JPH07503578A - electrolytic double layer capacitor - Google Patents

electrolytic double layer capacitor

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JPH07503578A
JPH07503578A JP5508567A JP50856792A JPH07503578A JP H07503578 A JPH07503578 A JP H07503578A JP 5508567 A JP5508567 A JP 5508567A JP 50856792 A JP50856792 A JP 50856792A JP H07503578 A JPH07503578 A JP H07503578A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 電解二重層コンデンサー 本出願は、1991年10月29日に出願され、現在は放棄されてし洩る米国特 許出願束07/783.850号の継続出願である、1992年10月13日出 願の同時係属米国特許出願第07/960.251号の一部継続出願である。[Detailed description of the invention] electrolytic double layer capacitor This application was filed on October 29, 1991, and is currently abandoned. Continuation of patent application bundle 07/783.850, dated October 13, 1992. This application is a continuation-in-part of co-pending U.S. patent application Ser. No. 07/960.251.

発明の背景 本発明は二重層コンデンサーに関し、さらに詳しくは、高エネルギー、高出力寛 解コンデンサーに関する。Background of the invention The present invention relates to double layer capacitors, and more particularly, to high energy, high power and tolerant capacitors. Concerning solution capacitors.

通常の電解コンデンサーは各コンデンサーの電極表面と電極間の電解溶液との界 面にいわゆる電荷の二重層を収容することによってエネルギーを貯蔵する。従っ て、電極表面積はこのようなコンデンサーのエネルギー貯蔵容量を限定い電極表 面積が大きければ大きいほど、発生する電荷の二重層は大きくなり、それ故、コ ンデンサーのエネルギー貯蔵量は大きくなる。しかし、典型的な用途はコンデン サーの物理的な大きさの実際の範囲を限定し、それによってコンデンサーの肉眼 的表面によって与えられる達成可能なエネルギー貯蔵容量を限定する。Normal electrolytic capacitors have an interface between the electrode surface of each capacitor and the electrolytic solution between the electrodes. It stores energy by accommodating so-called double layers of charge on its surfaces. follow Therefore, the electrode surface area limits the energy storage capacity of such capacitors. The larger the area, the larger the double layer of charge that is generated and therefore the co The energy storage capacity of the capacitor increases. However, typical applications are limits the actual range of the physical size of the capacitor, thereby limiting the physical size of the capacitor limits the achievable energy storage capacity provided by the surface.

肉眼的コンデンサー表面積の限界を克服する二重層コンデンサー設計の1種(ま 粉状電極物質(例えば、面積の大きい活性化炭素粒子)を用いて、コンデンサー 電極の表面積を肉眼的に高める。このようなコンデンサーでは、炭素粒子1ま共 に結合して、多孔質電極構造体を形成し、この構造体では粒子の暴露された表面 力(電極総表面積に寄与する。多孔質構造体の内部抵抗とキャノ(シタンスと1 ま炭素粒子構造と形状との複雑な関数である。A type of double layer capacitor design that overcomes the limitations of macroscopic capacitor surface area. Capacitors using powdered electrode materials (e.g., large area activated carbon particles) Macroscopically increases the surface area of the electrode. In such a capacitor, less than one carbon particle to form a porous electrode structure in which the exposed surfaces of the particles force (contributes to the total electrode surface area; internal resistance of the porous structure and capacitance (sitance and 1 It is a complex function of carbon particle structure and shape.

発明の概要 一般に、本発明は、■態様において、それぞれが共通の電解溶液に接する2電極 の二重層電解コンデンサーを提供する。電極の少なくとも1つ(ま物質内のファ ンデルワールス・チャネルの存在を特徴とする結晶物質を含む。これらのファン デルワールス・チャネルは2電極の間に電圧を印加する場合にファンデルワール ス電解質を収容するのに適する。電極の肉眼的表面の延長としてファンデルワー ルスパシタンスを明白に増加させる。ファンデルワールス・チャネルを有する化 合物とこれらの化合物を用いるデバイスとのさらに詳細な説明は、“電解二重層 コンデンサー”と同日に全て出願され、ここに参考文献として関係する下記出願 : “容量性熱電気デバイス”と“エネルギー貯蔵デバイス”中に与えられる。Summary of the invention Generally, the present invention provides two electrodes, each in contact with a common electrolyte solution, in embodiment (1). double layer electrolytic capacitors. at least one of the electrodes (or Contains crystalline materials characterized by the presence of Nderwaals channels. these fans A der Waals channel is a van der Waals channel when a voltage is applied between two electrodes. suitable for containing electrolytes. van der Waer as an extension of the macroscopic surface of the electrode. Apparently increases luspasitance. Having a van der Waals channel A more detailed description of compounds and devices using these compounds can be found in “Electrolytic Double Layer The following applications, all filed on the same day as "Capacitors", are related here as references: : Provided in “capacitive thermoelectric devices” and “energy storage devices”.

好ましい実施態様では、電極の1つは結晶物質を含み、他方の電極は電解液と結 晶電極とが配置された導電性コンテナーである;さらに好ましくは、コンデンサ ーの両電極が結晶物質から構成される。好ましくは、電極はそれぞれ結晶物質の 単結晶から構成される。他の好ましい実施態様では、2電極がそれぞれ結晶物質 の単結晶粉状粒子から構成され、粒子は最長サイズで約70ミクロンである。In a preferred embodiment, one of the electrodes includes a crystalline material and the other electrode is coupled with an electrolyte. a conductive container in which a crystal electrode is arranged; more preferably a capacitor; Both electrodes are made of crystalline material. Preferably, each electrode is made of crystalline material. Composed of single crystal. In another preferred embodiment, the two electrodes each have a crystalline material. The particles are composed of single crystal powder particles of approximately 70 microns in longest size.

好ましくは、結晶物質はBi,ch.l:式中、chはTeとSeとから成る群 から選択され、yは1又は2であり、2は1〜3の範囲内である]で示されるカ ルコゲン化ビスマスである。Preferably, the crystalline material is Bi, ch. l: In the formula, ch is a group consisting of Te and Se. y is 1 or 2, and 2 is within the range of 1 to 3] It is bismuth lucogenide.

好ましい1実施態様では、電解液はプロピレンカーボネート中の1.0MLic 104溶液であり:他の実施態様では、電解液はジメトキシエタン中に溶解した プロピレンカーボネートの混合物中の過塩素酸塩の有機カチオンの1.2M溶液 又は水酸化カリウムの水溶液である。In one preferred embodiment, the electrolyte is 1.0 MLic in propylene carbonate. 104 solution: In other embodiments, the electrolyte is dissolved in dimethoxyethane. 1.2M solution of perchlorate organic cation in a mixture of propylene carbonate Or an aqueous solution of potassium hydroxide.

好ましくは、電極のファンデルワールス・チャネルは電解液からのイオンをファ ンデルワールス・チャネル中へ挿入することを含むトレーニング(traini ng)方法による電解液の収容に適合し、電圧はチャネルが電解液を透過させる ほど充分に高い。好ましくは、挿入プロセス中に電極間で周期的に極性を逆転さ せる。最も好ましくは、電圧を電極に約600分間印加し、電圧の極性を約30 分間毎に逆転させる。このトレーニング方法は電解液を電極のファンデルワール ス・チャネルに浸透させて、チャネル表面に電荷の二重層を形成させ、それによ って電極の総表面積を明白に増加させる。本発明の池の特徴と利点とは以下の説 明と請求の範囲に述べることにする。Preferably, the van der Waals channels of the electrodes transport ions from the electrolyte. training, including insertion into the Nderwaals channel. ng) method to accommodate the electrolyte, and the voltage allows the channel to pass through the electrolyte. High enough. Preferably, the polarity is reversed periodically between the electrodes during the insertion process. let Most preferably, the voltage is applied to the electrodes for about 600 minutes and the polarity of the voltage is about 30 minutes. Reverse every minute. This training method uses an electrolyte to connect van der Waal to the electrodes. permeate the channel to form a double layer of charge on the channel surface, thereby This clearly increases the total surface area of the electrode. The features and advantages of the pond of the present invention are explained below. This will be described in the description and claims.

図面の簡単な説明 図IAは本発明のコンデンサーの1実施態様の概略図であり;図IBは本発明の コンデンサーの第2実施態様の概略図であり;図2Aはトレーニングの初期段階 における図IBのコンデンサーの概略図であ図2Bはトレーニングのより後の段 階における図2Aのコンデンサーの概略図であり; 図20はトレーニングの最終段階における図2Aのコンデンサーの概略図であり : 図2Dは電荷の二重層の形成を含む、図2Aのコンデンサーの概略図であり;図 3は図I八と図IBのコンデンサーを表す同様な回路の線図である。Brief description of the drawing Figure IA is a schematic diagram of one embodiment of a capacitor of the present invention; Figure IB is a schematic diagram of one embodiment of a capacitor of the present invention; FIG. 2A is a schematic diagram of a second embodiment of the condenser; FIG. 2A is an initial stage of training; Figure 2B is a schematic diagram of the capacitor in Figure IB at a later stage of training. 2A is a schematic diagram of the condenser of FIG. 2A in a floor; Figure 20 is a schematic diagram of the capacitor of Figure 2A at the final stage of training; : FIG. 2D is a schematic diagram of the capacitor of FIG. 2A, including the formation of a double layer of charge; 3 is a diagram of a similar circuit representing the capacitors of FIGS. I8 and IB.

好ましい実施態様の説明 コンデンサーの範囲の例として、典型的な平行板コンデンサーのキャパシタンス は次式: %式% [式中、ε。は真空中での誘電率(定数)であり;εはコンデンサー電極間の媒 質の誘電率であり;Sはコンデンサー電極の表面積であり、dは電極を分離する 媒質の幅である]によって与えられる。従って、一定のコンデンサーのキャパシ タンスと、対応するエネルギー貯蔵量は、電極と電極を分離する媒質との外面的 形態(geometry)、すなわち表面積、電極間隔、材料特性(mater ial properties)によって限定される。Description of preferred embodiments As an example of a range of capacitors, the capacitance of a typical parallel plate capacitor is the following formula: %formula% [In the formula, ε. is the dielectric constant (constant) in vacuum; ε is the medium between the capacitor electrodes. S is the surface area of the capacitor electrodes and d is the dielectric constant of the capacitor electrodes separating the electrodes. width of the medium]. Therefore, the capacitance of a constant capacitor The amount of energy stored and the corresponding amount of energy stored are determined by the external geometry, i.e. surface area, electrode spacing, material properties ial properties).

二重層コンデンサーのキャパシタンスの定義は帯電二重層の構造とその外面形態 とによってさらに指定される。この二重層は電極表面への電荷蓄積及び電極表面 と電解液との界面におけるイオン蓄積を含む。従って、二重層電解コンデンサー では、キャパシタンス式中の幅dは二重層を構成する2領域の中心間の距離によ って与えられる。The capacitance of a double layer capacitor is defined by the structure of the charged double layer and its external form. further specified by. This double layer causes charge accumulation on the electrode surface and and ion accumulation at the interface between the electrolyte and the electrolyte. Therefore, double layer electrolytic capacitor Then, the width d in the capacitance equation is determined by the distance between the centers of the two regions that make up the double layer. is given.

本発明のコンデンサーはコンデンサー電極の表面積を対応して増加させ、電極と 電解液とを適当に選択することによってキャパシタンスとエネルギー貯蔵とを明 白に増加させる。本発明の利益の中で最も注目に値するものは、表面積増加が電 極の肉眼的サイズの増加に依存せず、さらに典型的な炭素電極におけるように粒 子表面積に依存しないことである。むしろ、電極表面積の増加は層状結晶構造を 特徴とする特定の種類の物質、すなわち挿入化合物を用いて得られる。挿入化合 物の結晶層は、共に弱く結合し、ファンデルワールス領域によって相互から分離 される分子又は原子の面を含む。これらのファンデルワールス領域は分子又は原 子の面の間の結晶格子中に異方性チャネルを形成し、実際に“二次元”結晶構造 体を生ずる。挿入物質は典型的に物質の厚さ1mmにつき106〜107オーダ ーの層を示す。結晶層の間の弱いファンデルワールス力のために、格子チャネル はそれらの中へ寄生体挿入物権の物理的導入又はいわゆる挿入を収容することが できる。The capacitor of the present invention has a corresponding increase in the surface area of the capacitor electrodes and The capacitance and energy storage can be clarified by appropriate selection of the electrolyte and Increase to white. The most notable of the benefits of the present invention is that the increased surface area It does not depend on the increase in the macroscopic size of the poles and also increases the grain size as in typical carbon electrodes. It does not depend on the child surface area. Rather, the increase in electrode surface area leads to a layered crystal structure. It is obtained using a specific type of characterized substance, namely an insertion compound. insertion compound The crystalline layers of an object are weakly coupled together and separated from each other by van der Waals regions includes the face of molecules or atoms that are These van der Waals regions are molecules or primitives. forming anisotropic channels in the crystal lattice between the child planes, effectively creating a “two-dimensional” crystal structure. give rise to a body. Insertion material typically has a thickness of the order of 106 to 107 per mm of material thickness. - indicates the layer of Due to the weak van der Waals forces between the crystal layers, the lattice channels may contain the physical introduction or so-called insertion of parasite inserts into them. can.

本発明のコンデンサー電極では、結晶格子チャネルの表面(但し、電極材料より 内側)が電極総表面積に寄与し、それによって有効電極表面積をその肉眼的表面 よりも増加させるように、電極材料のファンデルワールス領域を処理する。以下 で詳述するように、電極材料のファンデルワールス・チャネルの表面は、電極の 肉眼的表面が二重層を形成するのと実際に同様に、電解液と共に二重層を形成す ることができる。この物理的プロセスの認識と利用は、本発明の発明者が本発明 のコンデンサーの顕著なエネルギー貯蔵容量を得ることを可能にした。In the capacitor electrode of the present invention, the surface of the crystal lattice channel (however, (inner side) contributes to the total electrode surface area, thereby reducing the effective electrode surface area to its macroscopic surface. Treat the van der Waals area of the electrode material so as to increase it. below As detailed in , the van der Waals channel surface of the electrode material It forms a double layer with the electrolyte, just as the macroscopic surface actually forms a double layer. can be done. The recognition and utilization of this physical process is made it possible to obtain a remarkable energy storage capacity of the capacitor.

本発明の発明者は、特定の種類の挿入化合物、すなわちカルコゲン化ビスマス( Bi、Te3と13i2Se、を含める)が電極表面積の延長としてのファンデ ルワールス・チャネルの形成に特に良好に適することを認識した。これらの材料 から構成される電極は、適当な電解液と組合せて用いる場合に、好ましい構造の 高度に均質な二重層を形成する。当業者に周知であるように、カルコゲン化ビス マスは分子レベルで層状である層状結晶格子を有し、各層は3〜4人オーダーの 幅を有するファンデルワールス・チャネルによって分離される。カルコゲン化ビ スマスの他の材料特性は、本出願と同日に出願され、参考文献としてここに関係 する“高い寄生負荷が可能な層状結晶物質”なる名称の同時係属米国特許出願に 記載されている。研究した物質について、発明者はカルコゲン化ビスマスの中で Bi2Te3が最良の導電率を有し、従って電極材料として最も好ましいが、B i2Se3は低い導電率を有し、従って電極材料としてあまり好ましくないこと を発見した。The inventors of the present invention have identified a particular type of insertion compound, namely bismuth chalcogenide ( (including Bi, Te3 and 13i2Se) as an extension of the electrode surface area. It has been found that it is particularly well suited for the formation of Lewars channels. these materials When used in combination with a suitable electrolyte, an electrode composed of Forms a highly homogeneous bilayer. As is well known to those skilled in the art, chalcogenated bis The mass has a layered crystal lattice that is layered at the molecular level, with each layer containing on the order of 3 to 4 people. separated by van der Waals channels with widths. chalcogenated vinyl Other material properties of Sumas, filed on the same date as this application, are incorporated herein by reference. Co-pending U.S. patent application titled “Layered Crystal Material Capable of High Parasitic Loading” Are listed. Regarding the material studied, the inventors found that in bismuth chalcogenide Bi2Te3 has the best conductivity and is therefore most preferred as an electrode material, but B i2Se3 has low conductivity and is therefore less preferred as an electrode material discovered.

カルコゲン化ビスマス、実際に層状挿入物質を、それらのファンデルワールス・ チャネルを電極表面積の増加に利用するように、処理する可能性は、選択した物 質の純度と欠陥密度とによって顕著に与えられる。不純物と結晶格子欠陥とはフ ァンデルワールス・チャネルの外面的形態を歪め、このチャネルを挿入種に接近 させ難(させ、チャネル表面構造を劣化させ、従って該チャネルの電気的及び機 械的性質を劣化させる。従って、コンデンサー電極のために選択する物質を本発 明の発明者が開発した、高純度で、可能なかぎり欠陥の無い単結晶物質を生ずる 、独特の方法を用いて製造することが理想的に好ましい。このためには、カルコ ゲン化ビスマス材料に対する下記単結晶成長方法が好ましい。それにも拘わらず 、理想的な純粋に満たないが、欠陥の無い物質を形成する代替え方法が、特定の コンデンサー用途に利用可能である。当業者は重要な材料パラメーターと対応す る性能結果とを認識するであろう。Bismuth chalcogenides are actually layered intercalated substances, their van der Waals The possibility of processing the channels to increase the electrode surface area is The purity of the quality and the density of defects are significantly given. Impurities and crystal lattice defects are Distorts the external morphology of the Vanderwaals channel and brings this channel closer to the inserted species. damage the channel surface structure and thus damage the electrical and mechanical properties of the channel. Deteriorates mechanical properties. Therefore, the materials chosen for the capacitor electrodes are Developed by Ming inventors to produce single crystal materials with high purity and as few defects as possible , ideally preferred to be produced using a unique method. For this, Calco The following single crystal growth method for bismuth genide materials is preferred. Despite that , alternative methods of forming less than ideally pure but defect-free materials are available for certain Can be used for capacitor applications. Those skilled in the art will understand the important material parameters and performance results.

好ましい挿入化合物の製造方法では、化学量論量の高純度(99,9999%純 度)のビスマスとテルル(又は他の特定のカルコゲン化物)とを最初に石英アン プル中に装入する。必要に応じて、使用前に物質を帯域精製する。化学量論外( off−stoichiometry)は格子構造と付随性能とが結果として劣 化した、p型又はp型にドープした物質を生ずる。アンプルを10−’mmHg まで排気し、少量の不活性ガス(例えばアルゴン)又は還元性ガス(例えば水素 )を10−3mmHgの圧力まで再充填した(3〜10サイクル)後に、密封す る。水素は処理中に酸素と反応して、カルコゲン化物の酸化を防止し、偏析を減 するので、水素が特に好ましい。A preferred method of making insertion compounds involves producing stoichiometric amounts of high purity (99,9999% pure) bismuth and tellurium (or other specific chalcogenides) of Charge during pull. If necessary, the material is zone purified before use. Non-stoichiometric ( off-stoichiometry) results in poor lattice structure and associated performance. This results in a p-type or p-doped material. ampoule to 10-’mmHg Evacuate to ) to a pressure of 10-3 mmHg (3 to 10 cycles) and then sealed. Ru. Hydrogen reacts with oxygen during processing to prevent chalcogenide oxidation and reduce segregation. Therefore, hydrogen is particularly preferred.

高度に均質な多結晶物質が第1処理工程において製造される。密封したアンプル を室温において炉に入れ、その融点よりも5〜10℃高い温度に加熱する。ラン プ(ramp)速度、温度及び反応時間を最終化合物に依存する。反応条件は多 結晶Bi253、B1□Se、及びBi2Te3の製造に関して表1に記載する 。アンプルの全長に及ぶ炉の温度は±0.5℃の範囲内に制御する。カルコゲン 化物の高い揮発性のために、温度の細心でかつ正確な制御が重要である。アンプ ル長さに沿った温度変化はカルコゲン化物の偏析を惹起し、化学量論外を生ずる 。アンプル長さに沿った温度制御を最適にするために、長い炉を用いることがで きる。炉の端部に付加的な加熱コイルを用いて、炉の出口における温度勾配を減 することができる。A highly homogeneous polycrystalline material is produced in the first process step. sealed ampoule is placed in a furnace at room temperature and heated to a temperature 5-10°C above its melting point. run The ramp rate, temperature and reaction time depend on the final compound. There are many reaction conditions. Table 1 describes the production of crystals Bi253, B1□Se, and Bi2Te3. . The temperature of the furnace over the entire length of the ampoule is controlled within ±0.5°C. chalcogen Due to the high volatility of the compounds, careful and precise control of temperature is important. Amplifier Temperature changes along the length of the tube cause chalcogenide segregation, resulting in out-of-stoichiometry. . Long furnaces can be used to optimize temperature control along the ampoule length. Wear. Use additional heating coils at the end of the furnace to reduce temperature gradients at the exit of the furnace. can do.

表1.多結晶物質の処理条件 Tl16までの加熱速度(℃/時)30 20 15T+:a+10℃における 暴露時間(時’I 10 15 20 冷却速度(’C/時) 50 40 35反応時間の最後の1時間中に、アンプ ルを撹拌又は振動させて、アンプル成分の完全な混合を保証する。アンプルの振 動は好ましくは25〜100Hzの範囲内であり、アンプルの一端部を振動源に 固定することによって実施される。如何なる通常の振動手段も本発明によって考 えられる。反応の終了後に、アンプルを緩慢な、制御した速度で冷却する。Table 1. Processing conditions for polycrystalline materials Heating rate up to Tl16 (°C/hour) 30 20 15T+: at a+10°C Exposure time (hours 10 15 20 Cooling rate ('C/hr) 50 40 35 During the last hour of reaction time, the amplifier Stir or vibrate the ampoule to ensure thorough mixing of the ampoule components. Shaking the ampoule The vibration is preferably within the range of 25 to 100 Hz, and one end of the ampoule is used as the vibration source. This is done by fixing. Any conventional vibration means may be considered by the present invention. available. After the reaction is complete, the ampoule is cooled at a slow, controlled rate.

均質な多結晶物質がひと度得られたならば、この物質をさらに処理して、高度に 欠陥の無いカルコゲン化ビスマス単結晶を得ることができる。例えば、ブリッジ マン法、チョクラルスキー法及び帯域精製方法(再結晶方法)のような、単結晶 を成長させる如何なる公知手段も使用可能である。特に帯域精製は高純度単結晶 を得ることに非常に効果的であると実証されている。Once a homogeneous polycrystalline material is obtained, this material can be further processed to obtain a highly A defect-free bismuth chalcogenide single crystal can be obtained. For example, bridge Single crystal methods such as Mann method, Czochralski method and zone purification method (recrystallization method) Any known means of growing can be used. In particular, band purification produces high-purity single crystals. It has been proven to be highly effective in obtaining

帯域精製は所望の格子構造(例えば、六方晶格子構造)の種結晶を含む石英ポー ト中で実施される。100等級のクリーンルームレベルを維持することが望まし い。結晶層が水平になるように、ボート中の種結晶を配向させる。装置全体は環 境振動から防護するように緩衝マウントするべきである。多結晶物質のボウル( boule) 44を種結晶と表面接触させて配置する。Zone refining consists of a quartz port containing a seed crystal of the desired lattice structure (e.g. hexagonal lattice structure). This will be carried out during the training session. It is desirable to maintain a clean room level of 100 class. stomach. Orient the seed crystal in the boat so that the crystal layer is horizontal. The entire device is a ring. should be shock mounted to protect against environmental vibrations. bowl of polycrystalline material ( boule) 44 is placed in surface contact with the seed crystal.

炉は2部分、全ボウル長さに沿って高温を維持するための外側炉と多結晶物質の 小部分を加熱するための一定方向に可動な狭い帯域とを含む。外側炉を多結晶物 質の融点よりも35℃低い温度に維持し、2〜3cm長さである帯域を多結晶物 質の融点よりも10℃高い温度に維持する。上記第1処理工程における多結晶物 質の製造とは異なり、該ボウルを作用温度に迅速に加熱することができる。該帯 域を最初に種結晶/ボウル界面に配置し、この領域を該物質の融点まで加熱する 。次に、帯域を該ボウルの長さに沿って徐々に移動させる。帯域移動速度は組成 によって変化し、具体的な速度を他の処理パラメーターと共に表2に示す。帯域 移動速度は重要な処理パラメーターである。この速度が大きすぎると、結晶化が 不完全になり、欠陥が形成される。この速度があまりに緩慢であると、層のひず みが生ずる。石英ポートと接触する熱処理済みボウルの下部を使用前に除去する ことが好ましい。The furnace consists of two parts, an outer furnace and a polycrystalline material to maintain high temperatures along the entire length of the bowl. and a unidirectionally movable narrow zone for heating a small portion. Polycrystalline outer furnace The temperature is maintained at 35 °C below the melting point of the polycrystalline material, and a zone 2-3 cm long is The temperature is maintained at 10°C above the melting point of the material. Polycrystalline material in the above first treatment step Unlike quality manufacturing, the bowl can be quickly heated to working temperature. The obi region is first placed at the seed crystal/bowl interface and this region is heated to the melting point of the material. . The band is then gradually moved along the length of the bowl. Band movement speed depends on the composition The specific speeds are shown in Table 2 along with other process parameters. band Travel speed is an important processing parameter. If this speed is too high, crystallization It becomes incomplete and defects are formed. If this rate is too slow, the layer will become distorted. A problem arises. Remove the lower part of the heat-treated bowl that contacts the quartz port before use. It is preferable.

表2.六方晶単結晶の成長のための処理条件処理条件 Bi2Te3 Bi2T e3 BI2S3I2S3ポモ5℃ M、−35°CM、−35°CM、−35 °C帯域温度10℃ M、+10℃ Mp+10℃ M、+10℃帯域移動速度  8mm/時 6mm/時 3mm/時冷却速度 50℃/時 40℃/時 3 5°C/時上記方法を若干変更して菱面体晶構造の結晶を製造することができ、 この場合には、菱面体品種結晶を帯域精製方法に用いる。さらに、菱面体晶結晶 を得るためには、炉温度を多結晶物質の融点よりも30℃低い温度に維持し、帯 域を多結晶物質の融点に維持する。Table 2. Processing conditions for growth of hexagonal single crystal Processing conditions Bi2Te3 Bi2T e3 BI2S3I2S3 Pomo 5℃ M, -35°CM, -35°CM, -35 °C band temperature 10°C M, +10°C Mp +10°C M, +10°C band movement speed 8mm/hour 6mm/hour 3mm/hour Cooling rate 50℃/hour 40℃/hour 3 5°C/hour By slightly modifying the above method, it is possible to produce crystals with a rhombohedral crystal structure, In this case, rhombohedral variety crystals are used in the zone purification process. In addition, rhombohedral crystals In order to obtain The area is maintained at the melting point of the polycrystalline material.

好ましくは、単結晶挿入化合物、最も好ましくは、カルコゲン化ビスマスを上記 方法を用いて成長させて、単結晶電極構造体を製造する。例えば、本発明の1実 施態様として、4mm長さと5mm長さとの辺による長方形を有し、05〜1m mの厚さを有する単結晶カルコゲン化ビスマスを製造する。この結晶内のファン デルワールス・チャネルの面に対して垂直である単結晶物質の面の1つを金属化 することが好ましい。この金属化は例えばニッケルペーストから成り、これを結 晶上に塗布して、10〜20ミクロン厚さの金属層を形成する。この金属化は結 晶ピース(piece)に電気接点を与えると共に、結晶ピースの剛性を強化す る。Preferably, a single crystal insertion compound, most preferably bismuth chalcogenide, is used as described above. A method is used to grow a single crystal electrode structure. For example, one embodiment of the present invention As an embodiment, it has a rectangular shape with sides of 4 mm length and 5 mm length, and has a length of 0.5 to 1 m. A single crystal bismuth chalcogenide having a thickness of m is produced. fan inside this crystal Metallize one of the planes of the single crystal material that is perpendicular to the plane of the Del Waals channel It is preferable to do so. This metallization may consist, for example, of nickel paste, which coated on top of the crystal to form a 10-20 micron thick metal layer. This metallization In addition to providing electrical contact to the crystal piece, it also strengthens the rigidity of the crystal piece. Ru.

或いは、この単結晶カルコゲン化ビスマス物質を微粉砕して、電極形成に用いる ための粒子にすることができ;このような粉状物質は単結晶物質よりも容易に処 理される。結晶微粉砕方法を例えばボールミル装置又は他の微粉砕装置を用いて 実施して、好ましくはそれぞれ約70ミクロンの直径を有する単結晶粒子を得る ことができる。特定の場合に応じて、他の粒径がより好ましいことがある。結晶 粒子を次に適当な化合物と混合して、結晶粒子どうしを結合させる。実際には結 合剤が作用して、粒子どうしを“接着させる(glue)が、粒子を相互から完 全に電気的に絶縁してはいけない。結合剤物質は電解液に応じて選択今れる。非 プロトン性電解液溶媒を用いる場合には、結合剤は好ましくはカルボキシメチル セルロースの3%水溶液から成り、この中に粒子が混合される:他の電解液に対 しては、代替え結合剤、例えばノルマルヘキサン中5%ポリエチレン分散液を用 いることができる。生ずる粉末−結合剤混合物を電極中に入れて、室温において 乾燥させる。型によって決定される、電極の外面形態は例えばコンデンサーに通 常用いられる、0.3〜1mmの電極厚さを有するディスク形状である。代替え の電極外面形態も使用可能である。Alternatively, this single-crystal bismuth chalcogenide material can be finely pulverized and used to form electrodes. such powdered materials are easier to process than single-crystalline materials; be managed. The crystal pulverization method is carried out using, for example, a ball mill device or other pulverization device. to obtain single crystal particles preferably each having a diameter of about 70 microns. be able to. Other particle sizes may be more preferred depending on the particular case. crystal The particles are then mixed with a suitable compound to bind the crystal particles together. In reality The mixture acts to “glue” the particles together, but it also separates the particles from each other completely. Do not provide complete electrical insulation. The binder material is selected depending on the electrolyte. Non When using protic electrolyte solvents, the binder is preferably carboxymethyl It consists of a 3% aqueous solution of cellulose into which the particles are mixed: Alternatively, alternative binders such as a 5% polyethylene dispersion in n-hexane may be used. I can be there. The resulting powder-binder mixture is placed in an electrode at room temperature. dry. Determined by the type, the external form of the electrode is e.g. It is a commonly used disk shape with an electrode thickness of 0.3-1 mm. alternative Other electrode surface configurations can also be used.

上記微粉砕方法はある程度の結晶損傷と対応する結晶欠陥を生ずる。しかし、挿 入化合物の結晶層の間のファンデルワールス引力が弱いために、これらの化合物 は大きな格子損傷又はひずみが生じる危険なくチャネルの長さに沿って容易にへ き関する。The above milling methods result in some crystal damage and corresponding crystal defects. However, the insertion Due to the weak van der Waals attraction between the crystal layers of these compounds, can be easily accessed along the length of the channel without the risk of significant lattice damage or distortion. I'm concerned.

上記方法を用いて形成された電極は多様なコンデンサー形態のいずれにも用いる ことができる。図IA(一定の縮尺で示さず)に関して、1形態では、カルコゲ ン化ビスマス電極20を含むコンデンサー10は次のように作製する。コンデン サー電極20は、単結晶ピース又は結晶粉末成形体のいずれから構成されるとし ても、導電性コンテナー35によって支えられた、特定電解液30と接触して配 置される。理想的には、この導電性コンテナーは理想的な無極性(non−po larizable)物質から成る。例えばバッテリーのような電源40を例え ばワイヤーのような導体45を介して電極20に電気的に結合させ、対応して、 同様な導体50を介して導電性コンテナー45に結合させる。Electrodes formed using the above method can be used in any of a variety of capacitor configurations. be able to. With respect to Figure IA (not drawn to scale), in one form, chalcogenide The capacitor 10 including the bismuth oxide electrode 20 is manufactured as follows. condensation The sir electrode 20 may be composed of either a single crystal piece or a crystal powder compact. placed in contact with a specific electrolyte 30 supported by a conductive container 35. be placed. Ideally, this conductive container would be ideally non-polar. larizable) substance. For example, consider a power source 40 such as a battery. electrically coupled to the electrode 20 via a conductor 45, such as a wire; It is coupled to the conductive container 45 via a similar conductor 50.

電解液30は適当には、例えばアルカリ水溶液、又は好ましくはプロピレンカー ボネート中1.0M LiClO4から成る。各層が100μm厚さであり、電 解液で飽和された、2層の不織ポリプロピレンから成るセパレータ(separ ator)が電解液を機械的に支持する。或いは、種々な電極材料に対して、電 解液はジメトキシエタン中のプロピレンカーボネートの混合物中の過塩素酸塩の 有機カチオンの1.2M溶液、水酸化カリウム水溶液、−価金属硫酸塩の水溶液 、又は他の水溶液を含むことができる。The electrolyte 30 is suitably an aqueous alkaline solution, or preferably a propylene carcinogen. Consisting of 1.0M LiClO4 in carbonate. Each layer is 100 μm thick and A separator consisting of two layers of non-woven polypropylene saturated with solution solution. ator) mechanically supports the electrolyte. Alternatively, for various electrode materials, The solution is of perchlorate in a mixture of propylene carbonate in dimethoxyethane. 1.2M solution of organic cation, aqueous potassium hydroxide solution, aqueous solution of -valent metal sulfate , or other aqueous solutions.

図IBをも参照すると、第2コンデンサー形態20において、2つの同じカルコ ゲン化ビスマス電極20が電解液30によって分離される。上述のLiClO4 プロピレンカーボネート電解液を用いて、ポリプロピレンセパレータに適当に電 解質溶液を含浸させ、電極20の間に配置する。セパレータによって間隔をおい て保持された電極を次に支持フレーム(図示せず)中に挿入して、プレス型(p ressing form)で密封する。電源40は同様な導体45(例えば、 良好な導電性ワイヤー)によって各電極20に電気的に結合させる。Referring also to Figure IB, in the second capacitor configuration 20, two identical Calco The bismuth hydrogenide electrodes 20 are separated by an electrolyte 30. LiClO4 mentioned above Apply a suitable voltage to the polypropylene separator using a propylene carbonate electrolyte. It is impregnated with a solute solution and placed between the electrodes 20. separated by a separator The electrodes held in place are then inserted into a support frame (not shown) and placed in a press mold (p Seal with ressing form). The power source 40 is connected to a similar conductor 45 (e.g. electrically coupled to each electrode 20 by a good conductive wire).

挿入化合物、好ましくはカルコゲン化ビスマスの電極を有する電解コンデンサー がコンデンサーとしての使用時に大きい表面積を提供することができる前に、拡 大された表面積を与えるように、カルコゲン化ビスマスのファンデルワールス・ チャネルを処理、又は“トレーニング(trained)″しなければならない 。上記で説明したように、ファンデルワールス・チャネル表面は、トレーニング した後に、電極の肉眼的表面が二重層を形成するやり方と同様なやり方で、電解 液によって二重層を形成する。従って、“トレーニングは電解液(及びイオン) がファンデルワールス・チャネル内で駆動されて、電解液のチャネルへの流入と チャネルからの流出を促進する、以下で説明するプロセスである。Electrolytic capacitors with electrodes of an insertion compound, preferably bismuth chalcogenide can provide a large surface area when used as a capacitor. van der Waals of bismuth chalcogenide to give an increased surface area. Channels must be processed or “trained” . As explained above, the van der Waals channel surface is After the electrolysis, the macroscopic surface of the electrode forms a double layer. The liquid forms a double layer. Therefore, “training is electrolyte (and ion) is driven in the van der Waals channel to cause electrolyte to flow into the channel and It is the process described below that facilitates outflow from the channel.

図2Aに関しては、トレーニングプロセスの開始時の2つのカルコゲン化ビスマ ス電極20a、20bを有するコンデンサー60を示す。電極のファンデルワー ルス・チャネル70a、70bのサイズは簡明のために非常に誇張してあり、各 電極が10’〜107のオーダーのこのようなチャネルから成ることを思い出さ なければならない。2電極の間にLiC1(Lをベースとする電解液30が配置 される。トレーニングプロセス中に、電源40がカチオン挿入のためにファラデ ー電位より大きい電圧を与えるようにセットされるので、電圧はコンデンサー電 極材料と使用電解液との特定の組合せに直接依存する。特定の電極−電解液組合 せを仮定するならば、当業者は対応ファラデー電位が材料系とファラデー電圧と の標準表から決定されることを認識すると思われる。Regarding Figure 2A, the two chalcogenated bisma at the beginning of the training process 2 shows a capacitor 60 having space electrodes 20a, 20b. electrode van der waer The sizes of the channels 70a, 70b are greatly exaggerated for clarity; Recall that the electrode consists of on the order of 10' to 107 such channels. There must be. An electrolytic solution 30 based on LiC1 (L) is placed between the two electrodes. be done. During the training process, the power supply 40 is powered by Farad for cation insertion. – The voltage is set to give a voltage greater than the capacitor voltage. It depends directly on the particular combination of electrode material and electrolyte used. Specific electrode-electrolyte combinations If one assumes that the corresponding Faradaic potential is You may recognize that it is determined from the standard table.

電極トレーニングの開始時に、ファラデー電圧を越える電圧がコンデンサーに印 加されるならば、電源の正端子に結合した電極20bは正の表面電荷を蓄積する 。電極のファンデルワールス・チャネル70bの表面も同様にこの正の表面電荷 を蓄積する。対応して、電源の負端子に結合した電極20aの肉眼的表面とファ ンデルワールス・チャネル70aの表面とは負の表面電荷を蓄積する。At the beginning of electrode training, a voltage exceeding the Faraday voltage is applied to the capacitor. If the electrode 20b is coupled to the positive terminal of the power supply, it will accumulate a positive surface charge. . The surface of the van der Waals channel 70b of the electrode similarly has this positive surface charge. Accumulate. Correspondingly, the macroscopic surface of electrode 20a coupled to the negative terminal of the power supply A negative surface charge is accumulated with respect to the surface of the Nderwaals channel 70a.

この表面電荷の形態に応じて、遊離Li+イオン72は好都合な電荷とエネルギ ーの形態のためにかつそれらのイオン半径がファンデルワールス・チャネルの幅 よりも相対的に小さいので、負に帯電した電極20a中に容易に入る。さらに、 溶媒和Li゛錯体74は負に帯電した電極表面の方向に移動し、溶媒和ClO4 −”錯体76は正に帯電した電極表面の方向に移動する。3〜4λ幅である(ト レーニングプロセス前の形成時に)、正に帯電した電極のファンデルワールス・ チャネル70bはあまりにも小さすぎて、ClO4−錯体がこれらの内部に浸透 することができない;しかじ、溶媒和Lピ錯体は負に帯電した電極20aの3〜 4人幅チャネル70aに軽度に浸透し、遊離しi4イオンと共に電極表面及び電 極チャネル内に効果的に運ばれる。その結果、溶媒和L14錯体はそれらが負に 帯電した電極において部分的に入るチャネルをやや拡大させる。Depending on the form of this surface charge, free Li+ ions 72 have favorable charge and energy. - due to the morphology and their ionic radius is the width of the van der Waals channel. Since it is relatively smaller than the above, it easily enters the negatively charged electrode 20a. moreover, The solvated Li complex 74 migrates towards the negatively charged electrode surface and forms a solvated ClO4 -”The complex 76 moves in the direction of the positively charged electrode surface. It has a width of 3-4λ (to van der Waals of the positively charged electrode (during its formation before the training process) Channels 70b are too small and ClO4- complexes penetrate inside them. However, the solvated L-pi complex is It slightly penetrates into the four-width channel 70a and is released along with the free i4 ions onto the electrode surface and the electrode surface. effectively carried within the polar channels. As a result, the solvated L14 complexes show that they are negatively Slightly enlarge the channel that partially enters the charged electrode.

溶媒和Lビ錯体を対立電極20bl:浸透させるために、電源の極性を逆転させ る。次に、蓄積された表面電荷分布が逆転する:以前に正に帯電した電極は今度 は負の表面電荷を蓄積し、遊離Li+イオン72と溶媒和錯体74とを引き付け る。、遊離L14イオン72はチャネルに容易に入り、溶媒和錯体74は再び対 応ファンデルワールス・チャネルに部分的に入り、それによって該チャネルを僅 かに拡大させる。To infiltrate the solvated L-bicomplex into the opposite electrode: 20 bl, reverse the polarity of the power supply. Ru. The accumulated surface charge distribution then reverses: the previously positively charged electrode now accumulates a negative surface charge and attracts free Li+ ions 72 and solvated complexes 74. Ru. , free L14 ions 72 readily enter the channel and the solvated complex 74 re-pairs. partially into the van der Waals channel, thereby slightly extending the channel. Enlarge the crab.

図2Bに関して、電圧極性の切り替えのこのプロセスの繰り返しが電極20a1 20bの各々のファンデルワールス・チャネルを漸次拡大させる。このプロセス 全体を通して、電圧は初期印加電圧に依存して増加し、それによってファンデル ワールス・チャネルへのイオンと電解質との吸引を増強させる。図に示すように 、トレーニングプロセスの中間点では、溶媒和Lビ錯体74と遊離Li゛イオン とが今や負に帯電する電極70bの拡大されたチャネル70bに完全に浸透する 。With respect to FIG. 2B, repeating this process of switching voltage polarity on electrode 20a1 20b, each van der Waals channel is gradually enlarged. this process Throughout, the voltage increases depending on the initial applied voltage, thereby van del Enhances the attraction of ions and electrolytes to the Waals channel. As shown in the figure , at the midpoint of the training process, the solvated L-bicomplex 74 and the free Li' ion completely penetrates the enlarged channel 70b of the now negatively charged electrode 70b. .

しかし、溶媒和Li+錯体よりも大きいサイズである溶媒和ClO4−錯体は今 や正に帯電する電極70aのチャネルに完全に浸透することがまだできない。However, the solvated ClO4− complex, which is larger in size than the solvated Li+ complex, is now However, it is still not possible to completely penetrate the channel of the positively charged electrode 70a.

トレーニングプロセス期間の終了時には、図20を参照すると、溶媒和CIO, −R体76と溶媒和Li゛錯体74とは両電極20a、20bのファンデルワー ルス・チャネル70a、70bに完全に浸透することができる。図2Dに示すよ うに、それによって、このときに、電気的に中性の電解液(CIO,−錯体とL i1錯体の両方を含む)はファンデルワールス・チャネルに完全に浸透して、電 極の肉眼的表面において生ずるのと同様なやり方で、各電極のファンデルワール ス・チャネルを通して電極−電解液界面に電荷80.82と84.86の電気的 二重層を形成することができる。結晶チャネルを通しての電解液の浸透は本発明 によって提供される有意なキャパシタンスとエネルギー貯蔵の増加を達成するた めの根拠を形成する。At the end of the training process period, referring to FIG. 20, the solvated CIO, -R body 76 and solvated Li complex 74 are van der Waer of both electrodes 20a and 20b. It is possible to completely penetrate the rus channels 70a, 70b. As shown in Figure 2D. Therefore, at this time, an electrically neutral electrolyte (CIO, -complex and L i1 complex) completely penetrates the van der Waals channel and charges van der Waals of each electrode in a manner similar to that which occurs at the macroscopic surface of the poles. Electric charges 80.82 and 84.86 are applied to the electrode-electrolyte interface through the gas channel. A double layer can be formed. Penetration of electrolyte through crystal channels is achieved by the present invention. to achieve significant capacitance and energy storage increases provided by form the basis for

電極のファンデルワールス・チャネル内で電解液とその溶媒和イオン種とを浸透 させるために必要なトレーニング度は、電極材料と使用電解液との特定の組合せ に決定的に依存する。トレーニングプロセスを受ける一前のファンデルワールス ・チャネルの幅と電解液中の溶媒和錯体の半径とが必要なトレーニングを決定す る:錯体の半径が太き(、ファンデルワールス・チャネルの幅が小さければ、必 要なトレーニング時間は長くなる。電極材料Bf2Te3とL i Cl 04 に基づ(電解液とに関しては、トレーニングは好ましくは、各サイクルによって 電源の極性を逆転させる、それぞれ約30分間のトレーニングサイクル約20サ イクルから成る。しかし、特定のキャパシタンス必要条件に関して、このトレー ニングを調節することができる。少ないトレーニングでは、軽度のチャネル内の 電解液浸透が得られ、これに応じて、低い二重層キャパシタンスが生ずる。従っ て、一定電極の最大に可能なキャパシタンスを得るためには、トレーニングを最 大にするべきである。当業者は、一定の電極−電解液組合せとキャパシタンス目 標とに関して、トレーニング操作が経験的に決定されることを理解するであろう 。Permeating the electrolyte and its solvated ionic species within the van der Waals channels of the electrode The degree of training required to achieve this depends on the specific combination of electrode material and electrolyte used. depends decisively on Van der Waals before undergoing the training process The width of the channel and the radius of the solvated complex in the electrolyte determine the training required. : If the radius of the complex is large (and the width of the van der Waals channel is small, The required training time will be longer. Electrode materials Bf2Te3 and LiCl04 Based on (with respect to electrolytes, training is preferably done by each cycle) Approximately 20 training cycles of approximately 30 minutes each, reversing the polarity of the power supply. Consisting of icules. However, for specific capacitance requirements, this trace can be adjusted. With less training, within the mild channel Electrolyte penetration is obtained, resulting in a correspondingly low double layer capacitance. follow Therefore, training should be optimized to obtain the maximum possible capacitance of a constant electrode. It should be made larger. Those skilled in the art will appreciate that certain electrode-electrolyte combinations and capacitance It will be understood that training operations are determined empirically with respect to targets. .

代替えトレーニングプロセスも本発明の予定範囲内である。例えば、上記プロセ スにおいて、電圧極性を一定に維持することができる、又は充放電プロセスを利 用して、ファンデルワールス・チャネルを拡大させることができる。このような プロセスでは、ファラデー電位を越える電圧を電極間に、上述したやり方で、一 定期間印加し、次に、適当な負荷を通してコンデンサーを放電させる。このプロ セス中に電圧極性を一定に維持する場合には、又は最初に述べたトレーニングプ ロセス中に電圧極性を切り替えない場合には、電極材料と電解液組成とに依存し て、電極の一方がチャネル拡大に達しないことがある。例えば、電圧極性が一定 であるトレーニング操作にBi=Tes電極とL i CI O<−をベースと する電解液とを用いると、負極性を有する電極には遊離及び溶媒和のLi+イオ ンが挿入される(それによって電解液を収容する)が、正極性の電極は遊離及び 溶媒和のしi′″イオンがそれの格子チャネルを開き始めるという利益を有さす 、それによって溶媒和ClO4−イオンが電解液収容のためにこのようなチャネ ルを拡大せず;その結果、正極性の電極はファンデルワールス表面を拡大させな いことになる。Alternative training processes are also within the contemplation of the present invention. For example, the above process voltage polarity can be kept constant or a charging/discharging process can be used. can be used to widen the van der Waals channel. like this The process involves applying a voltage above the Faradaic potential between the electrodes in the manner described above. for a period of time and then discharge the capacitor through a suitable load. this pro If the voltage polarity is kept constant during the training process, or if the If the voltage polarity is not switched during the process, it depends on the electrode material and electrolyte composition. Therefore, one of the electrodes may not reach channel expansion. For example, if the voltage polarity is constant Based on Bi = Tes electrode and L i CI O <- for the training operation that is When using an electrolyte with a negative polarity, free and solvated Li+ ions are A positive electrode is inserted (thereby containing the electrolyte), but the positive electrode remains free and The solvated i''' ion has the benefit of starting to open its lattice channels. , whereby the solvated ClO4- ions enter such channels for electrolyte accommodation. as a result, the positive polarity electrode does not enlarge the van der Waals surface. It will be bad.

単−挿入化合物−電極を用いる設計のコンデンサー(図IA)も上記方法を用い てトレーニングされることに注目しなければならない。電圧印加と電圧極性逆転 のプロセスが遊離及び溶媒和のLi官ネオン溶媒和clo4−イオンとを電極中 に挿入し、それによって電極内に電解液を収容して、所望の電極表面の拡大を達 成する可能性をもたらす。A capacitor designed with a single-insertion compound-electrode (Figure IA) can also be used using the above method. It is important to note that the training will be carried out in the following manner. Voltage application and voltage polarity reversal The process combines free and solvated Li-ion solvated clo4- ions into an electrode. to accommodate the electrolyte within the electrode to achieve the desired electrode surface enlargement. bring about the possibility of achieving

このトレーニングプロセスが層状結晶電極材料の結晶面を有意な程度に変形させ ず又は歪ませないという事実が特に重要である。結晶面の変形度は電極材料の出 発純度及び欠陥密度と、成長プロセスに起因する他の性質とに関係し:結晶の初 期欠陥が殆ど無いことはトレーニングによる結晶面変形部位が殆ど生じないこと になる。トレーニングの終了時に、結晶面のひずみが殆ど又は全(無い場合は、 電極のファンデルワールス・チャネルは電解液イオンによって容易に透過される 可能性を保留し、これに応じて、短時間内に二重層を発生させることができる。This training process deforms the crystal planes of the layered crystal electrode material to a significant degree. Of particular importance is the fact that it does not cause any damage or distortion. The degree of deformation of the crystal plane depends on the appearance of the electrode material. related to purity and defect density and other properties resulting from the growth process: The fact that there are almost no phase defects means that there are almost no crystal plane deformations caused by training. become. At the end of the training, the crystal planes should have little or no strain (if not, Van der Waals channels in the electrode are easily penetrated by electrolyte ions Reserving the possibility, a bilayer can accordingly be generated within a short time.

トレーニングプロセスがファンデルワールス・チャネルをそれらの弾性限界を越 えて拡大させるため、該チャネルが後により小さいサイズに収縮しなくなるとい う事実も重要である。The training process pushes van der Waals channels beyond their elastic limits. It is said that the channel will not shrink to a smaller size later. The fact that this is true is also important.

次に、図3を参照すると、抵抗96によって分離された第1コンデンサーと第2 コンデンサーとを含む、印加電圧40を有する回路90として、上記コンデンサ ーを電気的にモデル化する。抵抗96は電解液の抵抗であり、典型的には約0゜ 003Ωである。単−挿入化合物−電極コンデンサー(図IA)では、第1コン デンサー92は電極20の二重層キャパシタンスに対応し、第2コンデンサー9 4は導電性コンテナー35のキャパシタンスに対応する。実際に、コンテナー材 料の結果として、このキャパシタンスは電極20のキャパシタンスより数桁数小 さい。この結果、2コンデンサーの直列キャパシタンスは小さい方のコンデンサ ー94によってスワフプされる(swamped)。従って、二重挿入化合物コ ンデンサー(図IB)はより好ましい系であり;この場合に、2コンデンサー9 2.94は2電極20の二重層キャパシタンスを表す。各電極が同じに構成され 、同じキャパシタンスを示す場合には、コンデンサーの直列総キャパシタンスは 最大になる。Referring now to FIG. 3, the first and second capacitors are separated by a resistor 96. As a circuit 90 having an applied voltage 40, the circuit 90 includes a capacitor. electrically model the Resistance 96 is the resistance of the electrolyte and is typically about 0°. 003Ω. In a single-insertion compound-electrode capacitor (Figure IA), the first A capacitor 92 corresponds to the double layer capacitance of the electrode 20 and a second capacitor 9 4 corresponds to the capacitance of the conductive container 35. In fact, the container material As a result of the material, this capacitance is several orders of magnitude smaller than the capacitance of the electrode 20. Sai. As a result, the series capacitance of the two capacitors is the smaller capacitor. -94. Therefore, the double insertion compound capacitor (Fig. IB) is a more preferred system; in this case two capacitors 9 2.94 represents the double layer capacitance of the two electrodes 20. Each electrode is configured the same , exhibiting the same capacitance, the total series capacitance of the capacitors is become maximum.

上述した設計及び材料の二重電極コンデンサーを製造した、これは30〜100 ファラド/cm”を有し、約0.02Ω/cm2の内部抵抗を有する。この極度 に低い内部抵抗はコンデンサー放電に高出力を達成する可能性を与える。理論的 には、純粋で、欠陥の無いカルコゲン化ビスマスの単結晶コンデンサー構造体は 1000フアラド/cm3を示す。Bi2Te3電極を有する二重層コンデンサ ーを2.6ボルトまで帯電させて、観察したが、1000サイクルまで比エネル ギー低下を示さなかった。下記表3はこのコンデンサーの比エネルギーを対応電 解溶液に対して示す。A dual electrode capacitor of the design and material described above was manufactured, which farad/cm" and has an internal resistance of about 0.02 Ω/cm2. This extreme The low internal resistance gives the capacitor discharge the possibility of achieving high power. theoretical A pure, defect-free bismuth chalcogenide single crystal capacitor structure is 1000 farad/cm3 is shown. Double layer capacitor with Bi2Te3 electrodes - was charged to 2.6 volts and observed, but the specific energy did not change until 1000 cycles. showed no decrease in energy. Table 3 below shows the specific energy of this capacitor based on the corresponding voltage. Shown for solution solution.

pc中0.5M LiCIO470 PC中IMI、i CI O4105 pc中1.5M LiCIO498 コンデンサー材料とトレーニング系(training scheme)との他 の実施態様も本発明の要旨と範囲内に含まれるように意図する。0.5M LiCIO470 in PC IMI in PC, i CI O4105 1.5M LiCIO498 in PC In addition to capacitor materials and training schemes embodiments are also intended to be included within the spirit and scope of the invention.

国際調査報告 T7.38゜、7.、。っ4□、、、、、、、−、、−、、、、 、、j/US 92109244フロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。International search report T7.38°, 7. ,. 4□,,,,,,,-,,-,,,, ,,j/US 92109244Continuation of front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE.

DK、ES、FR,GB、GR,IE、IT、LU、MC,NL、SE)、0A (BF、BJ、CF、CG、CI、 CM、 GA、 GN、 ML、 MR, SN、 TD、 TG)、 AT、 AU、 BB、 BG、 BR,CA、  CH,C3゜DE、DK、ES、FI、GB、HU、JP、KP、KR,LK、  LU、 MG、 MN、 MW、 NL、 No、 PL、RO,RU、SD 、SE、UA (71)出願人 コバルユク、ザハル・ブイ−ラフライナ共和国2740018  チェルノフツィ、エンツジアストフ・ストリート 7(71)出願人 コズミ ック、イヴアン・ブイ−ラフライナ共和国チェルノフツィ、バキンスカヤ・スト リート 9/37 (71)出願人 バーマチュク、ボグダン・ピーラフライナ共和国イバノーフラ ンコフスク・レジョン、スニャティン・デイストリクト、ザボルトフ、ザボドス カヤ 6 (72)発明者 グリゴルチャック、イヴアン・アイラフライナ共和国イバノー フランコフスク・レジョン、スニャティン・ディストリクト、ザボルトフ、ポド バルナヤ・ストリート・ガ (72)発明者 トフストユック、コルネイ・ブイ−ラフライナ共和国2900 18 リヴオフ、スタリングザッスカヤ 60/3 (72)発明者 コバルユク、ザハル・ブイ−ラフライナ共和国2740018  チェルノフツィ、エンツジアストフ・ストリート 7A47゛ (72)発明者 コズミック、イヴアン・ブイ−ラフライナ共和国チェルノフツ ィ、バキンスカヤ・ストリート 9/37 (72)発明者 バーマチュク、ボグダン・ピーラフライナ共和国イバノーフラ ンコフスク・レジョン、スニャティン・ディストリクト、ザボルトフ、ザボドス 力ヤ 6DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, SE), 0A (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, SN, TD, TG), AT, AU, BB, BG, BR, CA, CH, C3゜DE, DK, ES, FI, GB, HU, JP, KP, KR, LK, LU, MG, MN, MW, NL, No, PL, RO, RU, SD , SE, U.A. (71) Applicant Kovalyuk, Zakhar Bui - Republic of Laflina 2740018 7 (71) Enzzyastov Street, Chernivtsi, applicant Cosmi Ivan Bui - Chernovtsi, Bakinskaya Street, Rakhlin Republic REIT 9/37 (71) Applicant Barmachuk, Bogdan Pilafryna Republic Ivanovhra Nkovsk Region, Sunyatin District, Zavoltov, Zavodos Kaya 6 (72) Inventor: Grigorchak, Ivano, Republic of Ivan Aira Flaina Frankovsk Region, Sunyatin District, Zavoltov, Podo Barnaya Street Ga (72) Inventor: Tovstoyuk, Korney Bui - Republic of Laflina 2900 18 Livoff, Staring Zassskaya 60/3 (72) Inventor: Kovalyuk, Zakhar Bui - Republic of Laflina 2740018  Chernovtsi, Enzzyastov Street 7A47゛ (72) Inventor: Cosmic, Yvan Bouy - Chernovts, Republic of Laflina Bakinskaya Street 9/37 (72) Inventor: Barmachuk, Bogdan Pilav Ivanovra Republic of Phryna Nkovsk Region, Sunyatin District, Zavoltov, Zavodos Power 6

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.それぞれが共通の液体電解液に接触する2電極を含む二重層電解コンデンサ ーであって、前記電極の少なくとも一方がファンデルワールス・チャネルの存在 を特徴とする結晶物質を含み、前記ファンデルワールス・チャネルが該チャネル 内に電解液を収容するのに適合し、それによって該2電極に電圧を印加した場合 に該ファンデルワールス・チャネルと該電解液との界面に電荷の二重層が形成さ れる前記コンデンサー。 2.両電極が前記結晶物質を含む請求項1記載のコンデンサー。 3.前記2電極が各々前記結晶物質の単結晶を含む請求項2記載のコンデンサー 。 4.前記2電極が各々前記結晶物質の単結晶粉末粒子を含む請求項2記載のコン デンサー。 5.前記結晶物質がカルコゲン化ビスマスである請求項2記載のコンデンサ6. 前記結晶物質がBix(Te3−ySey)[式中、xは1又は2であり、yは 0〜3である]の固溶体を含む請求項2記載のコンデンサー。 7.前記電解液がプロピレンカーボネート中1.0MLiCIO4溶液を含む請 求項2又は5のいずれかに記載のコンデンサー。 8.前記電解液がジメトキシエタン中プロピレンカーボネートの混合物中の過塩 素酸塩の有機カチオンの1.2M溶液を含む請求項2又は5のいずれかに記載の コンデンサー。 9.前記電解液が水酸化カリウムの水溶液を含む請求項2記載のコンデンサ10 .前記電解液が一価金属の硫酸塩の水溶液を含む請求項2記載のコンデンサー。 11.前記電極の一方が導電性コンテナーを含み、このコンテナー中に前記電解 液と前記電極の他方とが配置される請求項1記載のコンデンサー。 12.前記単結晶粉末が最大サイズとして約70ミクロンの単結晶粒子を含む請 求項4記載のコンデンサー。 13.前記単結晶粉末粒子どうしを結合させるための結合剤をさらに含む請求項 12記載のコンデンサー。 14.前記結合剤がアセトン中に分散した5%ポリエチレンを含む請求項13記 載のコンデンサー。 15.前記結合剤が水中3%カルボキシメチルセルロース溶液を含む請求項13 記載のコンデンサー。 16.前記ファンデルワールス・チャネルが該ファンデルワールス・チャネル中 への電解液の挿入を含むトレーニングプロセスによって該電解液の収容に適合す る請求項2又は5のいずれかに記載のコンデンサー。 17.前記挿入が前記電極間への電圧印加によって生じ、前記電圧が前記チャネ ルの溶媒和イオン錯体浸透を達成させるほど充分に高い請求項16記載のコンデ ンサー。 18.前記電圧の極性を該電極間で周期的に逆転させる請求項17記載のコンデ ンサー。 19.前記電圧を電解液中でのファラデープロセスを生ずるために充分な第1電 圧から前記チャネルの電解液浸透を達成させるほど充分な第2電圧まで時間をか けて増加させる請求項18記載のコンデンサー。 20.前記電圧を前記電極に約600分間印加する請求項19記載のコンデンサ ー。 21.前記電圧の極性を約30分間毎に逆転させる請求項20記載のコンデンサ ー。 22.抵抗性負荷を横切って周期的に放電される請求項18記載のコンデンサー 。[Claims] 1. Double layer electrolytic capacitor containing two electrodes, each in contact with a common liquid electrolyte - wherein at least one of the electrodes has a van der Waals channel. the Van der Waals channel comprises a crystalline material characterized by is adapted to contain an electrolyte within, thereby applying a voltage to the two electrodes. A double layer of charge is formed at the interface between the van der Waals channel and the electrolyte. said capacitor. 2. The capacitor of claim 1, wherein both electrodes include said crystalline material. 3. 3. A capacitor according to claim 2, wherein said two electrodes each include a single crystal of said crystalline material. . 4. 3. A computer according to claim 2, wherein said two electrodes each include single crystal powder particles of said crystalline material. Denser. 5. 6. A capacitor according to claim 2, wherein said crystalline material is bismuth chalcogenide. The crystalline substance is Bix(Te3-ySey) [where x is 1 or 2 and y is 3. The capacitor according to claim 2, comprising a solid solution of 0 to 3. 7. The electrolyte comprises a 1.0 M LiCIO4 solution in propylene carbonate. 6. The capacitor according to claim 2 or 5. 8. The electrolyte is a supersalt in a mixture of propylene carbonate in dimethoxyethane. 6. A method according to claim 2 or 5, comprising a 1.2M solution of an organic cation of a mate salt. condenser. 9. 3. The capacitor 10 of claim 2, wherein the electrolyte includes an aqueous solution of potassium hydroxide. .. 3. The capacitor of claim 2, wherein the electrolyte comprises an aqueous solution of a sulfate of a monovalent metal. 11. One of the electrodes includes a conductive container in which the electrolyte is placed. 2. A capacitor according to claim 1, wherein a liquid and the other of said electrodes are disposed. 12. The single crystal powder may include single crystal grains having a maximum size of about 70 microns. The capacitor according to claim 4. 13. Claim further comprising a binder for binding the single crystal powder particles to each other. 12. The capacitor according to 12. 14. 14. The binder of claim 13, wherein said binder comprises 5% polyethylene dispersed in acetone. mounted capacitor. 15. 13. The binder comprises a 3% carboxymethylcellulose solution in water. Capacitors listed. 16. the van der Waals channel is in the van der Waals channel; A training process involving the insertion of electrolyte into the The capacitor according to claim 2 or 5. 17. the insertion is caused by applying a voltage between the electrodes, and the voltage is applied to the channel. 17. The condenser of claim 16 which is sufficiently high to achieve solvated ion complex penetration of the solvent. Sir. 18. 18. The capacitor of claim 17, wherein the polarity of the voltage is periodically reversed between the electrodes. Sir. 19. The voltage is set to a first voltage sufficient to cause a Faraday process in the electrolyte. voltage to a second voltage sufficient to achieve electrolyte penetration of said channels. 20. The capacitor of claim 18, wherein the capacitor is increased by 100%. 20. 20. The capacitor of claim 19, wherein the voltage is applied to the electrode for about 600 minutes. -. 21. 21. The capacitor of claim 20, wherein the polarity of the voltage is reversed about every 30 minutes. -. 22. 19. The capacitor of claim 18, wherein the capacitor is periodically discharged across a resistive load. .
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