RU2528010C2 - Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor - Google Patents

Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor Download PDF

Info

Publication number
RU2528010C2
RU2528010C2 RU2012130518/07A RU2012130518A RU2528010C2 RU 2528010 C2 RU2528010 C2 RU 2528010C2 RU 2012130518/07 A RU2012130518/07 A RU 2012130518/07A RU 2012130518 A RU2012130518 A RU 2012130518A RU 2528010 C2 RU2528010 C2 RU 2528010C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dielectric layer
solid
state
density
lower electrode
Prior art date
Application number
RU2012130518/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012130518A (en
Inventor
Андрей Михайлович Маркеев
Анна Георгиевна Черникова
Original Assignee
Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" filed Critical Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)"
Priority to RU2012130518/07A priority Critical patent/RU2528010C2/en
Publication of RU2012130518A publication Critical patent/RU2012130518A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2528010C2 publication Critical patent/RU2528010C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: present invention relates to electrical engineering and specifically to solid-state multi-component oxide-based supercapacitors. The technical result of the invention is higher capacitance and density of stored energy and reduced leakage current of the capacitor. The supercapacitor has two electrodes and a dielectric layer in between, wherein the lower electrode is made of material with a larger specific surface area, the dielectric layer is conformally and uniformly placed on the lower electrode, the upper electrode is conformally and uniformly placed on the dielectric layer and is made of zinc oxide doped with aluminium, wherein the dielectric layer is made of a multi-component oxide containing a mixture of at least two oxides selected from TiO2, HfO3, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3 and lanthanide oxides, and is such that the relative permittivity of the active dielectric layer is in the range of 10-30.
EFFECT: disclosed solid-state capacitor can be used in electric cars where they can be mounted on the internal surface of the car body and can be an ideal power source in emergency situations.
2 cl, 3 dwg, 5 ex

Description

Изобретение относится к области твердотельной микро- и наноэлектроники на основе перспективных материалов, а именно к твердотельным двухслойным суперконденсаторам, и может быть использовано в качестве устройств для хранения энергии и электропитания разнообразных потребителей высокой мощности, к которым предъявляются жесткие требования по экологической чистоте, циклическому ресурсу и готовности к работе, например в электромобилях, солнечных батареях, спутниках.The invention relates to the field of solid-state micro- and nanoelectronics based on promising materials, namely to solid-state two-layer supercapacitors, and can be used as devices for storing energy and power supply for a variety of high-power consumers, which are subject to stringent requirements for environmental cleanliness, cyclic resource and readiness for work, for example in electric vehicles, solar panels, satellites.

В настоящее время большие перспективы в области энергосбережения открывают суперконденсаторы, или, как их принято называть, ионисторы, которые позволяют хранить в сотни раз больше энергии, чем традиционные емкостные элементы, причем делать это на протяжении долгого времени без утечки заряда.At present, supercapacitors, or, as they are commonly called, ionistors, which store hundreds of times more energy than traditional capacitive elements, open up great prospects in the field of energy conservation, and do this for a long time without charge leakage.

Суперконденсаторы - это электрические конденсаторы, которые характеризуются большой емкостью по отношению к габаритам, чрезвычайно низким уровнем последовательного сопротивления и ультранизкой утечкой тока, что делает их весьма перспективными для использования в энергетических сетях, электромобилях и электронной технике.Supercapacitors are electric capacitors that are characterized by large capacitance with respect to dimensions, extremely low level of series resistance and ultra-low leakage current, which makes them very promising for use in power networks, electric vehicles and electronic equipment.

Суперконденсаторы относятся к устройствам, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя. Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью обкладки конденсатора и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а удельная площадь поверхности обкладки достигает значений от 1000 до 2000 м2/г, емкость такого конденсатора массой 1 г может теоретически составлять от 100 до 500 Ф.Supercapacitors belong to devices in which the accumulation of electrical energy occurs due to the charge of the double electric layer. This layer is formed by the surface of the conductor and the layer of electrolyte ions adjacent to it. Due to the fact that the distance between the charged surface of the capacitor plate and the ion layer is very small (measured by angstroms), and the specific surface area of the plate reaches values from 1000 to 2000 m 2 / g, the capacity of such a capacitor weighing 1 g can theoretically be from 100 to 500 F. .

Однако, получаемые на практике значения удельной емкости - это единицы и десятки Ф/г. Причины уменьшения емкости по сравнению с теоретически предсказанными значениями заключаются в том, что ионы органических электролитов, которые повсеместно применяются в производстве суперконденсаторов, с трудом проникают в поры углерода. Коммерчески доступные на сегодняшний день суперконденсаторы, произведенные с использованием пористых углеродных материалов, обладают энергетической плотностью, находящейся в интервале от 4 до 5 Вт·ч/кг и плотностью мощности, находящейся в интервале от 1 до 2 кВт/кг [1].However, the values of specific capacity obtained in practice are units and tens of f / g. The reasons for the decrease in capacity compared with theoretically predicted values are that the ions of organic electrolytes, which are widely used in the production of supercapacitors, hardly penetrate the pores of carbon. Currently commercially available supercapacitors made using porous carbon materials have an energy density in the range of 4 to 5 W · h / kg and a power density in the range of 1 to 2 kW / kg [1].

Новый импульс развитию суперконденсаторов придало открытие углеродных нанотрубок в 1991 году, с помощью которых стало возможным получать электроды с огромной удельной поверхностью. Кроме того, углеродные нанотрубки обладают высокой проводимостью и достаточным для проникновения ионов органического электролита расстоянием между отдельными нанотрубками (десятки нм). Поэтому, несмотря на сравнительно меньшую удельную площадь поверхности углеродных нанотрубок (около 1315 м2/г [2] и около 400 м2/г [3] для одностенных и многостенных углеродных нанотрубок соответственно), их фактическая удельная площадь поверхности превышает удельную площадь поверхности пористого углерода.The discovery of carbon nanotubes in 1991 gave a new impetus to the development of supercapacitors, with which it became possible to obtain electrodes with a huge specific surface area. In addition, carbon nanotubes are highly conductive and have a sufficient distance between individual nanotubes (tens of nm) for the penetration of organic electrolyte ions. Therefore, despite the relatively smaller specific surface area of carbon nanotubes (about 1315 m 2 / g [2] and about 400 m 2 / g [3] for single-walled and multi-walled carbon nanotubes, respectively), their actual specific surface area exceeds the specific surface area of the porous carbon.

Высокая емкость конденсаторов на основе углеродных нанотрубок была использована для улучшения плотностей мощности и энергии суперконденсаторов. Так, известный суперконденсатор на основе электродов из одностенных углеродных нанотрубок и электролита КОН показал плотность мощности, равную приблизительно 20 кВт/кг и максимальную энергетическую плотность порядка 10 Вт·ч/кг, а суперконденсатор на основе электродов из многостенных углеродных нанотрубок соответственно плотность мощности более 8 кВт/кг и максимальную энергетическую плотность порядка 1 Вт·ч/кг [3].The high capacitance of carbon nanotube-based capacitors has been used to improve the power densities and energy of supercapacitors. Thus, the well-known supercapacitor based on electrodes of single-walled carbon nanotubes and KOH electrolyte showed a power density of approximately 20 kW / kg and a maximum energy density of about 10 Wh / kg, and a supercapacitor based on electrodes of multi-walled carbon nanotubes, respectively, a power density of more than 8 kW / kg and the maximum energy density of the order of 1 W · h / kg [3].

В последнее время вертикальные углеродные нанотрубки были исследованы для применений в суперконденсаторах. Было показано, что такие углеродные нанотрубки имеют ряд преимуществ по сравнению с неориентированными углеродными нанотрубками [4]. В частности вертикально ориентированные углеродные нанотрубки обладают наибольшей эффективной площадью поверхности, в связи с тем, что расстояние между отдельно стоящими нанотрубками в электроде порядка нескольких десятков нм, а значит, ионы электролита имеют свободный доступ к поверхности электрода [5].Recently, vertical carbon nanotubes have been investigated for applications in supercapacitors. It was shown that such carbon nanotubes have a number of advantages compared to non-oriented carbon nanotubes [4]. In particular, vertically oriented carbon nanotubes have the largest effective surface area, due to the fact that the distance between separate nanotubes in the electrode is of the order of several tens of nm, which means that electrolyte ions have free access to the electrode surface [5].

Таким образом, углеродные нанотрубки наряду с обычными пористыми углеродными материалами могут применяться для улучшения свойств емкостных элементов.Thus, carbon nanotubes along with conventional porous carbon materials can be used to improve the properties of capacitive elements.

Наряду с очевидными достоинствами суперконденсаторов, такими как высокая энергетическая способность и возможность хранить заряд в течение долгого времени, существует ряд не менее очевидных недостатков.Along with the obvious advantages of supercapacitors, such as high energy ability and the ability to store a charge for a long time, there are a number of no less obvious disadvantages.

Одним из них является тот факт, что высвобождение энергии в этих устройствах может происходить только при жестко ограниченных скоростях разряда, то есть на низких частотах. Так, рабочая частота коммерчески доступных суперконденсаторов составляет от 1 до 10 Гц, что соответствует времени заряда/разряда, находящемуся в интервале от 0.1 до 1 с и, в редких случаях, приближается к значению 100 Гц [2]. Такое узкое окно рабочих частот суперконденсаторов ограничивает область применения приборов на их основе.One of them is the fact that energy can be released in these devices only at strictly limited discharge speeds, that is, at low frequencies. Thus, the operating frequency of commercially available supercapacitors is from 1 to 10 Hz, which corresponds to a charge / discharge time in the range from 0.1 to 1 s and, in rare cases, approaches 100 Hz [2]. Such a narrow window of the operating frequencies of supercapacitors limits the scope of application of devices based on them.

Вторым явным недостатком суперконденсаторов является наличие в их строении электролита. Наличие жидкого электролита ограничивает область возможного применения суперконденсаторов. В связи с этим в настоящее время по-прежнему широко применяются классические твердотельные емкостные устройства (традиционные электрические конденсаторы), несмотря на намного уступающую плотность запасаемой энергии по сравнению с ионисторами. И наконец, третьим недостатком суперконденсаторов является ограниченность рабочего напряжения этих устройств. Коммерчески доступные суперконденсаторы работают при напряжении, находящемся в интервале от 2.3 до 2.7 В. Это связано с тем, что при больших значениях рабочего напряжения происходит электролиз электролита на электродах устройства, а, следовательно, необратимая деградация устройства.The second obvious drawback of supercapacitors is the presence of an electrolyte in their structure. The presence of liquid electrolyte limits the range of possible application of supercapacitors. In this regard, classical solid-state capacitive devices (traditional electric capacitors) are still widely used, despite the much lower density of the stored energy compared to ionistors. And finally, the third drawback of supercapacitors is the limited operating voltage of these devices. Commercially available supercapacitors operate at a voltage in the range from 2.3 to 2.7 V. This is due to the fact that at high values of the operating voltage, electrolysis of the electrolyte occurs on the electrodes of the device, and, therefore, irreversible degradation of the device.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является твердотельный суперконденсатор, в качестве диэлектрического слоя в котором был использован Al2O3 в широком диапазоне толщин [6]. В [6] предложена идея создания твердотельного суперконденсатора, способного ликвидировать недостатки вышеописанных суперконденсаторов, сохранив при этом достоинства коммерчески доступных суперконденсаторов. Применение в качестве электрода данного устройства материалов с большой удельной плотностью поверхности, а именно углеродных нанотрубок и пористого углерода позволяет получать плотности запасаемой энергии, во много раз превосходящие традиционные твердотельные емкостные элементы (от 1 до 10 Вт·ч/кг), а отказ от электролита в пользу твердотельного диэлектрического слоя на несколько порядков расширяет диапазон рабочих частот и повышает рабочее напряжение устройства. Кроме того, устройство на основе твердых материалов проявляет стабильность в широком диапазоне условий окружающей среды, обеспечивая повышение универсальности его применения.The closest device adopted for the prototype is a solid-state supercapacitor, in which Al 2 O 3 was used as a dielectric layer in a wide range of thicknesses [6]. In [6], the idea was proposed of creating a solid-state supercapacitor capable of eliminating the shortcomings of the above-described supercapacitors, while preserving the advantages of commercially available supercapacitors. The use of materials with a high specific surface density, namely, carbon nanotubes and porous carbon, as an electrode of this device allows one to obtain stored energy densities that are many times higher than traditional solid-state capacitive elements (from 1 to 10 Wh / kg), and the rejection of electrolyte in favor of the solid-state dielectric layer, it extends the operating frequency range by several orders of magnitude and increases the operating voltage of the device. In addition, a device based on solid materials exhibits stability in a wide range of environmental conditions, increasing the versatility of its application.

Данное устройство представляет собой два электрода, разделенных тонким (порядка 10 нм) слоем диэлектрика, полученным методом атомно-слоевого осаждения, причем в качестве нижнего электрода используются материалы с очень развитой поверхностью, например пористый углерод и углеродные нанотрубки.This device consists of two electrodes separated by a thin (about 10 nm) dielectric layer obtained by atomic layer deposition, and materials with a very developed surface, such as porous carbon and carbon nanotubes, are used as the lower electrode.

К диэлектрическому слою предъявляется ряд требований для обеспечения работоспособности устройства. В частности, линейная зависимость емкости, а значит и плотности запасаемой устройством энергии, от диэлектрической проницаемости покрытия приводит к необходимости использования диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрик). Кроме того, для обеспечения длительного хранения заряда необходимо создание диэлектрического слоя с малыми токами утечки (менее 1·10-3А/см2).The dielectric layer has a number of requirements to ensure the operability of the device. In particular, the linear dependence of the capacitance, and hence the density of the energy stored by the device, on the dielectric constant of the coating makes it necessary to use a dielectric with a high dielectric constant (high-k dielectric). In addition, to ensure long-term storage of the charge, it is necessary to create a dielectric layer with low leakage currents (less than 1 · 10 -3 A / cm 2 ).

Основным недостатком разработанного устройства является сравнительно небольшая плотность запасаемой энергии (от 0.05 до 0.5 Вт·ч/кг), что связано с недостаточной диэлектрической проницаемостью Al2O3 (около 9). В данной работе также было предложено использование в качестве диэлектрического слоя ряда оксидов металлов, а именно HfO2 и TiO2. При этом теоретически предсказанная плотность запасаемой энергии составляет от 7 до 10 Вт·ч/кг и от 11 до 15 Вт·ч/кг для HfO2 и TiO2 соответственно благодаря большей диэлектрической проницаемости данных оксидов по сравнению с Al2O3. Несмотря на то, что предсказанные характеристики являются удовлетворительными для такого класса устройств, для TiO2 характерны достаточно высокие токи утечки (порядка 0,07 А/см2), что может ограничить его реализацию.The main disadvantage of the developed device is the relatively low density of stored energy (from 0.05 to 0.5 W · h / kg), which is associated with insufficient dielectric constant of Al 2 O 3 (about 9). In this work, it was also proposed to use a number of metal oxides, namely HfO 2 and TiO 2, as the dielectric layer. In this case, the theoretically predicted density of stored energy is from 7 to 10 W · h / kg and from 11 to 15 W · h / kg for HfO 2 and TiO 2, respectively, due to the higher dielectric constant of these oxides compared to Al 2 O 3 . Despite the fact that the predicted characteristics are satisfactory for this class of devices, TiO 2 is characterized by fairly high leakage currents (of the order of 0.07 A / cm 2 ), which may limit its implementation.

По мнению заявителя, устранить вышеуказанные недостатки прототипа в виде малой плотности запасаемой энергии и высоких токов утечки возможно, если в суперконденсаторе в качестве материала диэлектрического слоя использовать диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью из класса многокомпонентных оксидов, содержащих смесь как минимум двух оксидов из ряда TiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3, и оксидов элементов из группы лантаноидов. Данные многокомпонентные оксиды могут быть получены методом атомно-слоевого осаждения, причем возможность варьировать параметры осаждения, а также массовое соотношение компонентов многокомпонентных оксидов, позволяет гибко регулировать их диэлектрическую проницаемость, и, как следствие, повысить емкость и плотность запасаемой энергии и уменьшить величину токов утечек твердотельного суперконденсатора по сравнению с продемонстрированными в [6].According to the applicant, to eliminate the above disadvantages of the prototype in the form of a low density of stored energy and high leakage currents, it is possible if the supercapacitor uses dielectric materials with a high dielectric constant from the class of multicomponent oxides containing a mixture of at least two oxides from the TiO 2 series as a material of the dielectric layer , HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Y 2 O 3 , and oxides of elements from the lanthanide group. These multicomponent oxides can be obtained by atomic layer deposition, and the ability to vary the deposition parameters, as well as the mass ratio of the components of multicomponent oxides, allows you to flexibly control their dielectric constant, and, as a result, increase the capacity and density of the stored energy and reduce the leakage currents of solid-state supercapacitor compared with those shown in [6].

Задачей данного изобретения является увеличение емкости и плотности запасаемой энергии твердотельного суперконденсатора и уменьшение токов утечки, что, в свою очередь, обеспечит более широкий диапазон рабочих частот и напряжений по сравнению с традиционными суперконденсаторами.The objective of the invention is to increase the capacitance and density of the stored energy of a solid-state supercapacitor and reduce leakage currents, which, in turn, will provide a wider range of operating frequencies and voltages compared to traditional supercapacitors.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в твердотельном суперконденсаторе, содержащем два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, в котором нижний электрод выполнен из материала с большой удельной площадью поверхности, диэлектрический слой конформно и однородно расположен на нижнем электроде, верхний электрод конформно и однородно расположен на диэлектрическом слое и выполнен из оксида цинка, легированного алюминием, материалом диэлектрического слоя является многокомпонентный оксид, содержащий смесь по меньшей мере двух оксидов из ряда TiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3, (lantanoid)2O3, причем материал диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость слоя в интервале 10-30. В твердотельном суперконденсаторе нижний электрод может быть выполнен из материала в виде углеродных нанотрубок или из материала в виде пористого углерода.The solution of the technical problem is achieved by the fact that in a solid-state supercapacitor containing two electrodes and a dielectric layer placed between them, in which the lower electrode is made of material with a large specific surface area, the dielectric layer is conformally and uniformly located on the lower electrode, the upper electrode is conformally and uniformly located on the dielectric layer and made of zinc oxide doped with aluminum, the material of the dielectric layer is a multicomponent oxide containing mixture of at least two oxides from the series TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Y 2 O 3 , (lantanoid) 2 O 3 , the material of the dielectric layer having dielectric constant of the layer in the range of 10-30. In a solid-state supercapacitor, the lower electrode may be made of a material in the form of carbon nanotubes or of a material in the form of porous carbon.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема твердотельного суперконденсатора на основе многокомпонентных оксидов;The invention is illustrated by drawings, where figure 1 presents a diagram of a solid-state supercapacitor based on multicomponent oxides;

на фиг.2 представлена сравнительная таблица параметров прототипа и предлагаемого твердотельного суперконденсатора;figure 2 presents a comparative table of the parameters of the prototype and the proposed solid-state supercapacitor;

на фиг.3 представлена сравнительная таблица экспериментальных данных.figure 3 presents a comparative table of experimental data.

Твердотельный суперконденсатор (фиг.1) состоит из двух токопроводящих электродов - нижнего 2 и верхнего 3, и размещенного между ними диэлектрического слоя 1. Электроды 2 и 3 соединены с соответствующими омическими контактами 4 и 5. Источник напряжения 6 подключен к омическим контактам 5 и 4. Кроме того, в цепь подключен измеритель тока и емкости 7.The solid-state supercapacitor (figure 1) consists of two conductive electrodes - the lower 2 and the upper 3, and the dielectric layer 1 placed between them. The electrodes 2 and 3 are connected to the corresponding ohmic contacts 4 and 5. The voltage source 6 is connected to the ohmic contacts 5 and 4 . In addition, a current meter and capacitance meter 7 are connected to the circuit.

Нижний токопроводящий электрод 2 представляет собой материал с большой удельной площадью поверхности, которым могут являться в том числе одностенные и многостенные углеродные нанотрубки или пористый углерод.The lower conductive electrode 2 is a material with a large specific surface area, which may include single-walled and multi-walled carbon nanotubes or porous carbon.

Диэлектрический слой 1 конформно и однородно расположен на нижнем токопроводящем электроде 2. Конформное и однородное расположение означает, что располагаемый материал точно повторяет форму поверхности предмета, на который он наносится. Данное свойство необходимо для увеличения эффективной площади поверхности твердотельного суперконденсатора, на которой происходит накопление заряда, а также для уменьшения вероятности возникновения дефектов, которые могут привести к увеличению токов утечки и пробою диэлектрического слоя.The dielectric layer 1 is conformally and uniformly located on the lower conductive electrode 2. A conformal and uniform arrangement means that the disposable material precisely follows the surface shape of the object on which it is applied. This property is necessary to increase the effective surface area of the solid-state supercapacitor on which charge accumulation occurs, and also to reduce the likelihood of defects that can lead to increased leakage currents and breakdown of the dielectric layer.

Верхний токопроводящий электрод 3 конформно и однородно расположен на диэлектрическом слое 1 и представляет собой оксид цинка, легированный алюминием. Применение верхнего проводящего электрода именно такого состава обусловлено возможностью его конформного нанесения на поверхность, обладающую развитым рельефом.The upper conductive electrode 3 conformally and uniformly located on the dielectric layer 1 and is a zinc oxide doped with aluminum. The use of the upper conductive electrode of just such a composition is due to the possibility of its conformal deposition on a surface with a developed relief.

Конформное и однородное расположение диэлектрического слоя 1 на нижнем электроде 2, а также конформное и однородное расположение верхнего электрода 3 на диэлектрическом слое 1 обеспечивается с помощью применения метода атомно-слоевого осаждения.A conformal and uniform arrangement of the dielectric layer 1 on the lower electrode 2, as well as a conformal and uniform arrangement of the upper electrode 3 on the dielectric layer 1, is achieved using the atomic layer deposition method.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При включении в цепь питания под действием электрического тока на электродах 2 и 3 твердотельного суперконденсатора происходит накопление заряда. Данный заряд обладает определенной величиной и зависит от площади поверхности электродов, а также толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя 1. За счет того, что в качестве одного из электродов в твердотельном суперконденсаторе используются углеродные нанотрубки или пористый углерод, обладающие высокой удельной площадью поверхности, в качестве диэлектрического слоя 1 - материал с высокой диэлектрической проницаемостью на основе многокомпонентных оксидов, а толщина диэлектрического слоя 1, получаемого методом атомно-слоевого осаждения, составляет всего несколько десятков нанометров, происходит накопление большой величины заряда. При отключении источника питания и подсоединении нагрузки происходит обратное перераспределение заряда или разрядка твердотельного суперконденсатора.When a solid-state supercapacitor is connected to the power circuit under the influence of electric current, electrodes 2 and 3 accumulate charge. This charge has a certain value and depends on the surface area of the electrodes, as well as the thickness and permittivity of the dielectric layer 1. Due to the fact that carbon nanotubes or porous carbon having a high specific surface area are used as one of the electrodes in a solid-state supercapacitor, dielectric layer 1 is a material with high dielectric constant based on multicomponent oxides, and the thickness of the dielectric layer 1 obtained by atomic o-layer deposition, is only a few tens of nanometers, a large charge is accumulated. When the power source is disconnected and the load is connected, the charge is redistributed or the solid-state supercapacitor is discharged.

Примеры реализации твердотельного суперконденсатора.Solid state supercapacitor implementation examples.

Пример 1. Для реализации твердотельного суперконденсатора была использована серия, состоящая из трех образцов, представляющих собой подложки из многостенных углеродных нанотрубок размером 1 см×1 см, полученных методом [7] на алюминиевой фольге. Углеродные нанотрубки проходили предварительную поверхностную модификацию в плазме разряда N2O при температуре 40°C и мощности разряда 100 Вт для формирования активных центров осаждения, без которых был бы невозможен дальнейший синтез диэлектрического покрытия методом атомно-слоевого осаждения.Example 1. To implement a solid-state supercapacitor, we used a series consisting of three samples, which are substrates of 1 cm × 1 cm multi-walled carbon nanotubes, obtained by the method of [7] on aluminum foil. Carbon nanotubes underwent preliminary surface modification in an N 2 O discharge plasma at a temperature of 40 ° C and a discharge power of 100 W to form active deposition centers, without which further synthesis of the dielectric coating by atomic layer deposition would not have been possible.

Далее на полученный образец производилось нанесение диэлектрического слоя методом атомно-слоевого осаждения. При этом на первые три образца наносился диоксид титана TiO2 толщиной 20 нм. Осаждение пленки производилось при температуре реакционной камеры 300°C с использованием импульсов Ti(OC2H5)4-H2O. Общее число циклов составило 500. На следующие три образца наносился многокомпонентный оксид Al0.85Ti0.15Ox той же толщины. Пленка Al0.85Ti0.15Ox осаждалась при температуре реакционной камеры 300°C с чередованием реакционных циклов: 2 цикла Al(СН3)3-H2O и 1 цикл Ti(OC2H5)4-H2O. Общее число циклов составило 270. Далее на следующие три образца наносился оксид алюминия Al2O3 той же толщины. Осаждение пленки производилось при температуре реакционной камеры 300°C с использованием импульсов Al(СН3)3-H2O. Общее число циклов составило 200.Then, a dielectric layer was deposited onto the obtained sample by atomic layer deposition. In this case, titanium dioxide TiO 2 with a thickness of 20 nm was deposited on the first three samples. The film was deposited at a temperature of the reaction chamber of 300 ° C using pulses of Ti (OC 2 H 5 ) 4 -H 2 O. The total number of cycles was 500. The next three samples were coated with multicomponent Al 0.85 Ti 0.15 O x oxide of the same thickness. An Al 0.85 Ti 0.15 O x film was deposited at a reaction chamber temperature of 300 ° C with alternating reaction cycles: 2 Al (CH 3 ) 3 -H 2 O cycles and 1 Ti (OC 2 H 5 ) 4 -H 2 O cycle. Total cycles amounted to 270. Next, the next three samples were applied alumina Al 2 O 3 the same thickness. The film was deposited at a temperature of the reaction chamber of 300 ° C using Al (CH 3 ) 3 -H 2 O pulses. The total number of cycles was 200.

Далее, методом атомно-слоевого осаждения в той же реакционной камере на каждый образец была нанесена пленка ZnO, легированная частицами Al толщиной 20 нм. Пленка ZnO-Al осаждалась при температуре реакционной камеры 180°C с чередованием реакционных циклов: 1 цикл Al(СН3)3-H2O и 24 цикла Zn(C2H5)2-H2O. Общее число циклов составило 100.Further, by the method of atomic layer deposition in the same reaction chamber, a ZnO film doped with Al particles 20 nm thick was deposited on each sample. The ZnO-Al film was deposited at a temperature of the reaction chamber of 180 ° C with alternating reaction cycles: 1 cycle of Al (CH 3 ) 3 -H 2 O and 24 cycles of Zn (C 2 H 5 ) 2 -H 2 O. The total number of cycles was 100 .

Для того чтобы верхний и нижний электроды были электрически изолированы друг от друга, края каждого образца были обработаны раствором 1М HCl. Далее каждый опытный образец был подготовлен для проведения электрофизических измерений. Для этого на нижний электрод (Аl) была нанесена индий-галлиевая эвтектика, а верхний омический контакт был сформирован методом электронно-лучевого напыления Al.In order for the upper and lower electrodes to be electrically isolated from each other, the edges of each sample were treated with a solution of 1 M HCl. Next, each prototype was prepared for electrophysical measurements. To do this, an indium gallium eutectic was deposited on the lower electrode (Al), and the upper ohmic contact was formed by electron beam evaporation of Al.

Верхний и нижний электроды были подключены к измерительному прибору, состоящему из зондовой станции EPS 1000 и LCR-метра Agilent Е 49080 А. Измерение вольт-амперных вольт-фарадных характеристик в диапазоне напряжения [-6 В…6 В], а также снятие частотной зависимости емкости устройства в диапазоне частот 10 Гц - 100 кГц осуществлялось с помощью стандартной управляющей программы прибора.The upper and lower electrodes were connected to a measuring device consisting of an EPS 1000 probe station and an Agilent E 49080 A LCR meter. Measurement of current-voltage current-voltage-voltage characteristics in the voltage range [-6 V ... 6 V], as well as removing the frequency dependence device capacities in the frequency range 10 Hz - 100 kHz was carried out using the standard control program of the device.

Для твердотельного конденсатора с использованием первого образца с диэлектрическим слоем TiO2, несмотря на теоретически высокое значение диэлектрической проницаемости (около 40) были получены неудовлетворительные характеристики, а именно высокие токи утечки (около 4·10-2 А/см2) и напряжение пробоя менее 1 В. В связи с этим наблюдалось близкое к нулю значение емкости, а значит заведомо заниженные значения диэлектрической проницаемости и плотности запасаемой энергии. Поскольку полученные результаты не удовлетворяют заявленным значением, диапазон рабочих частот устройства не оценивался.For a solid-state capacitor using the first sample with a dielectric layer of TiO 2 , despite the theoretically high value of the dielectric constant (about 40), unsatisfactory characteristics were obtained, namely high leakage currents (about 4 · 10 -2 A / cm 2 ) and a breakdown voltage of less than 1 V. In this regard, a capacitance value close to zero was observed, which means that the deliberately underestimated values of the dielectric constant and the density of stored energy were observed. Since the obtained results do not satisfy the declared value, the operating frequency range of the device was not evaluated.

Для твердотельного конденсатора с использованием образца с многокомпонентным оксидом Al0.85Ti0.15Ox в качестве диэлектрического слоя были получены следующие характеристики: относительная диэлектрическая проницаемость около 13, значение тока утечки ниже предельно измеримого значения (менее 3·10-6 А/см2), напряжение пробоя диэлектрического слоя более 6В, удельная емкость порядка 1,8 Ф/г при рабочей частоте от 10 Гц до 100 Г, причем при дальнейшем увеличении рабочей частоты от 100 Гц до 100 кГц емкость образца не падала ниже 25% от первоначального значения. Плотность запасенной энергии составляла 9,1 Вт·ч/кг.For a solid-state capacitor using a sample with multicomponent Al 0.85 Ti 0.15 O x oxide as the dielectric layer, the following characteristics were obtained: relative permittivity of about 13, leakage current below the maximum measurable value (less than 3 · 10 -6 A / cm 2 ), the breakdown voltage of the dielectric layer is more than 6 V, the specific capacitance is about 1.8 F / g at an operating frequency from 10 Hz to 100 G, and with a further increase in the operating frequency from 100 Hz to 100 kHz, the sample capacitance did not fall below 25% of the initial value and I. The density of the stored energy was 9.1 W · h / kg.

Для твердотельного суперконденсатора с использованием образца с однокомпонентным оксидом Al2O3 было показано маленькое значение диэлектрической проницаемости (около 8), а значение плотности запасенной энергии порядка 1.5 Вт·ч/кг, т.е. ниже требуемого значения. Поскольку полученные результаты не удовлетворяют заявленным значением, диапазон рабочих частот устройства не оценивалсяFor a solid-state supercapacitor using a sample with a single-component oxide Al 2 O 3 , a small value of the dielectric constant was shown (about 8), and the value of the stored energy density is about 1.5 Wh / kg, i.e. below the required value. Since the obtained results do not satisfy the declared value, the operating frequency range of the device was not evaluated

Данные результаты говорят о том, что использование многокомпонентного оксида Al0.85Ti0.15Ox в качестве диэлектрического слоя твердотельного суперконденсатора позволяет получать большие значения запасаемой энергии, а также обеспечивает накопление энергии в широком диапазоне частот и напряжений. В то же время использование однокомпонентных оксидов Al2O3 и TiO2 не отвечает заявленным требованиям к прибору.These results indicate that the use of multicomponent Al 0.85 Ti 0.15 O x oxide as the dielectric layer of a solid-state supercapacitor allows one to obtain large values of the stored energy and also provides energy storage in a wide range of frequencies and voltages. At the same time, the use of single-component oxides Al 2 O 3 and TiO 2 does not meet the stated requirements for the device.

Пример 2. Второй пример реализации твердотельного суперконденсатора технически аналогичен первому. Отличие состоит в том, что в качестве диэлектрического слоя твердотельного конденсатора использовались однокомпонентные оксиды Ta2O5, а также многокомпонентный оксид Ta0,75Ti0,25Ox толщиной 20 нм.Example 2. The second example of the implementation of a solid-state supercapacitor is technically similar to the first. The difference is that single-component oxides Ta 2 O 5 and a multicomponent oxide Ta 0.75 Ti 0.25 O x 20 nm thick were used as the dielectric layer of the solid-state capacitor.

Для первого твердотельного конденсатора с использованием образца с диэлектрическим слоем Ta2O5, несмотря на теоретически высокое значение диэлектрической проницаемости (около 25) были получены неудовлетворительные характеристики, а именно высокие токи утечки (9·10-3 А/см2), которые не позволяют устройству накапливать заряд, а также низкий уровень напряжения пробоя порядка 2.5 В. В связи с этим наблюдалось близкое к нулю значение емкости, а значит заведомо заниженные значения диэлектрической проницаемости и плотности запасаемой энергии. Поскольку полученные результаты не удовлетворяют заявленным значениям, диапазон рабочих частот устройства не оценивался.For the first solid-state capacitor using a sample with a dielectric layer of Ta 2 O 5 , despite the theoretically high value of the dielectric constant (about 25), unsatisfactory characteristics were obtained, namely high leakage currents (9 · 10 -3 A / cm 2 ), which are not allow the device to accumulate a charge, as well as a low level of breakdown voltage of the order of 2.5 V. In this regard, a capacitance value close to zero was observed, which means that the deliberately underestimated values of the dielectric constant and density of the stored energy are observed. Since the obtained results do not satisfy the declared values, the operating frequency range of the device was not evaluated.

Для твердотельного конденсатора с использованием образца с многокомпонентным оксидом Ta0,75Ti0,25Ox в качестве диэлектрического слоя были получены следующие характеристики: относительная диэлектрическая проницаемость около 28, значение тока утечки ниже предельно измеримого значения (менее 3·10-6 А/см2), напряжение пробоя диэлектрического слоя более 6 В, удельная емкость порядка 4 Ф/г при рабочей частоте от 10 Гц до 100 Г, причем при дальнейшем увеличении рабочей частоты от 100 Гц до 100 кГц емкость образца не падала ниже 23% от первоначального значения. Плотность запасенной энергии составляла 22 Вт·ч/кг.For a solid-state capacitor using a sample with multicomponent oxide Ta 0.75 Ti 0.25 O x as the dielectric layer, the following characteristics were obtained: relative permittivity of about 28, leakage current below the maximum measurable value (less than 3 · 10 -6 A / cm 2 ), the breakdown voltage of the dielectric layer is more than 6 V, the specific capacitance is about 4 F / g at an operating frequency of 10 Hz to 100 G, and with a further increase in the operating frequency from 100 Hz to 100 kHz, the sample capacitance did not fall below 23% of the initial significant i. The density of stored energy was 22 W · h / kg.

Данные результаты говорят о том, что использование многокомпонентного оксида Ta0,75Ti0,25Ox с диэлектрической проницаемостью, лежащей в заявленном диапазоне в качестве диэлектрического слоя твердотельного суперконденсатора позволяет получать высокие значения запасаемой энергии, а также обеспечивает накопление энергии в широком диапазоне частот и напряжений. В то же время использование однокомпонентного оксида Та2О3 не отвечает заявленным требованиям к прибору.These results suggest that the use of multicomponent oxide Ta 0.75 Ti 0.25 O x with a dielectric constant lying in the claimed range as the dielectric layer of a solid-state supercapacitor allows to obtain high values of stored energy, and also provides energy storage in a wide frequency range and stress. At the same time, the use of one-component oxide Ta 2 O 3 does not meet the stated requirements for the device.

Пример 3. Третий пример реализации твердотельного суперконденсатора технически аналогичен первому. Отличие состоит в том, что в качестве диэлектрического слоя использовался однокомпонентный оксид HfO2, а также многокомпонентный оксид Hf0,85Al0,15Ox толщиной 20 нм.Example 3. The third example of the implementation of a solid-state supercapacitor is technically similar to the first. The difference is that the single-component HfO 2 oxide and the multicomponent Hf 0.85 Al 0.15 O x oxide 20 nm thick were used as the dielectric layer.

Для первого твердотельного конденсатора с использованием образца с диэлектрическим слоем HfO2, несмотря на высокое значение диэлектрической проницаемости (около 16) были получены неудовлетворительные характеристики, а именно высокие токи утечки (порядка 2·10-2 А/см-2), которые не позволяют устройству накапливать заряд, а также низкий уровень напряжения пробоя около 4 В. В связи с этим наблюдалось близкое к нулю значение емкости, а значит заведомо заниженные значения диэлектрической проницаемости и плотности запасаемой энергии. Поскольку полученные результаты не удовлетворяют заявленным значением, диапазон рабочих частот устройства не оценивался.For the first solid-state capacitor using a sample with an HfO 2 dielectric layer, despite the high dielectric constant (about 16), unsatisfactory characteristics were obtained, namely high leakage currents (of the order of 2 · 10 -2 A / cm -2 ), which do not allow the device to accumulate a charge, as well as a low level of breakdown voltage of about 4 V. In this regard, a capacitance value close to zero was observed, which means deliberately underestimated values of the dielectric constant and density of stored energy. Since the obtained results do not satisfy the declared value, the operating frequency range of the device was not evaluated.

Для твердотельного конденсатора с использованием образца с многокомпонентным оксидом Hf0,85Al0,15Ox в качестве диэлектрического слоя были получены следующие характеристики: относительная диэлектрическая проницаемость около 14, значение тока утечки ниже предельно измеримого значения, напряжение пробоя диэлектрического слоя более 6 В, удельная емкость порядка 2.2 Ф/г при рабочей частоте от 10 Гц до 80 Гц, причем при дальнейшем увеличении рабочей частоты от 80 Гц до 100 кГц емкость образца не падала ниже 27% от первоначального значения. Плотность запасенной энергии составляла 11 Вт·ч/кг.For a solid-state capacitor using a sample with multicomponent oxide Hf 0.85 Al 0.15 O x as the dielectric layer, the following characteristics were obtained: relative permittivity of about 14, leakage current below the maximum measurable value, dielectric breakdown voltage of more than 6 V, specific capacitance is of the order of 2.2 F / g at an operating frequency from 10 Hz to 80 Hz, and with a further increase in the operating frequency from 80 Hz to 100 kHz, the sample capacitance did not fall below 27% of the initial value. The density of stored energy was 11 W · h / kg.

Данные результаты говорят о том, что использование многокомпонентного оксида Hf0,85Al0,15Ox с диэлектрической проницаемостью, лежащей в заявленном диапазоне в качестве диэлектрического слоя твердотельного суперконденсатора позволяет получать высокие значения запасаемой энергии, а также обеспечивает накопление энергии в широком диапазоне частот и напряжений. В то же время использование однокомпонентного оксида HfO2 не отвечает заявленным требованиям к прибору.These results suggest that the use of multicomponent Hf oxide of 0.85 Al 0.15 O x with a dielectric constant lying in the claimed range as the dielectric layer of a solid-state supercapacitor allows to obtain high values of the stored energy, and also provides energy storage in a wide frequency range and stress. At the same time, the use of one-component oxide HfO 2 does not meet the stated requirements for the device.

Пример 4. Четвертый пример реализации твердотельного суперконденсатора технически аналогичен первому. Отличие состоит в том, что в качестве диэлектрического слоя использовался однокомпонентный оксид, а также многокомпонентный оксид Hf0,85Al0,15Ox толщиной 20 нм.Example 4. The fourth implementation example of a solid-state supercapacitor is technically similar to the first. The difference is that a single-component oxide was used as a dielectric layer, as well as a multicomponent oxide Hf 0.85 Al 0.15 O x with a thickness of 20 nm.

Для твердотельного конденсатора с использованием образца с многокомпонентным оксидом Hf0,85Al0,15Ox в качестве диэлектрического слоя были получены следующие характеристики: относительная диэлектрическая проницаемость около 25, значение тока утечки ниже предельно измеримого значения, напряжение пробоя диэлектрического слоя более 6 В, удельная емкость порядка 3,2 Ф/г при рабочей частоте от 10 Гц до 100 Гц, причем при дальнейшем увеличении рабочей частоты от 100 Гц до 100 кГц емкость образца не падала ниже 25% от первоначального значения. Плотность запасенной энергии составляла 20 Вт·ч/кг.For a solid-state capacitor using a sample with multicomponent oxide Hf 0.85 Al 0.15 O x as the dielectric layer, the following characteristics were obtained: relative permittivity of about 25, leakage current below the maximum measurable value, dielectric breakdown voltage of more than 6 V, specific capacitance of the order of 3.2 F / g at an operating frequency from 10 Hz to 100 Hz, and with a further increase in the operating frequency from 100 Hz to 100 kHz, the sample capacitance did not fall below 25% of the initial value. The density of stored energy was 20 W · h / kg.

Данные результаты говорят о том, что использование многокомпонентного оксида Hf0,85Al0,15Ox с диэлектрической проницаемостью, лежащей в заявленном диапазоне от 10 до 30, в качестве диэлектрического слоя твердотельного суперконденсатора позволяет получать высокие значения запасаемой энергии, а также обеспечивает накопление энергии в широком диапазоне частот и напряжений.These results suggest that the use of multicomponent oxide Hf 0.85 Al 0.15 O x with a permittivity lying in the claimed range from 10 to 30 as the dielectric layer of a solid-state supercapacitor allows to obtain high values of the stored energy and also provides storage energy in a wide range of frequencies and voltages.

Пример 5. Пятый пример реализации твердотельного суперконденсатора технически аналогичен третьему. Отличие состоит в том, что в качестве нижнего электрода используется пористый углерод, а не углеродные нанотрубки.Example 5. The fifth example of the implementation of a solid-state supercapacitor is technically similar to the third. The difference is that porous carbon is used as the bottom electrode, not carbon nanotubes.

Для твердотельного конденсатора с использованием образца с многокомпонентным оксидом Hf0,85Al0,15Ox в качестве диэлектрического слоя были получены следующие характеристики: относительная диэлектрическая проницаемость около 25, значение тока утечки ниже предельно измеримого значения, напряжение пробоя диэлектрического слоя более 6 В, удельная емкость порядка 2,7 Ф/г при рабочей частоте от 10 Гц до 100 Гц, причем при дальнейшем увеличении рабочей частоты от 100 Гц до 100 кГц емкость образца не падала ниже 25% от первоначального значения. Плотность запасенной энергии составляла 18 Вт·ч/кг.For a solid-state capacitor using a sample with multicomponent oxide Hf 0.85 Al 0.15 O x as the dielectric layer, the following characteristics were obtained: relative permittivity of about 25, leakage current below the maximum measurable value, dielectric breakdown voltage of more than 6 V, specific capacitance of the order of 2.7 F / g at an operating frequency from 10 Hz to 100 Hz, and with a further increase in the operating frequency from 100 Hz to 100 kHz, the sample capacitance did not fall below 25% of the initial value. The density of the stored energy was 18 W · h / kg.

Данные результаты говорят о том, что для реализации твердотельного суперконденсатора возможно применение в качестве нижнего электрода как углеродных нанотрубок, так и пористого углерода.These results suggest that for the implementation of a solid-state supercapacitor, it is possible to use both carbon nanotubes and porous carbon as the lower electrode.

Таким образом, было показано, что сочетание известных признаков твердотельного суперконденсатора и отличительных признаков в виде использования в качестве материала диэлектрического слоя материалов на основе многокомпонентных оксидов, обеспечивающих высокий коэффициент диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя позволяет получить новый технический результат, а именно существенное увеличение емкости и плотности запасаемой энергии по сравнению с прототипом, обеспечение низких токов утечки и работу суперконденсатора в широком диапазоне рабочих напряжений.Thus, it was shown that a combination of the known features of a solid-state supercapacitor and distinctive features in the form of using materials based on multicomponent oxides as a material of the dielectric layer, providing a high dielectric constant of the dielectric layer, allows to obtain a new technical result, namely, a significant increase in the capacitance and density of the stored energy compared to the prototype, ensuring low leakage currents and the operation of the supercapacitor in the shea rock working voltage range.

ИсточникиSources

[1] Burke А. & Arulepp М. (2001). Recent Developments in Carbon-based Electrochemcial Capacitors: Status of the Technology and Future Prospects, Electrochemical Society Proceedings, 2001-21, pp.576.[1] Burke, A. & Arulepp, M. (2001). Recent Developments in Carbon-based Electrochemcial Capacitors: Status of the Technology and Future Prospects, Electrochemical Society Proceedings, 2001-21, pp. 576.

[2] Niu, C.; Sichel, E.K.; Hoch, R.; Moy, D. & Tennent, H. (1997). High power electrochemical capacitors based on carbon nanotube electrodes. Appl. Phys. Lett., 70(11), 1480-1482.[2] Niu, C .; Sichel, E.K .; Hoch, R .; Moy, D. & Tennent, H. (1997). High power electrochemical capacitors based on carbon nanotube electrodes. Appl. Phys. Lett., 70 (11), 1480-1482.

[3] An, K.H.; Kim, W.S., Park, Y.S.; Moon, J.-M; Bae, D.J.; Lim, S.C.; Lee, Y.S. & Lee, Y.H. (2001). Electrochemical Properties of High-Power Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes. Adv. Funct. Mater., 11 (5). 387-392.[3] An, K.H .; Kim, W.S., Park, Y.S .; Moon, J.-M; Bae, D.J .; Lim, S.C .; Lee, Y.S. & Lee, Y.H. (2001). Electrochemical Properties of High-Power Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes. Adv. Funct. Mater., 11 (5). 387-392.

[4] Dai, L.; Patil, A.; Gong, X.; Guo, Z.; Liu, L.; Liu, Y. & Zhu, D. (2003). Aligned Nanotubes. ChemPhysChem, 4 (11), 1150-1169.[4] Dai, L .; Patil, A .; Gong, X .; Guo, Z .; Liu, L .; Liu, Y. & Zhu, D. (2003). Aligned Nanotubes. ChemPhysChem, 4 (11), 1150-1169.

[5] Zilli, D.; Bonelli, P.R. & Cukierman, A.L. (2006). Effect of alignment on adsorption characteristics of self-oriented multi-walled carbon nanotube arrays.[5] Zilli, D .; Bonelli, P.R. & Cukierman, A.L. (2006). Effect of alignment on adsorption characteristics of self-oriented multi-walled carbon nanotube arrays.

Nanotechnology, 17 (20), 5136-5141.Nanotechnology, 17 (20), 5136-5141.

[6] Cary L. Pint et al. (2011). Three dimensional solid-state supercapacitors from aligned single-walled carbon nanotube array templates. Carbon 49. 4890-4897.[6] Cary L. Pint et al. (2011). Three dimensional solid-state supercapacitors from aligned single-walled carbon nanotube array templates. Carbon 49.4890-4897.

[7] Dorfler S.; Meier A.; Althues H.; Dani I.; Kaskel S. (2009). Vertical aligned carbon nanotube deposition on metallic substrates by CVD. ECS Transactions, 25 (8), 1047-1051[7] Dorfler S .; Meier A .; Althues H .; Dani I .; Kaskel S. (2009). Vertical aligned carbon nanotube deposition on metallic substrates by CVD. ECS Transactions, 25 (8), 1047-1051

Claims (2)

1. Твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, при этом нижний электрод выполнен из материала с большой удельной площадью поверхности, диэлектрический слой конформно и однородно расположен на нижнем электроде, верхний электрод конформно и однородно расположен на диэлектрическом слое и выполнен из оксида цинка, легированного алюминием, отличающийся тем, что материалом диэлектрического слоя является многокомпонентный оксид, содержащий смесь по меньшей мере двух оксидов из ряда TiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3, (lantanoid)2O3, причем материал диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость слоя в интервале 10-30.1. A solid state supercapacitor containing two electrodes and a dielectric layer placed between them, the lower electrode being made of a material with a large specific surface area, the dielectric layer is conformally and uniformly located on the lower electrode, the upper electrode is conformally and uniformly located on the dielectric layer and made of Zinc oxide doped with aluminum, characterized in that the material of the dielectric layer is a multicomponent oxide containing a mixture of at least two oxides from a number and TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Y 2 O 3 , (lantanoid) 2 O 3 , and the material of the dielectric layer has a dielectric constant of the layer in the range of 10-30 . 2. Твердотельный суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что нижний электрод выполнен из материала в виде углеродных нанотрубок или из материала в виде пористого углерода. 2. The solid-state supercapacitor according to claim 1, characterized in that the lower electrode is made of a material in the form of carbon nanotubes or of a material in the form of porous carbon.
RU2012130518/07A 2012-07-18 2012-07-18 Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor RU2528010C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012130518/07A RU2528010C2 (en) 2012-07-18 2012-07-18 Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012130518/07A RU2528010C2 (en) 2012-07-18 2012-07-18 Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012130518A RU2012130518A (en) 2014-01-27
RU2528010C2 true RU2528010C2 (en) 2014-09-10

Family

ID=49956806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012130518/07A RU2528010C2 (en) 2012-07-18 2012-07-18 Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2528010C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629364C1 (en) * 2016-12-07 2017-08-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Supercapacitor based on cmos technology
RU2729880C1 (en) * 2019-11-05 2020-08-13 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Solid-state capacitor-ionistor with dielectric layer made of dielectric nanopowder

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1016835A1 (en) * 1982-02-22 1983-05-07 Специальное конструкторско-технологическое бюро при Ухтинском заводе "Прогресс" Method of manufacturing blanks of glass-ceramic capacitors
WO2007031207A1 (en) * 2005-09-13 2007-03-22 H.C. Starck Gmbh Method for producing electrolyte capacitors having high nominal voltage
RU2402090C2 (en) * 2005-07-20 2010-10-20 Х.К. Штарк Гмбх Manufacturing method of electrolytic capacitor and its application in electronic circuits

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1016835A1 (en) * 1982-02-22 1983-05-07 Специальное конструкторско-технологическое бюро при Ухтинском заводе "Прогресс" Method of manufacturing blanks of glass-ceramic capacitors
RU2402090C2 (en) * 2005-07-20 2010-10-20 Х.К. Штарк Гмбх Manufacturing method of electrolytic capacitor and its application in electronic circuits
WO2007031207A1 (en) * 2005-09-13 2007-03-22 H.C. Starck Gmbh Method for producing electrolyte capacitors having high nominal voltage
RU2417473C2 (en) * 2005-09-13 2011-04-27 Х.К. Штарк Гмбх Method to make electrolytic capacitors with high rated resistance

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629364C1 (en) * 2016-12-07 2017-08-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Supercapacitor based on cmos technology
RU2729880C1 (en) * 2019-11-05 2020-08-13 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Solid-state capacitor-ionistor with dielectric layer made of dielectric nanopowder

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012130518A (en) 2014-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sagu et al. The pseudocapacitive nature of CoFe2O4 thin films
Si et al. On chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors with high performance based on MnO x/Au multilayers
US10644324B2 (en) Electrode material and energy storage apparatus
Yong-gang et al. Preparation and electrochemical capacitance of RuO2/TiO2 nanotubes composites
Chen et al. Asymmetric metal oxide pseudocapacitors advanced by three-dimensional nanoporous metal electrodes
Upadhyay et al. On the supercapacitive behaviour of anodic porous WO3-based negative electrodes
Guerra et al. ZnO/Carbon nanowalls shell/core nanostructures as electrodes for supercapacitors
Patil et al. Fabrication of ultra-high energy and power asymmetric supercapacitors based on hybrid 2D MoS 2/graphene oxide composite electrodes: a binder-free approach
Yadav Influence of electrode mass-loading on the properties of spray deposited Mn3O4 thin films for electrochemical supercapacitors
Asano et al. Capacitance studies of cobalt compound nanowires prepared via electrodeposition
US20090316336A1 (en) Bipolar membrane for electrochemical supercapacitors and other capacitors
Lee et al. Self-organized cobalt fluoride nanochannel layers used as a pseudocapacitor material
Brousse et al. Capacitive and pseudocapacitive electrodes for electrochemical capacitors and hybrid devices
Łępicka et al. A redox conducting polymer of a meso-Ni (II)-SaldMe monomer and its application for a multi-composite supercapacitor
Taylor On the mechanism of aluminum corrosion in metallized film ac capacitors
CN112189244B (en) Integrated energy storage component
RU2528010C2 (en) Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor
Bezryadin et al. Large energy storage efficiency of the dielectric layer of graphene nanocapacitors
Wang et al. The capacitive performance of activated carbon–ruthenium oxide composites for supercapacitors: effects of ultrasonic treatment in NaOH and annealing in air
RU142031U1 (en) SUPERCAPACITOR
Kim et al. Polypyrrole/titanium oxide nanotube arrays composites as an active material for supercapacitors
RU182720U1 (en) HYBRID SUPERCAPACITOR
Huyen et al. Influence of ag doping on the electrochemical supercapacitor characteristics of manganese dioxide prepared by pulsed potentiostatic electrodeposition
RU2729880C1 (en) Solid-state capacitor-ionistor with dielectric layer made of dielectric nanopowder
RU2578129C1 (en) Film condenser