属化ポリマーの第2シート又はロールを、前記誘電体膜に接触させるステップ(c)であって、当該第2シート又はロールは、金属化表面を有し、金属化表面に絶縁層を備える。当該絶縁層は、金属化表面の端部が露出するように、金属化表面を完全にはコーティングせず、ここで、絶縁層が絶縁体膜に接触し、第2シート又はロールのコーティングされない端部が第1シート又はロールのコーティングされない端部に近接するように、第2シート又はロールは配向されて、複合多層表面が形成されるステップ(c)と;複合多層表面をロール状に巻回するか、又は、複合多層表面の一部を切断及び積層して積層構造を形成するステップ(d)と;第1シート又はロール及び第2シート又はロールのコーティングされない端部を、導電性のキャップ又は電気接続部を有する非導電性のホルダ内に収容される導電性のポリマーに結合させるステップ(e)と;複合多層表面を、正電極及び負電極に電気的に接続させるステップ(f)と;複合多層表面に電場を印加するステップ(g)であって。当該電場は、誘電体膜の高分子の少なくとも一部が、第1シート又はロールの絶縁層、第2シート又はロールの絶縁層、又は、その両方に結合するのに有効な時間にわたり印加されるステップ(g)とを含む。   In an independent embodiment, the method of manufacturing an energy storage device comprises step (a) of providing a first sheet or roll of polymer having a metallized surface, wherein the first sheet or roll is insulated from the metallized surface. A layer, wherein the insulating layer does not completely coat the metallized surface such that the edges of the metallized surface are exposed; and a dielectric film comprising a film material is applied to the insulating layer. Applying (b), wherein the film material (i) exhibits electrical insulation and / or high dielectric constant, and (ii) one or more polar functional groups, ionizable functional groups or combinations thereof A step (b) comprising a plurality of polymers having: a step (c) of bringing a second sheet or roll of metallized polymer into contact with the dielectric film, wherein the second sheet or roll is metallized Have surface , An insulating layer on the metal surface. The insulating layer does not completely coat the metallized surface such that the end of the metallized surface is exposed, where the insulating layer contacts the insulator film and the uncoated end of the second sheet or roll. The second sheet or roll is oriented so that the portion is in close proximity to the uncoated end of the first sheet or roll to form a composite multilayer surface; and winding the composite multilayer surface into a roll Or cutting and laminating a portion of the composite multilayer surface to form a laminated structure; and the uncoated ends of the first sheet or roll and the second sheet or roll are electrically conductive caps Or (e) bonding to a conductive polymer housed in a non-conductive holder having an electrical connection; and a step of electrically connecting the composite multilayer surface to the positive and negative electrodes. Flop and (f); a step (g) applying an electric field to the composite multi-layer surface. The electric field is applied for a time effective for at least a portion of the dielectric film polymer to bond to the insulating layer of the first sheet or roll, the insulating layer of the second sheet or roll, or both. Step (g).

独立した実施形態では、エネルギー貯蔵装置の製造方法は、絶縁層を備える上面を有する第1電極を、収容装置に設けるステップ(a)と、第1電極の前記絶縁層上に、穿孔非導電性のセパレータシートを配置するステップ(b)と、第2電極の絶縁層がセパレータシートに接触するように、セパレータシート上に、絶縁層を備える下面を有する第2電極を配置するステップ(c)と、穿孔のセパレートシート内のスペースを充填するように、かつ第1電極及び第2電極に接触するように、誘電体材料を加えるステップ(d)とを含む。当該誘電体材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含む。さらに、製造方法は、高分子の少なくとも一部が第1電極の絶縁層に結合するのに有効な時間にわたり、第1電極、誘電体材料及び第2電極にわたる電場を印加して、高分子の少なくとも一部を第1電極の絶縁層に結合させるステップを含む。   In an independent embodiment, the method for manufacturing an energy storage device comprises a step (a) of providing a first electrode having an upper surface with an insulating layer on a receiving device, and perforating non-conductive on the insulating layer of the first electrode. A step (b) of disposing the separator sheet, and a step (c) of disposing the second electrode having a lower surface including the insulating layer on the separator sheet so that the insulating layer of the second electrode contacts the separator sheet. Adding a dielectric material to fill a space in the perforated separate sheet and to contact the first electrode and the second electrode (d). The dielectric material includes (i) a plurality of polymers that exhibit electrical insulation and / or high dielectric constant, and (ii) have one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. Further, the manufacturing method applies an electric field across the first electrode, the dielectric material, and the second electrode for a period of time effective for at least a portion of the polymer to bond to the insulating layer of the first electrode. Coupling at least a portion to the insulating layer of the first electrode.

以下、本発明の前述の内容及び他の内容、特徴及び利点の詳細を、添付の図面を参照しながら説明し、明らかにする。   The foregoing and other details, features and advantages of the present invention will be described and elucidated with reference to the accompanying drawings.

エネルギー貯蔵装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of an energy storage device. エネルギー貯蔵装置の一例の断面図である。It is sectional drawing of an example of an energy storage device. エネルギー貯蔵装置の別例の断面図である。It is sectional drawing of another example of an energy storage device. 巻回構造を有するエネルギー貯蔵装置の一例の分解図である。It is an exploded view of an example of the energy storage device which has a winding structure. 穿孔セパレータプレートを含むエネルギー貯蔵装置の一例の分解図である。1 is an exploded view of an example of an energy storage device that includes a perforated separator plate. FIG. 図5のエネルギー貯蔵装置の断面図である。It is sectional drawing of the energy storage apparatus of FIG. 開示の実施形態の方法によって製造されたエネルギー貯蔵装置の負電極の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the negative electrode of the energy storage device manufactured by the method of the disclosed embodiment. 図7のエネルギー貯蔵装置の正電極の光学写真である。It is an optical photograph of the positive electrode of the energy storage device of FIG. 流水で濯いだ後の図7の負電極の光学写真である。FIG. 8 is an optical photograph of the negative electrode of FIG. 7 after rinsing with running water. 流水で濯いだ後の図8の正電極の光学写真である。9 is an optical photograph of the positive electrode of FIG. 8 after rinsing with running water. 斜めから撮影した図9の負電極の光学写真である。FIG. 10 is an optical photograph of the negative electrode of FIG. 9 taken obliquely. 斜めから撮影した図10の正電極の光学写真である。FIG. 11 is an optical photograph of the positive electrode in FIG. 10 taken obliquely. 結合した高分子を手で擦り落とした後の図10の正電極の光学写真である。FIG. 11 is an optical photograph of the positive electrode of FIG. 10 after the bonded polymer is scraped off by hand.

[詳細な説明]
本開示は、高分子を含む誘電体材料を有するエネルギー貯蔵装置及びエネルギー貯蔵装置の製造方法に関する。ここで、高分子の少なくとも一部は、エネルギー貯蔵装置の電極に結合する。エネルギー貯蔵装置は、例えば静電容量と同様に、充電/放電メカニズムの静電式によって、エネルギーを貯蔵する。実施形態に係るエネルギー貯蔵装置は、電子機器、大量の電気貯蔵及び任意の他の装置の分野において、有用である。当該他の装置は、電気エネルギーを貯蔵する必要性がある又は貯蔵された電気エネルギーを使用することができるものである。
[Detailed description]
The present disclosure relates to an energy storage device having a dielectric material including a polymer and a method for manufacturing the energy storage device. Here, at least a portion of the polymer binds to the electrode of the energy storage device. The energy storage device stores energy by an electrostatic method of a charge / discharge mechanism, for example, similarly to a capacitance. The energy storage device according to the embodiments is useful in the fields of electronics, bulk electrical storage and any other device. Such other devices are those in which electrical energy needs to be stored or stored electrical energy can be used.

[I.定義]
続いて、当業者に本開示のより詳細を提供して本開示の実施への手引きとなるように、用語及び略語を説明する。本明細書に記載されるような「備える」は、「含む」を意味する。また、単数形(「a」、「an」及び「the」)は、文脈が明確に指示している場合を除き、複数形を含む。用語「又は」は、文脈が明確に指示している場合を除き、言及された代替要素のうちの単一要素、又は、二以上の要素の組み合わせを意味する。
[I. Definition]
The terms and abbreviations are then described to provide those skilled in the art with more details of the disclosure and to guide the practice of the disclosure. “Providing” as described herein means “including”. Also, the singular forms “a”, “an”, and “the” include plurals unless the context clearly dictates otherwise. The term “or” means a single element of stated alternative elements or a combination of two or more elements, unless the context clearly indicates otherwise.

特に断らない限り、本明細書に使用される、全ての技術的で化学的な用語は、当業者が一般的に理解するものと同様の意味を有する。本明細書に記載されるものと類似又は等価な方法及び材料を本開示の実施又はテストにて使用することができるが、以下では、適当な方法及び材料を説明する。材料、方法及び実施例は、説明を目的とするものであり、限定を意図するものではない。本開示の他の特徴も、次の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかである。   Unless defined otherwise, all technical and chemical terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present disclosure, suitable methods and materials are described below. The materials, methods, and examples are illustrative only and not intended to be limiting. Other features of the disclosure will be apparent from the following detailed description and claims.

特に断らない限り、本明細書及び特許請求の範囲において使用されるような、構成要素、電圧、温度及び時間等の量を表す全ての数字は、用語「約」によって修正されるものとして理解されるべきである。よって、特に断らない限り、暗黙的に又は明示的に、数値パラメータ等は、当業者に公知であるような標準的な試験条件/方法の下で、求まれる所望の特性及び/又は検出限界に依存する、近似値である。実施形態が上述の先行技術から直接的及び明示的に区別される場合、実施形態の数値は、言語「約」が記載されていない限り、近似値ではない。   Unless otherwise indicated, all numbers representing quantities of components, voltages, temperatures, times, etc. as used in the specification and claims are understood to be modified by the term “about”. Should be. Thus, unless otherwise stated, implicitly or explicitly, numerical parameters, etc. are the desired characteristics and / or detection limits required under standard test conditions / methods as known to those skilled in the art. Approximate value depending on. Where an embodiment is directly and explicitly distinguished from the prior art described above, the numerical value of the embodiment is not an approximation unless the language “about” is stated.

続いて、本開示の多様な実施形態のレビューを容易にするために、特定の用語について説明する。   Subsequently, certain terms are described to facilitate review of various embodiments of the present disclosure.

コンデンサ:エネルギー貯蔵装置であり、実質的に非導電性の材料(「誘電体」と呼ばれる)によって分離された2枚の導電性プレートを備える。コンデンサの容量値又は貯蔵性能は、プレートのサイズ、プレート間距離及び誘電体の特性に依拠する。関係性は、式(1)によって与えられる。

C=(e・e・A)/d 式(1)

式(1)において、eは、真空誘電率(8.8542×10−12F/m)である。eは、(後述の)非誘電率である。Aは、(両方とも同一サイズである場合)1枚のプレートの表面積である。dは、2枚のプレート間の距離である。
Capacitor: An energy storage device comprising two conductive plates separated by a substantially non-conductive material (referred to as a “dielectric”). The capacitance value or storage performance of the capacitor depends on the size of the plate, the distance between the plates, and the dielectric properties. The relationship is given by equation (1).

C = (e 0 · er · A) / d Formula (1)

In the formula (1), e 0 is the vacuum dielectric constant (8.8542 × 10 -12 F / m ). er is a non-dielectric constant (described later). A is the surface area of one plate (if both are the same size). d is the distance between the two plates.

誘電体材料:印加電場によって分極され得る、電気絶縁体である。本明細書で使用される用語「誘電体材料」は、複数の高分子を含む材料を意味する。当該高分子は、一以上の、極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を含む。   Dielectric material: An electrical insulator that can be polarized by an applied electric field. As used herein, the term “dielectric material” means a material comprising a plurality of polymers. The polymer comprises one or more polar functional groups and / or ionizable functional groups.

絶縁破壊電圧:絶縁材料が「ブレークダウン」して電流を流すようになる電圧である。絶縁破壊電圧は、材料の絶縁耐力の指標である。   Dielectric breakdown voltage: A voltage at which an insulating material “breaks down” and causes a current to flow. The breakdown voltage is an index of the dielectric strength of a material.

誘導体化:高分子に関して本明細書で使用される用語「誘電体化」は、化学修飾によって、官能基が付加された高分子を意味する。例えば、タンパク質は、無水マレイン酸によって誘導化することができ、これにより、マレイン酸官能基を有するタンパク質が生成される。   Derivatization: As used herein with respect to macromolecules, the term “dielectricization” refers to macromolecules to which functional groups are added by chemical modification. For example, the protein can be derivatized with maleic anhydride, which produces a protein with maleic acid functionality.

電気絶縁材料又は絶縁体:絶縁体は、内部電荷を有する材料である。絶縁体の内部電荷は、自由に流れない。そのため、絶縁体は、電流をほぼ流さない。完全な絶縁体は存在しないことを考慮して、本明細書で使用される用語「電気絶縁材料」は、主に絶縁性の材料を意味する。すなわち、用語「電気絶縁材料」は、コンデンサとしての通常使用中にその材料の両端の印加電場がその値を超えるとブレークダウンする閾値を有し、これにより、材料が通常使用中に電気的破壊してしまうことを避ける材料を意味する。   Electrical insulating material or insulator: An insulator is a material having an internal charge. The internal charge of the insulator does not flow freely. For this reason, the insulator hardly flows current. In view of the absence of a perfect insulator, the term “electrically insulating material” as used herein primarily means an insulating material. That is, the term “electrically insulating material” has a threshold that breaks down when the applied electric field across the material exceeds its value during normal use as a capacitor, thereby causing the material to break down during normal use. It means a material that avoids this.

電極:本明細書で使用される用語「電極」は、導電体(例えば、金属)の電極又は「複合」電極を意味する。「複合」電極は、導電体と、導電体の表面上の非導電性材料とを備える。   Electrode: As used herein, the term “electrode” means a conductor (eg, metal) electrode or a “composite” electrode. A “composite” electrode comprises a conductor and a non-conductive material on the surface of the conductor.

官能基:分子内の特定の原子群であり、当該分子の特徴的な化学反応及び/又は静電相互作を担う。官能基には、限定ではないが、例えば、ハロゲン基(フルオロ、クロロ、ブロモ、ヨード)、エポキシド基、水酸基、カルボニル(ケトン)基、アルデヒド基、カーボネートエステル基、カルボキシレート基、エーテル基、エステル基、ペルオキシ基、ヒドロペルオキシ基、カルボキサミド基、アミン基(第一級、第二級、第三級)、アンモニウム基、アミド基、イミド基、アジド基、シアネート基、イソシアネート基、チオシアネート基、ニトレート基、ニトリト基、ニトリル基、ニトロアルカン基、ニトロソ基、ピリジル基、ホスフェート基、スルホニル基、スルフィド基、チオール(スルフヒドリル)基、及び、ジスルフィド基が含まれる。極性官能基は、使用環境においてイオンを形成しないが、代わりに、分子内に正電荷と負電荷の部分的な分離を生じさせる。イオン化可能な官能基は、使用環境においてイオン化状態にあり得るものである(例えば、COOHに対してCOO、NHに対して、NH )。 Functional group: A specific group of atoms in a molecule that is responsible for the characteristic chemical reaction and / or electrostatic interaction of the molecule. Examples of functional groups include, but are not limited to, halogen groups (fluoro, chloro, bromo, iodo), epoxide groups, hydroxyl groups, carbonyl (ketone) groups, aldehyde groups, carbonate ester groups, carboxylate groups, ether groups, esters. Group, peroxy group, hydroperoxy group, carboxamide group, amine group (primary, secondary, tertiary), ammonium group, amide group, imide group, azide group, cyanate group, isocyanate group, thiocyanate group, nitrate Groups, nitrito groups, nitrile groups, nitroalkane groups, nitroso groups, pyridyl groups, phosphate groups, sulfonyl groups, sulfide groups, thiol (sulfhydryl) groups, and disulfide groups. Polar functional groups do not form ions in the environment of use, but instead cause partial separation of positive and negative charges in the molecule. An ionizable functional group is one that can be in an ionized state in the environment of use (eg, COO for COOH, NH 4 + for NH 3 ).

絶縁又は非導電層/コーティング:本明細書で使用される用語「絶縁層」、「絶縁コーティング」、「非導電層」及び「非導電コーティング」は、オーミック導電性の観点から、電気絶縁性である材料の層又はコーティングを意味する。すなわち、当該材料が有するオーミック導電性は、1×10−1S/m(Siemens per meter)未満である。 Insulating or non-conducting layer / coating: As used herein, the terms “insulating layer”, “insulating coating”, “non-conducting layer” and “non-conducting coating” are electrically insulative in terms of ohmic conductivity. It means a layer or coating of a material. That is, the ohmic conductivity of the material is less than 1 × 10 −1 S / m (Siemens per meter).

パリレン:Puralen(登録商標)ポリマーとして知られる重合p−キシリレンであるか、又は、重合置換p−キシリレンである。重合p−キシリレンは、次の式を満たす。
Parylene: polymerized p-xylylene known as Puralen® polymer or polymerized substituted p-xylylene. The polymerized p-xylylene satisfies the following formula.

誘電率:本明細で使用される用語「誘電率」は、材料が極性化する性能を意味する。誘電率によって、その空間容積の誘電定数は、真空の誘電定数よりも高い値に変化させられる。材料の比誘電率は、式(2)に示すように、その静的誘電定数の測定値を、真空の誘電定数で割ることによって与えられる。

=e/e 式(2)

式(2)において、eは、比誘電率である。eは、測定された誘電率である。eは、真空誘電率(8.8542×10−12F/m)である。真空の比誘電率は1であるのに対して、水の比誘電率は(20℃で)80.1であり、典型的な有機コーティングの比誘電率は3から8である。一般的に言えば、用語「高誘電率」は、少なくとも3.3の比誘電率を有する材料を意味する。本明細書で使用されるような用語「高誘電率」は、電場の印加のような誘電率増加技術を用いて、少なくとも10%増加した誘電率を有する材料を意味する。
Dielectric constant: As used herein, the term “dielectric constant” means the ability of a material to polarize. Depending on the dielectric constant, the dielectric constant of the space volume is changed to a value higher than the dielectric constant of the vacuum. The relative dielectric constant of the material is given by dividing the measured value of its static dielectric constant by the dielectric constant of the vacuum, as shown in equation (2).

e r = e s / e 0 formula (2)

In the formula (2), er is a relative dielectric constant. e s is the measured dielectric constant. e 0 is the vacuum dielectric constant (8.8542 × 10 −12 F / m). The relative permittivity of vacuum is 1, whereas the relative permittivity of water is 80.1 (at 20 ° C.), and the relative permittivity of typical organic coatings is 3 to 8. Generally speaking, the term “high dielectric constant” means a material having a relative dielectric constant of at least 3.3. The term “high dielectric constant” as used herein refers to a material having a dielectric constant increased by at least 10% using dielectric constant increasing techniques such as application of an electric field.

オリゴ:「少数(a few)」を意味する接頭語である。例えば、オリゴペプチドは、アミド結合によって連結された2個から20個のアミノ酸を含み得るのに対し、ポリペプチドは、20個を超えるアミノ酸を含み得る。オリゴペプチドは、ジペプチド、トリペプチド及びポリペプチド等を含む。   Oligo: A prefix meaning “a few”. For example, an oligopeptide can contain 2 to 20 amino acids linked by amide bonds, whereas a polypeptide can contain more than 20 amino acids. Oligopeptides include dipeptides, tripeptides and polypeptides.

極性:用語「極性」は、電子が等しく原子間で共有されていない、すなわち、正電荷の領域と負電荷の領域とが永久的に分離されている、化合物又は化合物内の官能基を意味する。   Polarity: The term “polarity” means a compound or a functional group within a compound in which electrons are not equally shared between atoms, ie, a positively charged region and a negatively charged region are permanently separated. .

ポリペプチド:ポリマー又はアミド結合によって連結された20個を超えるアミノ酸である。用語「ポリペプチド」は、人工的に生産されるポリペプチトと同様に、天然に存在するポリペプチドを包含するものである。   Polypeptide: More than 20 amino acids linked by polymer or amide bonds. The term “polypeptide” is intended to encompass naturally occurring polypeptides as well as artificially produced polypeptides.

ポリマー/高分子:化学反応(すなわち、重合)によって形成された、繰り返し構造単位(例えば、モノマー)からなる分子である。   Polymer / polymer: A molecule composed of repeating structural units (eg, monomers) formed by a chemical reaction (ie, polymerization).

立体拘束型の誘電体膜:本明細書で使用される用語「立体拘束型の誘電体膜」は、電気絶縁性及び/又は高誘電率の誘電体膜であって、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する、複数の高分子を含むものを意味する。ここで、少なくとも一部の高分子は、立体拘束される。すなわち、少なくとも一部の高分子によって、誘電体膜内の高分子全体の物理的な動きが制限される。高分子の一部が誘電体膜と接触する電極表面に結合するとき、立体拘束が生じる。高分子は、開示の方法の実施形態によって、電極表面に結合してもよい。   Sterically constrained dielectric film: As used herein, the term “sterically constrained dielectric film” is an electrically insulating and / or high dielectric constant dielectric film comprising one or more polar functional films. A group including a plurality of macromolecules having a group, an ionizable functional group, or a combination thereof. Here, at least some of the polymers are sterically constrained. That is, the physical movement of the entire polymer in the dielectric film is limited by at least a part of the polymer. When a part of the polymer is bonded to the electrode surface in contact with the dielectric film, a steric constraint occurs. The polymer may be bound to the electrode surface according to embodiments of the disclosed method.

[II.立体拘束型の誘電体膜を有するエネルギー貯蔵装置]
実施形態に係るエネルギー貯蔵装置は、2つの導電性表面(電極)と、立体拘束型の誘電体膜とを備える。2つの導電性表面は、実質的に互いに平行であり、立体拘束型の誘電体膜は、2つの導電性表面の間に位置する。装置は、電極の一方又は両方の上に、絶縁層又はコーティングをさらに備える。誘電体材料は、複数の高分子を含む。複数の高分子の少なくとも一部は、電極の1つに結合するか又は電極上の絶縁層に結合する。
[II. Energy storage device having steric constrained dielectric film]
The energy storage device according to the embodiment includes two conductive surfaces (electrodes) and a three-dimensionally constrained dielectric film. The two conductive surfaces are substantially parallel to each other, and the sterically constrained dielectric film is located between the two conductive surfaces. The device further comprises an insulating layer or coating on one or both of the electrodes. The dielectric material includes a plurality of polymers. At least a portion of the plurality of polymers is bonded to one of the electrodes or to an insulating layer on the electrode.

[A.電極]
ある実施形態では、電極は、平面状又は実質的に平面状である。各電極は、独立して、滑らかな表面を有してもよいし、又は、粗い表面を有してもよい。粗面電極は、例えば、カーボン粒子によって作成されてもよい。粗面電極は、研磨金属から作製される電極のような滑らかな電極よりも、より大きな表面積を有する。所与のエネルギー貯蔵装置又は電気容量装置にとって望ましい外部の電気パラメータの少なくとも一部に依拠して、表面の粗さ量が選択されてもよい。滑らかな電極を備えるエネルギー貯蔵装置と比較すると、粗面電極を備える類似のエネルギー貯蔵装置は、数マイクロ秒からミリ秒といった短い期間において、より速い(例えば、100倍速い)充電電流及び放電電流を有し、さらに、滑らかな電極を備えるエネルギー貯蔵装置によって提供される放電率と同様の緩やかな放電率を有する。
[A. electrode]
In certain embodiments, the electrodes are planar or substantially planar. Each electrode may independently have a smooth surface or a rough surface. The rough surface electrode may be made of carbon particles, for example. A rough surface electrode has a larger surface area than a smooth electrode, such as an electrode made from polished metal. Depending on at least some of the external electrical parameters desired for a given energy storage device or capacitance device, the amount of surface roughness may be selected. Compared to an energy storage device with a smooth electrode, a similar energy storage device with a rough electrode has faster (eg, 100 times faster) charge and discharge currents in a short period of time, such as a few microseconds to milliseconds. And has a gradual discharge rate similar to that provided by energy storage devices with smooth electrodes.

[B.絶縁層]
各電極は、絶縁層又は絶縁コーティングで、一以上の表面がコーティングされてもよい。絶縁コーティングを有する電極は、「複合電極」とも呼ばれる。エネルギー貯蔵装置において、複合電極は、絶縁層が誘電体材料に接触するように、配向される。絶縁層は、添加される誘電体材料に結合部位を提供するとともに、電極の絶縁特性を向上させる。絶縁層は、1×10−1S/m未満のオーミック導電率を有する。ある実施形態では、絶縁層は、1×10−2S/m未満、1×10−5S/m未満又は1×10−10S/m未満の導電率を有する。特定の実施形態では、オーミック導電率は、1×10−25S/mから1×10−1S/m、1×10−10S/mから1×10−1S/m、1×10−5S/mから1×10−1S/mである。コーティングは、数ナノメートルの厚さから、10マイクロメートルよりも大きい厚さまでの範囲であってよい。ある実施形態では、絶縁層は、5nmから10μmまでの平均厚さを有し、例えば、0.1〜10μm、0.3〜10μm又は0.3〜2μmの平均厚さを有する。一実施形態では、コンデンサ全体の厚さの10%未満の平均厚さを有する。キャパシタ全体の厚さは、第1電極の外面から第2電極の外面までを測定した厚さである。絶縁コーティングは、任意の適切な手段によって、塗布されてもよい。任意の適切な手段は、限定ではないが、気相蒸着、液体スプレー及びコーティングの分野で当業者に公知の他の技術を含む。絶縁コーティングは、例えば、例えば米国特許出願公開第2014/0139974号明細書に開示されるような、Puralen(登録商標)ポリマーコーティングのような重合p−キシリレンを含む。
[B. Insulation layer]
Each electrode may be coated on one or more surfaces with an insulating layer or coating. An electrode having an insulating coating is also referred to as a “composite electrode”. In the energy storage device, the composite electrode is oriented so that the insulating layer contacts the dielectric material. The insulating layer provides a bonding site for the added dielectric material and improves the insulating properties of the electrode. The insulating layer has an ohmic conductivity of less than 1 × 10 −1 S / m. In some embodiments, the insulating layer has a conductivity of less than 1 × 10 −2 S / m, less than 1 × 10 −5 S / m, or less than 1 × 10 −10 S / m. In certain embodiments, the ohmic conductivity is 1 × 10 −25 S / m to 1 × 10 −1 S / m, 1 × 10 −10 S / m to 1 × 10 −1 S / m, 1 × 10. -5 S / m to 1 × 10 -1 S / m. The coating may range from a thickness of a few nanometers to a thickness greater than 10 micrometers. In some embodiments, the insulating layer has an average thickness of 5 nm to 10 μm, for example, an average thickness of 0.1-10 μm, 0.3-10 μm, or 0.3-2 μm. In one embodiment, it has an average thickness of less than 10% of the total capacitor thickness. The thickness of the entire capacitor is a thickness measured from the outer surface of the first electrode to the outer surface of the second electrode. The insulating coating may be applied by any suitable means. Any suitable means include, but are not limited to, other techniques known to those skilled in the art of vapor deposition, liquid spraying and coating. The insulating coating includes polymerized p-xylylene, such as, for example, a Puralen® polymer coating, as disclosed, for example, in US Patent Publication No. 2014/0139974.

絶縁層は、適切なコモノマーで修飾して、誘電率を向上させ、且つ/又は、誘電体材料の高分子のための付着部位を提供してもよい。ある実施形態では、コモノマーは、一以上の不飽和結合を含む。重合p−キシリレンを備える絶縁層は、例えば、コポリマーの包含によって修飾されてもよい。当該コポリマーは、限定ではないが、オレフィン類、ビニル誘導体類、アルキニル誘導体類、アクリル化合物類、アリル化合物類、カルボニル類、環状エーテル類、環状アセタール類、環状アミド、オキサゾリン及びそれらの組み合わせを含む。ある実施形態では、コモノマーは、アクリレート(例えば、2−カルボキシエチルアクリレート)、メタクリレート(例えば、3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート)、α−ピネン、R−(−)カルボン、リナロール、シクロヘキセン、ジペンテン、α−テルピネン、R−(+)−リモネン及びそれらの組み合わせである。コポリマーは、交互にモノマーを含んでもよいし、ブロックコポリマー型であってもよい。   The insulating layer may be modified with a suitable comonomer to improve the dielectric constant and / or provide an attachment site for the polymer of dielectric material. In certain embodiments, the comonomer includes one or more unsaturated bonds. Insulating layers comprising polymerized p-xylylene may be modified, for example, by the inclusion of a copolymer. Such copolymers include, but are not limited to, olefins, vinyl derivatives, alkynyl derivatives, acrylic compounds, allyl compounds, carbonyls, cyclic ethers, cyclic acetals, cyclic amides, oxazolines and combinations thereof. In some embodiments, the comonomer is an acrylate (eg, 2-carboxyethyl acrylate), methacrylate (eg, 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate), α-pinene, R-(−) carvone, linalool, cyclohexene, dipentene. , Α-terpinene, R-(+)-limonene and combinations thereof. The copolymer may alternately contain monomers or may be a block copolymer type.

[C.高分子を含む誘電体材料]
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、単一の誘電体材料層を含む。他の実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、複数層の誘電体材料を備える誘電体膜を含む。複数層の誘電体材料は、単一の誘電体材料を複数回堆積させて形成されてもよく、この場合、堆積間には表面改質が有っても無くてもよい。或いは、各層は、異なる化学組成を有してもよい。ある実施形態では、装置は、異なる電気誘電率を有する二以上の誘電体層を備える誘電体膜によって構成される。誘電体膜の平均厚さは、数ミクロメートルから数ミリメートルの範囲であってよい。ある実施形態では、誘電体膜の平均厚さは、10μmから5mmまでの範囲、10μmから1mmまでの範囲、10μmから500μmまでの範囲又は50μmから250μmまでの範囲である。ある実施形態では、誘電体膜の平均厚さは、80μmから120μmの範囲であり、例えば、平均厚さは、100μmである。
[C. Dielectric material containing polymer]
In certain embodiments, the energy storage device includes a single dielectric material layer. In other embodiments, the energy storage device includes a dielectric film comprising multiple layers of dielectric material. The multi-layer dielectric material may be formed by depositing a single dielectric material multiple times, with or without surface modification between depositions. Alternatively, each layer may have a different chemical composition. In some embodiments, the device is constituted by a dielectric film comprising two or more dielectric layers having different electrical dielectric constants. The average thickness of the dielectric film may range from a few micrometers to a few millimeters. In some embodiments, the average thickness of the dielectric film is in the range of 10 μm to 5 mm, in the range of 10 μm to 1 mm, in the range of 10 μm to 500 μm, or in the range of 50 μm to 250 μm. In some embodiments, the average thickness of the dielectric film ranges from 80 μm to 120 μm, for example, the average thickness is 100 μm.

ある実施形態では、誘電体材料は、流体特性を有し、ハチミツ以上の粘度を有する。特定の実施形態では、誘電体材料は、10,000cPから250,000cPの粘度を有する。独立した実施形態では、誘電体材料は、固体である。   In some embodiments, the dielectric material has fluid properties and has a viscosity greater than honey. In certain embodiments, the dielectric material has a viscosity of 10,000 cP to 250,000 cP. In a separate embodiment, the dielectric material is a solid.

誘電体材料は、実質的に、導電性でなくてもよい。言い換えれば、誘電体材料は、何れかの電極で又はその近くで、酸化/還元されず、オーミック導電性を示さないものである。このように、開示の実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、従来の電気化学バッテリよりも静電コンデンサに、より密接に関連するものとなる。しかしながら、誘電体材料は、従来の電気化学バッテリ又は静電コンデンサの何れよりも、より長い期間にわたって、より大きな量の比エネルギーを貯蔵することが可能である。   The dielectric material may not be substantially conductive. In other words, the dielectric material is not oxidized / reduced or exhibits ohmic conductivity at or near any electrode. Thus, in the disclosed embodiment, the energy storage device is more closely associated with an electrostatic capacitor than a conventional electrochemical battery. However, the dielectric material can store a greater amount of specific energy over a longer period of time than either a conventional electrochemical battery or electrostatic capacitor.

ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、非導電性を有する誘電体材料であって、高誘電率である誘電体材料を備える。非導電性を有し、高誘電率である非限定的な2つの例として、シェラックマトリックスのゼイン、及び、無水マレイン酸で誘導体化されたタンパク質が挙げられる。他の実施形態では、誘電体材料は、導電性を有する。このような実施形態では、電極は、典型的に、オーミック電気伝導を緩和又は防止する上述のような絶縁層によって、コーティングされる。例えば、誘電体材料の抵抗値が平方センチメートル当たり2.5MΩ未満であるとき、絶縁層が使用されてもよい。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、少なくとも10から2,000,000の誘電率と、1S/mから1×10−25S/mのオーミック伝導率とを有する誘電体材料を備える。 In some embodiments, the energy storage device comprises a dielectric material that is non-conductive and has a high dielectric constant. Two non-limiting examples of non-conductivity and high dielectric constant include shellac matrix zein and proteins derivatized with maleic anhydride. In other embodiments, the dielectric material is electrically conductive. In such embodiments, the electrodes are typically coated with an insulating layer as described above that mitigates or prevents ohmic electrical conduction. For example, an insulating layer may be used when the resistance value of the dielectric material is less than 2.5 MΩ per square centimeter. In some embodiments, the energy storage device comprises a dielectric material having a dielectric constant of at least 10 to 2,000,000 and an ohmic conductivity of 1 S / m to 1 × 10 −25 S / m.

本開示の実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を有する高分子を備える誘電体材料を含み、その結果、分子内に双極子及び双極子モーメントが生じる。高分子は、1以上の二重結合をさらに含んでもよい。ある実施形態では、誘電体材料は、エネルギー貯蔵装置の2つの電極に接触する膜である。典型的に、接触は、膜と電極の表面全体コーティングとの間の直接的な物理的接触として説明され得る。誘電体材料は、「ベア」の金属若しくはカーボンベースの電極表面、又は、複合電極の絶縁層と接触してもよい。   In an embodiment of the present disclosure, the energy storage device includes a dielectric material comprising a polymer having polar functional groups and / or ionizable functional groups, resulting in dipoles and dipole moments in the molecules. The polymer may further comprise one or more double bonds. In some embodiments, the dielectric material is a film that contacts the two electrodes of the energy storage device. Typically, the contact can be described as a direct physical contact between the membrane and the entire surface coating of the electrode. The dielectric material may be in contact with the “bare” metal or carbon-based electrode surface, or the insulating layer of the composite electrode.

ある実施形態では、高分子は、極性ポリマーである。タンパク質は、毒性の低い安価な極性ポリマーであり、容易に入手可能である。低毒性は、他のポリマーを上回る大きな利点であり、エネルギー貯蔵装置のリサイクル又は焼却を可能にする。タンパク質分子は、極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を有するアミノ酸を含む。他の適切なポリマーは、限定ではないが、例えば、置換(例えば、フッ素化)及び非置換パリレンポリマー、アクリル酸ポリマー、メタクリルポリマー、ポリエチレングリコール、ウレタンポリマー、エポキシポリマー、シリコーンポリマー、有機テルペノイドポリマー、天然有機ポリマー(例えばシェラックのような樹脂)、ポリイソシアネート、及び、それらの組み合わせを含む。アクリレートコポリマー(例えば、エチレン ブチル−、エチル−及びメチル−アクリレートとのコポリマー)、及び、パリレンコポリマー(例えば、p−キシリレンと、アクリレート(例えば2−カルボキシエチルアクリレート)、メタクリレート(例えば、3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート)、α−ピネン、R−(−)−カルボン、リナロール、シクロヘキセン、ジペンテン、α−ターピネン、R−(+)−リモネン、及び、それらの組み合わせとのコポリマー)のようなコポノマーもまた、本開示の範囲内である。限定ではないが、極性ポリマーは、例えば、小麦タンパク質、小麦グルテン、ポリ(アクリル酸−co−マレイン酸))、ポリ(アクリル酸)、ホエイタンパク質単離物、大豆タンパク質単離物、エンドウマメタンパク質抽出物、シェラック、及び、これらの組み合わせを含む。   In certain embodiments, the macromolecule is a polar polymer. Protein is an inexpensive polar polymer with low toxicity and is readily available. Low toxicity is a significant advantage over other polymers and allows energy storage devices to be recycled or incinerated. Protein molecules include amino acids having polar functional groups and / or ionizable functional groups. Other suitable polymers include, but are not limited to, substituted (eg, fluorinated) and unsubstituted parylene polymers, acrylic acid polymers, methacrylic polymers, polyethylene glycols, urethane polymers, epoxy polymers, silicone polymers, organic terpenoid polymers, Includes natural organic polymers (eg, resins such as shellac), polyisocyanates, and combinations thereof. Acrylate copolymers (eg, copolymers with ethylene butyl-, ethyl- and methyl-acrylate), and parylene copolymers (eg, p-xylylene, acrylates (eg, 2-carboxyethyl acrylate), methacrylates (eg, 3- (tri Copolymers such as (methoxysilyl) propyl methacrylate), α-pinene, R-(−)-carvone, linalool, cyclohexene, dipentene, α-terpinene, R-(+)-limonene, and combinations thereof) Is also within the scope of this disclosure. Non-limiting examples of polar polymers include wheat protein, wheat gluten, poly (acrylic acid-co-maleic acid)), poly (acrylic acid), whey protein isolate, soy protein isolate, pea protein Includes extracts, shellac, and combinations thereof.

特定の実施形態では、高分子は、誘導化されて追加の官能基が結合される。当該官能基は、例えば、ベア電極表面(すなわち、ベア金属又はカーボン表面)又は複合電極表面への高分子のその後の結合を容易にするものである。非限定的な誘導体化剤としては、無水物、カルボジイミド、イミドエステル及び試薬が挙げられ、当該試薬は、N−ヒドロキシスクシンイミドと、マレイミド、アリールアジド又はジアジリン基との組み合わせを含むものである。ある例では、ポリマーは、無水物で誘導化される。当該無水物は、無水マレイン酸、無水イタコン酸、シス−4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、又は、シス−5−ノルボルネン末端−2,3−ジカルボン酸無水物等である。誘導体化された高分子は、架橋又は表面との他の反応によって電極表面に結合され得る。高分子が無水マレイン酸で誘導体化される場合、例えば、誘導体化された高分子は、二重結合によって架橋され得る。架橋は、化学剤(例えば、ラジカル開始剤)、紫外線活性化又は熱活性化のような任意の適切な手段によって実行され得る。   In certain embodiments, the polymer is derivatized to attach additional functional groups. The functional group facilitates subsequent binding of the polymer to, for example, a bare electrode surface (ie, bare metal or carbon surface) or a composite electrode surface. Non-limiting derivatizing agents include anhydrides, carbodiimides, imide esters and reagents, which include a combination of N-hydroxysuccinimide and a maleimide, arylazide or diazirine group. In one example, the polymer is derivatized with an anhydride. The anhydride is maleic anhydride, itaconic anhydride, cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride, cis-5-norbornene-terminated-2,3-dicarboxylic anhydride, or the like. The derivatized polymer can be bound to the electrode surface by crosslinking or other reaction with the surface. When the polymer is derivatized with maleic anhydride, for example, the derivatized polymer can be cross-linked by a double bond. Crosslinking can be performed by any suitable means such as chemical agents (eg, radical initiators), UV activation or heat activation.

発明者らは、上述の特性を有する高分子が、立体拘束されるとき、たとえ高分子が電極間を自由に移動できなくても、エネルギー貯蔵に使用され得るという、驚くべき発見をした。電極と高分子を含む誘電体材料とを備えるエネルギー貯蔵装置を充電及び/又は放電する前に、任意の手段で、高分子をベア電極表面に結合させることによって又は非導電性若しくは複合電極の絶縁コーティングに結合させることによって、高分子を立体拘束させることができる。当該任意の手段は、(単結合又は多重結合の)共有結合、ファンデルワールス力又は水素結合を含む。ある実施形態では、高分子は、正電極に結合する。エネルギー貯蔵装置がその後に電子回路内で使用される場合など、その後の使用中にエネルギー貯蔵装置が充電及び放電するとき、高分子は電極に結合したままである。   The inventors have made the surprising discovery that when a polymer having the above properties is sterically constrained, it can be used for energy storage even if the polymer cannot move freely between the electrodes. Before charging and / or discharging an energy storage device comprising an electrode and a dielectric material comprising a polymer, any means may be used to couple the polymer to the bare electrode surface or to insulate non-conductive or composite electrodes By bonding to the coating, the polymer can be sterically constrained. Such optional means include covalent bonds (single or multiple bonds), van der Waals forces or hydrogen bonds. In certain embodiments, the polymer binds to the positive electrode. When the energy storage device charges and discharges during subsequent use, such as when the energy storage device is subsequently used in an electronic circuit, the polymer remains attached to the electrode.

誘電体材料を備えるエネルギー貯蔵装置では、電極から外部電場が加えられることで、誘電体材料層において、現在の位置から到達可能なイオン又は双極子の最低エネルギー状態が崩される。従って、電場が加えられると、双極子又はイオンは、静止位置(すなわち、電場が加えられる前の双極子又はイオンの位置)から移動し、これにより、材料において電荷分布の再配列が生じる。これは、誘電体材料全体にわたり、全ての他の双極子を続けて再配列させ得る。熱に変換されないエネルギーは、誘電体材料に吸収される。エネルギーが放出されるとき、貯蔵されたエネルギーが熱運動(温度に比例するランダム分子運動)の増加のような他のメカニズムによって放出されない限り、このプロセスの逆が発生し得る。   In an energy storage device comprising a dielectric material, an external electric field is applied from the electrode, thereby disrupting the lowest energy state of ions or dipoles reachable from the current position in the dielectric material layer. Thus, when an electric field is applied, the dipole or ion moves from a rest position (ie, the position of the dipole or ion before the electric field is applied), which results in a rearrangement of charge distribution in the material. This can subsequently rearrange all other dipoles throughout the dielectric material. Energy that is not converted to heat is absorbed by the dielectric material. When energy is released, the reverse of this process can occur unless the stored energy is released by other mechanisms such as an increase in thermal motion (random molecular motion proportional to temperature).

いかなる特定の作用理論にも束縛されることを望まないが、大きな分子内において、分子の他の部分はより低いエネルギーへの全体的な移動を防ぐのに十分な場所に結合するが、分子の一部だけは動くと考えられる。さらに、電極に結合されて、ポテンシャルエネルギーがその後に放出されるが、熱運動としては放出されないと考えられる。この動きの拘束によって、誘電体の分子の自由度が低減し、その結果、電場から吸収したエネルギーを熱として発散させる分子の動きが低減される。このように、結合高分子は、その自由度の低減に起因して熱の態様でエネルギーを放出し得ないような方法で、電場に結合する。マクロ分子の特定の部分の動きは、関連する可能性があり、生物学的高分子の分析の分野において公知な電気泳動運動と同様である。   While not wishing to be bound by any particular theory of action, within a large molecule, the rest of the molecule binds to a location sufficient to prevent overall transfer to lower energy, but Only a part is thought to move. Furthermore, it is considered that the potential energy is released after being coupled to the electrode, but not as thermal motion. This movement constraint reduces the degree of freedom of the molecules of the dielectric, and as a result, reduces the movement of the molecules that dissipate the energy absorbed from the electric field as heat. Thus, the binding polymer binds to the electric field in such a way that it cannot release energy in the form of heat due to its reduced degree of freedom. The movement of a particular part of the macromolecule can be related and is similar to the electrophoretic movement known in the field of biological macromolecule analysis.

いかなる特定の作用理論にも束縛されることを望まないが、ポリマーの一部が電極に(又は電極のコーティングに)結合している場合、ポリマーの残部は、誘電体膜内において、電場に応じて極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基が再配向するときに伸びたり、ねじれたり又は曲がったりしてもよい。これらの立体構造変化及び位置変化によって、エネルギー貯蔵装置内にエネルギーが貯蔵される。エネルギー貯蔵装置が放電するとき、結合高分子が規則性の少ない立体構造に戻ることで、貯蔵エネルギーは、電気エネルギーとして放出される。その少なくとも一部の自由度が低減されている高分子を含む誘電体材料は、「立体拘束型の誘電体膜」と称される。   While not wishing to be bound by any particular theory of action, if a portion of the polymer is bound to the electrode (or to the coating of the electrode), the remainder of the polymer depends on the electric field in the dielectric film The polar functional group and / or the ionizable functional group may stretch, twist or bend as it reorients. Energy is stored in the energy storage device by these three-dimensional structure change and position change. When the energy storage device is discharged, the storage energy is released as electric energy by the binding polymer returning to a three-dimensional structure with less regularity. A dielectric material containing a polymer whose degree of freedom is at least partially reduced is referred to as a “stereoconstrained dielectric film”.

このように、開示の実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、高分子を含む立体拘束型の誘電体材料を含む。ある実施形態では、立体拘束型の誘電体材料において、高分子の少なくとも1%、少なくとも10%、少なくとも25%、少なくとも50%、少なくとも80%又は少なくとも90%が、電極に結合する。特定の実施形態では、高分子の少なくとも一部は、正電極に結合する。電極が複合電極であるとき、高分子は、複合電極の絶縁層に結合する。高分子の少なくとも一部を電極に結合させた後、電極から濯ぎ落とされた高分子の量を測定することによって、結合の割合を推定することができる。   Thus, in the disclosed embodiments, the energy storage device includes a sterically constrained dielectric material that includes a polymer. In certain embodiments, in the steric constraint dielectric material, at least 1%, at least 10%, at least 25%, at least 50%, at least 80%, or at least 90% of the polymer is bound to the electrode. In certain embodiments, at least a portion of the polymer is bound to the positive electrode. When the electrode is a composite electrode, the polymer binds to the insulating layer of the composite electrode. After binding at least a portion of the polymer to the electrode, the rate of binding can be estimated by measuring the amount of polymer rinsed from the electrode.

ある実施形態では、高分子は、誘電体材料と接触する正電極表面の少なくとも1%、少なくとも25%、少なくとも50%、少なくとも80%又は少なくとも90%に結合する。結合ポリマーでコーティングされた表面の割合は、視覚的に推定されてもよく、例えば、光学顕微鏡法によって推定されてもよい。エネルギー貯蔵装置の製造後、装置は、検査のために分解されてもよい。非結合の材料を除去するために、流水に曝す等して正電極が洗浄され、その後、光学顕微鏡法によって検査される。結合ポリマーでコーティングされた表面領域は、結合ポリマーがない領域から容易に区別可能である。   In certain embodiments, the polymer binds to at least 1%, at least 25%, at least 50%, at least 80% or at least 90% of the positive electrode surface in contact with the dielectric material. The percentage of the surface coated with the binding polymer may be estimated visually, for example by optical microscopy. After manufacture of the energy storage device, the device may be disassembled for inspection. To remove unbound material, the positive electrode is washed, such as by exposure to running water, and then examined by optical microscopy. The surface area coated with the binding polymer is easily distinguishable from the area without the binding polymer.

高分子と電極との間の結合は、軽い破壊に耐えるほど十分に強い。当該軽い破壊は、例えば、1メートルの高さから落ちる水と同等の力を有する流水で、電極及び結合高分子を洗浄することによって生じたり、又は、20N未満の力を有する流水の下で、結合高分子を手で擦り落とすことによって生じたりするものである。当該装置を製造している間に、エネルギー貯蔵装置にわたる電場を加えるときにのみ、このような強さを有する結合が観察される。ある実施形態では、正電極を負にするような逆の極性の外部電圧を装置に印加することによって、結合の少なくとも一部を破壊してもよい。   The bond between the polymer and the electrode is strong enough to withstand light breakage. The light breakage may occur, for example, by washing the electrode and the binding polymer with running water having a force equivalent to water falling from a height of 1 meter, or under running water having a force of less than 20N. This may be caused by rubbing the binding polymer by hand. Only during application of the electric field across the energy storage device while manufacturing the device, a bond with such strength is observed. In some embodiments, at least a portion of the coupling may be broken by applying an external voltage of the opposite polarity to the device that makes the positive electrode negative.

[D.エネルギー貯蔵装置の例]
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置100は、正電極110と、立体拘束型の誘電体層120と、負電極130とを備える(図1及び図2)。正電極110及び負電極130は、独立して、導電性金属、半導体、導電性ポリマー又は他の導電性材料であってよい。特定のケースでは、炭素ベース又はグラフィン型の電極のような高い表面積の導体が、この材料として有利である。立体拘束型の誘電体層120は、膜材料を含む。当該膜材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を含む複数の高分子122を含む。さらに、高分子は、一以上の二重結合を含んでもよい。必要に応じて、絶縁層140が正電極110と誘電体層120との間に配置され、及び/又は、絶縁層150が誘電体層120と負電極130との間に配置される。ある実施形態では、絶縁層140,150は、エネルギー貯蔵装置100全体の厚さの10%未満の厚さを有してもよい。エネルギー貯蔵装置100全体の厚さは、例えば、第1電極110の外面112から、第2電極130の外面132までを測定した厚さである。装置の使用中にジュール熱及び/又はオーミック伝導損失が発生することを防ぐために、絶縁層が含まれてもよい。高分子122の少なくとも一部は、付着点124によって、正電極110(存在する場合は、絶縁層140)に結合する。各付着点124は、共有結合(単結合、二重結合又は三重結合)、水素結合、ファンデルワールス力又は他の結合力であってよい。当該他の結合力は、正電極110が負電極130に対して正電荷に維持されると仮定して、正電極110からの高分子122の解離を防ぐのに十分な力である。高分子122の一部は、付着点126によって、負電極130(存在する場合は、絶縁層150)に結合し得る。各付着点126は、共有結合(単結合、二重結合又は三重結合)、水素結合、ファンデルワールス力又は他の結合力であってよい。当該他の結合力は、負電極130が正電極110に対して負電荷に維持されると仮定して、負電極130からの高分子122の解離を防ぐのに十分な力である。正電極110及び負電極130は、導電性リード115,135(例えば、導電性ワイヤリード、トレース又は他の経路)によって電圧源に取り付けられてもよい。
[D. Example of energy storage device]
In an embodiment, the energy storage device 100 includes a positive electrode 110, a three-dimensionally constrained dielectric layer 120, and a negative electrode 130 (FIGS. 1 and 2). The positive electrode 110 and the negative electrode 130 may independently be a conductive metal, a semiconductor, a conductive polymer, or other conductive material. In certain cases, high surface area conductors such as carbon-based or graphene-type electrodes are advantageous as this material. The three-dimensionally constrained dielectric layer 120 includes a film material. The film material includes a plurality of polymers 122 that exhibit (i) electrical insulation and / or high dielectric constant, and (ii) include polar functional groups and / or ionizable functional groups. Furthermore, the polymer may contain one or more double bonds. As required, the insulating layer 140 is disposed between the positive electrode 110 and the dielectric layer 120 and / or the insulating layer 150 is disposed between the dielectric layer 120 and the negative electrode 130. In some embodiments, the insulating layers 140 and 150 may have a thickness that is less than 10% of the total thickness of the energy storage device 100. The thickness of the entire energy storage device 100 is, for example, a thickness measured from the outer surface 112 of the first electrode 110 to the outer surface 132 of the second electrode 130. An insulating layer may be included to prevent Joule heat and / or ohmic conduction losses from occurring during use of the device. At least a portion of the polymer 122 is bonded to the positive electrode 110 (the insulating layer 140, if present) by the attachment point 124. Each attachment point 124 may be a covalent bond (single bond, double bond or triple bond), hydrogen bond, van der Waals force or other bonding force. The other binding force is sufficient to prevent the polymer 122 from dissociating from the positive electrode 110, assuming that the positive electrode 110 is maintained at a positive charge with respect to the negative electrode 130. A portion of the polymer 122 may be bonded to the negative electrode 130 (the insulating layer 150, if present) by the attachment point 126. Each attachment point 126 may be a covalent bond (single bond, double bond or triple bond), hydrogen bond, van der Waals force, or other bonding force. The other binding force is sufficient to prevent dissociation of the polymer 122 from the negative electrode 130 on the assumption that the negative electrode 130 is maintained at a negative charge with respect to the positive electrode 110. The positive electrode 110 and the negative electrode 130 may be attached to the voltage source by conductive leads 115, 135 (eg, conductive wire leads, traces or other paths).

独立した実施形態では、エネルギー貯蔵装置200は、正電極210と、立体拘束型の誘電体層220と、負電極230とを備える(図3)。立体拘束型の誘電体層220は、膜材料を含む。当該膜材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を含む複数の高分子222,223を含む。さらに、高分子は、一以上の二重結合を含んでもよい。絶縁層又は非導電層240が、正電極210と誘電体層220との間に配置される。さらに、絶縁層又は非導電層250が、誘電体層220と負電極230との間に配置される。高分子222の一部は、負電荷又は部分的負電荷を有する、極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を有し、付着点225によって絶縁層240に結合する。高分子223の一部は、正電荷又は部分的正電荷を有する、極性官能基及び/又はイオン化可能な官能基を有し、付着点226によって絶縁層250に結合する。高分子224の一部は、正電荷又は部分的正電荷を有する、極性官能基又はイオン化官能基の少なくとも1つと、負電荷又は部分的負電荷を有する、極性官能基又はイオン化官能基の少なくとも1つとを有する。高分子224は、絶縁層240と絶縁層250との間の距離にわたる十分な長さであってよく、両方の絶縁層に結合してもよい。正電極210及び負電極230は、導電性リード215,235によって電圧源に取り付けられてもよい。   In an independent embodiment, the energy storage device 200 includes a positive electrode 210, a three-dimensionally constrained dielectric layer 220, and a negative electrode 230 (FIG. 3). The three-dimensionally constrained dielectric layer 220 includes a film material. The film material includes (i) a plurality of polymers 222 and 223 that exhibit electrical insulation and / or high dielectric constant, and (ii) include polar functional groups and / or ionizable functional groups. Furthermore, the polymer may contain one or more double bonds. An insulating or non-conductive layer 240 is disposed between the positive electrode 210 and the dielectric layer 220. In addition, an insulating or non-conductive layer 250 is disposed between the dielectric layer 220 and the negative electrode 230. A part of the polymer 222 has a polar functional group and / or an ionizable functional group having a negative charge or a partial negative charge, and is bonded to the insulating layer 240 by an attachment point 225. A part of the polymer 223 has a polar functional group and / or an ionizable functional group having a positive charge or a partial positive charge, and is bonded to the insulating layer 250 by an attachment point 226. A portion of the polymer 224 includes at least one of a polar functional group or an ionized functional group having a positive charge or a partial positive charge and at least one of a polar functional group or an ionized functional group having a negative charge or a partial negative charge. Have one. The polymer 224 may be long enough to span the distance between the insulating layer 240 and the insulating layer 250 and may be bonded to both insulating layers. The positive electrode 210 and the negative electrode 230 may be attached to the voltage source by conductive leads 215 and 235.

一例の実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、絶縁層を巻回又は積層した構造を有する。図4は、巻回構造を有する電極310を備えるエネルギー装置300の一例を示す。当該巻回構造は、基板325上に、立体拘束型の誘電体層320を備える。第2基板(図示せず)が、誘電体層320の上に配置されてもよく、これにより、立体拘束型の誘電体層320が2つの基板間に挟まれる。図4に示すように、立体拘束型の誘電体320は、基板325の一端326まで延在しない。ロール電極310の頂部及び底部は、導電性ポリマー330に結合する。導電性ポリマー330は、キャップ又は電気接続部345,355を有するホルダ340,350内に収容されてもよい。任意のスリーブ(図示せず)が、使用中の機械的及び電気的保護を提供するために、装置300の周囲に配置されてもよい。   In an example embodiment, the energy storage device has a structure in which an insulating layer is wound or laminated. FIG. 4 shows an example of an energy device 300 including an electrode 310 having a winding structure. The winding structure includes a three-dimensionally constrained dielectric layer 320 on a substrate 325. A second substrate (not shown) may be disposed on the dielectric layer 320, whereby the steric constraining dielectric layer 320 is sandwiched between the two substrates. As shown in FIG. 4, the three-dimensionally constrained dielectric 320 does not extend to one end 326 of the substrate 325. The top and bottom of roll electrode 310 are bonded to conductive polymer 330. The conductive polymer 330 may be housed in holders 340, 350 having caps or electrical connections 345, 355. An optional sleeve (not shown) may be placed around the device 300 to provide mechanical and electrical protection during use.

図5及び図6に示す独立した実施形態において、例示的なエネルギー貯蔵装置400は、2つの電極410,420を含む。電極410,420は、導電性シートであってよい。ある例では、導電性シートは、金属(例えば、アルミニウム)であり、約2mmの厚さで約500mmのサイズを有してもよい。各シートが、Puralen(登録商標)ポリマーコーティングのような絶縁層でコーティングされ、電極が作製される。導電性リード415,425が、各電極410,420に取り付けされ、絶縁材料と接触する領域における望ましくない伝導を防ぐために絶縁される。電極とおおよそ同じサイズの非導電性セパレータシート430が穿孔されて、充填された誘電体材料440が電極410,420に接触するための経路が設けられる。ある例では、セパレータシート430は、約0.5mmの厚さを有するが、2mmまでの厚さを有し、印加される電圧に応じて2mm以上の厚さも許容可能である。セパレータシートは、2つの電極410,420が互いに接触することを防ぎ、2つの電極に一定の間隔を提供する。電極は、図6に示すように、収容箱450内に組み入れられる。固体の誘電体材料又は液体の誘電体材料440が、電極410,420間のスペースを満たすために加えられる。或いは、誘電体材料が、電極上にプレコートされてもよい。誘電体材料440は、極性官能基及び/他はイオン化可能な官能基を含む、複数の高分子を含む。さらに、高分子は、一以上の二重結合を含んでもよい。電圧は、高分子の少なくとも一部が正電極に結合する2つの電極に印加され、これにより、立体拘束型の誘電体材料が生成される。 In the independent embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the exemplary energy storage device 400 includes two electrodes 410, 420. The electrodes 410 and 420 may be conductive sheets. In one example, the conductive sheet is metal (eg, aluminum) and may have a thickness of about 2 mm and a size of about 500 mm 2 . Each sheet is coated with an insulating layer, such as a Puralen® polymer coating, to create an electrode. Conductive leads 415, 425 are attached to each electrode 410, 420 and insulated to prevent undesired conduction in the area in contact with the insulating material. A non-conductive separator sheet 430 approximately the same size as the electrodes is perforated to provide a path for the filled dielectric material 440 to contact the electrodes 410,420. In one example, separator sheet 430 has a thickness of about 0.5 mm, but has a thickness of up to 2 mm, and a thickness of 2 mm or more is acceptable depending on the applied voltage. The separator sheet prevents the two electrodes 410 and 420 from contacting each other and provides a constant spacing between the two electrodes. As shown in FIG. 6, the electrodes are incorporated in a storage box 450. A solid dielectric material or a liquid dielectric material 440 is added to fill the space between the electrodes 410, 420. Alternatively, a dielectric material may be precoated on the electrodes. The dielectric material 440 includes a plurality of macromolecules including polar functional groups and / or other ionizable functional groups. Furthermore, the polymer may contain one or more double bonds. A voltage is applied to the two electrodes where at least a portion of the polymer is bonded to the positive electrode, thereby producing a sterically constrained dielectric material.

ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置を充電及び/又は放電する前に(すなわち、エネルギー貯蔵装置の製造後、例えば電子回路内にてエネルギー貯蔵装置を使用する前に)、電場の印加及び/又は化学剤による処理で高分子の少なくとも一部を第1電極に結合させることによって、立体拘束型の誘電体材料の誘電率が改善される。第1電極に高分子が結合していない類似のエネルギー貯蔵装置(すなわち、類似のエネルギー貯蔵装置では、エネルギー貯蔵装置を充電及び/又は放電する前に、誘電体材料が立体拘束されていない)の誘電体材料の誘電率と比較すると、立体拘束型の誘電体材料の誘電率は、少なくとも50%まで、例えば、50%から10,000%まで、50%から100,000%まで、又は50%から1,000,000%まで又は50%から10,000,000%まで、改善される。実質的に同様の化学組成を有する誘電体材料を含むエネルギー貯蔵装置であるが、当該エネルギー貯蔵装置を充電及び/又は放電する前に電極表面に高分子の少なくとも一部を結合させてポリマーを立体拘束させていないエネルギー貯蔵装置と比較すると、開示の実施形態に係るエネルギー貯蔵装置は、少なくとも100倍、1000倍、10,000倍又は100,000倍の量のエネルギーを貯蔵することができる。本開示のある実施形態では、エネルギー貯蔵装置が充電及び/又は放電されない場合に、当該エネルギー貯蔵装置が有するエネルギー貯蔵容量は、導電性の第1電極と第2電極との間に配置される誘電体材料の重量のみに基づいて、少なくとも1Wh/kg、少なくとも10Wh/kg又は少なくとも100Wh/kgであり、例えば、当該エネルギー貯蔵容量は、1Wh/kgから1300Wh/kgまで、10Wh/kgから1300Wh/kgまで、又は、100Wh/kgから1300Wh/kgまでである。特定の実施形態では、エネルギー貯蔵容量は、100Wh/kgから1300Wh/kgの範囲内である。本開示のある実施形態では、エネルギー貯蔵装置のエネルギー損失は、時間当たり10%未満、時間当たり1%未満、時間当たり0.5%未満又は時間当たり0.1%未満である。このように、開示のエネルギー貯蔵装置は、頑丈で高エネルギー密度のコンデンサである。高エネルギー密度によって、エネルギー貯蔵を犠牲にせずに、他のコンデンサよりもより厚い誘電体膜を用いて、装置を製造することが可能になる。   In certain embodiments, prior to charging and / or discharging the energy storage device (ie, after manufacturing the energy storage device, for example, before using the energy storage device in an electronic circuit), applying an electric field and / or chemistry. By binding at least a part of the polymer to the first electrode by treatment with an agent, the dielectric constant of the sterically constrained dielectric material is improved. A similar energy storage device in which no polymer is bonded to the first electrode (ie, in a similar energy storage device, the dielectric material is not sterically constrained before charging and / or discharging the energy storage device). Compared to the dielectric constant of the dielectric material, the dielectric constant of the sterically constrained dielectric material is at least 50%, such as 50% to 10,000%, 50% to 100,000%, or 50%. From 1 to 1,000,000% or from 50% to 10,000,000%. An energy storage device comprising a dielectric material having a substantially similar chemical composition, but before charging and / or discharging the energy storage device, at least a part of the polymer is bonded to the electrode surface to form the polymer in three dimensions. Compared to an unconstrained energy storage device, the energy storage device according to the disclosed embodiments can store at least 100 times, 1000 times, 10,000 times, or 100,000 times the amount of energy. In an embodiment of the present disclosure, when the energy storage device is not charged and / or discharged, the energy storage capacity of the energy storage device is a dielectric disposed between the conductive first electrode and the second electrode. Based on the weight of the body material alone, it is at least 1 Wh / kg, at least 10 Wh / kg or at least 100 Wh / kg, for example, the energy storage capacity is from 1 Wh / kg to 1300 Wh / kg, 10 Wh / kg to 1300 Wh / kg Or from 100 Wh / kg to 1300 Wh / kg. In certain embodiments, the energy storage capacity is in the range of 100 Wh / kg to 1300 Wh / kg. In certain embodiments of the present disclosure, the energy loss of the energy storage device is less than 10% per hour, less than 1% per hour, less than 0.5% per hour or less than 0.1% per hour. Thus, the disclosed energy storage device is a rugged and high energy density capacitor. High energy density allows devices to be fabricated using a thicker dielectric film than other capacitors without sacrificing energy storage.

[III.エネルギー貯蔵装置の製造方法]
実施形態に係るエネルギー貯蔵装置の製造方法は、誘電体材料を含む誘電体膜を、導電性の第1電極に付与するステップ(a)であって、当該誘電体材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)1以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含むステップ(a)と;誘電体膜を導電性の第2電極に接触させるステップ(b)と;第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたる電場を印加するステップ(c)とを含む。このようにして、エネルギー貯蔵装置が製造される。第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたる電場を印加することで、エネルギー貯蔵装置を製造している間に、高分子の少なくとも一部が第1電極に結合する。これにより、複数の高分子の少なくとも一部が、第1電極、第2電極又は第1電極及び第2電極の両方に結合する、立体拘束型の誘電体膜が作製される。ある実施形態では、立体拘束型の誘電体膜は、(i)第1電極が正電極となるように、高分子の少なくとも一部を第1電極に結合させるのに有効な時間にわたり、第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたって電場を印加するか、(ii)化学剤を用いて誘電体膜を処理するか、又は、(iii)それらの組み合わせによって、作製される。
[III. Manufacturing method of energy storage device]
The manufacturing method of the energy storage device according to the embodiment is a step (a) of applying a dielectric film containing a dielectric material to the conductive first electrode, the dielectric material comprising: (i) electrical insulation And (ii) comprising a plurality of polymers having one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or a combination thereof, exhibiting properties and / or high dielectric constants; Contacting (b) the second electrode; and (c) applying an electric field across the first electrode, the dielectric film and the second electrode. In this way, an energy storage device is manufactured. By applying an electric field across the first electrode, the dielectric film, and the second electrode, at least a portion of the polymer binds to the first electrode during manufacture of the energy storage device. As a result, a sterically constrained dielectric film in which at least a part of the plurality of polymers is bonded to the first electrode, the second electrode, or both the first electrode and the second electrode is produced. In some embodiments, the sterically constrained dielectric film comprises: (i) a first effective period of time to bind at least a portion of the polymer to the first electrode such that the first electrode is a positive electrode. It is created by applying an electric field across the electrode, dielectric film and second electrode, (ii) treating the dielectric film with a chemical agent, or (iii) a combination thereof.

[A.誘電体膜の形状]
膜材料を含む誘電体膜は、気相蒸着、液体スプレー、スクリーニング、スピンコーティング又は膜形成の分野で当業者に公知な方法を含む任意の適切な手段によって調製され、そして、導電性の第1電極に付与される。一実施形態では、導電性の第1電極は、ベア電極、又は、絶縁層を備える複合電極である。誘電体膜は、ベア電極表面上に直接形成されるか、又は、複合電極の絶縁層上に直接形成される。その後、誘電体膜は、誘電体膜を導電性の第2電極に接触させる前に、低温(例えば、25℃〜60℃)で乾燥される。独立した実施形態では、誘電体膜は、除去可能なキャリア膜(例えば、ポリテトラフルオロエチレン膜)の上に形成され、乾燥され、その後、電極表面に移される。
[A. Shape of dielectric film]
The dielectric film comprising the film material is prepared by any suitable means including methods known to those skilled in the art of vapor deposition, liquid spraying, screening, spin coating or film formation, and the conductive first Applied to the electrode. In one embodiment, the conductive first electrode is a bare electrode or a composite electrode including an insulating layer. The dielectric film is formed directly on the bare electrode surface or directly on the insulating layer of the composite electrode. Thereafter, the dielectric film is dried at a low temperature (for example, 25 ° C. to 60 ° C.) before bringing the dielectric film into contact with the conductive second electrode. In a separate embodiment, the dielectric film is formed on a removable carrier film (eg, polytetrafluoroethylene film), dried, and then transferred to the electrode surface.

ある実施形態では、膜材料は、溶媒及び複数の高分子を含む液体又はスラリーから調製される。適切な溶媒は、限定ではないが、アルカノール、アルキレングリコール、水及びそれらの組み合わせを含む。例示的な溶媒は、エタノール、エチレングリコール、水及びそれらの組み合わせを含む。ある実施形態では、高分子は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する。さらに、高分子は、一以上の二重結合を有してもよい。適切な高分子は、上述の通りである。特定の実施形態では、溶解していない高分子が、例えば混合物のろ過又は遠心分離によって、混合物から除去される。   In certain embodiments, the membrane material is prepared from a liquid or slurry comprising a solvent and a plurality of polymers. Suitable solvents include but are not limited to alkanols, alkylene glycols, water and combinations thereof. Exemplary solvents include ethanol, ethylene glycol, water, and combinations thereof. In some embodiments, the polymer has one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. Furthermore, the polymer may have one or more double bonds. Suitable polymers are as described above. In certain embodiments, undissolved macromolecules are removed from the mixture, for example, by filtration or centrifugation of the mixture.

液体又はスラリーは、架橋剤をさらに含んでもよい。適切な架橋剤は、限定ではないが、酸無水物、カルボジイミド、イミドエステル、ホウ砂塩、水素化ホウ素ナトリウム、及び、試薬を含み、当該試薬は、N−ヒドロキシマレイミド、アリールアジド又はジアジリン基の組み合わせを含むものである。一般的な架橋剤は、トリアリルトリアジントリオン、及び、高分子化学の分野で当業者に公知な他のトリアルトリビニル又は試薬を含む。例示的な酸無水物は、無水マレイン酸、無水イタコン酸、シス−4−シクロヘキセン−1、2−ジカルボン酸無水物、シス−5−ノルボルネン−エンド−2,3−ジカルボン酸無水物、及び、それらの組み合わせを含む。   The liquid or slurry may further contain a crosslinking agent. Suitable crosslinking agents include, but are not limited to, acid anhydrides, carbodiimides, imide esters, borax salts, sodium borohydride, and reagents that include N-hydroxymaleimide, aryl azide, or diazirine groups. Includes combinations. Typical cross-linking agents include triallyltriazinetrione and other triallytrivinyls or reagents known to those skilled in the art of polymer chemistry. Exemplary acid anhydrides include maleic anhydride, itaconic anhydride, cis-4-cyclohexene-1, 2-dicarboxylic acid anhydride, cis-5-norbornene-endo-2,3-dicarboxylic acid anhydride, and Including combinations thereof.

ある実施形態では、液体又はスラリーは、高分子間の架橋を触媒するラジカル開始剤等の開始剤をさらに含む。例示的な開始剤は、熱及び光で活性化される化学開始剤を含み、限定ではないが、アゾビスイソブチロニトリル、1,1’−アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)、ジクミルパーオキサイド、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン、カンファーキノン、フェナントレンキノン、及び、それらの組み合わせを含む。一実施例では、無水イタコン酸及びジクミルペルオキシドを、ゼイン分子を架橋するために使用した。   In certain embodiments, the liquid or slurry further comprises an initiator, such as a radical initiator that catalyzes cross-linking between polymers. Exemplary initiators include heat and light activated chemical initiators, including but not limited to azobisisobutyronitrile, 1,1′-azobis (cyclohexanecarbonitrile), dicumyl peroxide, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, camphorquinone, phenanthrenequinone, and combinations thereof. In one example, itaconic anhydride and dicumyl peroxide were used to crosslink zein molecules.

一以上の塩、例えば高分子と有機塩を形成することができ且つ/または膜材料を中和することができる塩を、架橋が完了する前に、液体又はスラリーに添加してもよい。ある実施形態では、炭酸塩(例えば、炭酸グアニジン、炭酸セシウム、炭酸ストロンチウム又はそれらの組み合わせ)を使用してもよい。反応によって二酸化炭素が放出され、誘電体膜の望ましくない対イオン汚染が生じないためである。ある実施形態では、チタン酸バリウムが液体又はスラリーに添加される。独立した実施形態では、非導電性ポリマーなどの電圧アジュバントが添加される。   One or more salts, such as salts capable of forming organic salts with polymers and / or neutralizing membrane materials, may be added to the liquid or slurry before crosslinking is complete. In some embodiments, carbonates (eg, guanidine carbonate, cesium carbonate, strontium carbonate, or combinations thereof) may be used. This is because carbon dioxide is released by the reaction and undesirable counter ion contamination of the dielectric film does not occur. In some embodiments, barium titanate is added to the liquid or slurry. In a separate embodiment, a voltage adjuvant such as a non-conductive polymer is added.

液体又はスラリーは、任意の適切な手段によって、導電性の第1電極に付与される。一実施形態では、スラリーは、電極の固定されたストリップ上に又は連続的に動くストリップ上にコーティングされる。別の実施形態では、液体又はスラリーは、任意の数の手段によって、静的に配置された電極プレート上に注がれる。当該任意の数の手段は、限定ではないが、例えば、容器から放出された圧力又は混合容器から注入された圧力である。別の実施形態では、液体又はスラリーは、スピンコーティングによって電極に付与される。液体又はスラリーを混合容器から電極に移動させる他の方法も考えられる。液体又はスラリーは、電極表面をコーティングして電極表面上の液体又はスラリーの薄く均一なコーティングを確保するように、広げたり、プレスしたり、延ばしてもよい。この工程を実行する複数の手段が考えられ、限定ではないが、散布ブレード、ローラ又は他の手段の使用が含まれる。膜の形成において当業者に公知なように、スラリーの噴霧化又は化学気相成長によっても、スラリーの気相蒸着が達成され得る。   The liquid or slurry is applied to the conductive first electrode by any suitable means. In one embodiment, the slurry is coated on a fixed strip of electrodes or on a continuously moving strip. In another embodiment, the liquid or slurry is poured onto the statically placed electrode plate by any number of means. The arbitrary number of means is, but is not limited to, for example, the pressure released from the container or the pressure injected from the mixing container. In another embodiment, the liquid or slurry is applied to the electrode by spin coating. Other ways of moving the liquid or slurry from the mixing vessel to the electrode are also conceivable. The liquid or slurry may be spread, pressed, or stretched to coat the electrode surface to ensure a thin and uniform coating of liquid or slurry on the electrode surface. Multiple means of performing this step are contemplated and include, but are not limited to, the use of spreading blades, rollers or other means. Vapor deposition of the slurry can also be achieved by atomization of the slurry or chemical vapor deposition, as is known to those skilled in the art of forming films.

ある実施形態では、乾燥させたときに所望の厚さの誘電体膜を形成するよう、十分な量の液体又はスラリーが、電極表面に付与される。別の実施形態では、液体又はスラリーの二以上の層が、所望の厚さを得るために、電極表面に付与されてもよい。各層は、別の層が塗布される前に、乾燥されてもよい。又は、液体又はスラリーの連続的な堆積が実行されてもよく、全ての層を付与した後に乾燥してもよい。二以上の層を付与する場合、これらの層の化学組成は同一でも異なっていてもよい。   In some embodiments, a sufficient amount of liquid or slurry is applied to the electrode surface to form a desired thickness of dielectric film when dried. In another embodiment, two or more layers of liquid or slurry may be applied to the electrode surface to obtain the desired thickness. Each layer may be dried before another layer is applied. Alternatively, a continuous deposition of liquid or slurry may be performed and may be dried after all layers have been applied. When two or more layers are applied, the chemical composition of these layers may be the same or different.

電極及び誘電体材料は、溶媒を除去して電極表面上に誘電体膜を形成するために加熱されてもよい。加熱は、誘電体材料を導電性の第2電極に接触させる前に実行されてもよいし、又は、後に実行されてもよい。ある実施形態では、組み立て品は、クランプまたはプレスされて誘電体材料に圧力が加えられ、液体又はスラリーから空気又は気体を押し出される。その結果、第1電極及び第2電極が電極内側表面で密着する。特定の実施形態では、組み立て品は、溶媒を除去するために、150℃から300℃の温度で加熱される。溶媒によっては他の温度範囲も好適であり得る。   The electrode and dielectric material may be heated to remove the solvent and form a dielectric film on the electrode surface. Heating may be performed before contacting the dielectric material with the conductive second electrode, or may be performed after. In certain embodiments, the assembly is clamped or pressed to apply pressure to the dielectric material and push air or gas out of the liquid or slurry. As a result, the first electrode and the second electrode are in close contact with the inner surface of the electrode. In certain embodiments, the assembly is heated at a temperature of 150 ° C. to 300 ° C. to remove the solvent. Other temperature ranges may be suitable depending on the solvent.

独立した実施形態では、誘電体膜の高分子は、インサイチュで形成される。誘電体材料の液体又はスラリーは、架橋剤と、複数の高分子前駆体とを含む。当該高分子前駆体は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを含む。ある例では、前駆体は、アミノ酸分子、オリゴペプチド、ポリペプチド又はそれらの組み合わせである。特定の実施形態では、高分子前駆体は、p−キシリレンモノマーをさらに含む。液体又はスラリーは、上述のように、第1電極に塗布される。塗布後、架橋剤が活性化され、これにより、高分子前駆体が架橋され、複数の高分子を備える誘電体膜が生成される。架橋処理は、例えば電極が絶縁層を備える複合電極である場合、高分子の一部を電極表面に結合させてもよい。   In an independent embodiment, the dielectric film polymer is formed in situ. The liquid or slurry of dielectric material includes a cross-linking agent and a plurality of polymer precursors. The polymeric precursor includes one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. In certain examples, the precursor is an amino acid molecule, oligopeptide, polypeptide or a combination thereof. In certain embodiments, the polymeric precursor further comprises p-xylylene monomer. The liquid or slurry is applied to the first electrode as described above. After application, the crosslinking agent is activated, whereby the polymer precursor is crosslinked, and a dielectric film including a plurality of polymers is generated. For example, when the electrode is a composite electrode including an insulating layer, a part of the polymer may be bonded to the electrode surface.

[B.絶縁層の形成]
ある実施形態では、上記製造方法は、第1電極に絶縁層を付与して複合電極を生成するステップと、複合電極の絶縁層に誘電体膜を付与するステップとを含む。一実施形態では、絶縁層は、重合p−キシリレンを含む。別の実施形態では、絶縁層は、上述したように、p−キシリレンと他のコモノマーとのコポリマーを含む。絶縁層は、任意の適切な手段によって付与される。当該任意の適切な手段は、気相蒸着、液体スプレー、スクリーニング、スピンコーティング、又は、膜の形成において当業者に公知な他の方法を含む。
[B. Formation of insulating layer]
In one embodiment, the manufacturing method includes a step of applying an insulating layer to the first electrode to form a composite electrode, and a step of applying a dielectric film to the insulating layer of the composite electrode. In one embodiment, the insulating layer comprises polymerized p-xylylene. In another embodiment, the insulating layer comprises a copolymer of p-xylylene and other comonomers, as described above. The insulating layer is applied by any appropriate means. Any suitable means include vapor deposition, liquid spray, screening, spin coating, or other methods known to those skilled in the art of film formation.

ある実施形態では、絶縁層は、気相蒸着を用いて付与される。絶縁層が重合p−キシリレンを含む場合、キシリレンを単原子酸素源と反応させて、モノマー型のp−キシリレンを生成してもよい。一例として、単原子酸素源は、亜酸化窒素又はイオン化二原子酸素を備えてもよい。ある実施形態では、単重体型のp−キシリレンを生成するためのキシレンを単原子酸素源と反応させる工程は、単原子酸素に対するキシレンの化学量論比で、450℃から800℃の加熱環境において大気圧で実行されてもよい。反応は、電気的に加熱された、インコネル(ニッケル合金600)熱分解反応管のような熱分解反応管内で実行されてもよい。アルゴンガス又は窒素ガスのような不活性ガスのみの流通が、又は、亜酸化窒素のような反応性化合物との流通が、熱分解反応管に供給される。例えばキシレン蒸気のような、出発材料が、熱分解反応管に導入され、反応管内で単原子酸素と反応する。揮発性混合物と反応するためには、単原子酸素は非常に反応性が高くかつ一過性であるため、反応チャンバ215内において揮発性混合物と反応するために利用可能でなければならない。上述のように、単原子酸素源は、キャリアガスとともに供給される気体化合物であってもよいし、別々に供給される気体化合物であってもよいし、又は、プラズマ生成器のような別の供給源であってもよい。単原子酸素プラズマは、ガスをイオン化するRF放電などのイオン化エネルギー源に酸素(О)ガスを曝すことによって生成してもよい。或いは、亜酸化窒素(NO)などの化合物を熱分解、触媒分解及び/又は他の方法により分解して、反応用の単原子酸素を供給してもよい。このように、単原子酸素プラズマ生成器又は単原子酸素化合物(例えば、NO)が供給されるか、又は、別の適切な単原子酸素源が設けられる。中間酸化生成物を形成するために、プラズマガスを、上述の出発材料とともに使用することができる。当該中間酸化生成物は、その後に反応して、出発材料の酸化形態(モノマー、ダイマー、トリマー、オリゴマー又はポリマーであってよい)である反応生成物を形成してもよい。300℃から800℃の温度は、反応管の出口においてモノマーp−キシリレンをモノマー形態に維持するのに十分な高温である。電極表面のモノマーを急速に冷却すると、モノマーが液体凝縮し、モノマーが急速に重合してポリマーが生じる。温度を低下させて反応管から出る反応中間体の凝縮を促進するために、冷却された非反応性ガスを熱い反応流に混合する装置が使用されてもよい。必要に応じて、ホットガスのジュールトムソン冷却を提供するために、膨張弁が反応管の出口に使用されてもよい。必要に応じて、堆積混合物が、光重合開始剤の光エネルギー、及び/又、は磁場及び/又は電場のような誘電率増強場に曝されてもよい。 In certain embodiments, the insulating layer is applied using vapor deposition. When the insulating layer contains polymerized p-xylylene, the xylylene may be reacted with a monoatomic oxygen source to produce monomeric p-xylylene. As an example, the monoatomic oxygen source may comprise nitrous oxide or ionized diatomic oxygen. In one embodiment, the step of reacting xylene to produce mono-p-type p-xylylene with a monoatomic oxygen source is performed in a heating environment between 450 ° C. and 800 ° C. with a stoichiometric ratio of xylene to monoatomic oxygen. It may be performed at atmospheric pressure. The reaction may be carried out in a pyrolysis reaction tube, such as an electrically heated Inconel (nickel alloy 600) pyrolysis reaction tube. A flow of only an inert gas such as argon gas or nitrogen gas or a flow of a reactive compound such as nitrous oxide is supplied to the thermal decomposition reaction tube. A starting material, such as xylene vapor, is introduced into the pyrolysis reaction tube and reacts with monoatomic oxygen in the reaction tube. In order to react with a volatile mixture, monoatomic oxygen must be available in the reaction chamber 215 to react with the volatile mixture because it is very reactive and transient. As noted above, the monoatomic oxygen source may be a gaseous compound supplied with the carrier gas, a separately supplied gaseous compound, or another source such as a plasma generator. It may be a source. The monoatomic oxygen plasma may be generated by exposing oxygen (O 2 ) gas to an ionization energy source such as an RF discharge that ionizes the gas. Alternatively, a compound such as nitrous oxide (N 2 O) may be decomposed by thermal decomposition, catalytic decomposition and / or other methods to supply monoatomic oxygen for reaction. Thus, a monoatomic oxygen plasma generator or a monoatomic oxygen compound (eg, N 2 O) is provided, or another suitable monoatomic oxygen source is provided. To form the intermediate oxidation product, a plasma gas can be used with the starting materials described above. The intermediate oxidation product may then react to form a reaction product that is an oxidized form of the starting material (which may be a monomer, dimer, trimer, oligomer or polymer). The temperature of 300 ° C. to 800 ° C. is high enough to keep the monomer p-xylylene in monomer form at the outlet of the reaction tube. When the monomer on the electrode surface is rapidly cooled, the monomer is liquid condensed and the monomer is rapidly polymerized to form a polymer. An apparatus that mixes the cooled non-reactive gas into the hot reaction stream may be used to reduce the temperature and promote condensation of the reaction intermediate exiting the reaction tube. If desired, an expansion valve may be used at the outlet of the reaction tube to provide Joule Thomson cooling of the hot gas. If desired, the deposition mixture may be exposed to a photoinitiator light energy and / or a dielectric enhancement field such as a magnetic and / or electric field.

上記方法は、他の置換基に拡張してもよい。当該他の置換基は、限定ではないが、2−クロロ−1、4−ジメチルベンゼン、2,5−ジクロロ−p−キシレン、2,5−ジメチルアニ、テトラフルオロ−p−キシレン、及び、1,2,4トリメチルブタジエンを含む。芳香族環上の置換基のメタ配向及びオルト配向は、実行可能な反応の出発材料である。プラズマから又は分解された酸素含有材料から生成される単原子酸素と反応可能であり、かつ、芳香族環の存在により安定化された水素原子を含む全ての化合物又はその中間反応生成物を含むために、上記反応を汎用化することができる。典型的には、このような水素原子は、フェニル環のアルファ位(ベンジル位)に位置する。アルファ芳香族環位置から除去されたマイケル構造は、有機合成に精通している者には周知のように、芳香族環位置に対してアルファである水素と同様の反応性を与えることが知られている。しかしながら、このような水素原子の反応性は、ベンゼンなどの芳香族環からの、アルファ及び/又はマイケル位置に限定されない。他の芳香族安定化として、有機化学分野の当業者に公知であるように、多くの異なる環、縮合環及び非環系が知られている。このような出発材料は、好適には、部分的に酸化された出発材料を形成するために除去され得る、2つの水素原子が存在するとよい。これらの好適な材料は、必要に応じて、二量体化、三量体化、オリゴマー化又は重合体化する性質を有する。   The above method may be extended to other substituents. Such other substituents include, but are not limited to, 2-chloro-1,4-dimethylbenzene, 2,5-dichloro-p-xylene, 2,5-dimethylani, tetrafluoro-p-xylene, and 1, Contains 2,4 trimethylbutadiene. The meta and ortho orientations of substituents on the aromatic ring are feasible starting materials for the reaction. To include all compounds containing hydrogen atoms that are capable of reacting with monoatomic oxygen produced from plasma or from decomposed oxygen-containing materials and that are stabilized by the presence of aromatic rings, or intermediate reaction products thereof. In addition, the above reaction can be generalized. Typically, such a hydrogen atom is located in the alpha position (benzyl position) of the phenyl ring. The Michael structure removed from the alpha aromatic ring position is known to provide reactivity similar to alpha hydrogen to the aromatic ring position, as is well known to those familiar with organic synthesis. ing. However, the reactivity of such hydrogen atoms is not limited to alpha and / or Michael positions from aromatic rings such as benzene. As other aromatic stabilization, many different rings, fused rings and acyclic systems are known, as is known to those skilled in the art of organic chemistry. Such starting materials preferably have two hydrogen atoms that can be removed to form a partially oxidized starting material. These suitable materials have the property of dimerizing, trimerizing, oligomerizing or polymerizing as required.

絶縁層がp−キシレンを含むコポリマーを含む場合、キシレンを単原子酸素源と反応させてモノマー型のp−キシリレンを生成してもよい。一例として、単原子酸素源は、亜酸化窒素又はイオン化二原子酸素を備えてもよい。単原子酸素プラズマは、ガスをイオン化するRF放電などのイオン化エネルギー源に酸素(О)ガスを曝すことによって生成されてもよい。或いは、亜酸化窒素(NO)などの化合物を熱分解、触媒分解及び/又は他の方法により分解して、反応用の単原子酸素を供給してもよい。好適な実装では、モノマー型のp−キシリレンを生成するためにキシレンを単原子酸素源と反応させる工程は、単原子酸素に対するキシレンの化学量論比で、350℃から800℃の加熱環境において大気圧で実行されてもよい。反応は、電気的に加熱された、インコネル(ニッケル合金600)熱分解反応管などの熱分解反応管内で実行されてもよい。モノマー型のp−キシリレンは、共重合化合物(コモノマー)、すなわちモノマー型のp−キシリレンと共重合する化合物と、混合される。モノマー型のp−キシリレン及び共重合化合物は、混合されている間、ガス状になる。中間酸化生成物を形成するために、プラズマガスを、上述の出発材料とともに使用してもよい。当該中間酸化生成物は、その後に反応して、出発材料の酸化形態である反応生成物を形成してもよい。モノマー型のp−キシリレン及び共重合化合物を混合した後、得られた生成物を、凝縮器にトラップしてもよい。少なくとも−30℃の温度(例えば−30℃から400℃の範囲)では、、このような混合物のほどんどが凝縮できる。凝縮器は、トラップを容易にする溶媒を含む。必要に応じて、トラップされた混合物は、三次物質と混合されてもよい。当該三次物質は、例えば、別のモノマー、反応物質又は不活性材料である。モノマー型のp−キシリレン及び共重合化合物を混合した後、得られた生成物は、電極に堆積させてもよい。電極の温度を制御して、堆積させる混合物の固体化を促進してもよい。モノマーを電極表面上に付与している間に、モノマーを急速冷却すると、モノマーの液体凝縮が生じて、モノマーのポリマーへの急速な重合が生じる。必要に応じて、堆積混合物が、光重合開始剤の光エネルギー、及び/又、は磁場及び/又は電場のような誘電率増強場に曝されてもよい。 When the insulating layer includes a copolymer containing p-xylene, xylene may be reacted with a monoatomic oxygen source to produce monomeric p-xylylene. As an example, the monoatomic oxygen source may comprise nitrous oxide or ionized diatomic oxygen. The monoatomic oxygen plasma may be generated by exposing oxygen (O 2 ) gas to an ionization energy source such as an RF discharge that ionizes the gas. Alternatively, a compound such as nitrous oxide (N 2 O) may be decomposed by thermal decomposition, catalytic decomposition and / or other methods to supply monoatomic oxygen for reaction. In a preferred implementation, the step of reacting xylene with a monoatomic oxygen source to produce monomeric p-xylylene is a large stoichiometric ratio of xylene to monoatomic oxygen in a heating environment of 350 ° C to 800 ° C. It may be performed at atmospheric pressure. The reaction may be carried out in a pyrolysis reaction tube, such as an electrically heated Inconel (nickel alloy 600) pyrolysis reaction tube. The monomer type p-xylylene is mixed with a copolymer compound (comonomer), that is, a compound copolymerized with the monomer type p-xylylene. The monomeric p-xylylene and copolymer compound become gaseous while being mixed. A plasma gas may be used with the starting materials described above to form an intermediate oxidation product. The intermediate oxidation product may then react to form a reaction product that is an oxidized form of the starting material. After mixing the monomeric p-xylylene and the copolymer compound, the resulting product may be trapped in a condenser. At temperatures of at least −30 ° C. (eg in the range of −30 ° C. to 400 ° C.), most of such mixtures can condense. The condenser contains a solvent that facilitates trapping. If desired, the trapped mixture may be mixed with a tertiary material. The tertiary substance is, for example, another monomer, a reactant or an inert material. After mixing the monomeric p-xylylene and the copolymer compound, the resulting product may be deposited on the electrode. The temperature of the electrode may be controlled to promote solidification of the deposited mixture. While the monomer is being applied onto the electrode surface, rapid cooling of the monomer results in liquid condensation of the monomer, resulting in rapid polymerization of the monomer to polymer. If desired, the deposition mixture may be exposed to a photoinitiator light energy and / or a dielectric enhancement field such as a magnetic and / or electric field.

[C.電極への高分子の結合]
ある実施形態では、第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたる電場が印加される。有利には、電場は、直流電界である。第1電極が正電極として機能するように、また第2電極が負電極として機能するように、電場は印加される。電場強度は、誘電体膜の平均厚さに基づいて、100V/cmを超える大きさであってもよいし、又は、少なくとも0.001V/μmであってもよい。特定の実施形態では、電場強度は、0.005〜1V/μm、0.01〜1V/μm、0.1〜1V/μm又は0.4〜0.6V/μmである。
[C. Polymer binding to electrode]
In some embodiments, an electric field is applied across the first electrode, the dielectric film, and the second electrode. Advantageously, the electric field is a direct current electric field. The electric field is applied so that the first electrode functions as a positive electrode and the second electrode functions as a negative electrode. The electric field strength may be greater than 100 V / cm or at least 0.001 V / μm based on the average thickness of the dielectric film. In certain embodiments, the electric field strength is 0.005 to 1 V / μm, 0.01 to 1 V / μm, 0.1 to 1 V / μm, or 0.4 to 0.6 V / μm.

誘電体膜内の高分子の少なくとも一部を第1電極に結合させるのに有効な時間にわたり、電場が印加されてもよい。これにより、立体拘束型の誘電体膜が生成される。有効な時間は、電場強度に少なくとも部分的に基づき、1秒から数分の範囲であってよく、例えば、30秒から60分の範囲、5分から30分の範囲又は5分から15分の範囲であってよい。ある実施形態では、電場は0.005〜1V/μmであり、有効な時間は1秒から30分である。一実施形態では、20分にわたる0.005〜0.5V/μmの電場強度が、50%を超えるタンパク質分子を重合p−キシリレンを備える複合電極表面に結合させるのに有効である。別の実施形態では、5〜15分にわたる0.5〜1V/μmの電場強度が、90%を超えるタンパク質分子を重合p−キシリレンを備える複合電極表面に結合させるのに有効である。   An electric field may be applied for a time effective to couple at least a portion of the polymer in the dielectric film to the first electrode. Thereby, a three-dimensionally restricted dielectric film is generated. The effective time may be in the range of 1 second to several minutes based at least in part on the electric field strength, for example in the range of 30 seconds to 60 minutes, 5 minutes to 30 minutes, or 5 minutes to 15 minutes. It may be. In some embodiments, the electric field is 0.005 to 1 V / μm and the effective time is 1 second to 30 minutes. In one embodiment, an electric field strength of 0.005-0.5 V / μm over 20 minutes is effective to bind more than 50% protein molecules to a composite electrode surface comprising polymerized p-xylylene. In another embodiment, an electric field strength of 0.5-1 V / μm over 5-15 minutes is effective to bind more than 90% protein molecules to a composite electrode surface comprising polymerized p-xylylene.

ある実施形態では、導電性の第1電極、誘電体膜及び導電性の第2電極を組み立てた後、高分子の少なくとも一部を第1電極に結合させるために、化学剤によって第1電極が処理され、これにより、立体拘束型の誘電体膜が生成される。特定の実施形態では、第1電極、誘電体膜及び第2電極にわたる電場が印加され、誘電体膜が化学剤によって処理される。   In some embodiments, after assembling the conductive first electrode, the dielectric film, and the conductive second electrode, the first electrode is bonded with a chemical agent to bind at least a portion of the polymer to the first electrode. In this way, a three-dimensionally constrained dielectric film is generated. In certain embodiments, an electric field across the first electrode, the dielectric film and the second electrode is applied and the dielectric film is treated with a chemical agent.

一実施形態では、第1電極は複合電極であり、化学剤で誘電体膜を処理するステップは、絶縁層に誘電体膜を付与する前に絶縁層にラジカル開始剤を付与するステップと、その後、ラジカル開始剤を活性化させるステップとを含む。ラジカル開始剤を活性化させるステップでは、高分子の少なくとも一部が絶縁層に結合して、立体拘束型の誘電体膜が生成される。例示的なラジカル開始剤は、アゾビスイソブチロニトリル、1,1’-アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)、ジクミルパーオキサイド、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン、カンファーキノン、フェナントレンキノン、それらの組み合わせ、及び、重合の当業者に公知な他のラジカル開始剤を含む。酸化還元、光開始剤、熱開始剤又は重合の当業者に公知な他の方法によって、ラジカル開始剤は活性化され、これにより、高分子の少なくとも一部が絶縁層に結合する。   In one embodiment, the first electrode is a composite electrode, and the step of treating the dielectric film with the chemical agent comprises applying a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer, and thereafter Activating the radical initiator. In the step of activating the radical initiator, at least a part of the polymer is bonded to the insulating layer, and a sterically constrained dielectric film is generated. Exemplary radical initiators include azobisisobutyronitrile, 1,1′-azobis (cyclohexanecarbonitrile), dicumyl peroxide, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, camphorquinone, phenanthrenequinone, and the like And other radical initiators known to those skilled in the art of polymerization. The radical initiator is activated by redox, photoinitiator, thermal initiator or other methods known to those skilled in the art of polymerization, thereby binding at least a portion of the polymer to the insulating layer.

独立した実施形態では、第1電極は複合電極であり、化学剤で誘電体膜を処理するステップは、誘電体膜の膜材料にラジカル活性剤を含ませるステップと、絶縁層に誘電体膜を付与した後に、ラジカル活性剤を活性化させるステップとを含む。   In an independent embodiment, the first electrode is a composite electrode, and the step of treating the dielectric film with the chemical agent includes the step of including a radical activator in the film material of the dielectric film, and the dielectric film on the insulating layer. Activating the radical activator after the application.

独立した実施形態では、第1電極は複合電極であり、化学剤で誘電体膜を処理するステップは、誘導化剤で高分子を誘導化して、複合電極である第1電極の絶縁層に架橋可能な官能基を生成するステップと、その後、ラジカル開始剤、紫外線、熱活性化又はそれらの組み合わせを用いて、絶縁層に官能基を架橋するステップとを含み、これにより、立体拘束型の誘電体膜が生成される。例示的な誘導化剤は、無水物、カルボジイミド、イミドエステル及び試薬を含み、当該試薬は、N−ヒドロキシマレイミド、アリールアジド又はジアジリン基の組み合わせを含むものである。ある実施形態では、誘導体化剤は、無水物であり、当該無水物は、例えば、無水マレイン酸、無水イタコン酸、シス−4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、又は、シス−5−ノルボルネン−エンド−2,3−ジカルボン酸無水物である。   In an independent embodiment, the first electrode is a composite electrode, and the step of treating the dielectric film with a chemical agent derivatizes the polymer with a derivatizing agent and crosslinks the insulating layer of the first electrode that is the composite electrode. Generating a possible functional group and then crosslinking the functional group to the insulating layer using a radical initiator, ultraviolet light, thermal activation or a combination thereof, thereby providing a sterically constrained dielectric. A body membrane is produced. Exemplary derivatizing agents include anhydrides, carbodiimides, imide esters and reagents that include a combination of N-hydroxymaleimide, aryl azide or diazirine groups. In certain embodiments, the derivatizing agent is an anhydride that is, for example, maleic anhydride, itaconic anhydride, cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride, or cis-5. -Norbornene-endo-2,3-dicarboxylic anhydride.

独立した実施形態では、第1電極は複合電極であり、化学剤で誘電体膜を処理するステップは、絶縁層に誘電体膜を付与する前に、絶縁層の表面にプラズマを加えるステップを含む。プラズマは、高電圧「スパークプラズマ」に酸素とともにキャリアガス(例えば、窒素又はアルゴン)を通すことによって生成される。スパークにわたる電圧ドロップは、250kHZで、約100V〜1000Vである。或いは、高周波プラズマが、同様のガス混合物を使用してより低い電圧(例えば、13.6MHz及び<100V)で、生成され得る。プラズマは、p−キシレンを酸化するのに十分な長さ(例えば、2〜3ミリ秒間)持続する単原子酸素を生成する。誘電体膜の高分子は、プラズマと反応し、これにより、高分子の少なくとも一部が絶縁層に結合し、立体拘束型の誘電体膜が形成される。   In an independent embodiment, the first electrode is a composite electrode and the step of treating the dielectric film with the chemical agent includes applying a plasma to the surface of the insulating layer prior to applying the dielectric film to the insulating layer. . The plasma is generated by passing a carrier gas (eg, nitrogen or argon) with oxygen through a high voltage “spark plasma”. The voltage drop across the spark is about 100V to 1000V at 250kHZ. Alternatively, a radio frequency plasma can be generated at a lower voltage (eg, 13.6 MHz and <100 V) using a similar gas mixture. The plasma produces monoatomic oxygen that lasts long enough to oxidize p-xylene (eg, 2-3 milliseconds). The polymer of the dielectric film reacts with the plasma, whereby at least a part of the polymer is bonded to the insulating layer, and a steric constraint type dielectric film is formed.

化学剤で誘電体膜を処理する上述の実施形態の一以上が、組み合わされてもよい。例えば、高分子が、誘導体化剤で誘導化されてもよく、架橋剤が、誘電体膜に含まれてもよく、ラジカル開始剤が、誘電体膜に含まれてもよく、又は、誘電体膜を付与する前に絶縁層に付与されてもよく、さらにその後に活性化されてもよい。   One or more of the above-described embodiments of treating the dielectric film with a chemical agent may be combined. For example, the polymer may be derivatized with a derivatizing agent, the cross-linking agent may be included in the dielectric film, the radical initiator may be included in the dielectric film, or the dielectric It may be applied to the insulating layer before applying the film, and may be activated after that.

[D.代替組み立て品の製造方法]
一実施形態では、図4に示すエネルギー貯蔵装置の製造方法は、金属化表面を有するポリマーの第1シート又はロールを提供するステップ(i)であって、第1シート又はロールは、金属化表面に本明細書で開示されるような絶縁層を備える。ここで、絶縁層は、金属化表面の端部が露出するように、金属化表面を完全にコーティングしないステップ(i)と;絶縁層に、本明細書で開示されるような誘電体膜を付与するステップ(ii)と;金属化ポリマーの第2シート又はロールを、誘電体膜に接触させるステップ(iii)であって、第2シート又はロールは、金属化表面を有し、金属化表面に絶縁層を備え、絶縁層は、金属化表面の端部が露出するように、金属化表面を完全にコーティングせず、絶縁層は絶縁体膜に接触し、第2シート又はロールのコーティングされない端部が第1シート又はロールのコーティングされない端部に近接するように、第2シート又はロールは配向され、複合多層表面が形成されるステップ(iii)と;複合多層表面をロール状に巻回するか、又は、複合多層表面の一部を切断及び積層して、積層構造を形成するステップ(iv)と;第1シート又はロール及び第2シート又はロールのコーティングされない端部を、導電性のキャップ又は電気接続部を有する非導電性のホルダ内に収容される導電性のポリマーに結合させるステップ(v)と;複合多層表面を、正電極及び負電極に電気的に接続させるステップ(vi)と;多層複合に電場を印加するステップ(vii)であって、電場は、誘電体膜の高分子の少なくとも一部が、第1シート若しくはロールの絶縁層、第2シート若しくはロールの絶縁層又はその両方に、結合するのに有効な時間にわたり印加されるステップ(vii)とを含む。
[D. Alternative assembly manufacturing method]
In one embodiment, the method of manufacturing an energy storage device shown in FIG. 4 provides step (i) of providing a first sheet or roll of polymer having a metallized surface, wherein the first sheet or roll is a metallized surface. Comprising an insulating layer as disclosed herein. Wherein the insulating layer does not completely coat the metallized surface such that the edges of the metallized surface are exposed; and the dielectric layer as disclosed herein is applied to the insulating layer; Applying (ii); bringing a second sheet or roll of metallized polymer into contact with the dielectric film (iii), wherein the second sheet or roll has a metallized surface; And the insulating layer does not completely coat the metallized surface so that the edges of the metallized surface are exposed, the insulating layer contacts the insulator film, and the second sheet or roll is not coated. The second sheet or roll is oriented and a composite multilayer surface is formed such that the end is in close proximity to the uncoated end of the first sheet or roll; and (iii) winding the composite multilayer surface into a roll Or Or cutting and laminating a portion of the composite multi-layer surface to form a laminate structure; and the uncoated ends of the first sheet or roll and the second sheet or roll are electrically conductive caps or electrical Bonding to a conductive polymer housed in a non-conductive holder having a connection; electrically connecting the composite multilayer surface to the positive and negative electrodes (vi); Applying an electric field to the composite (vii), wherein at least a portion of the dielectric film polymer is applied to the insulating layer of the first sheet or roll, the insulating layer of the second sheet or roll, or both Applied for a time effective to bind (vii).

独立した実施形態では、図5及び図6に示すエネルギー貯蔵装置の製造方法は、本明細書に開示されるような絶縁層を備える上面を有する第1電極を、収納装置に設けるステップ(i)と、第1電極の絶縁層上に、穿孔非導電性セパレータシートを配置するステップ(ii)と、第2電極の絶縁層がセパレータに接触するように、セパレータシート上に、本明細書に開示されるような絶縁層を備える下面を有する第2電極を配置するステップ(iii)と、穿孔セパレートシート内のスペースを充填するように、かつ第1電極及び第2電極に接触するように、本明細書に開示されるような誘電体材料を加えるステップ(iv)と、高分子の少なくとも一部が第1電極の絶縁層に結合するのに有効な時間にわたり、第1電極、誘電体材料及び第2電極にわたって電場を印加することによって、高分子の少なくとも一部を第1電極の絶縁層に結合させるステップ(v)とを含む。   In an independent embodiment, the method of manufacturing the energy storage device shown in FIGS. 5 and 6 includes the step (i) of providing a storage device with a first electrode having a top surface with an insulating layer as disclosed herein. Disposing a perforated non-conductive separator sheet on the insulating layer of the first electrode; and (ii) on the separator sheet such that the insulating layer of the second electrode contacts the separator. Placing a second electrode having a lower surface with an insulating layer as described above (iii) and filling the space in the perforated separate sheet and contacting the first electrode and the second electrode Adding a dielectric material as disclosed herein (iv) and for a time effective for at least a portion of the polymer to bond to the insulating layer of the first electrode, the first electrode, the dielectric material, and First By applying an electric field across the electrodes, and a step (v) to be bonded to the insulating layer of the first electrode at least part of the polymer.

[IV.実施例]
<実施例1>
誘電体膜の調製
材料:
タンパク質/ポリマー/アミノ酸:ゼイン(Sigma-Aldrich CAS # 9010-66-6)、ヘンプタンパク質(Manitoba Harvest Hemp Foods, Winnipeg, Manitoba, Canada, Hemp Pro 70)、バイタル小麦グルテン(John & Jennie’s Gourmet Kitchen Center, Salt Lake City, UT, jandjkitchen.com)、ポリ(アクリル酸−co−マレイン酸)(Sigma-Aldrich CAS # 52255-49-9)、ポリ(アクリル酸)(Sigma-Aldrich CAS # 9003-01-4)、ホエイプロテイン単離物(Purebulk.com Lot # 20131025-07-1000g)、大豆タンパク質分離物(Honeyville Food Products, Honeyville, UT Item # 30-066-904)、ガンマアミノ酪酸(GABA)(Purebulk.com Lot # 20130722-01)、エンドウ豆タンパク質抽出物85%(Purebulk.com Lot # 20140226-06-1000g)、L−リシンHCL(Purebulk.com Lot#20131125-01-1000g)、L−セリン(Purebulk.com Lot#20130606-04)、L−グルタミン(Purebulk.com Lot#20130912)、L−トリプトファン(Purebulk.com Lot#20131015-04-100g)、L−チロシン(Purebulk.com Lot#20131016-08-1000g)、アスパラギン酸(Purebulk.com Lot#20130122-06)。
無水物:無水マレイン酸(Sigma-Aldrich CAS#108-31-6)、無水イタコン酸(Alfa Aesar CAS#2170-03-8)、シス−4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物(Alfa Aesar CAS#935-795)、シス−5−ノルボルネン−エンド−2,3−ジカルボン酸無水物(Alfa Aesar CAS#129-64-6)。
塩:炭酸グアニジン(Sigma-Aldrich CAS#593-85-1)、炭酸セシウム(Alfa Aesar CAS#534-17-8)、炭酸ストロンチウム(Sigma-Aldrich CAS#1633-05-2)、炭酸ルビジウム(Alfa Aesar CAS#584-09-8)。
溶媒:エタノール、エチレングリコール(Sigma-Aldrich CAS#107-21-1)。
[IV. Example]
<Example 1>
Preparation of dielectric film Material:
Protein / polymer / amino acid: Zein (Sigma-Aldrich CAS # 9010-66-6), hemp protein (Manitoba Harvest Hemp Foods, Winnipeg, Manitoba, Canada, Hemp Pro 70), vital wheat gluten (John &Jennie's Gourmet Kitchen Center, Salt Lake City, UT, jandjkitchen.com), poly (acrylic acid-co-maleic acid) (Sigma-Aldrich CAS # 52255-49-9), poly (acrylic acid) (Sigma-Aldrich CAS # 9003-01-4 ), Whey protein isolate (Purebulk.com Lot # 20131025-07-1000 g), soy protein isolate (Honeyville Food Products, Honeyville, UT Item # 30-066-904), gamma aminobutyric acid (GABA) (Purebulk. com Lot # 20130722-01), pea protein extract 85% (Purebulk.com Lot # 20140226-06-1000g), L-lysine HCL (Purebulk.com Lot # 20131125-01-1000g), L-serine (Purebulk .com Lot # 20130606-04), L-glutamine (Purebulk.com Lot # 20130912), L-trypto § emissions (Purebulk.com Lot # 20131015-04-100g), L- tyrosine (Purebulk.com Lot # 20131016-08-1000g), aspartic acid (Purebulk.com Lot # 20130122-06).
Anhydrides: maleic anhydride (Sigma-Aldrich CAS # 108-31-6), itaconic anhydride (Alfa Aesar CAS # 2170-03-8), cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride (Alfa Aesar CAS # 935-795), cis-5-norbornene-endo-2,3-dicarboxylic anhydride (Alfa Aesar CAS # 129-64-6).
Salts: guanidine carbonate (Sigma-Aldrich CAS # 593-85-1), cesium carbonate (Alfa Aesar CAS # 534-17-8), strontium carbonate (Sigma-Aldrich CAS # 1633-05-2), rubidium carbonate (Alfa Aesar CAS # 584-09-8).
Solvent: ethanol, ethylene glycol (Sigma-Aldrich CAS # 107-21-1).

例示的な誘電体の調製手順:50mL三角フラスコの中で、1gのセイン及び1.14gの無水イタコン酸を、アルゴン雰囲気下で、15分間攪拌しながら65℃に加熱することにより、10mLの無水エタノールに溶解した。完全な溶解が起こり、反応温度が65℃に達したら、ジクミルパーオキサイド0.035gを一度に加え、混合物をアルゴン下で1時間撹拌し続けた。ホットプレートの電源を切り、混合物を室温に冷却した。冷却後、混合物のpHをユニバーサル指示薬pH紙(pH〜3)で試験し、pHが約7になるまで、1グラムの炭酸グアニジンを少しずつ加えた。炭酸グアニジンを添加する際は、二酸化炭素の生成反応に起因する過度の沸騰(及び泡立ち)の回避を確実にするように、注意が払われた。多少のグアニジンカーボネートが、タンパク質/無水物の反応完了の程度に応じて中和を達成するために使用され得るが、典型的には、添加される無水物の1モル当量を大きく超えない。誘電体の最終pHは5〜10であってもよい。   Exemplary Dielectric Preparation Procedure: In a 50 mL Erlenmeyer flask, 1 g of cein and 1.14 g of itaconic anhydride are heated to 65 ° C. with stirring for 15 minutes under argon atmosphere to 10 mL of anhydrous Dissolved in ethanol. When complete dissolution occurred and the reaction temperature reached 65 ° C., 0.035 g of dicumyl peroxide was added in one portion and the mixture continued to stir for 1 hour under argon. The hot plate was turned off and the mixture was cooled to room temperature. After cooling, the pH of the mixture was tested with universal indicator pH paper (pH˜3) and 1 gram of guanidine carbonate was added in small portions until the pH was about 7. Care was taken when adding guanidine carbonate to ensure that excessive boiling (and bubbling) due to the carbon dioxide formation reaction was avoided. Some guanidine carbonate can be used to achieve neutralization depending on the degree of protein / anhydride reaction completion, but typically does not significantly exceed one molar equivalent of the added anhydride. The final pH of the dielectric may be 5-10.

注意:a)タンパク質には、グアニジン炭酸塩と反応できる固有の官能基がさらに含まれている。そのため、潜在的に1当量以上が必要である。b)使用した無水物の量は、ゼイン対無水マレイン酸(分子量98.06g/モル)の1:1重量/重量比に基づいて決定した。無水マレイン酸の分子量に基づいて、等モル当量の置換無水物(イタコン酸)を計算した。   Note: a) The protein further contains a unique functional group that can react with guanidine carbonate. Therefore, potentially 1 equivalent or more is necessary. b) The amount of anhydride used was determined based on a 1: 1 weight / weight ratio of zein to maleic anhydride (molecular weight 98.06 g / mol). Based on the molecular weight of maleic anhydride, an equimolar equivalent of substituted anhydride (itaconic acid) was calculated.

<実施例2>
重合p−キシリレンコーティングの調製
コモノマーを有するPuralene(登録商標)ポリマー(重合p−キシリレン)およびコモノマーを有さないPuralene(登録商標)ポリマーを含むコーティングを、いくつかのルートで調製した。
<Example 2>
Preparation of Polymerized p-Xylylene Coating A coating comprising Puralene® polymer with a comonomer (polymerized p-xylylene) and Puralene® polymer without a comonomer was prepared by several routes.

材料:
開始剤:アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)(Sigma-Aldrich CAS#78-67-1)、1,1’−アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)(ACHN)(Sigma-Aldrich CAS#2094-98-6)、ジクミルペルオキシド(Sigma-Aldrich CAS番号80-43-3)、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン(Sigma-Aldrich CAS#7473-98-5)、カンファーキノン(Sigma-Aldrich CAS#10373-78-1)、フェナントレンキノン(Sigma-Aldrich CAS# 84-11-7)。
material:
Initiators: Azobisisobutyronitrile (AIBN) (Sigma-Aldrich CAS # 78-67-1), 1,1'-azobis (cyclohexanecarbonitrile) (ACHN) (Sigma-Aldrich CAS # 2094-98-6 ), Dicumyl peroxide (Sigma-Aldrich CAS No. 80-43-3), 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (Sigma-Aldrich CAS # 7473-98-5), camphorquinone (Sigma-Aldrich CAS # 10373) -78-1), phenanthrenequinone (Sigma-Aldrich CAS # 84-11-7).

開始源:反応器の出口に取り付けた加熱蒸発器ブロックからの熱(>65℃)、254nm光(Philips TUV 15W G15t8 UV-Cロングライフ)、354nm光(Sylvania 350 Blacklight F15T8 / 350BL)。   Starting source: heat from a heated evaporator block attached to the outlet of the reactor (> 65 ° C.), 254 nm light (Philips TUV 15W G15t8 UV-C long life), 354 nm light (Sylvania 350 Blacklight F15T8 / 350BL).

コモノマー:3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート(Sigma-Aldrich CAS#2530-85-0)、酢酸ビニル(Alfa Aesar CAS#108-05-4)、2−カルボキシエチルアクリレート(Sigma-Aldrich CAS#24615- 847)、(+)−α−ピネン(Alfa Aesar CAS#7785-70-8)、(−)−α−ピネン(Alfa Aesar CAS#7785-26-4)、R−(−)−カルボン(Alfa Aesar CAS#6485-40-1)、リナロール(Alfa Aesar CAS#78-70-6)、シクロヘキセン(Alfa Aesar CAS#110-83-8)、ジペンテン(Alfa Aesar CAS#138-86-3)、α−テルピネン(Alfa Aesar CAS#99-86-5)、R−(+)−リモネン(Alfa Aesar CAS#5989-27-5)。   Comonomers: 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate (Sigma-Aldrich CAS # 2530-85-0), vinyl acetate (Alfa Aesar CAS # 108-05-4), 2-carboxyethyl acrylate (Sigma-Aldrich CAS # 24615) -847), (+)-α-pinene (Alfa Aesar CAS # 7785-70-8), (−)-α-pinene (Alfa Aesar CAS # 7785-26-4), R-(−)-carvone ( Alfa Aesar CAS # 6485-40-1), Linalool (Alfa Aesar CAS # 78-70-6), Cyclohexene (Alfa Aesar CAS # 110-83-8), Dipentene (Alfa Aesar CAS # 138-86-3), α-terpinene (Alfa Aesar CAS # 99-86-5), R-(+)-limonene (Alfa Aesar CAS # 5989-27-5).

化学開始剤を用いたPuralene(商標)ポリマー製造(ルートA):このルートは、米国特許第8,633,289号に記載された反応器を改変することなく利用した。11/2”角のFR4ガラス充填エポキシ基板によって支持された酸化物を含まない丸い銅1/2”基板に、熱開始剤の5%溶液を塗布した。この溶液は、0.05gの固体開始剤(AIBN、ACHN又はジクミルペルオキシド)を10mLの無水エタノールに溶解し、完全/ほぼ完全に溶解するまで超音波処理することによって調製した。溶解させた時点で、開始剤溶液20μLを金属表面に塗布し、溶媒を周囲の雰囲気下で蒸発させた。このプロセスは、金属表面上に微粒子の開始剤固体の薄い層を残した。これらの基板は、ロボットアームに取り付けられた冷却アルミニウムブロック(約13℃)に取り付けられた。次いで、基材をp−キシリレンモノマーで少なくとも3回、最大で10回コーティングした。コーティング間で、基材を2分間冷却ブロック上に置いて化学反応を促進させた。これにより、300nm〜1000nmの範囲の厚さを有する重合p−キシリレンのコンフォーマルなコーティングが生成された。 Puralene ™ polymer production using chemical initiator (Route A): This route was utilized without modification to the reactor described in US Pat. No. 8,633,289. A 5% solution of thermal initiator was applied to an oxide free round copper 1/2 " substrate supported by a 1 1/2" square FR4 glass filled epoxy substrate. This solution was prepared by dissolving 0.05 g of solid initiator (AIBN, ACHN or dicumyl peroxide) in 10 mL of absolute ethanol and sonicating until complete / almost complete dissolution. Once dissolved, 20 μL of initiator solution was applied to the metal surface and the solvent was evaporated under ambient atmosphere. This process left a thin layer of particulate initiator solid on the metal surface. These substrates were attached to a cooled aluminum block (about 13 ° C.) attached to the robot arm. The substrate was then coated with p-xylylene monomer at least 3 times and up to 10 times. Between coatings, the substrate was placed on a cooling block for 2 minutes to promote the chemical reaction. This produced a conformal coating of polymerized p-xylylene having a thickness in the range of 300 nm to 1000 nm.

化学開始剤を用いたプラーレン(Puralene)(登録商標)ポリマー製造(ルートB):このルートは、米国特許第8,633,289号に記載された反応器を改変することなく利用した。先に記載した酸化物を含まない銅基板の表面に、UV活性開始剤の5%溶液を塗布した。この溶液は、0.05gの固体開始剤(カンファーキノン又はフェナントレンキノン)を10mLの無水エタノールに溶解し、完全/ほぼ完全に溶解するまで超音波処理することによって調製した。溶解させて時点で、開始剤溶液20μLを金属表面に塗布し、溶媒を周囲の雰囲気下で蒸発させた。このプロセスは、金属表面上に微粒子の開始剤固体の薄い層を残した。次に、これらの基材を、ロボットアームに取り付けられた冷却アルミニウムブロック(約13℃)に取り付けた。次いで、基板をp−キシリレンで少なくとも3回、最大10回、均一にコーティングした。コーティング間で、基材を、同一ハウジング内に並べて配置した2つのランプを用いて、2分間、254/350nmのUV光に露光した。照射後、さらに2分間、基板を冷却ブロック上に置いて化学反応を促進させた。これにより、300nm〜1000nmの範囲の厚さを有する重合p−キシリレンのコンフォーマルなコーティングが生成された。   Puralene® polymer production with chemical initiator (Route B): This route was utilized without modification to the reactor described in US Pat. No. 8,633,289. A 5% solution of the UV active initiator was applied to the surface of the copper substrate not containing the oxide described above. This solution was prepared by dissolving 0.05 g of solid initiator (camphorquinone or phenanthrenequinone) in 10 mL of absolute ethanol and sonicating until complete / almost complete dissolution. Once dissolved, 20 μL of initiator solution was applied to the metal surface and the solvent was evaporated under ambient atmosphere. This process left a thin layer of particulate initiator solid on the metal surface. These substrates were then attached to a cooled aluminum block (about 13 ° C.) attached to the robot arm. The substrate was then uniformly coated with p-xylylene at least 3 times and up to 10 times. Between coatings, the substrate was exposed to 254/350 nm UV light for 2 minutes using two lamps placed side by side in the same housing. After irradiation, the substrate was placed on a cooling block for an additional 2 minutes to promote the chemical reaction. This produced a conformal coating of polymerized p-xylylene having a thickness in the range of 300 nm to 1000 nm.

化学開始剤を用いたPuralene(登録商標)ポリマー製造(ルートC):このルートは、米国特許第8,633,289号に記載されている反応器を以下の変更を用いて利用した:インコネル反応管の上部に窒素(キャリアガス)及び2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン(UV活性開始剤、未希釈)を供給した加熱ステンレス鋼蒸発器ブロックを取り付けた。次いで、上記の酸化物を含まない銅基板を、ロボットアームに取り付けられた冷却アルミニウムブロック(約13℃)に取り付けた。次いで、基板をp−キシリレンで少なくとも3回、最大10回、均一にコーティングした。コーティング間で、基材を、同一ハウジング内に並べて配置した2つのランプを用いて、2分間、254/350nmのUV光に露光した。照射後、さらに2分間、基板を冷却ブロック上に置いて化学反応を促進させた。これにより、300nm〜1000nmの範囲の厚さの重合ポリキシレンのコンフォーマルコーティングが生成された。   Puralene® polymer production with chemical initiator (Route C): This route utilized the reactor described in US Pat. No. 8,633,289 with the following modifications: Inconel reaction A heated stainless steel evaporator block supplied with nitrogen (carrier gas) and 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (UV active initiator, undiluted) was attached to the top of the tube. Next, the copper substrate not containing the oxide was attached to a cooled aluminum block (about 13 ° C.) attached to the robot arm. The substrate was then uniformly coated with p-xylylene at least 3 times and up to 10 times. Between coatings, the substrate was exposed to 254/350 nm UV light for 2 minutes using two lamps placed side by side in the same housing. After irradiation, the substrate was placed on a cooling block for an additional 2 minutes to promote the chemical reaction. This produced a conformal coating of polymerized polyxylene with a thickness in the range of 300 nm to 1000 nm.

Puralene(登録商標)コポリマー製造(ルートA):先に記載した酸化物を含まない銅電極の表面に、5%の(上述の)開始剤溶液5μL又は純粋な2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン5μL及び上記のコモノマーの1つを塗布した。基材をわずかに乾燥させて、基材を垂直に取り付けたときに液体材料が表面から垂れ落ちないようにした。次いで、調製した基材を、上記のPuralene(登録商標)ポリマー調製のルートA〜C(開始剤に依拠)に記載の方法を用いてコーティングした。これにより、エネルギー分散型X線分光法を用いて分析することができる様々な厚さのコポリマーフィルムが生成された。   Puralene® copolymer production (Route A): 5 μL of 5% initiator solution (as described above) or pure 2-hydroxy-2-methylpropio on the surface of the copper electrode without the oxide described above 5 μL of phenone and one of the above comonomers were applied. The substrate was allowed to dry slightly to prevent the liquid material from dripping from the surface when the substrate was mounted vertically. The prepared substrate was then coated using the method described in Routes A to C (depending on initiator) for Puralene® polymer preparation above. This produced copolymer films of various thicknesses that could be analyzed using energy dispersive X-ray spectroscopy.

Puralene(登録商標)コポリマー製造(ルートB):先に記載した酸化物を含まない銅電極の表面に、5%(上述の)開始剤溶液20μL又は純粋な2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン20μLを塗布した。キャリア溶媒が蒸発した後、基材を取り付けた。コーティング前に、エアブラシを用いて基材表面に液体コモノマーを塗布した。次に、化学開始剤を用いたPuralene(登録商標)ポリマー製造(ルートA)に記載されているコーティング技術を用いた。   Puralene® copolymer production (Route B): 20 μL of 5% (as described above) initiator solution or pure 2-hydroxy-2-methylpropiophenone on the surface of the previously described oxide-free copper electrode 20 μL was applied. After the carrier solvent evaporated, the substrate was attached. Prior to coating, a liquid comonomer was applied to the substrate surface using an air brush. Next, the coating technique described in Puralene® polymer production (Route A) using a chemical initiator was used.

Puralene(登録商標)コポリマー製造(ルートC):このルートは、米国特許第8,633,289号に記載されている反応器を以下の変更を用いて利用した:インコネル反応管の上部に、窒素(キャリアガス)及び(希釈されていない)液体コモノマーを供給した加熱ステンレス鋼蒸発器ブロックを取り付けた。先に記載した酸化物を含まない銅電極の表面に、5%(上述の)開始剤溶液20μL又は純粋な2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン20μLを塗布した。キャリア溶媒が蒸発した後、基板を冷却ブロックに取り付けた。このプロセスでは、コモノマーを蒸発器ブロック内で気化させ、モノマー特有の沸点温度で加熱し、蒸発したモノマーを主p−キシリレン流に添加して、モノマーとキシリレンの両方を同時に基板表面に塗布した。次いで、調製した基材を、上記Puralene(登録商標)ポリマー製造(ルートA−C)(開始剤に依拠)に記載の方法を用いてコーティングした。   Puralene® copolymer production (Route C): This route utilized the reactor described in US Pat. No. 8,633,289 with the following modifications: Nitrogen at the top of the Inconel reaction tube A heated stainless steel evaporator block fed with (carrier gas) and (undiluted) liquid comonomer was attached. 20 μL of 5% (as described above) initiator solution or 20 μL of pure 2-hydroxy-2-methylpropiophenone was applied to the surface of the copper electrode without the oxide described above. After the carrier solvent evaporated, the substrate was attached to a cooling block. In this process, the comonomer was vaporized in the evaporator block, heated at the monomer's characteristic boiling temperature, the evaporated monomer was added to the main p-xylylene stream, and both the monomer and xylylene were applied to the substrate surface simultaneously. The prepared substrate was then coated using the method described in the above-mentioned Puralene® polymer manufacture (Route AC) (based on initiator).

Puralene(登録商標)コポリマー製造(ルートD):このルートは、米国特許第8,633,289号に記載されている反応器を以下の変更を用いて利用した:インコネル反応管の上部に、窒素(キャリアガス)及び(希釈されていない)液体コモノマーを供給した加熱ステンレス鋼蒸発器ブロックを取り付けた。窒素及び液体開始剤(2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン)を送出するために、第2蒸発器ブロックをその上部に配置した。このプロセスでは、コモノマーと開始剤の両方を気化させ、p-キシリレン流に入れ、3つの材料全てが同時に基板に接触するようにした。酸化物を含まない銅基板を冷却ブロック上に載せ、化学開始剤を用いた蒸気Puralene(登録商標)ポリマー製造(ルートC)に記載の方法を用いてコーティングした。   Puralene® Copolymer Production (Route D): This route utilized the reactor described in US Pat. No. 8,633,289 with the following modifications: Nitrogen at the top of the Inconel reaction tube A heated stainless steel evaporator block fed with (carrier gas) and (undiluted) liquid comonomer was attached. A second evaporator block was placed on top to deliver nitrogen and liquid initiator (2-hydroxy-2-methylpropiophenone). In this process, both the comonomer and initiator were vaporized and placed in a p-xylylene stream so that all three materials were in contact with the substrate simultaneously. An oxide-free copper substrate was placed on the cooling block and coated using the method described in Vapor Puralene® Polymer Production (Route C) with a chemical initiator.

<実施例3>
エネルギー貯蔵装置の製造
金属化ポリマーのシート又はロール、例えばパターン化アルミニウム化ポリエチレンテレフタレート(PET)(Mylar(登録商標)ポリエステル膜)は、米国特許出願公開第2014/0139974号明細書に記載されるようなPuralene(商標)ポリマーを備える含むコーティング等の絶縁層によって、コーティングされる。ある実施形態では、金属化ポリマーのシート又はロールは、約6μmの厚さ及び約50mmの幅を有する。非導電性コーティングが、金属化表面に塗布されるが、表面を完全にコーティングすることはできない。約6mmのベア導電性表面が1つの端部に露出したままとなる。その後、コーティングされた金属化材料は、米国特許出願公開第2013/0224397号明細書等に記載されている誘電体材料のスプレーによって、非導電性ポリマー表面上にコーティングされる。60℃で10分間乾燥させた後、約100μmの厚さを有する誘電体層を設けるのに十分な誘電体材料を堆積させる。第1基板と同様の方法で、非導電性ポリマーでコーティングされた金属化ポリマーのシート又はロールは、コーティングされていない端部が第1基板のコーティングされていない端部に対向し、2つのアルミメッキされた表面が互いに向き合うように反転される。第2基板のポリマーコーティング側は、第1基板の誘電コーティング側と接触する。その後、複合多層表面をロール状に巻回するか(その後に平坦化してもよい)、又は、プレートとして積層して、より大きなエネルギー貯蔵量を有するより大きな装置を得る。ロール又は積層体のコーティングされていない電極端部への電気接続部は、導電性の電極端部を導電性ポリマーブレンド(当業者に公知の導電性エポキシ等)に接合することで設けられる。導電性ポリマーは、機械的に実質的な導電性キャップに収容されるか、又は、他の非導電性ホルダ内に収容される。当該他の非導電性ホルダは、ワイヤ等の電気接続部及び/又は圧縮電気接続部を可能にするのに十分な機械的強度を有するものである。任意のスリーブを装置全体に配置して、薄膜及び装置自体を、意図した使用の際に、機械的及び電気的に保護することができる。
<Example 3>
Fabrication of energy storage devices Sheets or rolls of metallized polymers, such as patterned aluminized polyethylene terephthalate (PET) (Mylar® polyester membrane), as described in US Patent Application Publication No. 2014/0139974. Coated with an insulating layer, such as a coating comprising a Puralene ™ polymer. In some embodiments, the sheet or roll of metallized polymer has a thickness of about 6 μm and a width of about 50 mm. A non-conductive coating is applied to the metallized surface but cannot completely coat the surface. An approximately 6 mm bare conductive surface remains exposed at one end. Thereafter, the coated metallized material is coated onto the non-conductive polymer surface by spraying a dielectric material as described, for example, in US 2013/0224397. After drying at 60 ° C. for 10 minutes, enough dielectric material is deposited to provide a dielectric layer having a thickness of about 100 μm. In the same manner as the first substrate, the sheet or roll of metallized polymer coated with a non-conductive polymer has an uncoated end opposite the uncoated end of the first substrate and two aluminum The plated surfaces are inverted so that they face each other. The polymer coating side of the second substrate is in contact with the dielectric coating side of the first substrate. The composite multilayer surface is then rolled into a roll (which may then be flattened) or laminated as a plate to obtain a larger device with greater energy storage. Electrical connections to the uncoated electrode ends of the roll or laminate are provided by joining the conductive electrode ends to a conductive polymer blend (such as a conductive epoxy known to those skilled in the art). The conductive polymer is housed mechanically in a substantially conductive cap or in another non-conductive holder. Such other non-conductive holders have sufficient mechanical strength to allow electrical connections such as wires and / or compression electrical connections. An optional sleeve can be placed throughout the device to protect the membrane and the device itself mechanically and electrically during the intended use.

エネルギー貯蔵装置は、DC電圧供給源に接続される。当該装置には、0.001〜100mA/cmの電流が供給される。誘電体膜の厚さ1ミクロン当たり0.001Vより大きい電界強度で、誘電体膜の高分子少なくとも一部を非導電性コーティングに結合させるのに有効な時間、電流を流すことが可能である。ある実施形態では、電界強度は、0.01V/μmより大きく、例えば0.05〜1V/μm又は0.1〜1V/μmである。有効な時間は、数秒から数分であってよい。ある実施形態では、電圧は0.1〜1V/μmであり、有効な時間は5分〜30分である。装置によって吸収されるエネルギーの計算は、エネルギー貯蔵装置を製造する当業者に公知の方法によって決定される。吸収されたエネルギーの放電は、抵抗を介して接地への放電の差電圧の積分によって決定される。 The energy storage device is connected to a DC voltage source. The apparatus is supplied with a current of 0.001 to 100 mA / cm 2 . With an electric field strength greater than 0.001 V per micron thickness of the dielectric film, it is possible to pass an electric current for a time effective to bond at least a portion of the dielectric film polymer to the non-conductive coating. In some embodiments, the electric field strength is greater than 0.01 V / μm, such as 0.05 to 1 V / μm or 0.1 to 1 V / μm. The effective time may be from a few seconds to a few minutes. In some embodiments, the voltage is 0.1-1 V / μm and the effective time is 5-30 minutes. The calculation of the energy absorbed by the device is determined by methods known to those skilled in the art of manufacturing energy storage devices. The discharge of absorbed energy is determined by the integration of the differential voltage of the discharge to ground through a resistor.

実施例では、装置の分解及び顕微鏡検査により、誘電体材料が、非導電性ポリマーコーティング電極表面に強く、かつ機械的に結合されていることが明らかになった。   In the examples, disassembly and microscopic examination of the device revealed that the dielectric material was strongly and mechanically bonded to the non-conductive polymer coated electrode surface.

<実施例4>
ラジカル開始剤及び架橋剤によるコポリマー層の調製
図1から図6の何れか1つに示されるエネルギー貯蔵装置では、除去可能なキャリア膜として機能する導電性電極又は非導電性シート(例えば、ポリテトラフルオロエチレンシート)上に、モノマー分子(好ましくはp−キシリレンモノマー)が堆積される。コモノマー分子は、任意の分子であってよく、当該任意の分子は、重合体化、二量体化、又は、導電性又は絶縁性であり得る伸長構造を形成する能力を有してよい。さらに、加えられるコモノマー種は、架橋剤として役立ち得る幾つかの反応性官能基を有する構造を有してもよい。或いは、上述の架橋剤が、又は、重合若しくは膜形成の当業者に公知の架橋剤が、堆積モノマーとともに加えられてもよい。上述のラジカル開始剤が、又は、重合若しくは膜形成の当業者に公知のラジカル開始剤が、堆積モノマーとともに又は別個の堆積工程で、加えられる。膜は、気相蒸着、液体スプレー、スクリーニング又は膜形成の当業者に公知の他の方法によって堆積されてもよい。ラジカル開始剤の活性化は、酸化還元、光開始剤、熱開始剤又は膜形成の当業者に公知の他の方法によって実行される。ポリマー膜を作製する例示的な方法は、米国特許第8,633,289号に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。膜の機械的特性及び電気的特性を改変するために、例えば膜をより粘稠又は固くするために、形成中に、電界、磁界又はその両方が、ポリマー膜に印加されてもよい。
<Example 4>
Preparation of Copolymer Layer with Radical Initiator and Crosslinking Agent In the energy storage device shown in any one of FIGS. 1-6, a conductive electrode or non-conductive sheet (eg, polytetra On the fluoroethylene sheet), monomer molecules (preferably p-xylylene monomer) are deposited. The comonomer molecule may be any molecule, and the any molecule may have the ability to polymerize, dimerize, or form an elongated structure that may be conductive or insulating. Furthermore, the added comonomer species may have a structure with several reactive functional groups that can serve as a crosslinker. Alternatively, the cross-linking agents described above or cross-linking agents known to those skilled in the art of polymerization or film formation may be added along with the deposition monomer. The radical initiators mentioned above or radical initiators known to those skilled in the art of polymerization or film formation are added together with the deposition monomers or in a separate deposition step. The film may be deposited by vapor deposition, liquid spray, screening or other methods known to those skilled in the art of film formation. Activation of the radical initiator is carried out by redox, photoinitiator, thermal initiator or other methods known to those skilled in the art of film formation. An exemplary method of making a polymer membrane is described in US Pat. No. 8,633,289, which is incorporated herein by reference. To modify the mechanical and electrical properties of the film, for example to make the film more viscous or hard, an electric field, a magnetic field, or both may be applied to the polymer film during formation.

次いで、誘電層は、上に形成された膜が装置用の完全な誘電体材料でない場合、別個の工程として堆積されてもよい。その後、先の実施例で説明したように対向電極が加えられ、上述のように装置が取り付けられる。   The dielectric layer may then be deposited as a separate step if the film formed thereon is not a complete dielectric material for the device. Thereafter, a counter electrode is added as described in the previous embodiment, and the device is attached as described above.

<実施例5>
ポリマーの結合
Puralene(登録商標)ポリマーの絶縁層を、「化学開始剤を用いたPuralene(登録商標)ポリマー製造(ルートC)」に記載の方法を用いて第1電極表面に塗布した。ゼインを備える誘電体膜を、絶縁層上に付与した。Puralene(登録商標)ポリマーの絶縁層を備える第2電極を、誘電体膜に接触させた。第1電極(正電極)上の絶縁層にゼインポリマーを結合させるために、20Vの電界を5分間、第1電極、誘電体膜及び第2電極に印加した。エネルギー貯蔵装置を分解し、タンパク質結合の程度及び強度を決定するために検査した。
<Example 5>
Polymer bonding
An insulating layer of Puralene® polymer was applied to the surface of the first electrode using the method described in “Puralene® Polymer Production Using a Chemical Initiator (Route C)”. A dielectric film comprising zein was applied on the insulating layer. A second electrode comprising an insulating layer of Puralene® polymer was brought into contact with the dielectric film. In order to bond the zein polymer to the insulating layer on the first electrode (positive electrode), an electric field of 20 V was applied to the first electrode, the dielectric film, and the second electrode for 5 minutes. The energy storage device was disassembled and examined to determine the extent and strength of protein binding.

図7及び図8は、分解後の、負電極及び正電極のそれぞれの光学顕微鏡写真である。図8から分かるように、正電極は、その表面に、コンフォーマルにコーティングされたタンパク質を含む。電極を流水で濯ぎ、再度検査した。図9及び図10は、濯いだ後の、負電極及び正電極のそれぞれの光学顕微鏡写真である。図10から分かるように、タンパク質は、正電極の表面に結合したままである。   7 and 8 are optical micrographs of the negative electrode and the positive electrode after decomposition. As can be seen from FIG. 8, the positive electrode includes a conformally coated protein on its surface. The electrode was rinsed with running water and examined again. 9 and 10 are optical micrographs of the negative electrode and the positive electrode, respectively, after rinsing. As can be seen from FIG. 10, the protein remains bound to the surface of the positive electrode.

図11及び図12は、負電極及び正電極のそれぞれの光学顕微鏡写真である。これらの写真は、表面の詳細をより明確に示すアングルで撮影された。図12は、タンパク質分子で実質的に完全にコーティングされた電極表面を示す。図13は、誘電体膜を手動でナイフによって削った後の濯がれた正極の光学写真である。より明るい領域(矢印で示す)は、結合されたタンパク質分子を除去するために擦られた領域であり、タンパク質層の下の電極表面を示す。この写真は、結合したタンパク質分子を電極表面から除去するためには、かなりの力が必要であることを示す。   11 and 12 are optical micrographs of the negative electrode and the positive electrode, respectively. These photographs were taken at an angle that more clearly shows the details of the surface. FIG. 12 shows an electrode surface that is substantially completely coated with protein molecules. FIG. 13 is an optical photograph of the rinsed positive electrode after the dielectric film is manually shaved with a knife. The brighter area (indicated by arrows) is the area rubbed to remove the bound protein molecules and shows the electrode surface under the protein layer. This photograph shows that considerable force is required to remove the bound protein molecules from the electrode surface.

開示の発明の原理が適用され得る多くの可能な実施形態の観点から、図示の実施形態は、本発明の好ましい実施例であり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことが認識されるべきである。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。従って、特許請求の範囲及びその要旨の範囲内にあるすべてを発明として主張する。   In view of the many possible embodiments to which the disclosed principles of the invention may be applied, the illustrated embodiments are preferred examples of the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention. Should be recognized. Rather, the scope of the present invention is defined by the appended claims. We therefore claim as our invention all that comes within the scope of the appended claims and their gist.

Claims (25)

膜材料を含む誘電体膜を、導電性の第1電極に付与するステップであって、当該膜材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含む、ステップと、
前記誘電体膜を、導電性の第2電極に接触させるステップと、
立体拘束型の誘電体膜を形成するために、前記高分子の少なくとも一部を前記導電性の前記第1電極に結合させるステップと、を含み、
前記結合させるステップは、
前記第1電極が正電極となるように、前記高分子の少なくとも一部が前記第1電極に結合するのに有効な時間にわたり、前記第1電極、前記誘電体膜及び前記第2電極にわたって電場を印加するステップ(i)、
化学剤で前記誘電体膜を処理するステップ(ii)、又は、
前記ステップ(i)及び前記ステップ(ii)を組み合わせたステップ(iii)、
により行われる、エネルギー貯蔵装置の製造方法。
Applying a dielectric film comprising a film material to the conductive first electrode, wherein the film material exhibits (i) electrical insulation and / or high dielectric constant; (ii) one or more, Comprising a plurality of macromolecules having polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof;
Contacting the dielectric film with a conductive second electrode;
Bonding at least a portion of the polymer to the conductive first electrode to form a sterically constrained dielectric film,
The combining step includes
An electric field over the first electrode, the dielectric film and the second electrode for a time effective for at least a portion of the polymer to bind to the first electrode such that the first electrode becomes a positive electrode. Applying step (i),
Treating the dielectric film with a chemical agent (ii), or
Step (iii) combining step (i) and step (ii);
The manufacturing method of the energy storage device performed by.
請求項1に記載の製造方法であって、前記電場は、前記誘電体膜の平均厚さに基づき、少なくとも0.001V/μmである、製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the electric field is at least 0.001 V / μm based on an average thickness of the dielectric film. 請求項2に記載の製造方法であって、前記電場は、0.005〜1V/μmであり、前記有効な期間は、1秒から30分である、製造方法。   The manufacturing method according to claim 2, wherein the electric field is 0.005 to 1 V / μm, and the effective period is 1 second to 30 minutes. 請求項1から3の何れか一項に記載の製造方法であって、
前記導電性の前記第1電極に絶縁層を付与して、第1複合電極を形成するステップと、
前記誘電体膜を、前記第1複合電極の前記絶縁層に付与するステップと、をさらに含む、製造方法。
It is a manufacturing method as described in any one of Claim 1 to 3,
Providing an insulating layer on the conductive first electrode to form a first composite electrode;
Applying the dielectric film to the insulating layer of the first composite electrode.
請求項4に記載の製造方法であって、前記絶縁層は、重合p−キシリレンを含む、製造方法。   The manufacturing method according to claim 4, wherein the insulating layer includes polymerized p-xylylene. 請求項4又は5に記載の製造方法であって、
前記結合させるステップは、前記有効な時間にわたり、前記第1複合電極、前記誘電体膜及び前記第2電極にわたって前記電場を印加するステップを含み、これにより、前記高分子の少なくとも一部が前記第1複合電極の絶縁層に結合する、製造方法。
It is a manufacturing method of Claim 4 or 5,
The coupling step includes applying the electric field across the first composite electrode, the dielectric film, and the second electrode for the effective time, whereby at least a portion of the polymer is 1. A manufacturing method for bonding to an insulating layer of a composite electrode.
請求項4又は5に記載の製造方法であって、前記化学剤で前記誘電体膜を処理するステップは、
前記絶縁層に前記誘電体膜を付与する前に、前記絶縁層にラジカル開始剤を付与するステップと、
その後にラジカル開始剤を活性化させて、これにより、前記高分子の少なくとも一部を前記第1複合電極の前記絶縁層に結合させるステップと、を含む、製造方法。
6. The manufacturing method according to claim 4, wherein the step of treating the dielectric film with the chemical agent comprises:
Applying a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer;
And subsequently activating a radical initiator, thereby binding at least a portion of the polymer to the insulating layer of the first composite electrode.
請求項4又は5に記載の製造方法であって、前記化学剤で前記誘電体膜を処理するステップは、
誘導化剤で前記高分子を誘導化して、前記第1複合電極の前記絶縁層に架橋可能な官能基を生成するステップ(i)、
前記誘電体膜の前記膜材料に架橋剤を含ませるステップ(ii)、
前記誘電体膜の前記膜材料にラジカル開始剤を含ませて、前記誘電体膜を前記絶縁層に付与した後に前記ラジカル開始剤を活性化させるステップ(iii)、
前記誘電体膜を前記絶縁層に加える前に前記絶縁層にラジカル開始剤を加え、前記誘電体膜を前記絶縁層に付与した後に前記ラジカル開始剤を活性化させるステップ(iv)、
前記誘電体膜を前記絶縁層に付与する前にプラズマを前記絶縁層に印加するステップ(v)、又は、
前記ステップ(i)、前記ステップ(ii)、前記ステップ(iii)、前記ステップ(iv)、前記ステップ(v)の何れかを組み合わせたステップ(vi)、を含む、製造方法。
6. The manufacturing method according to claim 4, wherein the step of treating the dielectric film with the chemical agent comprises:
Derivatizing the polymer with a derivatizing agent to generate a crosslinkable functional group in the insulating layer of the first composite electrode (i),
Including a cross-linking agent in the film material of the dielectric film (ii),
Adding a radical initiator to the film material of the dielectric film, and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the insulating layer (iii);
Adding a radical initiator to the insulating layer before adding the dielectric film to the insulating layer, and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the insulating layer (iv);
Applying plasma to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer (v), or
A manufacturing method comprising the step (vi), which is a combination of any one of the step (i), the step (ii), the step (iii), the step (iv), and the step (v).
請求項1から8の何れか一項に記載の製造方法であって、前記高分子は、タンパク質、パリレン、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー、ポリエチレングリコール、ウレタンポリマー、エポキシポリマー、シリコーンポリマー、テルペノイドポリマー、天然樹脂ポリマー、ポリイソシアネート又はそれらの組み合わせを含む、製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the polymer is a protein, parylene, acrylic acid polymer, methacrylic acid polymer, polyethylene glycol, urethane polymer, epoxy polymer, silicone polymer, terpenoid polymer. , A natural resin polymer, a polyisocyanate or a combination thereof. 請求項1から8の何れか一項に記載の製造方法であって、前記高分子は、タンパク質又は誘導化タンパク質を含む、製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the polymer includes a protein or a derivatized protein. 請求項1から10の何れか一項に記載の製造方法であって、前記導電性の前記第2電極は、絶縁層を備える第2複合電極であり、前記第2複合電極は、前記絶縁層が前記誘電体膜に接触するように配置される、製造方法。   11. The manufacturing method according to claim 1, wherein the conductive second electrode is a second composite electrode including an insulating layer, and the second composite electrode is the insulating layer. Is disposed so as to be in contact with the dielectric film. 請求項1から11の何れか一項に記載の製造方法であって、前記誘電体膜を前記導電性の第1電極に付与するステップは、
除去可能なキャリア膜上に前記誘電体膜を形成するステップと、
前記除去可能なキャリア膜を除去するステップと、
前記誘電体膜を前記導電性の前記第1電極に付与するステップと、を含む、製造方法。
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 11, wherein the step of applying the dielectric film to the conductive first electrode includes:
Forming the dielectric film on a removable carrier film;
Removing the removable carrier film;
Applying the dielectric film to the conductive first electrode.
請求項1から11の何れか一項に記載の製造方法であって、前記高分子はインサイチュで形成され、前記製造方法は、
架橋剤及び複数の高分子前駆体を含む組成物を前記第1電極に付与するステップと、
前記架橋剤を活性化させて、これにより、前記高分子前駆体を架橋させて、複数の高分子を備える誘電体膜を生成するステップと、をさらに含み、
前記高分子前駆体は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを含む、製造方法。
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 11, wherein the polymer is formed in situ, and the manufacturing method includes:
Applying a composition comprising a crosslinking agent and a plurality of polymer precursors to the first electrode;
Activating the cross-linking agent, thereby cross-linking the polymer precursor to form a dielectric film comprising a plurality of polymers, and
The polymer precursor includes one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or a combination thereof.
請求項13に記載の製造方法であって、前記高分子前駆体は、(i)アミノ酸分子、(ii)オリゴペプチド、(iii)ポリペプチド又は(iv)それらの組み合わせを含む、製造方法。   14. The production method according to claim 13, wherein the polymer precursor comprises (i) an amino acid molecule, (ii) an oligopeptide, (iii) a polypeptide or (iv) a combination thereof. 請求項13に記載の製造方法であって、前記高分子前駆体は、p−キシリレンモノマーをさらに含む、製造方法。   The manufacturing method according to claim 13, wherein the polymer precursor further includes a p-xylylene monomer. 金属化表面を有するポリマーの第1シート又はロールを提供するステップであって、前記第1シート又はロールは、前記金属化表面に絶縁層を備え、ここで、前記絶縁層は、前記金属化表面の端部が露出するように、前記金属化表面を完全にコーティングしない、ステップと、
膜材料を備える誘電体膜を前記絶縁層に付与するステップであって、前記膜材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含む、ステップと、
金属化ポリマーの第2シート又はロールを、前記誘電体膜に接触させるステップであって、前記第2シート又はロールは、金属化表面を有し、金属化表面に絶縁層を備え、ここで、前記絶縁層は、前記金属化表面の端部が露出するように、前記金属化表面を完全にコーティングせず、ここで、前記絶縁層が前記絶縁体膜に接触し、前記第2シート又はロールの前記コーティングされない端部が前記第1シート又はロールの前記コーティングされない端部に近接するように、前記第2シート又はロールは配向されて、複合多層表面が形成される、接触させるステップと、
前記複合多層表面をロール状に巻回するか、又は、前記複合多層表面の一部を切断及び積層して積層構造を形成するステップと、
前記第1シート又はロール及び前記第2シート又はロールの前記コーティングされない端部を、導電性のキャップ又は電気接続部を有する非導電性のホルダ内に収容される導電性のポリマーに、結合させるステップと、
前記複合多層表面を、正電極及び負電極に電気的に接続させるステップと、
前記複合多層表面に電場を印加するステップであって、前記電場は、前記誘電体膜の高分子の少なくとも一部が、前記第1シート又はロールの前記絶縁層、前記第2シート又はロールの前記絶縁層、又は、その両方に結合するのに有効な時間にわたり印加される、印加するステップと、を含む、製造方法。
Providing a first sheet or roll of polymer having a metallized surface, wherein the first sheet or roll comprises an insulating layer on the metallized surface, wherein the insulating layer comprises the metallized surface; Not completely coating the metallized surface so that the ends of
Applying a dielectric film comprising a film material to the insulating layer, wherein the film material exhibits (i) electrical insulation and / or high dielectric constant; (ii) one or more polar functional groups; Comprising a plurality of macromolecules having ionizable functional groups or combinations thereof;
Contacting a second sheet or roll of metallized polymer with the dielectric film, the second sheet or roll having a metallized surface and comprising an insulating layer on the metallized surface, wherein The insulating layer does not completely coat the metallized surface such that an end of the metallized surface is exposed, wherein the insulating layer contacts the insulator film and the second sheet or roll The second sheet or roll is oriented so that the uncoated end of the first sheet or roll is proximate to the uncoated end of the first sheet or roll to form a composite multilayer surface;
Winding the composite multilayer surface in a roll shape, or cutting and laminating a part of the composite multilayer surface to form a laminated structure; and
Bonding the uncoated ends of the first sheet or roll and the second sheet or roll to a conductive polymer housed in a non-conductive holder having a conductive cap or electrical connection. When,
Electrically connecting the composite multilayer surface to a positive electrode and a negative electrode;
Applying an electric field to the surface of the composite multilayer, wherein the electric field is such that at least part of the polymer of the dielectric film is the insulating layer of the first sheet or roll, the second sheet or roll. Applying for a time effective to bond to the insulating layer or both.
絶縁層を備える上面を有する第1電極を、収容装置に設けるステップと、
前記第1電極の前記絶縁層上に、穿孔非導電性のセパレータシートを配置するステップと、
第2電極の絶縁層が前記セパレータシートに接触するように、前記セパレータシート上に、絶縁層を備える下面を有する第2電極を配置するステップと、
前記穿孔の前記セパレートシート内のスペースを充填するように、かつ前記第1電極及び前記第2電極に接触するように、誘電体材料を加えるステップであって、前記誘電体材料は、(i)電気絶縁性及び/又は高誘電率を示し、(ii)一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を備える、ステップと、
前記高分子の少なくとも一部が前記第1電極の前記絶縁層に結合するのに有効な時間にわたり、前記第1電極、前記誘電体材料及び前記第2電極にわたって電場を印加して、前記高分子の少なくとも一部を前記第1電極の前記絶縁層に結合させるステップと、を含む、エネルギー貯蔵装置の製造方法。
Providing a receiving device with a first electrode having an upper surface with an insulating layer;
Disposing a perforated non-conductive separator sheet on the insulating layer of the first electrode;
Disposing a second electrode having a lower surface with an insulating layer on the separator sheet such that an insulating layer of the second electrode contacts the separator sheet;
Adding a dielectric material to fill a space in the separate sheet of the perforations and to contact the first electrode and the second electrode, the dielectric material comprising: (i) (Ii) comprising a plurality of macromolecules that exhibit electrical insulation and / or high dielectric constant and have one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof;
Applying an electric field across the first electrode, the dielectric material, and the second electrode for a time effective for at least a portion of the polymer to bond to the insulating layer of the first electrode; Coupling at least a portion of the first electrode to the insulating layer of the first electrode.
導電性の第1電極と、
導電性の第2電極と、
前記導電性の前記第1電極と前記導電性の前記第2電極との間に配置される立体拘束の誘電体膜と、を備え、
前記立体拘束の誘電体膜は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含み、前記エネルギー貯蔵装置は、前記エネルギー貯蔵装置が充電及び/又は充電されていない場合、導電性の第1電極と第2電極との間に配置される誘電体材料の重量のみに基づいて、少なくとも1Wh/kgのエネルギー貯蔵容量を有する、エネルギー貯蔵装置。
A conductive first electrode;
A conductive second electrode;
A sterically constrained dielectric film disposed between the conductive first electrode and the conductive second electrode;
The sterically constrained dielectric film includes a plurality of polymers having one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or a combination thereof, and the energy storage device is charged and / or charged by the energy storage device. An energy storage device having an energy storage capacity of at least 1 Wh / kg based solely on the weight of the dielectric material disposed between the conductive first electrode and the second electrode when not charged.
請求項18に記載のエネルギー貯蔵装置であって、前記高分子は、タンパク質分子である、エネルギー貯蔵装置。   The energy storage device according to claim 18, wherein the polymer is a protein molecule. 請求項18又は19に記載のエネルギー貯蔵装置であって、前記複数の高分子の少なくとも1%が前記導電性の前記第1電極に結合する、エネルギー貯蔵装置。   20. The energy storage device according to claim 18 or 19, wherein at least 1% of the plurality of polymers are coupled to the conductive first electrode. 請求項20に記載のエネルギー貯蔵装置であって、前記エネルギー貯蔵装置は、エネルギー蓄積装置のエネルギー貯蔵容量よりも、少なくとも100倍大きいエネルギー貯蔵容量を有し、当該エネルギー蓄積装置は、(i)導電性の第1電極、(ii)導電性の第2電極及び(iii)電気絶縁性及び/又は高誘電率の誘電体膜を備え、当該誘電体膜は、当該第1電極と当該第2電極との間に配置され、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含む、エネルギー貯蔵装置。   21. The energy storage device according to claim 20, wherein the energy storage device has an energy storage capacity that is at least 100 times greater than the energy storage capacity of the energy storage device, the energy storage device comprising: A conductive first electrode, (ii) a conductive second electrode, and (iii) an electrically insulating and / or high dielectric constant dielectric film, wherein the dielectric film includes the first electrode and the second electrode. Energy storage device comprising a plurality of macromolecules disposed between and having one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. 請求項20又は21に記載のエネルギー貯蔵装置であって、前記立体拘束型の誘電体膜は、一以上の、極性官能基、イオン化可能な官能基又はそれらの組み合わせを有する複数の高分子を含み、かつ当該高分子が前記導電性の前記第1電極に結合していない誘電体膜の誘電率よりも、50%〜10,000,000%大きい誘電率を有する、エネルギー貯蔵装置。   The energy storage device according to claim 20 or 21, wherein the sterically constrained dielectric film includes a plurality of polymers having one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or a combination thereof. And an energy storage device having a dielectric constant 50% to 10,000,000% higher than a dielectric constant of the dielectric film in which the polymer is not bonded to the conductive first electrode. 請求項18から22の何れか一項に記載のエネルギー貯蔵装置であって、前記高分子が前記第1電極の表面の少なくとも1%に結合するように、前記高分子の少なくとも一部が、前記立体拘束型の誘電体膜に接触する前記導電性の前記第1電極の表面に結合する、エネルギー貯蔵装置。   23. The energy storage device according to any one of claims 18 to 22, wherein at least a part of the polymer is bonded to at least 1% of the surface of the first electrode. An energy storage device coupled to a surface of the conductive first electrode in contact with a three-dimensionally constrained dielectric film. 請求項18又は19に記載のエネルギー貯蔵装置であって、
前記導電性の前記第1電極と前記立体拘束型の誘電体膜との間に配置される絶縁層、
前記導電性の前記第2電極と前記誘電体膜との間に配置される絶縁層、又は、
前記導電性の前記第1電極と前記誘電体膜との間に配置される第1絶縁層及び前記導電性の前記第2電極と前記立体拘束型の誘電体膜との間に配置される第2絶縁層、
をさらに備える、エネルギー貯蔵装置。
The energy storage device according to claim 18 or 19,
An insulating layer disposed between the conductive first electrode and the three-dimensionally constrained dielectric film;
An insulating layer disposed between the conductive second electrode and the dielectric film, or
A first insulating layer disposed between the conductive first electrode and the dielectric film, and a first insulating layer disposed between the conductive second electrode and the three-dimensionally constrained dielectric film. 2 insulation layers,
An energy storage device further comprising:
請求項24に記載のエネルギー貯蔵装置であって、
前記複数の高分子の少なくとも1%が前記第1絶縁層に結合する、エネルギー貯蔵装置。
The energy storage device according to claim 24, comprising:
The energy storage device, wherein at least 1% of the plurality of polymers are bonded to the first insulating layer.
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