RU2588036C2 - Structures made using nanotechnology for porous electrochemical capacitors - Google Patents

Structures made using nanotechnology for porous electrochemical capacitors Download PDF

Info

Publication number
RU2588036C2
RU2588036C2 RU2014111796/07A RU2014111796A RU2588036C2 RU 2588036 C2 RU2588036 C2 RU 2588036C2 RU 2014111796/07 A RU2014111796/07 A RU 2014111796/07A RU 2014111796 A RU2014111796 A RU 2014111796A RU 2588036 C2 RU2588036 C2 RU 2588036C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrically conductive
porous structure
energy storage
main
storage device
Prior art date
Application number
RU2014111796/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014111796A (en
Inventor
Дональд С. ГАРДНЕР
Чарльз У. ХОЛЬЦВАРТ
Вэй ЦЗИНЬ
Original Assignee
Интел Корпорейшн
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
Priority claimed from US13/631,579 external-priority patent/US9206523B2/en
Application filed by Интел Корпорейшн filed Critical Интел Корпорейшн
Publication of RU2014111796A publication Critical patent/RU2014111796A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2588036C2 publication Critical patent/RU2588036C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and microelectronics, specifically to devices for energy storage, in which are made porous electrodes for electrochemical capacitors with a highly developed porous surface formed with use of nanotechnology. Disclosed are versions of device for energy storage, as well as a method of forming device and porous electrodes. In an embodiment, energy storage device includes a porous structure formed by a plurality of main channels within conductive structure in direction of crystal plane, each of main channel has an opening at main surface of crystal, and each of main channel is held in an electrically conductive structure at an acute angle to main surface of crystal. In an embodiment, energy storage device includes a porous structure comprising a matrix of V-shaped grooves, pyramidal indentations.
EFFECT: high capacity and reliability of energy storage devices.
27 cl, 27 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Раскрываемые варианты осуществления изобретения в целом относятся к устройствам для хранения энергии, и если более точно, то относятся к способам формирования пористых электродов с сильно развитой поверхностью.The disclosed embodiments of the invention generally relate to energy storage devices, and more specifically, relate to methods for forming porous electrodes with a highly developed surface.

Уровень техникиState of the art

Современное общество зависит от легкой доступности энергии. Поскольку потребность в энергии увеличивается, устройства, способные эффективно сохранять энергию, приобретают все большую важность. В результате, устройства для хранения энергии, включая такие устройства, как батареи, конденсаторы, электрохимические конденсаторы (ECs), включающие в себя ионисторы и электрические двухслойные конденсаторы (EDLC - electric double layer capacitor), также известные как суперконденсаторы, наряду с другими названиями, гибридные электрохимические конденсаторы (ECs), и аналогичные устройства, широко используемые в электронной области техники и за ее пределами. В частности, конденсаторы широко используются для вариантов применения в широком диапазоне от электрических схем и энергоснабжения до регулирования напряжения и замены электрических батарей. Электрохимические конденсаторы характеризуются высокой емкостью хранения энергии, также как и другими желательными характеристиками, включающими в себя высокую плотность энергии, маленький размер, низкий вес, и таким образом становятся многообещающими кандидатами для использования в некоторых вариантах применения для хранения энергии.Modern society depends on the easy availability of energy. As energy demand increases, devices capable of efficiently storing energy are becoming increasingly important. As a result, energy storage devices, including devices such as batteries, capacitors, electrochemical capacitors (ECs), including ionistors and electric double layer capacitors (EDLCs), also known as supercapacitors, among other names, hybrid electrochemical capacitors (ECs), and similar devices widely used in the electronic field of technology and beyond. In particular, capacitors are widely used for applications in a wide range from electrical circuits and power supply to voltage regulation and replacement of electric batteries. Electrochemical capacitors are characterized by high energy storage capacity, as well as other desirable characteristics, including high energy density, small size, low weight, and thus become promising candidates for use in some applications for energy storage.

В заявке WO 2011/123135 раскрываются трехмерные структуры для формирования электрохимических конденсаторов с высокой плотностью энергии. В некоторых из раскрываемых вариантов осуществления изобретения используется процесс влажного травления, чтобы вытравить глубокие поры в кремниевой структуре, а поры заполняются электролитом или диэлектрическим материалом с высокой диэлектрической проницаемостью и/или тонкой проводящей пленкой в комбинации с электролитом.WO 2011/123135 discloses three-dimensional structures for forming electrochemical capacitors with a high energy density. Some of the disclosed embodiments use a wet etching process to etch deep pores in a silicon structure, and the pores are filled with an electrolyte or a dielectric material with high dielectric constant and / or a thin conductive film in combination with an electrolyte.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Раскрываемые варианты осуществления изобретения будут более понятными после прочтения последующего подробного описания, сделанного во взаимосвязи с прилагаемыми фигурами на чертежах, в которых:The disclosed embodiments of the invention will be more apparent after reading the following detailed description made in conjunction with the accompanying figures in the drawings, in which:

Фиг. 1 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 1 is a sectional side view illustrating an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 2 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим электрический двойной слой внутри пористой структуры устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 2 is a side sectional view illustrating an electric double layer inside a porous structure of an energy storage device in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 3 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (1011), в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 3 is a cross-sectional side view illustrating a porous structure formed on a silicon surface (1011) in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 4 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 4 is a sectional side view illustrating an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 5 является крупным планом бокового вида в разрезе, иллюстрирующим главный канал в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 5 is a close-up side view of a sectional view illustrating a main channel in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 6 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим изображение пористой структуры, сформированной в кремниевой поверхности (322)в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 6 is a cross-sectional side view illustrating an image of a porous structure formed in a silicon surface (322) in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 7 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (111), в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 7 is a sectional side view illustrating a porous structure formed in a silicon surface (111) according to an embodiment of the invention.

Фиг. 8 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 8 is a process flow diagram illustrating a method of forming a porous electrode in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 9-10 являются схематическими боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру в соответствии с вариантами осуществления изобретения.FIG. 9-10 are schematic sectional side views illustrating a porous structure in accordance with embodiments of the invention.

Фиг. 11 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 11 is a process flow diagram illustrating a method of forming a porous electrode in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 12-13 являются схематическими боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру, в соответствии с вариантами осуществления изобретения; а также способ электрохимического травления пористой структуры в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 12-13 are schematic sectional side views illustrating a porous structure in accordance with embodiments of the invention; as well as a method for electrochemical etching of a porous structure in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 14 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода с матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 14 is a process flow diagram illustrating a method of forming a porous electrode with a matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses, in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 15 является видом сверху, иллюстрирующим линии шаблона матрицы, сформированной над подложкой в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 15 is a plan view illustrating lines of a pattern of a matrix formed over a substrate in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 16 является видом сверху, иллюстрирующим матрицу V-образных канавок и углублений, сформированных в подложке в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 16 is a plan view illustrating a matrix of V-grooves and recesses formed in a substrate in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 17 является видом сверху, иллюстрирующим линии шаблона матрицы, сформированной над подложкой в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 17 is a plan view illustrating lines of a pattern of a matrix formed over a substrate in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 18 является видом сверху, иллюстрирующим матрицу пирамидальных углублений, сформированную в подложке в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 18 is a plan view illustrating a matrix of pyramidal recesses formed in a substrate in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 19 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 19 is a sectional side view illustrating a porous structure of an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 20 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 20 is a sectional side view illustrating a porous structure of an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 21 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 21 is a cross-sectional side view illustrating an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 22 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 22 is a flowchart illustrating a method of forming an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 23А-23В являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими устройство для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения.FIG. 23A-23B are cross-sectional side views illustrating an energy storage device in accordance with embodiments of the invention.

Фиг. 24 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 24 is a process flow diagram illustrating a method of forming an energy storage device according to an embodiment of the invention.

Фиг. 25 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, освобожденную из токопроводящей подложки в ванне для электрохимического травления в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 25 is a cross-sectional side view illustrating a porous structure released from a conductive substrate in an electrochemical etching bath in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 26 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильное электронное устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 26 is a block diagram illustrating a mobile electronic device in accordance with an embodiment of the invention.

Фиг. 27 является блок-схемой, иллюстрирующей микроэлектронное устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.FIG. 27 is a block diagram illustrating a microelectronic device in accordance with an embodiment of the invention.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Для простоты и ясности иллюстрации фигуры чертежей иллюстрируют общий принцип конструкции, а описания и подробности хорошо известных признаков и технологий могут быть пропущены, чтобы избежать необязательного внесения неопределенности в обсуждение описываемых вариантов осуществления изобретения. Кроме того, элементы на чертежах необязательно изображены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на фигурах могут быть увеличенными по отношению к другим элементам, чтобы помочь улучшить понимание вариантов осуществления настоящего изобретения. Определенные фигуры могут быть показаны идеализированным образом, для того чтобы помочь лучшему пониманию, например в таких случаях, когда структуры изображаются имеющими прямые линии, острые углы, и/или параллельные плоскости, или аналогичные параметры, которые в реальных условиях были бы вероятно значительно менее симметричными и упорядоченными. Те же самые цифровые позиции на различных фигурах обозначают те же самые элементы, в то время как аналогичные цифровые позиции могут, но необязательно, обозначать аналогичные элементы.For simplicity and clarity, the figures illustrate the general construction principle, and descriptions and details of well-known features and technologies may be omitted to avoid unnecessarily introducing ambiguity into the discussion of the described embodiments of the invention. In addition, elements in the drawings are not necessarily shown to scale. For example, the dimensions of some elements in the figures may be increased in relation to other elements to help improve understanding of embodiments of the present invention. Certain shapes can be shown in an idealized way in order to help a better understanding, for example, in cases where structures are depicted having straight lines, sharp angles, and / or parallel planes, or similar parameters that would probably be significantly less symmetrical in real conditions and orderly. The same numeric positions in different figures indicate the same elements, while similar digital positions may, but not necessarily, indicate similar elements.

Термины «первый», «второй», «третий», «четвертый» и подобные термины в описании и в формуле изобретения, если это имеет место, используются для различения между аналогичными элементами, и необязательно для описания особого порядка последовательности или хронологического порядка. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в определенных обстоятельствах, таким образом, описываемые здесь варианты осуществления изобретения, например, имеют способность выполнения операций в последовательностях, которые отличаются от тех, которые иллюстрируются или другим способом описываются здесь. Аналогичным образом, если способ описывается здесь как содержащий последовательность шагов, то порядок таких шагов, представленный здесь, необязательно является единственным порядком, в соответствии с которым такие шаги могут выполняться, при этом определенные шаги из установленных шагов возможно могут быть пропущены и/или определенные другие шаги, не описанные здесь, возможно могут быть добавлены к способу. Кроме того, термины «содержать», «включать в себя», «иметь» и любые их вариации предназначаются для того, чтобы включать в себя неисключительное добавление, такое как процесс, способ, продукт, или устройство, которые содержат список элементов, при этом он необязательно ограничивается этими элементами, но может включать в себя другие элементы, которые определенно не внесены в список или необязательно присущи такому процессу, способу, продукту, или устройству.The terms “first”, “second”, “third”, “fourth” and similar terms in the description and in the claims, if any, are used to distinguish between similar elements, and not necessarily to describe a special sequence order or chronological order. It should be understood that the terms used in this way are interchangeable in certain circumstances, thus the embodiments described herein, for example, have the ability to perform operations in sequences that differ from those illustrated or otherwise described herein. Similarly, if the method is described here as containing a sequence of steps, then the order of such steps presented here is not necessarily the only order in which such steps can be performed, while certain steps from the established steps may possibly be skipped and / or certain other steps not described here may possibly be added to the method. In addition, the terms “comprise,” “include,” “have,” and any variations thereof, are intended to include a non-exclusive addition, such as a process, method, product, or device, that contain a list of elements, wherein it is not necessarily limited to these elements, but may include other elements that are not specifically listed or not necessarily inherent in such a process, method, product, or device.

Термины «левый», «правый», «передний», «задний», «верхний», «нижний», «над», «под» и подобные термины в описании и в формуле изобретения, если это имеет место, используются для описательных целей и необязательно используются для описания постоянных относительных положений, до тех пор, пока это не обозначается иным образом, или специально, или в контексте. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в определенных обстоятельствах, таким образом, описываемые здесь варианты осуществления изобретения, например, имеют способность выполнения операций в других ориентациях, по сравнению с теми, которые иллюстрируются или иным образом описываются здесь. Термин «соединенный», как он используется здесь, определяется как соединенный непосредственно или не напрямую электрическим или не электрическим способом. Описанные здесь объекты, как являющиеся «смежными» по отношению друг к другу, могут находиться в физическом контакте друг с другом, в непосредственной близости друг от друга, или в той же самой общей области или сфере, как по отношению друг к другу, так и подходящим образом для контекста, в котором эта фраза используется. Наличие здесь фразы «в одном варианте осуществления изобретения» необязательно всегда относится к тому же самому варианту осуществления изобретения.The terms “left”, “right”, “front”, “rear”, “upper”, “lower”, “above”, “under” and similar terms in the description and in the claims, if any, are used for descriptive purposes and are not necessarily used to describe permanent relative positions, unless otherwise indicated otherwise, either specifically or in context. It should be understood that the terms used in this way are interchangeable in certain circumstances, thus, the embodiments of the invention described herein, for example, have the ability to perform operations in different orientations compared to those illustrated or otherwise described here. The term “connected”, as used here, is defined as connected directly or indirectly by electrical or non-electrical means. The objects described here, as being “adjacent” to each other, can be in physical contact with each other, in close proximity to each other, or in the same general area or sphere, both in relation to each other and appropriate for the context in which the phrase is used. The presence of the phrase “in one embodiment of the invention” here does not necessarily always refer to the same embodiment of the invention.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, в котором площадь поверхности пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей структуры, увеличивается за счет формирования главных каналов вдоль направления плоскости кристалла в электропроводящей структуре. В варианте осуществления изобретения каждый из главных каналов проходит в электропроводящей структуре вдоль направления плоскости кристалла, ориентированного под острым углом к главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения боковые каналы проходят от боковой поверхности каждого из главных каналов в электропроводящей структуре, например, вдоль направления тока травления в ванне для электрохимического травления.In one aspect, embodiments of the invention describe an energy storage device and a method of forming an energy storage device in which the surface area of a porous structure containing a plurality of main channels within the electrically conductive structure is increased by forming the main channels along the direction of the crystal plane in the electrically conductive structure. In an embodiment of the invention, each of the main channels extends in an electrically conductive structure along the direction of the plane of the crystal, oriented at an acute angle to the main surface of the porous structure. In an embodiment of the invention, the side channels extend from the side surface of each of the main channels in the electrically conductive structure, for example, along the direction of the etching current in the bath for electrochemical etching.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с уменьшенной длиной пути диффузии. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов, которые являются линейно конусообразными. Например, линейно конусообразные главные каналы могут быть сформированы за счет изменения тока травления при электрохимическом травлении нелинейным образом. В другом варианте осуществления изобретения ток травления при электрохимическом травлении может изменяться нелинейно, чтобы образовывать резервуары во множестве главных каналов. Такие структуры могут уменьшать длину пути диффузии для ионов, что уменьшает постоянную времени диффузии и делает возможным работу таких устройств для хранения энергии при более высокой мощности.In one aspect, embodiments of the invention describe an energy storage device and a method of forming an energy storage device with a reduced diffusion path length. In an embodiment of the invention, the energy storage device includes a porous structure comprising a plurality of main channels that are linearly conical. For example, linearly conical main channels can be formed by changing the etching current during electrochemical etching in a nonlinear manner. In another embodiment of the invention, the etching current during electrochemical etching can vary non-linearly to form reservoirs in a plurality of main channels. Such structures can reduce the diffusion path length for ions, which reduces the diffusion time constant and makes it possible for such energy storage devices to operate at a higher power.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с усиленной пористой структурой. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов, которые включают в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения изменение вторичного тока травления при электрохимическом травлении накладывается на изменение первичного тока травления при электрохимическом травлении. Например, изменение вторичного тока травления при электрохимическом травлении может быть линейным добавлением синусоидальной функции. Такое синусоидальное изменение может устранить резкие изменения в пористости, что уменьшает концентрации напряжения и упрочняет пористую структуру.In one aspect, embodiments of the invention describe an energy storage device and a method of forming an energy storage device with an enhanced porous structure. In an embodiment of the invention, the energy storage device includes a porous structure comprising a plurality of main channels, which include a primary surface shape and a secondary surface shape superimposed on the primary surface shape. In an embodiment of the invention, a change in the secondary etching current during electrochemical etching is superimposed on a change in the primary etching current during electrochemical etching. For example, a change in the secondary etching current during electrochemical etching can be a linear addition of a sinusoidal function. Such a sinusoidal change can eliminate sharp changes in porosity, which reduces stress concentration and strengthens the porous structure.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, в котором условия электрохимического травления являются контролируемыми, для уменьшения размера пор, таким образом увеличивая площадь пористой поверхности и электрическую емкость устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления функционирует приблизительно при комнатной или меньшей температуре. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения алкоголь может быть или изопропиловым, или этиловым алкоголем.In one aspect, embodiments of the invention describe an energy storage device and a method of forming an energy storage device in which the electrochemical etching conditions are controlled to reduce pore size, thereby increasing the porous surface area and electric capacity of the energy storage device. In an embodiment of the invention, the electrochemical pickling bath operates at about room or lower temperature. In an embodiment of the invention, the electrochemical pickling bath contains a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1, or with a higher concentration of HF. In an embodiment of the invention, the alcohol may be either isopropyl or ethyl alcohol.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с уменьшенным эффективным последовательным сопротивлением за счет увеличения площади поверхности между двумя электродами устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения площадь поверхности увеличивается за счет формирования V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной поверхности пористой структуры в одной или обеих структурах пористого электрода.In one aspect, embodiments of the invention describe an energy storage device and a method of forming an energy storage device with reduced effective series resistance by increasing the surface area between two electrodes of the energy storage device. In an embodiment of the invention, the surface area increases due to the formation of V-grooves or pyramidal recesses in the main surface of the porous structure in one or both structures of the porous electrode.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают способ с использованием гибридного материала для формирования устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения первый пористый электрод формируется за счет электрохимического травления пористой структуры в электропроводящей подложке. В варианте осуществления изобретения первый пористый электрод может интегрироваться с другой схемой в электропроводящей подложке. Разделитель и второй пористый электрод могут затем откладываться на первый пористый электрод, используя технологию тонкопленочного отложения.In one aspect, embodiments of the invention describe a method using a hybrid material to form an energy storage device. In an embodiment of the invention, the first porous electrode is formed by electrochemical etching of the porous structure in the electrically conductive substrate. In an embodiment of the invention, the first porous electrode may integrate with another circuit in an electrically conductive substrate. The separator and the second porous electrode can then be deposited on the first porous electrode using thin film deposition technology.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, использующие режим электрохимического травления для получения свободностоящих пористых структур. В варианте осуществления изобретения пористая структура формируется в электропроводящей подложке, погруженной в ванну для электрохимического травления, после чего следует увеличение тока для электрохимического травления, чтобы освободить пористую структуру из электропроводящей подложки. Освобожденная пористая структура затем соединяется со слоем разделителя и второй пористой структурой, чтобы образовать устройство для хранения энергии.In one aspect, embodiments of the invention describe an energy storage device and a method of forming an energy storage device using an electrochemical etching mode to obtain free-standing porous structures. In an embodiment of the invention, a porous structure is formed in an electrically conductive substrate immersed in a bath for electrochemical etching, followed by an increase in current for electrochemical etching to release the porous structure from the electrically conductive substrate. The released porous structure is then connected to the separator layer and the second porous structure to form an energy storage device.

Хотя в значительной степени это обсуждение будет фокусироваться на электрохимических конденсаторах (включая ионисторы и электрические двухслойные конденсаторы), подробное обозначение «устройство для хранения энергии» включает в себя в добавление к электрохимическим конденсаторам (ECs), гибридным ЕС также батареи, топливные элементы и аналогичные устройства, которые сохраняют энергию. Устройства для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения могут использоваться для широкого многообразия применений, включающих в себя автомобили, автобусы, поезда, самолеты, другие транспортные средства, бытовые устройства для хранения энергии, устройства сохранения энергии, генерированной солнечными или ветряными генераторами энергии (особенно устройства для поглощения энергии), и множество других.Although much of this discussion will focus on electrochemical capacitors (including ionistors and double-layer electric capacitors), the detailed designation “energy storage device” includes in addition to electrochemical capacitors (ECs), hybrid ECs also batteries, fuel cells and similar devices that save energy. Energy storage devices in accordance with embodiments of the invention can be used for a wide variety of applications, including automobiles, buses, trains, airplanes, other vehicles, household energy storage devices, energy storage devices generated by solar or wind energy generators (especially energy absorption devices), and many others.

Электрохимические конденсаторы работают в соответствии с принципами, аналогичными тем, которые управляют традиционными конденсаторами с параллельными пластинами, но на них распространяются определенные важные отличия. Одно значительное различие заключается в механизме разделения зарядов. Для одного важного класса электрохимических конденсаторов оно обычно принимает форму так называемого электрического двойного слоя, или EDL, в большей степени, чем диэлектрического или традиционного конденсатора. Электрический двойной слой (EDL) создается за счет электрохимического поведения ионов на поверхности раздела между электродом с сильно развитой поверхностью и электролитом, и полученным в результате эффективным разделением заряда, несмотря на тот факт, что слои находятся так близко друг к другу. (Расстояния физического разделения составляют порядка единственного нанометра). Таким образом, может считаться, что типичный электрический двухслойный конденсатор (EDLC) сохраняет заряд в электрическом двойном слое. Каждый слой EDL является электропроводящим, но свойства этого двойного слоя предотвращают протекание тока через границу между ними. (EDL дополнительно будет обсуждаться ниже во взаимодействии с фиг. 2).Electrochemical capacitors operate in accordance with principles similar to those used for traditional parallel plate capacitors, but they are subject to certain important differences. One significant difference is the charge separation mechanism. For one important class of electrochemical capacitors, it usually takes the form of the so-called electric double layer, or EDL, to a greater extent than a dielectric or traditional capacitor. An electric double layer (EDL) is created by the electrochemical behavior of ions on the interface between an electrode with a highly developed surface and an electrolyte, and the resulting effective charge separation, despite the fact that the layers are so close to each other. (The distances of physical separation are of the order of a single nanometer). Thus, it can be considered that a typical electric double layer capacitor (EDLC) stores charge in the electric double layer. Each EDL layer is electrically conductive, but the properties of this double layer prevent current from flowing through the boundary between them. (EDL will be further discussed below in conjunction with FIG. 2).

Также для традиционных конденсаторов верно то, что емкость в электрическом двухслойном конденсаторе пропорциональна площади поверхности электродов и обратно пропорциональна расстоянию разделения зарядов. Очень высокие емкости могут достигаться в электрическом двухслойном конденсаторе частично благодаря очень высокой площади поверхности, свойственной многоканальной пористой структуре и расстоянию разделения зарядов нанометрового масштаба, свойственного электрическому двойному слою, которые увеличиваются благодаря присутствию электролита, как объяснялось выше. Один из типов электролита, который может использоваться в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является ионная жидкость. Другим типом является электролит, включающий в себя ионосодержащий растворитель. Также возможно использование органических электролитов, водяных электролитов, и твердотельных электролитов.It is also true for traditional capacitors that the capacitance in an electric two-layer capacitor is proportional to the surface area of the electrodes and inversely proportional to the separation distance of the charges. Very high capacities can be achieved in an electric two-layer capacitor in part due to the very high surface area inherent in the multichannel porous structure and the separation distance of nanometer-scale charges inherent in the electric double layer, which increase due to the presence of an electrolyte, as explained above. One type of electrolyte that can be used in accordance with embodiments of the invention is an ionic liquid. Another type is an electrolyte including an ion-containing solvent. It is also possible to use organic electrolytes, aqueous electrolytes, and solid state electrolytes.

Другим классом электрохимических конденсаторов является ионистор, в котором в добавление к емкости электрического двойного слоя появляется дополнительный механизм хранения - одним из которых является Фарадеевский, а не электростатический по происхождению - может увеличить поверхность определенных типов электродов. Дополнительный механизм хранения обычно определяется как «электрическая псевдоемкость» и характеризуется процессом сохранения заряда, который аналогичен функционированию многих батарей с твердым электродом. Два механизма хранения дополняют друг друга, и приводят даже к большему потенциалу сохранения энергии, чем тот, который возможен при использовании только емкости электрического двойного слоя. Обычно один из этих электродов ионистора покрывается промежуточным слоем оксида металла, таким как MnO2, RuO2, NiOx, Nb2O5, V2O5, и т.д., или другими материалами, включающими в себя Mo2N, VN, W2N, W2C (карбид вольфрама), Мо2С, VC, подходящий электропроводящий полимер, или аналогичный материал. Эти материалы могут использоваться с электролитом, таким как раствор гидроксида калия (КОН); при этом, когда устройство заряжается, электролит будет реагировать с материалом и запускать реакцию перемещения заряда туда, где сохраняется энергия. Если более точно, то эти материалы сохраняют большую часть их энергии за счет высокореверсивной поверхности и переноса электронов в приповерхностном слое (например, окислительно-восстановительных (фарадеевских) реакций), которые позволяют получить более высокую мощность, чем неупорядоченное хранение в традиционных батареях, благодаря быстрой кинематике заряда и разряда.Another class of electrochemical capacitors is the ionistor, in which, in addition to the capacity of the electric double layer, an additional storage mechanism appears - one of which is Faraday, and not electrostatic in origin - can increase the surface of certain types of electrodes. An additional storage mechanism is usually defined as “electrical pseudo-capacity” and is characterized by a charge storage process, which is similar to the operation of many solid electrode batteries. Two storage mechanisms complement each other, and lead to even greater potential for energy conservation than that which is possible when using only the capacity of the electric double layer. Typically one of these electrodes is covered by an intermediate layer supercapacitors metal oxide such as MnO 2, RuO 2, NiO x, Nb 2 O 5, V 2 O 5, etc., or other materials, which include Mo 2 N, VN, W 2 N, W 2 C (tungsten carbide), Mo 2 C, VC, a suitable electrically conductive polymer, or similar material. These materials can be used with an electrolyte such as potassium hydroxide (KOH); in this case, when the device is charging, the electrolyte will react with the material and start the reaction of charge movement to where the energy is stored. More precisely, these materials retain a large part of their energy due to a highly reversible surface and electron transfer in the surface layer (for example, redox (Faraday) reactions), which allow higher power than random storage in traditional batteries, due to the fast kinematics of charge and discharge.

Должно быть понятно, что ионисторы могут создаваться с использованием других электролитов, отличающихся от упоминавшихся выше. Например, ионосодержащие растворители, такие как Li2SO4 или LiPF6 могут использоваться в качестве электролитов; их использование приводит к реакции интеркалирования, которая вызывает вставление изотопов в поверхность исходной структуры без нарушения каких-либо связей. Эта реакция, подобно другим упоминавшимся ранее реакциям электрической псевдоемкости, приводит в результате к переносу заряда таким образом, что он фактически является фарадеевским и рассматривается как окислительно-восстановительная реакция, хотя и окислительно-восстановительная реакция особого типа.It should be understood that ionistors can be created using other electrolytes other than those mentioned above. For example, ionic solvents such as Li 2 SO 4 or LiPF 6 can be used as electrolytes; their use leads to an intercalation reaction, which causes the insertion of isotopes into the surface of the original structure without breaking any bonds. This reaction, like the other electric pseudocapacitance reactions mentioned earlier, results in charge transfer in such a way that it is actually Faraday and is considered as a redox reaction, although it is a redox reaction of a special type.

Гибриды электрохимических конденсаторов являются устройствами для хранения энергии, которые объединяют характерные свойства электрохимических конденсаторов (ЕС) и батарей. В одном примере электрод, покрытый ионно-литиевым материалом, объединяется с электрохимическим конденсатором, для того чтобы создавать устройство, которое имеет быстрый обмен и характеристики обмена, как у ЕС, и высокую плотность энергии, как у батареи. С другой стороны, гибридные ЕС, аналогично батареям, имеют более короткий срок службы по сравнению с электрохимическими конденсаторами.Hybrid electrochemical capacitors are energy storage devices that combine the characteristic properties of electrochemical capacitors (EC) and batteries. In one example, an electrode coated with a lithium-ion material is combined with an electrochemical capacitor in order to create a device that has a fast exchange and exchange characteristics, like the EU, and a high energy density, like a battery. On the other hand, hybrid ECs, like batteries, have a shorter service life compared to electrochemical capacitors.

Фиг. 1 является боковым видом в разрезе устройства 100 для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , устройство 100 для хранения энергии содержит электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120, разделенные между собой разделителем 130, который является электрическим изолятором и ионным проводником. Разделитель 130 предотвращает физическое соприкосновение между собой электропроводящих структур 110 и 120, для того чтобы предотвращать электрическое короткое замыкание. Например, разделитель 130 может быть проницаемой мембраной или другим пористым полимерным разделителем. В целом разделитель предотвращает физическое соприкосновение анода и катода (что вызовет электрическую неисправность устройства), в то же время позволяя перенос носителей ионного заряда. В добавление к полимерным разделителям возможны также некоторые другие типы разделителей. Они включают в себя листы из волокнистого листового материала, жидкостные мембраны, полимерные электролиты, твердые ионные проводники, и подобные материалы. В других вариантах осуществления изобретения разделитель не является обязательным и может не использоваться.FIG. 1 is a side sectional view of an energy storage device 100 in accordance with embodiments of the invention. As illustrated in FIG. , the energy storage device 100 comprises an electrically conductive structure 110 and an electrically conductive structure 120 separated by a spacer 130, which is an electrical insulator and an ionic conductor. The separator 130 prevents physical contact between the electrically conductive structures 110 and 120, in order to prevent electrical short circuit. For example, the spacer 130 may be a permeable membrane or other porous polymer spacer. In general, the separator prevents physical contact between the anode and cathode (which will cause an electrical failure of the device), while at the same time allowing the transfer of ion charge carriers. In addition to polymer separators, several other types of separators are also possible. These include sheets of fibrous sheet material, liquid membranes, polymer electrolytes, solid ionic conductors, and the like. In other embodiments, a separator is optional and may not be used.

По меньшей мере одна из электропроводящих структур, т.е. 110 или 120, содержит пористую структуру. В проиллюстрированном на фиг. 1 варианте осуществления изобретения обе электропроводящие структуры содержат электропроводящую пористую структуру. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, пористые структуры содержат множество главных каналов 111 и 121, каждый из которых имеет отверстие в главной поверхности соответствующей пористой структуры. Этот признак может быть результатом описанного ниже процесса электрохимического травления, используемого для формирования пористой структуры. Например, пористая структура может быть сформирована внутри электропроводящего материала, например такого как токопроводящий материал или полупроводниковый материал. Альтернативно, пористая структура может быть сформирована внутри изолирующего материала (например, окись алюминия), который был покрыт электропроводящей пленкой (например, электропроводящей пленкой с помощью способа атомно-слоевого осаждения ALD, такой как пленка из нитрида титана (TiN). В этом отношении материалы, имеющие более хорошие электропроводящие свойства, являются предпочтительными, поскольку они имеют более низкое эффективное последовательное сопротивление (ESR). В проиллюстрированных вариантах осуществления изобретения обе электропроводящие структуры, т.е. 110 и 120, содержат такую пористую структуру. Соответственно, электропроводящая структура 110 содержит главные каналы 111 с отверстиями 112 в главной поверхности 115 соответствующей пористой структуры, а электропроводящая структура 120 содержит главные каналы 121 с отверстиями 122 в главной поверхности 125 соответствующей пористой структуры. В тех вариантах осуществления изобретения, где только одна из электропроводящих структур, т.е. 110 или 120, содержит пористую структуру с множеством главных каналов, может быть другая электропроводящая структура, например, металлический электрод, структура из поликристаллического кремния, углерод, материал, основанный на углероде, материал, содержащий ионы лития, или псевдоемкостной материал.At least one of the electrically conductive structures, i.e. 110 or 120, contains a porous structure. As illustrated in FIG. In an embodiment of the invention, both electrically conductive structures comprise an electrically conductive porous structure. In accordance with some embodiments of the invention, the porous structures comprise a plurality of main channels 111 and 121, each of which has an opening in the main surface of the corresponding porous structure. This feature may be the result of the electrochemical etching process described below, used to form a porous structure. For example, a porous structure may be formed inside an electrically conductive material, such as, for example, a conductive material or a semiconductor material. Alternatively, a porous structure may be formed inside an insulating material (eg, alumina) that has been coated with an electrically conductive film (eg, an electrically conductive film using an ALD atomic layer deposition method such as a titanium nitride (TiN) film. In this regard, the materials having better conductive properties are preferred because they have lower effective series resistance (ESR). In the illustrated embodiments, both ele the conductive structures, ie 110 and 120, contain such a porous structure. Accordingly, the conductive structure 110 comprises main channels 111 with holes 112 in the main surface 115 of the corresponding porous structure, and the conductive structure 120 contains main channels 121 with openings 122 in the main surface 125 of the corresponding porous structure In those embodiments of the invention where only one of the electrically conductive structures, i.e. 110 or 120, contains a porous structure with many main channels, there may be another electrically conductive structure, for example, a metal electrode, a polycrystalline silicon structure, carbon, a carbon-based material, a material containing lithium ions, or a pseudocapacitive material.

В варианте осуществления изобретения пористая кремниевая структура может создаваться с помощью травления электропроводящей кремниевой подложки смесью фтористоводородной кислоты и алкоголя в ванне для электрохимического травления. Однако варианты осуществления изобретения не ограничиваются пористыми кремниевыми структурами, также варианты осуществления изобретения не ограничиваются электрохимическим травлением. Электрохимическое травление описывается здесь как один способ формирования пористой структуры в электропроводящей структуре. Помимо пористого кремния, некоторые другие материалы также могут особенно хорошо подходить для устройств для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения, например такие как пористый германий и пористое олово. Возможные преимущества при использовании пористого кремния включают в себя совместимость с существующей кремниевой технологией. Пористый германий обладает аналогичным преимуществом в результате существующей технологии для этого материала, и по сравнению с кремнием, обладает дополнительным возможным преимуществом, заключающимся в том, что природный оксид (оксид германия) является растворимым в воде, и поэтому он легко удаляется. (Природный оксид, который образуется на поверхности кремния, может захватывать заряд, что является нежелательным результатом, особенно в том случае, когда пористость кремния больше, чем приблизительно 20 процентов). Пористый германий также хорошо совместим с кремниевой технологией. Возможные преимущества от использования пористого олова, который является материалом с нулевой запрещенной энергетической зоной, включают в себя увеличенную электропроводимость по отношению к определенным другим электропроводящим и полупроводниковым материалам. Другие материалы также могут использоваться для создания пористой структуры, включая карбид кремния, такие сплавы, как сплав кремния и германия, а также такие металлы, как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден, и марганец.In an embodiment of the invention, a porous silicon structure can be created by etching an electrically conductive silicon substrate with a mixture of hydrofluoric acid and alcohol in an electrochemical etching bath. However, embodiments of the invention are not limited to porous silicon structures, and embodiments of the invention are not limited to electrochemical etching. Electrochemical etching is described here as one way of forming a porous structure in an electrically conductive structure. In addition to porous silicon, some other materials may also be particularly suitable for energy storage devices in accordance with embodiments of the invention, for example, porous germanium and porous tin. Possible advantages when using porous silicon include compatibility with existing silicon technology. Porous germanium has a similar advantage as a result of the existing technology for this material, and compared with silicon, it has the additional possible advantage that natural oxide (germanium oxide) is soluble in water and therefore easily removed. (The natural oxide that forms on the surface of silicon can trap a charge, which is an undesirable result, especially when the porosity of silicon is greater than about 20 percent). Porous germanium is also well compatible with silicon technology. Possible benefits of using porous tin, which is a zero energy gap material, include increased electrical conductivity with respect to certain other electrically conductive and semiconductor materials. Other materials can also be used to create a porous structure, including silicon carbide, alloys such as an alloy of silicon and germanium, as well as metals such as copper, aluminum, nickel, calcium, tungsten, molybdenum, and manganese.

Устройство 100 для хранения энергии может по выбору включать в себя покрытие 140, по меньшей мере, на части пористой структуры и, по меньшей мере, в некоторых главных каналах 111 и/или главных каналах 121. В варианте осуществления изобретения покрытие 140 является диэлектрическим слоем. Диэлектрический слой может быть добавлен для того, чтобы дополнительно увеличивать емкость устройства для хранения энергии, или по другим причинам, например таким как, но не ограничиваясь этим, увеличение пассивации и смачиваемости поверхности. В варианте осуществления изобретения покрытие 140 является электропроводящим покрытием, чтобы поддерживать или увеличивать электропроводимость пористой структуры, или оно может быть полезным в уменьшении эффективного последовательного сопротивления (ESR), таким образом улучшая технические характеристики. Например, устройство, имеющее более низкое ESR, способно подавать более высокую мощность (которая может проявляться в показателях большей приемистости, большего количества лошадиных сил и т.д.). И наоборот, более высокое ESR (состояние, которое преобладает внутри типичной батареи) ограничивает количество доступной энергии, по меньшей мере частично, вследствие того факта, что значительная часть энергии теряется на тепло.The energy storage device 100 may optionally include a coating 140, at least in part of the porous structure and at least in some of the main channels 111 and / or main channels 121. In an embodiment of the invention, the coating 140 is a dielectric layer. A dielectric layer may be added in order to further increase the capacity of the energy storage device, or for other reasons, such as, but not limited to, increasing the passivation and wettability of the surface. In an embodiment of the invention, coating 140 is an electrically conductive coating to maintain or increase the electrical conductivity of the porous structure, or it may be useful in reducing the effective series resistance (ESR), thereby improving technical characteristics. For example, a device having a lower ESR is capable of delivering higher power (which can be manifested in terms of greater throttle response, more horsepower, etc.). Conversely, a higher ESR (the state that prevails within a typical battery) limits the amount of available energy, at least in part, due to the fact that a significant part of the energy is wasted on heat.

На фиг. 1 также иллюстрируется электролит 150, который обусловливает электрический двойной слой (EDL). Этот электрический двойной слой схематически изображен на фиг. 2. Как иллюстрируется на фиг. 2, EDL 230 был сформирован внутри одного из главных каналов 111. EDL 230 выполнен из двух слоев заряда, один из которых является электрическим зарядом боковых стенок главного канала 111 (изображен как положительный на фиг. 2, но также может быть отрицательным), а другой образуется за счет свободных ионов электролита. EDL 230 электрически изолирует поверхность, таким образом обеспечивая разделение заряда, необходимое для выполнения функции конденсатора. Большая емкость, и следовательно, потенциал для сохранения энергии электрических двухслойных конденсаторов (EDLC) увеличивается вследствие маленького разделения (приблизительно 1 нм) между ионами электролита и поверхностным зарядом электрода. В некоторых вариантах осуществления изобретения электролит 150 является органическим веществом. Одним из типов электролита, который может быть использован в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является ионный раствор (жидкий или твердый). Другим является электролит (например, Li2SO4, L1PF6), включающий в себя ионосодержащий растворитель. Например, электролит может быть жидким или твердым раствором органических материалов, таких как тетраэтиламмоний тетрафторборат в ацетонитриле. Другие примеры включают в себя растворы, основанные на борной кислоте, декагидрате тетрабората натрия, или слабых органических кислотах. Также возможны органические электролиты и твердотельные электролиты. Электролит 150 (также как и другие электролиты, описанные здесь) представлен на чертежах с использованием случайно расположенных окружностей. Такое представление предполагает передать идею, что электролит является веществом (жидким или твердым, включая гелеобразные материалы), содержащим свободные ионы. Окружности были выбраны для удобства, при этом не предполагается накладывать какое-либо ограничение в отношении компонентов или качеств, включая какое-либо ограничение в отношении размера, формы, или количества ионов.In FIG. 1 also illustrates electrolyte 150, which causes an electric double layer (EDL). This electrical double layer is shown schematically in FIG. 2. As illustrated in FIG. 2, an EDL 230 was formed inside one of the main channels 111. The EDL 230 is made of two charge layers, one of which is the electric charge of the side walls of the main channel 111 (shown as positive in Fig. 2, but can also be negative), and the other formed due to free electrolyte ions. The EDL 230 electrically isolates the surface, thus providing the charge separation necessary to fulfill the function of a capacitor. The large capacitance, and therefore the potential for energy conservation of electric double-layer capacitors (EDLC) increases due to the small separation (approximately 1 nm) between the electrolyte ions and the surface charge of the electrode. In some embodiments, electrolyte 150 is an organic substance. One type of electrolyte that can be used in accordance with embodiments of the invention is an ionic solution (liquid or solid). Another is an electrolyte (e.g., Li 2 SO 4 , L1PF6) including an ion-containing solvent. For example, the electrolyte may be a liquid or solid solution of organic materials such as tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile. Other examples include solutions based on boric acid, sodium tetraborate decahydrate, or weak organic acids. Organic electrolytes and solid state electrolytes are also possible. Electrolyte 150 (as well as other electrolytes described herein) is shown in the drawings using randomly arranged circles. This idea suggests conveying the idea that the electrolyte is a substance (liquid or solid, including gel-like materials) containing free ions. The circles were chosen for convenience, and it is not intended to impose any limitation on the components or qualities, including any limitation on the size, shape, or number of ions.

Следует также отметить, что изображения пористых структур на фиг. 1 являются в значительной степени идеализированными, если упомянуть только один пример, состоящий в том, что все главные каналы 111 и 121 показаны проходящими в единственном направлении. В реальности главные каналы могут иметь необработанные поверхности и могут ответвляться во множестве направлений. Показательные пористые структуры изображены на фиг. 3 и фиг. 6-7. Аналогичным образом, поверхности главных каналов 111 на фиг. 2 иллюстрируются как необработанные.It should also be noted that images of porous structures in FIG. 1 are substantially idealized, to mention only one example, consisting in the fact that all the main channels 111 and 121 are shown passing in a single direction. In reality, the main channels can have untreated surfaces and can branch in many directions. Exemplary porous structures are depicted in FIG. 3 and FIG. 6-7. Similarly, the surfaces of the main channels 111 in FIG. 2 are illustrated as untreated.

В варианте осуществления изобретения пористая структура электропроводящей структуры 110 и/или 120 содержит множество главных каналов 111, 121 внутри электропроводящей структуры 110, 120, и каждый из главных каналов имеет отверстие 112, 122 на главной поверхности 115, 125 соответствующей пористой структуры, при этом каждый из главных каналов 111, 121 проходит в электропроводящей структуре 110, 120 под острым углом к главной поверхности 115, 125. Множество главных каналов 111, 121 может быть ориентировано по линии передачи тока за счет травления в электропроводящей структуре в направлении локального течения тока во время электрохимического травления, или множество главных каналов 111, 121 может быть, предпочтительно, вытравлено в кристаллографическом направлении в электропроводящей структуре. В варианте осуществления изобретения главная поверхность 115 является поверхностью (1011), а каждый из главных каналов 111 проходит в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <100> плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности, как показано на иллюстрации с боковым видом в разрезе на фиг. 3. В варианте осуществления изобретения боковые каналы проходят об боковой поверхности каждого из главных каналов в пористой структуре. Фиг. 4 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство 100 для хранения энергии, аналогичное устройству, проиллюстрированному на фиг. 1, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , пористые структуры электропроводящих структур 110 и/или 120 содержат множество главных каналов 111, 121, при этом каждый канал из множества главных каналов имеет отверстие 112, 122 на главной поверхности 115, 125 соответствующей пористой структуры. Кроме того, боковые каналы 117, 127 формируются в боковой поверхности главных каналов 111, 121 и главных поверхностей 115,125.In an embodiment of the invention, the porous structure of the electrically conductive structure 110 and / or 120 comprises a plurality of main channels 111, 121 inside the electrically conductive structure 110, 120, and each of the main channels has an opening 112, 122 on a major surface 115, 125 of a corresponding porous structure, each of the main channels 111, 121 passes in an electrically conductive structure 110, 120 at an acute angle to the main surface 115, 125. Many of the main channels 111, 121 can be oriented along the current transmission line due to etching in the electrically conductive st a structure in the direction of the local current flow during electrochemical etching, or the plurality of main channels 111, 121 can preferably be etched in a crystallographic direction in an electrically conductive structure. In an embodiment of the invention, the main surface 115 is the surface (1011), and each of the main channels 111 extends in the electrically conductive structure 110 along the direction <100> of the crystal plane at an acute angle to the main surface, as shown in the sectional side view of FIG. 3. In an embodiment of the invention, the side channels extend over the side surface of each of the main channels in the porous structure. FIG. 4 is a cross-sectional side view illustrating an energy storage device 100 similar to the device illustrated in FIG. 1, in accordance with embodiments of the invention. As illustrated in FIG. , the porous structures of the electrically conductive structures 110 and / or 120 comprise a plurality of main channels 111, 121, wherein each channel of the plurality of main channels has an opening 112, 122 on a main surface 115, 125 of a corresponding porous structure. In addition, the side channels 117, 127 are formed in the side surface of the main channels 111, 121 and the main surfaces 115,125.

Фиг. 5 является крупным планом бокового вида в разрезе, иллюстрирующим главный канал 111, сформированный в электропроводящей структуре 110, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. 5, боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111 В, как противоположные боковой поверхности 111 А. В варианте осуществления изобретения предпочтительная формация боковых каналов 117 выполняется вдоль направления течения тока во время электрохимического травления. Фиг. 6 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим изображение пористой структуры, сформированной в кремниевой поверхности (322), в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , главные каналы 111 проходят в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <100> плоскости кристалла под острым углом (322) к главной поверхности 115 пористой структуры. Боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111В, соответствующей боковой поверхности 111 А. Фиг. 7 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (111), в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , главные каналы 111 проходят в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <113> плоскости кристалла под острым углом к направлению (111) главной поверхности 115 пористой структуры. Боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111В, соответствующей боковой поверхности 111А. В другом варианте осуществления изобретения главные каналы проходят в электропроводящей (5512) подложке вдоль направления <100> плоскости кристалла.FIG. 5 is a close-up side view of a sectional view illustrating a main channel 111 formed in an electrically conductive structure 110, in accordance with an embodiment of the invention. As illustrated in FIG. 5, the side channels 117 are preferably formed in the side surface 111 B as opposed to the side surface 111 A. In an embodiment of the invention, the preferred formation of the side channels 117 is along the direction of current flow during electrochemical etching. FIG. 6 is a sectional side view illustrating an image of a porous structure formed in a silicon surface (322), in accordance with an embodiment of the invention. As illustrated in FIG. , the main channels 111 extend in the electrically conductive structure 110 along the direction <100> of the crystal plane at an acute angle (322) to the main surface 115 of the porous structure. Side channels 117 are preferably formed in a side surface 111B corresponding to a side surface 111 A. FIG. 7 is a sectional side view illustrating a porous structure formed in a silicon surface (111) according to an embodiment of the invention. As illustrated in FIG. , the main channels 111 extend in the electrically conductive structure 110 along the direction <113> of the crystal plane at an acute angle to the direction (111) of the main surface 115 of the porous structure. Side channels 117 are preferably formed in a side surface 111B corresponding to a side surface 111A. In another embodiment, the main channels extend in an electrically conductive (5512) substrate along the direction <100> of the crystal plane.

Как показано на фиг. 1 и 4, устройство 100 для хранения энергии включает в себя первую пористую структуру, вторую пористую структуру, а также разделитель 130 между первой и второй пористыми, структурами. Вторая пористая структура может содержать множество вторых главных каналов 121, проходящих во второй электропроводящей структуре 120 под вторым острым углом ко второй главной поверхности 125, при этом каждый из множества вторых главных каналов имеет второе отверстие 122 на второй главной поверхности 125. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов 111 первой пористой структуры и множество главных каналов 121 второй пористой структуры параллельны друг другу. Например, главные поверхности 115, 125 могут формироваться вдоль той же самой кристаллографической плоскости. В варианте осуществления изобретения главная поверхность формируется вдоль (1011), (322), (111), или (5512) кристаллографической плоскости.As shown in FIG. 1 and 4, the energy storage device 100 includes a first porous structure, a second porous structure, and a separator 130 between the first and second porous structures. The second porous structure may comprise a plurality of second main channels 121 extending in the second electrically conductive structure 120 at a second acute angle to the second main surface 125, with each of the many second main channels having a second opening 122 on the second main surface 125. In an embodiment of the invention, the plurality the main channels 111 of the first porous structure and the plurality of main channels 121 of the second porous structure are parallel to each other. For example, major surfaces 115, 125 may be formed along the same crystallographic plane. In an embodiment of the invention, a main surface is formed along (1011), (322), (111), or (5512) of the crystallographic plane.

Как будет подробно описываться в дальнейшем, главные каналы могут быть сформированы таким образом, чтобы уменьшать постоянную времени диффузии. В варианте осуществления изобретения главные каналы линейно конические. В варианте осуществления изобретения главные каналы включают в себя резервуары. Например, главные каналы могут включать в себя форму в виде песочных часов с чередующимися областями резервуаров и соединительными областями, при этом области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области.As will be described in detail below, the main channels can be formed in such a way as to reduce the diffusion time constant. In an embodiment of the invention, the main channels are linearly conical. In an embodiment of the invention, the main channels include reservoirs. For example, the main channels may include an hourglass shape with alternating reservoir areas and connecting regions, wherein the reservoir regions are wider than the connecting regions.

Как будет подробно описываться в дальнейшем, главные каналы могут быть сформированы таким образом, чтобы укреплять пористую структуру. Например, множество главных каналов может включать в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, накладываемую на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения первичная форма поверхности является линейной или линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. Такое синусоидальное изменение формы может устранять резкие изменения пористости, которые уменьшают концентрацию напряжений и упрочняют структуру пористого электрода.As will be described in detail below, the main channels can be formed in such a way as to strengthen the porous structure. For example, a plurality of main channels may include a primary surface shape and a secondary surface shape superimposed on the primary surface shape. In an embodiment of the invention, the primary surface shape is linear or linearly conical. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape is sinusoidal. Such a sinusoidal shape change can eliminate abrupt changes in porosity, which reduce the concentration of stresses and strengthen the structure of the porous electrode.

Как будет подробно описываться в дальнейшем, условия в ванне для электрохимического травления также могут контролироваться, когда производится травление главных каналов, чтобы уменьшить размер пор и увеличить площадь поверхности за счет уменьшения температуры травления при групповой обработке, и увеличения концентрации фтористоводородной кислоты (HF) ванны для электрохимического травления, чтобы замедлить последовательность окисления и удаления оксида.As will be described in detail below, the conditions in the bath for electrochemical etching can also be controlled when the main channels are etched to reduce pore size and increase surface area by reducing the etching temperature during batch processing and increasing the concentration of hydrofluoric acid (HF) of the bath for electrochemical etching to slow down the oxidation and oxide removal sequence.

Следует принимать во внимание, что хотя многие из следующих изменений описываются отдельно, определенные варианты осуществления изобретения необязательно являются отдельными и могут комбинироваться в соответствующих условиях.It will be appreciated that although many of the following changes are described separately, certain embodiments of the invention are not necessarily separate and may be combined under appropriate conditions.

В варианте осуществления изобретения пористый электрод формируется с помощью электрохимического травления множества главных каналов в электропроводящей подложке, поэтому каждый главный канал имеет отверстие на главной поверхности электропроводящей подложки, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящей подложке под острым углом к главной поверхности. Множество главных каналов может быть сформировано под острым углом вдоль направления протекания тока в ванне для электрохимического травления, или может быть сформировано вдоль направления кристаллографической плоскости в электропроводящей подложке. В варианте осуществления изобретения электрохимическое травление включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, содержащую фтористоводородную кислоту или органический электролит, такой как диметилсульфоксид (DMSO). Процесс электрохимического травления сам по себе является высоко анизотропным, но обычно во время процесса электрохимического травления второй механизм изотропного травления также имеет место с медленной скоростью. Этот второй механизм травления может включать в себя спонтанное окисление электропроводящей подложки (например, кремния) за счет окисляющих молекул, представленных в ванне для электрохимического травления (например воды) и удаление этого полученного оксида фтористоводородной кислотой. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, количество окисляющих молекул в ванне для электрохимического травления уменьшается, для того чтобы понизить скорость механизма изотропного травления, в результате это приводит к увеличенной анизотропности всего травления.In an embodiment of the invention, a porous electrode is formed by electrochemical etching of a plurality of main channels in an electrically conductive substrate, therefore, each main channel has an opening on a major surface of the electrically conductive substrate, and each of the main channels extends at an acute angle to the main surface in the electrically conductive substrate. Many main channels can be formed at an acute angle along the direction of current flow in the bath for electrochemical etching, or can be formed along the direction of the crystallographic plane in the electrically conductive substrate. In an embodiment of the invention, electrochemical etching involves immersing an electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath containing hydrofluoric acid or an organic electrolyte such as dimethyl sulfoxide (DMSO). The electrochemical etching process itself is highly anisotropic, but usually during the electrochemical etching process, the second mechanism of isotropic etching also occurs at a slow speed. This second etching mechanism may include spontaneous oxidation of the electrically conductive substrate (eg, silicon) due to the oxidizing molecules present in the electrochemical etching bath (eg, water) and removal of the resulting oxide with hydrofluoric acid. According to an embodiment of the invention, the number of oxidizing molecules in the bath for electrochemical etching is reduced in order to reduce the speed of the isotropic etching mechanism, resulting in increased anisotropy of the entire etching.

Фиг. 8 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг. , во время операции 810 электропроводящая подложка погружается в ванну для электрохимического травления. Во время операции 820 ток травления прикладывается к электропроводящей подложке. Во время операции 830 ток травления изменяется нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры.FIG. 8 is a process flow diagram illustrating a method of forming a porous electrode in accordance with an embodiment of the invention. As shown in FIG. , during operation 810, the electrically conductive substrate is immersed in a bath for electrochemical etching. During operation 820, an etching current is applied to the electrically conductive substrate. During operation 830, the etching current is changed nonlinearly to create a porous structure containing a plurality of main channels in the electrically conductive substrate, with each of the main channels having an opening on the main surface of the porous structure.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения способ, проиллюстрированный на фиг. 8, может использоваться для формирования устройства для хранения энергии с уменьшенной длиной пути диффузии, что уменьшает постоянную времени диффузии и делает возможным работу таких устройств для хранения энергии при более высокой мощности. Способ, проиллюстрированный на фиг. 8, может также применяться во время формирования пористого электрода, такого как электропроводящие структуры 110 и 120, проиллюстрированные на фиг. 1 и 4, или во время формирования других пористых структур, описываемых ниже, например таких, которые относятся к фиг. 19-21, и фиг. 24-25. В варианте осуществления изобретения изменение тока травления нелинейным образом во время операции 830 включает в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким токами. Например, это может привести к чередующимся областям 910 с резервуаром и соединительным областям 920, как показано в варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 9, где области с резервуаром являются более широкими, чем соединительные области. В варианте осуществления изобретения главные каналы 111 имеют среднюю ширину, приблизительно, 0.05-5 мкм, или более точно, приблизительно 0.2 мкм, и изменение ширины, приблизительно, 0.01-0.25 мкм между областями 910 с резервуаром и соединительными областями 920. В варианте осуществления изобретения изменение тока травления нелинейным образом во время операции 830 включает в себя постоянно снижающийся ток травления. Например, это может привести к боковым стенкам 111A, 111B с внутренней конусностью из главной поверхности 115 к нижней части каждого из главных каналов 111, как показано в варианте осуществления изобретения, проиллюстрированного на фиг. 10. В варианте осуществления изобретения ширина нижней части главного канала 111 в диапазоне между 0.01-0.25 мкм меньше, чем ширина главного канала 111 на главной поверхности 115. Следует принимать во внимание, что в то время как главные каналы 111, проиллюстрированные на фиг. 9-10, расположены под острым углом к главной поверхности, такая иллюстрация является показательной и варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Например, чередующиеся области с резервуаром и соединительные области, как показано на фиг. 9, или боковые стенки с внутренней конусностью, показанные на фиг. 10, могут применяться в вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг. 19-21 и фиг. 23В, где главные каналы иллюстрируются как перпендикулярные к главной поверхности.According to embodiments of the invention, the method illustrated in FIG. 8 can be used to form an energy storage device with a reduced diffusion path length, which reduces the diffusion time constant and makes it possible to operate such energy storage devices at a higher power. The method illustrated in FIG. 8 can also be used during the formation of a porous electrode, such as electrically conductive structures 110 and 120, illustrated in FIG. 1 and 4, or during the formation of other porous structures described below, for example, those related to FIG. 19-21, and FIG. 24-25. In an embodiment of the invention, the change in the etching current in a nonlinear manner during operation 830 includes a change in the etching current in alternating nodes with relatively higher and lower currents. For example, this can lead to alternating regions 910 with the reservoir and connecting regions 920, as shown in the embodiment of the invention illustrated in FIG. 9, where the areas with the tank are wider than the connecting areas. In an embodiment of the invention, the main channels 111 have an average width of approximately 0.05-5 μm, or more precisely, approximately 0.2 μm, and a change in width of approximately 0.01-0.25 μm between the reservoir regions 910 and the connecting regions 920. In an embodiment of the invention the change in the etching current in a nonlinear manner during operation 830 includes a constantly decreasing etching current. For example, this can lead to side walls 111A, 111B with an internal taper from the main surface 115 to the bottom of each of the main channels 111, as shown in the embodiment of the invention illustrated in FIG. 10. In an embodiment of the invention, the width of the lower part of the main channel 111 in the range between 0.01-0.25 μm is smaller than the width of the main channel 111 on the main surface 115. It should be appreciated that while the main channels 111 illustrated in FIG. 9-10 are located at an acute angle to the main surface, such an illustration is indicative and embodiments of the invention are not limited to this. For example, alternating regions with a reservoir and connecting regions, as shown in FIG. 9, or tapering side walls shown in FIG. 10 can be used in the embodiments of the invention illustrated in FIG. 19-21 and FIG. 23B, where the main channels are illustrated as perpendicular to the main surface.

Фиг. 11 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг. 11, во время операции 1110 электропроводящая подложка погружается в ванну для электрохимического травления. Во время операции 1120 ток травления прикладывается к электропроводящей подложке, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, а ток травления включает в себя вторичное изменение тока травления, накладываемое на первичное изменение тока травления.FIG. 11 is a process flow diagram illustrating a method for forming a porous electrode in accordance with an embodiment of the invention. As shown in FIG. 11, during operation 1110, the electrically conductive substrate is immersed in a bath for electrochemical etching. During operation 1120, an etching current is applied to the electrically conductive substrate to create a porous structure containing a plurality of main channels in the electrically conductive substrate, with each of the main channels having an opening on the main surface of the porous structure, and the etching current includes a secondary change in the etching current applied on the primary change in the etching current.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения способ, проиллюстрированный на фиг. 11, может использоваться для формирования устройства для хранения энергии с упрочненной пористой структурой. Способ, проиллюстрированный на фиг. 11, также может использоваться для формирования пористого электрода в таких структурах, как проиллюстрированные на фиг. 1 и 4 электропроводящие структуры 110, 120, или во время формирования других пористых структур, описываемых ниже, например таких, которые относятся к фиг. 19-21 и фиг. 24-25. В варианте осуществления изобретения первичное изменение тока может быть нелинейным изменением тока. В варианте осуществления изобретения нелинейное изменение тока является приближенным к многочлену второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения вторичное изменение тока является линейным добавлением синусоидальной функции. Такое синусоидальное изменение может устранять резкие изменения в пористости, что уменьшает концентрации напряжения и упрочняет пористую структуру. Фиг. 12 является иллюстрацией главного канала 111, включающего в себя боковые стенки 111A, 111B с первичной линейной формой и накладываемой на нее синусоидальной формой, где боковые стенки являются по существу параллельными. Фиг. 13 является иллюстрацией главного канала 111, включающего в себя боковые стенки 111A, 111B с первичной линейной формой и накладываемой на нее синусоидальной формой, где боковые стенки являются конусообразными с внутренней конусностью. В варианте осуществления изобретения главные каналы имеют среднюю ширину, приблизительно, 0.05-5 мкм, или более точно, приблизительно 0.2 мкм, и изменение ширины вдоль накладываемой вторичной формы составляет 2-50 нм, что может быть достаточным для устранения резких изменений пористости и удаления высоких концентраций напряжения. Следует принимать во внимание, что в то время как главные каналы 111, проиллюстрированные на фиг. 12-13, расположены под острым углом к главной поверхности, такая иллюстрация является показательной и варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Например, накладываемые синусоидальные формы, показанные на фиг. 12-13, могут применяться в вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг. 19-21 и фиг. 23В, где главные каналы иллюстрируются как перпендикулярные к главной поверхности.According to embodiments of the invention, the method illustrated in FIG. 11 can be used to form an energy storage device with a reinforced porous structure. The method illustrated in FIG. 11 can also be used to form a porous electrode in structures such as those illustrated in FIG. 1 and 4, the electrically conductive structures 110, 120, or during the formation of other porous structures described below, for example, those related to FIG. 19-21 and FIG. 24-25. In an embodiment of the invention, the primary change in current may be a non-linear change in current. In an embodiment of the invention, the non-linear change in current is close to a second or third order polynomial. In an embodiment of the invention, the secondary current change is a linear addition of a sinusoidal function. Such a sinusoidal change can eliminate sharp changes in porosity, which reduces stress concentration and strengthens the porous structure. FIG. 12 is an illustration of a main channel 111 including side walls 111A, 111B with a primary linear shape and a sinusoidal shape superimposed thereon, where the side walls are substantially parallel. FIG. 13 is an illustration of a main channel 111 including side walls 111A, 111B with a primary linear shape and a sinusoidal shape superimposed on it, where the side walls are conical with an internal taper. In an embodiment of the invention, the main channels have an average width of approximately 0.05-5 μm, or more precisely, approximately 0.2 μm, and the width change along the superimposed secondary form is 2-50 nm, which may be sufficient to eliminate abrupt changes in porosity and remove high stress concentrations. It will be appreciated that while the main channels 111 illustrated in FIG. 12-13 are located at an acute angle to the main surface, such an illustration is indicative and embodiments of the invention are not limited to this. For example, the superposed sinusoidal shapes shown in FIG. 12-13 may be used in the embodiments of the invention illustrated in FIG. 19-21 and FIG. 23B, where the main channels are illustrated as perpendicular to the main surface.

Как описывалось выше, электрохимическое травление может использоваться для формирования пористой структуры пористого электрода. В некоторых вариантах осуществления изобретения были выполнены специфические технологии травления для увеличения поверхности или уменьшения длины пути диффузии. В некоторых вариантах осуществления изобретения условия электрохимического травления контролируются дополнительно, чтобы уменьшать размеры пор, таким образом увеличивая площадь поверхности пор и емкость устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления к электропроводящей подложке для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, в то же время поддерживая в ванне для электрохимического травления приблизительно комнатную или более низкую температуру. Стандартные процессы электрохимического травления могут не контролировать температуру ванны для электрохимического травления, и часто температура поднимается выше комнатной во время процесса электрохимического травления. По мере выполнения процесса электрохимического травления, подложка, подвергаемая этому процессу, окисляется, а затем оксид стравливается. При более высоких температурах процесс окисления и удаления происходит быстрее. Соответственно, в варианте осуществления изобретения сохранение температуры ванны для электрохимического травления в пределах комнатной или более низкой температуры во время электрохимического травления замедляет процесс окисления и процесс травления оксида приводит в результате к порам меньшего размера.As described above, electrochemical etching can be used to form the porous structure of the porous electrode. In some embodiments, specific etching techniques have been performed to increase the surface or shorten the diffusion path. In some embodiments, the electrochemical etching conditions are further controlled to reduce pore sizes, thereby increasing the surface area of the pores and the capacity of the energy storage device. In an embodiment of the invention, a method for forming a porous electrode includes immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath and applying an etching current to the electrically conductive substrate to create a porous structure containing a plurality of main channels within the electrically conductive substrate, while at the same time supporting approximately room or lower temperature. Standard electrochemical etching processes may not control the bath temperature for electrochemical etching, and often the temperature rises above room temperature during the electrochemical etching process. As the electrochemical etching process is completed, the substrate subjected to this process oxidizes and then the oxide is etched. At higher temperatures, the oxidation and removal process is faster. Accordingly, in an embodiment of the invention, keeping the bath temperature for electrochemical etching within room temperature or lower during electrochemical etching slows down the oxidation process and the oxide etching process results in smaller pores.

В варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, которая содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF, и приложение тока травления к электропроводящей подложке для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки. В варианте осуществления изобретения концентрация фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь составляет 3:1, или большее значение концентрации HF. Было замечено, что развитие окисления и стравливания оксида является результатом более низкой концентрации HF. Соответственно, в варианте осуществления изобретения концентрация фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь увеличивается для HF до значения 2:1, или более определенно 3:1. В некоторых вариантах осуществления изобретения температура ванны для электрохимического травления сохраняется на уровне комнатной или более низкой температуры, и концентрация HF : алкоголь составляет, по меньшей мере, 2:1, или более определенно, по меньшей мере, 3:1.In an embodiment of the invention, a method of forming a porous electrode includes immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath that contains a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1, or with a higher concentration of HF, and applying an etching current to the electrically conductive substrate for creating a porous structure containing many main channels inside the electrically conductive substrate. In an embodiment of the invention, the concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol is 3: 1, or a higher concentration of HF. It has been observed that the development of oxidation and etching of the oxide results from a lower concentration of HF. Accordingly, in an embodiment of the invention, the concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol increases for HF to a value of 2: 1, or more specifically 3: 1. In some embodiments of the invention, the temperature of the bath for electrochemical etching is maintained at room temperature or lower, and the concentration of HF: alcohol is at least 2: 1, or more specifically at least 3: 1.

На фиг. 14 показан способ формирования пористого электрода с матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Во время операции 1410 шаблон в виде твердой маски наносится на кристаллическую подложку, чтобы сформировать матрицу из линий. Затем кристаллическая подложка подвергается травлению, чтобы образовывать матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений на главной поверхности кристаллической подложки во время операции 1420. Главная поверхность кристаллической подложки может быть той же самой главной поверхностью пористой структуры, как здесь описывалось ранее. Во время операции 1430 множество главных каналов вытравливаются электрохимическим способом в кристаллической подложке, при этом множество главных каналов имеют отверстия в матрице V-образных канавок или пирамидальных углублений. Также могут быть сформированы главные каналы с отверстиями на главной поверхности.In FIG. 14 shows a method of forming a porous electrode with a matrix of V-grooves or pyramidal recesses in accordance with an embodiment of the invention. During operation 1410, a solid mask pattern is applied to a crystalline substrate to form a matrix of lines. The crystalline substrate is then etched to form a matrix of V-grooves or pyramidal recesses on the main surface of the crystalline substrate during operation 1420. The main surface of the crystalline substrate may be the same main surface of the porous structure as previously described. During operation 1430, a plurality of main channels are electrochemically etched in a crystalline substrate, and many of the main channels have holes in a matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses. Main channels can also be formed with holes on the main surface.

Фиг. 15-16 являются видами сверху, иллюстрирующими способ формирования матрицы V-образных канавок и углублений, сформированных в главной поверхности 115 пористой структуры, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как показано на фиг. 15, твердый шаблон из такого материала, как нитрид кремния (Si3N4) наносится на кристаллическую подложку в виде матрицы из линий 1510. В отдельном проиллюстрированном варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка является электропроводящей подложкой 110, как здесь описывалось, но также могут использоваться другие подложки, включающие в себя, но не ограничиваясь этим, электропроводящую подложку 120. В варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка (100) является кремниевой подложкой. Как показано на фиг. 16, матрица 1660 V-образных канавок и углублений вытравливается в кристаллической подложке. В варианте осуществления изобретения матрица 1660 V-образных канавок и углублений вытравливается в кристаллической кремниевой подложке (100), при этом образуются боковые поверхности 1660А, 1660 В, сформированные вдоль плоскостей (111). Травление матрицы V-образных канавок и углублений может включать в себя подходящий реактив для травления с более высокой избирательностью при травлении в направлении плоскости <100>, чем в направлении плоскости <111>, например такой как раствор гидроксида калия (КОН), этилендиамин пирокатехин (EDP), или тетраметиловый гидроксид аммония (ТМАН).FIG. 15-16 are plan views illustrating a method of forming a matrix of V-grooves and recesses formed in a main surface 115 of a porous structure in accordance with embodiments of the invention. As shown in FIG. 15, a solid pattern of a material such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) is applied to the crystalline substrate in the form of a matrix of lines 1510. In a separate illustrated embodiment, the crystalline substrate is an electrically conductive substrate 110, as described herein, but others can also be used. substrates, including, but not limited to, an electrically conductive substrate 120. In an embodiment of the invention, the crystalline substrate (100) is a silicon substrate. As shown in FIG. 16, an array of 1660 V-grooves and recesses is etched in a crystalline substrate. In an embodiment of the invention, an array of 1660 V-grooves and recesses is etched in the crystalline silicon substrate (100), thereby forming lateral surfaces 1660A, 1660 B formed along the (111) planes. The etching of the matrix of the V-grooves and recesses may include a suitable etching reagent with higher selectivity for etching in the direction of the <100> plane than in the direction of the <111> plane, for example, such as potassium hydroxide (KOH) solution, ethylene diamine pyrocatechol ( EDP), or tetramethyl ammonium hydroxide (TMAN).

Фиг. 17-18 являются видами сверху, иллюстрирующими способ формирования матрицы пирамидальных углублений, сформированной в главной поверхности 115 пористой структуры, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг. 17, твердый шаблон из такого материала, как нитрид кремния (Si3N4) наносится на кристаллическую подложку в виде матрицы из линий 1510. В отдельном проиллюстрированном варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка является электропроводящей подложкой 110, как здесь описывалось, но также могут использоваться другие подложки, включающие в себя, но не ограничиваясь этим, электропроводящую подложку 120. В варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка (100) является кремниевой подложкой. Как показано на фиг. 18, матрица 1870 из пирамидальных углублений вытравливается в кристаллической подложке. В варианте осуществления изобретения матрица 1870 из пирамидальных углублений вытравливается в кристаллической кремниевой подложке (100), при этом образуются боковые поверхности 1870А, 1870В, 1870С, 1870D, сформированные вдоль плоскостей (111). Травление матрицы из пирамидальных углублений может включать в себя подходящий реактив для травления с более высокой избирательностью при травлении в направлении плоскости <100>, чем в направлении плоскости <111>, например такой, как раствор гидроксида калия (КОН), этилендиамин пирокатехин (EDP), или тетраметиловый гидроксид аммония (ТМАН).FIG. 17-18 are plan views illustrating a method of forming a matrix of pyramidal recesses formed in a main surface 115 of a porous structure in accordance with an embodiment of the invention. As shown in FIG. 17, a solid template of a material such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) is applied to the crystalline substrate in the form of a matrix of lines 1510. In a separate illustrated embodiment, the crystalline substrate is an electrically conductive substrate 110, as described here, but other substrates, including, but not limited to, an electrically conductive substrate 120. In an embodiment of the invention, the crystalline substrate (100) is a silicon substrate. As shown in FIG. 18, the matrix 1870 from the pyramidal depressions is etched in the crystalline substrate. In an embodiment of the invention, the matrix 1870 from the pyramidal depressions is etched in the crystalline silicon substrate (100), and side surfaces 1870A, 1870B, 1870C, 1870D are formed along the (111) planes. The etching of the matrix from the pyramidal depressions may include a suitable etching reagent with higher selectivity for etching in the direction of the <100> plane than in the direction of the <111> plane, for example, such as potassium hydroxide (KOH) solution, ethylene diamine pyrocatechol (EDP) or tetramethyl ammonium hydroxide (TMAN).

Как показано на фиг. 16 и фиг. 18, при удалении нанесенных линий 1510 твердого шаблона после травления матрицы 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений, открывается по существу плоский участок главной поверхности 115. Однако следует принимать во внимание, что пористая структура, включающая в себя множество главных каналов, еще не полностью сформирована, а также то, что главная поверхность 115 пористой структуры также может соответствовать главной поверхности кристаллической подложки, или электропроводящей структуры, такой как электропроводящая структура 110.As shown in FIG. 16 and FIG. 18, when removing the applied lines of the solid pattern 1510 after etching the matrix 1660 of V-grooves or matrix 1870 from the pyramidal depressions, a substantially flat portion of the main surface 115 is opened. However, it should be appreciated that the porous structure including the plurality of main channels, not yet fully formed, and also that the main surface 115 of the porous structure may also correspond to the main surface of the crystalline substrate, or an electrically conductive structure, such as an electrically conductive Ukrainian 110.

Фиг. 19-20 являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру устройства для хранения энергии, содержащего матрицы 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений, в соответствии с вариантом осуществления изобретения после формирования множества главных каналов. Как проиллюстрировано на фиг. 19? 20, множество главных каналов 111 имеют отверстия 112 в матрице 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 19, не существует самых верхних плоских участков на главной поверхности 115 кристаллической подложки 110. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 20, матрицы 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений разделяются самыми верхними плоскими участками 116 на главной поверхности 115 кристаллической подложки 110. Ширина самых верхних плоских участков 116 или их отсутствие может контролироваться за счет выбора ширины линий 1510, 1710 нанесенного твердого шаблона.FIG. 19-20 are cross-sectional side views illustrating the porous structure of an energy storage device comprising matrixes 1660 of V-grooves or matrixes 1870 of pyramidal recesses, in accordance with an embodiment of the invention after the formation of a plurality of main channels. As illustrated in FIG. 19? 20, a plurality of main channels 111 have openings 112 in a matrix 1660 of V-grooves or a matrix 1870 of pyramidal recesses. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 19, the uppermost flat portions do not exist on the main surface 115 of the crystal substrate 110. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 20, the V-groove matrixes 1660 or the pyramidal recesses matrix 1870 are separated by the uppermost flat sections 116 on the main surface 115 of the crystal substrate 110. The width of the uppermost flat sections 116 or their absence can be controlled by choosing the line width 1510, 1710 of the applied solid pattern .

В вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг. 19-20, главные каналы 111 вытравливается электрохимическим способом в кристаллической подложке 110 перпендикулярно плоским участкам 116 главной поверхности 115, где они представлены. Например, там где кристаллическая подложка является кристаллической кремниевой подложкой (100), главные каналы 111 могут вытравливаться электрохимическим способом в направлении плоскости<100>, перпендикулярной поверхности (100). Следует принимать во внимание, что в то время как главные каналы 111, проиллюстрированные на фиг. 19-20, перпендикулярны главной поверхности, такая иллюстрация является показательной, и варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Например, главные каналы 111 могли бы формироваться под острым углом к главной поверхности за счет ориентации направления линии передачи тока при электрохимическом травлении.In the embodiments of the invention illustrated in FIG. 19-20, the main channels 111 are electrochemically etched in the crystalline substrate 110 perpendicular to the flat portions 116 of the main surface 115 where they are presented. For example, where the crystalline substrate is a crystalline silicon substrate (100), the main channels 111 can be electrochemically etched in the direction of the <100> plane perpendicular to the surface (100). It will be appreciated that while the main channels 111 illustrated in FIG. 19-20 are perpendicular to the main surface, such an illustration is indicative, and embodiments of the invention are not limited to this. For example, the main channels 111 could be formed at an acute angle to the main surface due to orientation of the direction of the current transmission line during electrochemical etching.

На фиг. 21 показан боковой вид в разрезе, иллюстрирующий устройство для хранения энергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. , устройство 100 для хранения энергии может включать в себя первую и вторую электропроводящую структуру 110, 120 (например, пористые электроды) и разделитель 130 между пористыми структурами внутри каждой из первой и второй электропроводящих структур 110, 120. Каждая пористая структура содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной поверхности 115, 125 пористой структуры и множество главных каналов 111, 121, проходящих в электропроводящих структурах 110, 120 для каждой из V-образных канавок или пирамидальных углублений с каждым из главных каналов 111, 121, имеющих отверстия 112, 122 в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 21, разделитель 130 проходит в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. В варианте осуществления изобретения вторая пористая структура второй электропроводящей структуры 120 проходит в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в пористой структуре первой электропроводящей структуры 110. Разделитель 130 может быть сформирован на электропроводящей структуре 110 с помощью множества различных способов. Например, разделитель 130 может быть создан путем отложения или укладывания в стопку. В варианте осуществления изобретения разделитель 130 является растягиваемой пленкой, размещенной на электропроводящей подложке 110.In FIG. 21 is a cross-sectional side view illustrating an energy storage device according to an embodiment of the invention. As illustrated in FIG. , the energy storage device 100 may include a first and second electrically conductive structure 110, 120 (eg, porous electrodes) and a separator 130 between porous structures within each of the first and second electrically conductive structures 110, 120. Each porous structure contains a V-shaped matrix grooves or pyramidal depressions in the main surface 115, 125 of the porous structure and a plurality of main channels 111, 121 extending in the electrically conductive structures 110, 120 for each of the V-shaped grooves or pyramidal depressions with each of main channels 111, 121 having openings 112, 122 in the corresponding V-shaped groove or pyramidal recess. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 21, a spacer 130 extends into a matrix of V-grooves or pyramidal recesses. In an embodiment of the invention, the second porous structure of the second electrically conductive structure 120 extends into a matrix of V-grooves or pyramidal recesses in the porous structure of the first electrically conductive structure 110. A spacer 130 may be formed on the electrically conductive structure 110 in a variety of different ways. For example, the separator 130 may be created by laying or stacking. In an embodiment of the invention, the spacer 130 is a stretch film placed on the electrically conductive substrate 110.

Фиг. 22 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Фиг. 23А-23В являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими устройство 2300 для хранения энергии, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Во время операции 2210 разделительный слой 130 формируется над первым электропроводящим пористым электродом, содержащим множество главных каналов 111, при этом каждый главный канал имеет отверстие на главной поверхности 115 первого электропроводящего пористого электрода. Разделитель 130 может быть сформирован на первом электропроводящем пористом электроде с помощью множества различных способов. Например, разделитель 130 может быть создан путем отложения или укладывания в стопку. В варианте осуществления изобретения разделитель 130 является растягиваемой пленкой, размещенной на первом электропроводящем пористом электроде. Электропроводящий пористый электрод может быть любой из описанных здесь электропроводящих структур. В варианте осуществления изобретения электропроводящий пористый электрод является электропроводящей структурой 110, как иллюстрируется на фиг. 1, фиг. 4, фиг. 19-21, или может быть какой-либо из ее вариаций. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 23А, главная поверхность 115 является относительно плоской. В варианте осуществления изобретения проиллюстрированном на фиг. 23В, матрица 1160 V-образных канавок или матрица 1870 из пирамидальных углублений формируется в главной поверхности 115. Множество главных каналов 111 могут проходить в электропроводящую структуру 110 перпендикулярно главной поверхности 115 пористой структуры, или могут проходить в электропроводящую структуру 110 под острым углом к главной поверхности 115. Во время операции 2220 второй электропроводящий пористый электрод 2320 откладывается на разделяющем слое 130, используя технологию отложения соответствующей тонкой пленки, например такую как химическое осаждение из газовой фазы (CVD - chemical vapor deposition), покрытия, полученного способом центрифугирования, нанесение покрытия осаждением паров (PVD - physical vapor deposition), и нанесение покрытия способом электроосаждения. В варианте осуществления изобретения второй электропроводящий пористый электрод 130 выполнен из такого материала как углерод, материала на основе углерода, или псевдоемкостного материала, при этом первый электропроводящий пористый электрод является материалом, выбранным из следующей группы: кремний, карбид кремния, германий, и олово. В варианте осуществления изобретения второй электропроводящий пористый электрод выполнен из полученного с помощью химического осаждения из газовой фазы легированного литием углерода. В варианте осуществления изобретения второй электропроводящий пористый электрод является наноалмазной углеродной пленкой. Наноалмазная углеродная пленка может объединяться с теплоотводом. В вариантах с гибридным материалом, проиллюстрированных на фиг. 23А-23В, первый пористый электрод может интегрироваться с другой схемой 2330 в электропроводящей подложке. Например, схема 2330 может быть интегральной схемой, сформированной внутри электропроводящей подложки 110, которая также является электропроводящей структурой 110, формирующей первый пористый электрод. В варианте осуществления изобретения устройство 2300 для хранения энергии располагается на той же самой электропроводящей структуре 110 как микропроцессор. В другом варианте осуществления изобретения устройство 2300 для хранения энергии располагается на электропроводящей структуре 110 микропроцессора. В варианте осуществления изобретения устройство 2300 для хранения энергии формируется внутри корпуса мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, переносной компьютер, или планшетный компьютер. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии формируется на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы.FIG. 22 is a process flow diagram illustrating a method of forming an energy storage device according to an embodiment of the invention. FIG. 23A-23B are cross-sectional side views illustrating an energy storage device 2300 in accordance with embodiments of the invention. During operation 2210, a separation layer 130 is formed over the first electrically conductive porous electrode containing a plurality of main channels 111, with each main channel having an opening on a major surface 115 of the first electrically conductive porous electrode. A separator 130 may be formed on the first electrically conductive porous electrode using a variety of different methods. For example, the separator 130 may be created by laying or stacking. In an embodiment of the invention, the spacer 130 is a stretch film disposed on a first electrically conductive porous electrode. The electrically conductive porous electrode may be any of the electrically conductive structures described herein. In an embodiment of the invention, the electrically conductive porous electrode is an electrically conductive structure 110, as illustrated in FIG. 1, FIG. 4, FIG. 19-21, or may be any of its variations. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 23A, the main surface 115 is relatively flat. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 23B, a V-groove matrix 1160 or a pyramidal recess matrix 1870 is formed in the main surface 115. The plurality of main channels 111 can extend into the electrically conductive structure 110 perpendicular to the major surface 115 of the porous structure, or can extend into the electrically conductive structure 110 at an acute angle to the major surface 115. During operation 2220, the second electrically conductive porous electrode 2320 is deposited on the separating layer 130 using the deposition technology of the corresponding thin film, such as chemically second vapor deposition (CVD - chemical vapor deposition), coating obtained by centrifugation, coating by vapor deposition (PVD - physical vapor deposition), and coating by electrodeposition. In an embodiment of the invention, the second electrically conductive porous electrode 130 is made of a material such as carbon, a carbon-based material, or a pseudocapacitive material, wherein the first electrically conductive porous electrode is a material selected from the following group: silicon, silicon carbide, germanium, and tin. In an embodiment of the invention, the second electrically conductive porous electrode is made of lithium doped carbon obtained by chemical vapor deposition. In an embodiment of the invention, the second electrically conductive porous electrode is a nanodiamond carbon film. A nanodiamond carbon film can be combined with a heat sink. In the hybrid material embodiments illustrated in FIG. 23A-23B, the first porous electrode may integrate with another circuit 2330 in an electrically conductive substrate. For example, circuit 2330 may be an integrated circuit formed inside an electrically conductive substrate 110, which is also an electrically conductive structure 110 forming a first porous electrode. In an embodiment of the invention, the energy storage device 2300 is located on the same electrically conductive structure 110 as the microprocessor. In another embodiment, the energy storage device 2300 is located on the electrically conductive microprocessor structure 110. In an embodiment of the invention, an energy storage device 2300 is formed inside the housing of a mobile electronic device, such as a mobile phone, laptop, or tablet computer. In an embodiment of the invention, an energy storage device is formed on a silicon bridge connecting two integrated circuit crystals.

Как показано на фиг. 24, способ формирования устройства для хранения энергии иллюстрируется в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Во время операции 2410 электропроводящая подложка вытравливается электрохимическим способом, чтобы высвободить пористую структуру из электропроводящей подложки. Фиг. 25 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру 2512, освобожденную из электропроводящей подложки 2510 в ванне 2500 для электрохимического травления, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Для иллюстративных целей ванна 2500 для электрохимического травления может включать в себя пару электродов 2502, 2504, таких как платиновые сетчатые электроды, установленных на каждой стороне бака 2506. В другом варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления может быть горизонтальной ванной для травления. Электропроводящая подложки 2510 может быть установлена в сменный держатель 2520 подложки, который может размещаться в передней части отверстия в разделительной пластине 2530 и фиксироваться в пластине с помощью байонетного фиксатора. Когда фиксатор закрывается, левое и правое отделения электрически изолируются друг от друга. Ванна 2500 для электрохимического травления может быть заполнена достаточным количеством раствора 2540 для травления, чтобы покрывать электропроводящую подложку 2510 и электроды 2502, 2504. Например, в том случае, если подложка содержит кремний, показательные растворы для травления включают в себя растворы фтористоводородной кислоты (HF) и HF вместе с этиловым алкоголем.As shown in FIG. 24, a method of forming an energy storage device is illustrated in accordance with an embodiment of the invention. During operation 2410, the electrically conductive substrate is etched by an electrochemical method to release the porous structure from the electrically conductive substrate. FIG. 25 is a cross-sectional side view illustrating a porous structure 2512 released from an electrically conductive substrate 2510 in an electrochemical etching bath 2500, in accordance with an embodiment of the invention. For illustrative purposes, the electrochemical etching bath 2500 may include a pair of electrodes 2502, 2504, such as platinum mesh electrodes, mounted on each side of the tub 2506. In another embodiment, the electrochemical etching bath may be a horizontal etching bath. The electrically conductive substrate 2510 can be installed in a removable substrate holder 2520, which can be placed in front of the hole in the separation plate 2530 and fixed in the plate using a bayonet lock. When the latch closes, the left and right compartments are electrically isolated from each other. The electrochemical etching bath 2500 may be filled with a sufficient amount of etching solution 2540 to cover the electrically conductive substrate 2510 and electrodes 2502, 2504. For example, if the substrate contains silicon, representative etching solutions include hydrofluoric acid (HF) solutions and HF along with ethyl alcohol.

Электрохимическое травление пористой структуры 2512 в электропроводящей подложке 2510 может выполняться в соответствии с традиционными технологиями. Например, постоянный ток может поддерживаться между отрицательным и положительным электродами 2502, 2504. Может потребоваться до некоторой степени изменять напряжение во время электрохимического травления вследствие потери электрической проводимости раствора 2540 для травления в ванне 2500 для электрохимического травления. Кроме того, любое из описанных здесь изменений процесса травления может комбинироваться со способом, описанным в отношении фиг. 24, для того чтобы, например, увеличить поверхность пористого электрода, уменьшить длину пути диффузии, уменьшить размер поры, увеличить прочность поры. Пористая структура 2512 может быть вытравлена в подложке 2510 на боковой стороне отрицательно заряженного электрода 2502. В варианте осуществления изобретения режим травления используется для высвобождения пористой структуры 2512 из электропроводящей подложки 2510. Например, ток для электрохимического травления может быть быстро увеличен, чтобы высвободить пористую структуру 2512.Electrochemical etching of the porous structure 2512 in the electrically conductive substrate 2510 may be performed in accordance with conventional techniques. For example, direct current may be maintained between the negative and positive electrodes 2502, 2504. It may be necessary to vary the voltage to some extent during electrochemical etching due to the loss of electrical conductivity of the etching solution 2540 in the bath 2500 for electrochemical etching. In addition, any of the etching process changes described herein may be combined with the method described in relation to FIG. 24, in order, for example, to increase the surface of the porous electrode, reduce the diffusion path length, reduce the pore size, and increase the pore strength. The porous structure 2512 can be etched in the substrate 2510 on the side of the negatively charged electrode 2502. In an embodiment of the invention, the etching mode is used to release the porous structure 2512 from the electrically conductive substrate 2510. For example, the current for electrochemical etching can be rapidly increased to release the porous structure 2512 .

Как показано на фиг. 24, пористая структура 2512 может быть затем присоединена к разделительному слою и второй пористой структуре, чтобы сформировать устройство для хранения энергии. Это присоединение может быть выполнено множеством способов. Например, присоединение может включать в себя отложение разделительного слоя на пористой структуре. Присоединение может включать в себя укладку в стопку пористой структуры на разделительный слой, или укладывание в стопку разделительного слоя на пористой структуре. Присоединение также может включать в себя укладывание в стопку второй пористой структуры на разделительный слой. Вторая пористая структура может быть сформирована таким же, или другим способом, как пористая структура 2512.As shown in FIG. 24, the porous structure 2512 may then be attached to the separation layer and the second porous structure to form an energy storage device. This attachment can be accomplished in a variety of ways. For example, the attachment may include deposition of the separation layer on the porous structure. The attachment may include stacking a porous structure on a separation layer, or stacking a separation layer on a porous structure. The attachment may also include stacking a second porous structure on a separation layer. The second porous structure may be formed in the same way, or in a different way, as the porous structure 2512.

Фиг. 26 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильное электронное устройство 2600, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. 26, мобильное электронное устройство 2600 содержит подложку 2610, на которой располагаются микропроцессор 2620 и устройство 2630 для хранения энергии, взаимодействующее с микропроцессором 2620. Устройство 2630 для хранения энергии может или располагаться на подложке 2610 на расстоянии от микропроцессора 2620, как проиллюстрировано сплошными линиями, или может располагаться на самом микропроцессоре 2620, как проиллюстрировано пунктирными линиями. В одном варианте осуществления изобретения устройство 2630 для хранения энергии содержит первую и вторую электропроводящие структуры, разделенные между собой разделителем, где по меньшей мере, одна из структур, т.е. первая и/или вторая электропроводящие структуры, содержит пористую структуру, содержащую множество каналов. Например, этот вариант осуществления изобретения может быть аналогичен одному или более вариантам осуществления изобретения, показанным в любой из предыдущих фигур и описанных в сопроводительном тексте.FIG. 26 is a block diagram illustrating a mobile electronic device 2600, in accordance with an embodiment of the invention. As illustrated in FIG. 26, the mobile electronic device 2600 comprises a substrate 2610 on which the microprocessor 2620 and an energy storage device 2630 are coupled, interacting with the microprocessor 2620. The energy storage device 2630 can either be located on the substrate 2610 at a distance from the microprocessor 2620, as illustrated by solid lines, or can be located on the microprocessor 2620 itself, as illustrated by dashed lines. In one embodiment of the invention, the energy storage device 2630 comprises first and second electrically conductive structures separated by a separator, where at least one of the structures, i.e. the first and / or second electrically conductive structure, contains a porous structure containing many channels. For example, this embodiment of the invention may be similar to one or more embodiments of the invention shown in any of the previous figures and described in the accompanying text.

По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления изобретения устройство 2630 для хранения энергии является одним из множества устройств для хранения энергии, которые могут быть последовательно уложены в стопку (все эти устройства представлены на фиг. 26 в виде блока 2630), причем эти устройства содержатся внутри мобильного электронного устройства 2600. В одном или более из этих вариантов осуществления изобретения мобильное электронное устройство 2600 дополнительно содержит переключающую схему 2640, взаимодействующую с устройствами для хранения энергии. Когда конденсатор является разряженным, он не поддерживает постоянное напряжение, но вместо этого оно ослабляется по экспоненциальной функции (в отличие от батареи, где напряжение остается относительно постоянным во время разрядки). Переключающая схема 2640 содержит схематику или какой-либо другой механизм, который включает и выключает различные конденсаторы, например такие, которые поддерживают относительно постоянное напряжение. Например, устройства для хранения энергии могут первоначально соединяться между собой параллельно, а затем, после определенного уменьшения величины напряжения, подгруппа устройств для хранения энергии может быть изменена за счет переключающей схемы, для того чтобы присоединяться последовательно таким образом, что их индивидуальные вклады в общее напряжение могут повышать падающее общее напряжение. В одном варианте осуществления изобретения переключающая схема 2640 может применяться с использованием существующей технологии для кремниевого устройства, которая используется в данной области техники (транзисторы, кремниевые управляемые диоды (SCR) и т.д.), в то время как в других вариантах осуществления изобретения она могла бы применяться с использованием реле или переключателей микроэлектромеханических систем (MEMS), которые, как можно отметить, проявляют тенденцию, чтобы иметь очень низкое сопротивление.In at least some embodiments, the energy storage device 2630 is one of a variety of energy storage devices that can be stacked sequentially (all of these devices are shown in FIG. 26 as a block 2630), which devices are contained within the mobile electronic device 2600. In one or more of these embodiments of the invention, the mobile electronic device 2600 further comprises a switching circuit 2640 that interacts with storage devices energy Ia. When the capacitor is discharged, it does not support a constant voltage, but instead it attenuates exponentially (unlike a battery, where the voltage remains relatively constant during discharge). The switching circuit 2640 contains a circuit or some other mechanism that turns on and off various capacitors, for example, those that maintain a relatively constant voltage. For example, energy storage devices can initially be connected in parallel with each other, and then, after a certain decrease in the voltage value, the subgroup of energy storage devices can be changed due to a switching circuit in order to be connected in series so that their individual contributions to the total voltage may increase the incident overall voltage. In one embodiment of the invention, the switching circuit 2640 can be applied using existing technology for a silicon device that is used in the art (transistors, silicon controlled diodes (SCR), etc.), while in other embodiments, it could be applied using relays or switches of microelectromechanical systems (MEMS), which, as can be noted, tend to have very low resistance.

В некоторых вариантах осуществления изобретения мобильное электронное устройство 2600 дополнительно содержит сенсорную сеть 2650, взаимодействующую с устройствами 2630 для хранения энергии. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления изобретения каждое из множества устройств для хранения энергии будет иметь собственный датчик, который отображает определенные поведенческие параметры устройства для хранения энергии. Например, датчики могут отображать существующие уровни напряжения, также как и имеющаяся в настоящее время характеристика разрядки, причем оба этих параметра могут использоваться переключающей сетью, особенно в тех случаях, когда используемый диэлектрический материал (или другой электрический изолятор) является нелинейным, и более того, имеет диэлектрическую постоянную, которая изменяется при изменении напряжения. В этих случаях может быть предпочтительным, наряду с сенсорной сетью, включать в себя конечный автомат, такой как модуль 2660 регулирования напряжения, который учитывает поведение диэлектрика и соответствующим образом на него реагирует. Модуль регулирования напряжения, который прогнозирует поведение диэлектрика, может компенсировать любую нелинейность. Датчик 2670 температуры, взаимодействующий с устройствами 2630 для хранения энергии, также может быть включен в состав системы, чтобы контролировать температуру (или другие параметры, относящиеся к безопасности). В определенных вариантах осуществления изобретения мобильное электронное устройство 2600 дополнительно содержит одно или более устройств: дисплей 2681, антенну/радиочастотные элементы 2682, сетевой интерфейс 2683, устройство 2684 для ввода данных (например, клавиатура или сенсорный экран), микрофон 2685, камера 2686, видеопроектор 2687, приемник 2688 глобальной системы навигации и местоопределения (GPS), и подобные устройства.In some embodiments of the invention, the mobile electronic device 2600 further comprises a sensor network 2650, interacting with devices 2630 for storing energy. In at least some embodiments, each of the plurality of energy storage devices will have its own sensor that displays specific behavioral parameters of the energy storage device. For example, the sensors can display existing voltage levels, as well as the current discharge characteristic, both of which can be used by the switching network, especially when the dielectric material (or other electrical insulator) used is non-linear, and moreover, has a dielectric constant, which changes with voltage. In these cases, it may be preferable, along with the sensor network, to include a state machine, such as voltage regulation module 2660, which takes into account the behavior of the dielectric and reacts accordingly. A voltage control module that predicts dielectric behavior can compensate for any non-linearity. A temperature sensor 2670, which interacts with energy storage devices 2630, can also be included in the system to monitor temperature (or other safety related parameters). In certain embodiments of the invention, the mobile electronic device 2600 further comprises one or more devices: a display 2681, an antenna / radio frequency elements 2682, a network interface 2683, a data input device 2684 (e.g., a keyboard or touch screen), a microphone 2685, a camera 2686, a video projector 2687, a 2688 global navigation and positioning system (GPS) receiver, and the like.

Фиг. 27 является блок-схемой, представляющей микроэлектронное устройство 2700, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 27, микроэлектронное устройство 2700 содержит: подложку 2710, микропроцессор 2720 над подложкой 2710, и устройство 2730 для хранения энергии, взаимодействующее с микропроцессором 2720. Устройство 2730 для хранения энергии может или располагаться на подложке 2710 с разнесением от микропроцессора 2720 (например, die-side конденсатор), как проиллюстрировано сплошными линиями, или может быть расположен на самом микропроцессоре 2720 (например, во встроенном слое над микропроцессором), как проиллюстрировано пунктирными линиями. В одном варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии содержит первую и вторую электропроводящие структуры, разделенные между собой разделителем, где по меньшей мере, одна из структур, т.е. первая и/или вторая электропроводящие структуры содержит пористую структуру. Например, этот вариант осуществления изобретения может быть аналогичен одному или более вариантам осуществления изобретения, показанным в любой из предыдущих фигур и описанных в сопроводительном тексте. В другом варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии содержит множество электропроводящих структур, содержащих пористые структуры, которые последовательно уложены в стопку. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя пористую структуру, которая содержит множество главных каналов, проходящих в пористую структуру под острым углом к главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя пористую структуру, которая содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной структуре, а множество главных каналов проходят в каждую V-образную канавку или пирамидальное углубление. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя пористую структуру, которая содержит множество главных каналов с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, которая накладывается на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя первый пористый электрод, содержащий кремний, карбид кремния, германий, олово, и псевдоемкостной материал, также устройство 2730 для хранения энергии включает в себя второй пористый электрод, содержащий углерод, материал на основе углерода, карбид кремния, и кремний.FIG. 27 is a block diagram representing a microelectronic device 2700, in accordance with an embodiment of the invention. As illustrated in FIG. 27, the microelectronic device 2700 comprises: a substrate 2710, a microprocessor 2720 above the substrate 2710, and an energy storage device 2730 cooperating with the microprocessor 2720. The energy storage device 2730 may or may be located on the substrate 2710 spaced from the microprocessor 2720 (eg, die-side capacitor), as illustrated by solid lines, or can be located on the microprocessor 2720 itself (for example, in an embedded layer above the microprocessor), as illustrated by dashed lines. In one embodiment of the invention, the energy storage device 2730 comprises first and second electrically conductive structures separated by a separator, where at least one of the structures, i.e. the first and / or second electrically conductive structure contains a porous structure. For example, this embodiment of the invention may be similar to one or more embodiments of the invention shown in any of the previous figures and described in the accompanying text. In another embodiment, the energy storage device 2730 comprises a plurality of electrically conductive structures containing porous structures that are stacked in series. In an embodiment of the invention, the energy storage device 2730 includes a porous structure that comprises a plurality of main channels extending into the porous structure at an acute angle to the main surface of the porous structure. In an embodiment of the invention, the energy storage device 2730 includes a porous structure that comprises a matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses in the main structure, and a plurality of main channels extend into each V-shaped groove or pyramidal recess. In an embodiment of the invention, the energy storage device 2730 includes a porous structure that includes a plurality of main channels with side walls including a primary surface shape and a secondary surface shape that overlays the primary surface shape. In an embodiment of the invention, the energy storage device 2730 includes a first porous electrode comprising silicon, silicon carbide, germanium, tin, and a pseudocapacitive material, and the energy storage device 2730 includes a second porous electrode containing carbon, a carbon-based material , silicon carbide, and silicon.

Раскрытые здесь устройства для хранения энергии могут использоваться в некоторых вариантах осуществления изобретения как развязывающий конденсатор внутри микроэлектронного устройства 2700. Такой конденсатор имеет меньший размер, и по причинам, описываемым в других частях описания, предлагает намного более высокую емкость и намного меньшее полное сопротивление, по сравнению с существующими развязывающими конденсаторами. Как уже упоминалось, устройство 2730 для хранения энергии может быть частью носителя интегральной схемы (IC) или микросхемы, или может располагаться на самом кристалле микропроцессора. Например, оно может, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, формировать области пористого кремния (или подобно тому, как описывалось ранее) на кристалле микропроцессора, а затем создавать сильно развитую поверхность, с встроенным развязывающим конденсатором непосредственно на подложке кристалла микропроцессора. Благодаря пористости кремния, встроенный конденсатор будет иметь очень большую площадь поверхности. Другие возможные варианты использования для раскрываемых устройств для хранения энергии включают в себя использование в качестве элемента запоминающего устройства (в котором подходы к проблеме с размером в направлении z по аппликате встроенного динамического запоминающего устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ) могут быть решены за счет значительного увеличения фарад на единицу площади), или в качестве компонента преобразователей напряжения в схематике добавочного напряжения, возможно для использования со схемными блоками, индивидуальными ядрами микропроцессора, или подобными устройствами. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии встраивается внутрь электронного устройства, при этом устройство для хранения энергии взаимодействует с микропроцессором. Например, устройство для хранения энергии может быть сформировано внутри корпуса мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, переносной компьютер, или планшетный компьютер. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии формируется на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы.The energy storage devices disclosed herein may be used in some embodiments of the invention as an isolation capacitor within a microelectronic device 2700. Such a capacitor is smaller and, for the reasons described elsewhere in the description, offers much higher capacitance and much lower impedance compared with existing decoupling capacitors. As already mentioned, the energy storage device 2730 may be part of an integrated circuit (IC) carrier or microcircuit, or may be located on the microprocessor chip itself. For example, it can, in accordance with embodiments of the invention, form porous silicon regions (or similarly as previously described) on a microprocessor chip, and then create a highly developed surface, with an integrated decoupling capacitor directly on the microprocessor chip substrate. Due to the porosity of silicon, the built-in capacitor will have a very large surface area. Other possible use cases for the disclosed energy storage devices include using a storage device as an element (in which approaches to a problem with size in the z direction by applying the random access built-in random access memory (RAM) can be solved by significantly increasing the farad per unit area), or as a component of voltage converters in the auxiliary voltage circuit, it is possible to use with circuit blocks, individually dual microprocessor cores, or similar devices. In an embodiment of the invention, the energy storage device is integrated inside the electronic device, wherein the energy storage device interacts with the microprocessor. For example, an energy storage device may be formed inside the housing of a mobile electronic device, such as a mobile phone, laptop, or tablet computer. In an embodiment of the invention, an energy storage device is formed on a silicon bridge connecting two integrated circuit crystals.

Например, более высокие значения емкости могли бы в этом контексте быть предпочтительными, поскольку части схемы могли бы в этом случае работать номинально при определенном (относительно низком) напряжении, но в таком случае в местах, где более высокое напряжение необходимо для того, чтобы увеличить скорость (например, сверхоперативное ЗУ, устройства ввода/вывода (I/O), напряжение может быть повышено до более высокого значения. Операционная схема такого вида, вероятно, была бы предпочтительнее схемы, в которой везде используется более высокое напряжение; т.е. в тех случаях, когда только малая часть схематики требует более высокое напряжение, вероятно было бы предпочтительным повысить напряжение относительно более низкого базового напряжения для этого маленького участка схемы, чем понижать напряжение относительно более высокого базового напряжения для большей части схемы. Будущие поколения микропроцессоров также могут использовать преобразователи напряжения такого типа, как здесь описывалось. Сделав доступным увеличение емкости для развертывания вокруг комплекта или вокруг кристалла микропроцессора, можно помочь решить существующую задачу недопустимо высокой индуктивности между транзисторами, которые передают напряжение по схеме.For example, higher capacitance values in this context could be preferable, since parts of the circuit could in this case operate nominally at a certain (relatively low) voltage, but in this case in places where a higher voltage is necessary in order to increase the speed (for example, a superoperative memory, input / output (I / O) devices, the voltage can be increased to a higher value. An operating circuit of this kind would probably be preferable to a circuit in which a higher voltage; i.e., in cases where only a small part of the circuit requires a higher voltage, it would probably be preferable to increase the voltage relative to a lower base voltage for this small section of the circuit than to lower the voltage relative to a higher base voltage for most of the circuit Future microprocessor generations may also use voltage converters of the type described here. By making available an increase in capacitance for deployment around the kit or around the microprocessor chip, you can help solve the existing problem of unacceptably high inductance between transistors that transmit voltage according to the circuit.

Следующие примеры обеспечиваются как отдельные варианты осуществления изобретения, и они скорее являются иллюстративными, чем ограничивающими.The following examples are provided as separate embodiments of the invention, and they are illustrative rather than limiting.

В первом показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей структуры; при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру под острым углом к главной поверхности. Каждый главный канал может проходить в электропроводящую структуру вдоль направления кристаллической плоскости, ориентированной под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов в электропроводящую структуру. Там где главная поверхность является поверхностью (1011), каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут также проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости. Там где главная поверхность является поверхностью (322), каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут также проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости. Там где главная поверхность является поверхностью (111), каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления <113> кристаллической плоскости под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут также проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру вдоль направления <113> кристаллической плоскости. Устройство для хранения энергии также может включать в себя вторую пористую структуру во второй электропроводящей структуре, и разделитель между пористой структурой и второй пористой структурой. Вторая пористая структура может содержать множество вторых главных каналов, при этом каждый из вторых главных каналов имеет второе отверстие во второй главной поверхности второй пористой структуры, а каждый из вторых главных каналов проходит во вторую электропроводящую структуру под вторым острым углом к второй главной поверхности. Множество главных каналов и множество вторых главных каналов могут быть параллельны друг другу. Главная поверхность и вторая главная поверхность могут формироваться вдоль той же самой кристаллографической плоскости, такой как плоскости (1011), (322), (111), или (5512). Устройство для хранения энергии может быть встроено внутрь электронного устройства, и может взаимодействовать с микропроцессором. Например, устройство для хранения энергии может быть сформировано внутри корпуса мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, переносной компьютер, или планшетный компьютер. Устройство для хранения энергии может быть сформировано на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы. Каждый из главных каналов в устройстве для хранения энергии может проходить в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области резервуаров и соединительные области.In a first exemplary embodiment of the invention, an energy storage device includes a porous structure comprising a plurality of main channels within an electrically conductive structure; wherein each of the main channels has an opening on the main surface of the porous structure, and each of the main channels passes into the electrically conductive structure at an acute angle to the main surface. Each main channel can pass into the electrically conductive structure along the direction of the crystalline plane, oriented at an acute angle to the main surface. Side channels can extend from the side surface of each of the main channels into an electrically conductive structure. Where the main surface is the surface (1011), each of the main channels extends into the electrically conductive structure along the direction <100> of the crystalline plane at an acute angle to the main surface. The side channels may also extend from the side surface of each of the main channels passing into the electrically conductive structure along the direction <100> of the crystal plane. Where the main surface is the surface (322), each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction <100> of the crystalline plane at an acute angle to the main surface. The side channels may also extend from the side surface of each of the main channels passing into the electrically conductive structure along the direction <100> of the crystal plane. Where the main surface is the (111) surface, each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction <113> of the crystalline plane at an acute angle to the main surface. The side channels may also extend from the side surface of each of the main channels passing into the electrically conductive structure along the direction <113> of the crystal plane. The energy storage device may also include a second porous structure in a second electrically conductive structure, and a separator between the porous structure and the second porous structure. The second porous structure may contain many second main channels, with each of the second main channels having a second hole in the second main surface of the second porous structure, and each of the second main channels passes into the second electrically conductive structure at a second acute angle to the second main surface. The plurality of main channels and the plurality of second main channels may be parallel to each other. The main surface and the second main surface can be formed along the same crystallographic plane, such as the (1011), (322), (111), or (5512) planes. An energy storage device may be integrated inside an electronic device, and may interact with a microprocessor. For example, an energy storage device may be formed inside the housing of a mobile electronic device, such as a mobile phone, laptop, or tablet computer. An energy storage device may be formed on a silicon bridge connecting two integrated circuit crystals. Each of the main channels in the energy storage device may extend into an electrically conductive structure with side walls including a primary surface shape and a secondary surface shape superimposed on the primary surface shape. For example, the primary surface shape may be linear. For example, the primary surface shape may be linearly conical. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape is sinusoidal. In an embodiment, the secondary surface shape includes alternating reservoir areas and connecting regions.

Во втором показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке таким образом, что каждый главный канал имеет отверстие в главной поверхности подложки, и каждый из главных каналов проходит в подложку под острым углом к главной поверхности. Множество главных каналов может быть сформировано вдоль направления протекания тока в ванне для электрохимического травления. Множество главных каналов может быть сформировано вдоль направления кристаллографической плоскости в подложке. Электрохимическое травление может включать в себя погружение подложки в ванну для электрохимического травления, содержащую фтористоводородную кислоту (HF) или диметилсульфоксид (DMSO). Процесс электрохимического травления множества главных каналов в электропроводящей подложке может дополнительно включать в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку и изменение тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей подложки. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким током. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться чередующиеся области резервуаров и соединительные области, причем области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя постоянное понижение тока травления. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться непрерывно суживающиеся в направлении внутрь боковые стенки от главной поверхности к нижней поверхности каждого главного канала. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления через электропроводящую подложку, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, при этом ток травления включает в себя вторичное изменение тока травления, накладываемое на первичное изменение тока травления. Первичное изменение тока травления может быть нелинейным изменением тока. Вторичное изменение тока травления может быть линейным дополнением синусоидальной функции. Нелинейное изменение тока может быть аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов содержат боковые стенки с первичной линейной формой и накладываемой на ней синусоидальной формой. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя электрохимическое травление электропроводящей подложки для высвобождения пористой структуры, содержащей множество главных каналов, из электропроводящей подложки. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя поддерживание ванны для электрохимического травления приблизительно при комнатной или меньшей температуре. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, которая содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя концентрацию HF : алкоголь в соотношении 3:1, или с большей концентрацией HF.In a second exemplary embodiment of the invention, a method for forming a porous electrode includes electrochemical etching of a plurality of main channels in an electrically conductive substrate such that each main channel has an opening in the main surface of the substrate, and each of the main channels extends into the substrate at an acute angle to the main surface. Many main channels can be formed along the direction of current flow in the bath for electrochemical etching. Many main channels can be formed along the direction of the crystallographic plane in the substrate. Electrochemical etching may include immersing the substrate in an electrochemical etching bath containing hydrofluoric acid (HF) or dimethyl sulfoxide (DMSO). The process of electrochemical etching of a plurality of main channels in an electrically conductive substrate may further include immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath, applying an etching current through an electrically conductive substrate, and changing the etching current in a non-linear manner to create a porous structure containing a plurality of main channels inside the electrically conductive substrate. Changing the etching current in a nonlinear manner may include changing the etching current in alternating nodes with a relatively higher and lower current. This can lead to the fact that in each main channel alternating reservoir areas and connecting regions will be contained, moreover, the reservoir regions are wider than the connecting regions. Changing the etching current in a nonlinear manner may include a constant decrease in the etching current. This can lead to the fact that each main channel will contain continuously tapering side walls inward from the main surface to the lower surface of each main channel. Electrochemical etching of the plurality of main channels in the electrically conductive substrate may include immersing the electrically conductive substrate in the bath for electrochemical etching and applying an etching current through the electrically conductive substrate to create a porous structure containing a plurality of main channels inside the electrically conductive substrate, wherein the etching current includes a secondary change etching current superimposed on the primary change in etching current. The primary change in etching current may be a nonlinear change in current. A secondary change in the etching current can be a linear complement to the sinusoidal function. A nonlinear change in current can be approximated by a second or third order polynomial. In an embodiment of the invention, the plurality of main channels comprise side walls with a primary linear shape and a sinusoidal shape superimposed on it. Electrochemical etching of a plurality of main channels in an electrically conductive substrate may include electrochemical etching of an electrically conductive substrate to release a porous structure containing a plurality of main channels from the electrically conductive substrate. Electrochemical etching of a plurality of main channels in an electrically conductive substrate may include maintaining an electrochemical etching bath at approximately room or lower temperature. Electrochemical etching of a plurality of main channels in an electrically conductive substrate may include immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath that contains a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1, or with a higher concentration of HF. In an embodiment of the invention, the electrochemical pickling bath includes a HF: alcohol concentration of 3: 1, or with a higher HF concentration.

В третьем показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру с электропроводящей структурой, при этом пористая структура содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений на главной поверхности пористой структуры, и множество главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру для каждой V-образной канавки или пирамидального углубления, при этом каждый главный канал имеет отверстие в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении. Главная поверхность может быть плоскостью (100). Каждая V-образная канавка или пирамидальное углубление может включать в себя боковую поверхность, проходящую вдоль направления <111> плоскости в электропроводящей структуре. Устройство для хранения энергии также может включать в себя вторую пористую структуру внутри второй электропроводящей структуры, и разделитель между пористой структурой и второй пористой структурой. Разделитель может проходить в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. Вторая пористая структура может проходить в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. Вторая электропроводящая структура может быть таким материалом как углерод, материал на основе углерода, и псевдоемкостной материал. Вторая пористая структура может содержать вторую матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений во второй главной поверхности второй пористой структуры, а вторая матрица главных каналов проходит во вторую электропроводящую структуру, при этом каждый главный канал имеет отверстие в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении. Вторая пористая структура может проходить в V-образную канавку или пирамидальное углубление пористой структуры. Разделитель может полностью заполнять матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. Устройство для хранения энергии может быть сформировано на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы. Каждый из главных каналов в устройстве для хранения энергии может проходить в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области с резервуаром и соединительные области. Каждый из главных каналов в устройстве для хранения энергии может проходить в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области с резервуаром и соединительные области. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя легированный литием углерод. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя наноалмазную пленку.In a third exemplary embodiment of the invention, the energy storage device includes a porous structure with an electrically conductive structure, the porous structure comprising a matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses on the main surface of the porous structure, and a plurality of main channels passing into the electrically conductive structure for each V -shaped groove or pyramidal recess, with each main channel having an opening in a corresponding V-shaped groove or pyramidal recess . The main surface may be a plane (100). Each V-shaped groove or pyramidal recess may include a side surface extending along the direction <111> of the plane in the electrically conductive structure. The energy storage device may also include a second porous structure inside the second electrically conductive structure, and a separator between the porous structure and the second porous structure. The separator may extend into a matrix of V-grooves or pyramidal recesses. The second porous structure may extend into a matrix of V-shaped grooves or pyramidal depressions. The second electrically conductive structure may be a material such as carbon, a carbon-based material, and a pseudo-capacitive material. The second porous structure may contain a second matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses in the second main surface of the second porous structure, and the second matrix of main channels extends into the second electrically conductive structure, with each main channel having an opening in a corresponding V-shaped groove or pyramidal recess. The second porous structure may extend into a V-shaped groove or pyramidal recess of the porous structure. The separator can completely fill the matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses. An energy storage device may be formed on a silicon bridge connecting two integrated circuit crystals. Each of the main channels in the energy storage device may extend into an electrically conductive structure with side walls including a primary surface shape and a secondary surface shape superimposed on the primary surface shape. For example, the primary surface shape may be linear. For example, the primary surface shape may be linearly conical. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape is sinusoidal. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape includes alternating regions with a reservoir and connecting regions. Each of the main channels in the energy storage device may extend into an electrically conductive structure with side walls including a primary surface shape and a secondary surface shape superimposed on the primary surface shape. For example, the primary surface shape may be linear. For example, the primary surface shape may be linearly conical. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape is sinusoidal. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape includes alternating regions with a reservoir and connecting regions. In an embodiment of the invention, the second porous electrode includes lithium doped carbon. In an embodiment of the invention, the second porous electrode includes a nanodiamond film.

В четвертом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя нанесение шаблона твердой маски на кристаллическую подложку, чтобы сформировать матрицу из линий, травление матрицы V-образных канавок или пирамидальных углублений на главной поверхности кристаллической подложки и электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке, при этом каждый из множества главных каналов имеет отверстие в матрице V-образных канавок или пирамидальных углублений. В варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка является кремниевой подложкой (100), а травление V-образных канавок или пирамидальных углублений включает в себя реактив для травления - раствор гидроксида калия (КОН). Способ также может включать в себя формирование слоя разделителя над матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений и отложение пористого электрода на слое разделителя. В варианте осуществления изобретения пористый электрод откладывается с помощью химического осаждения из газовой фазы (CVD). Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя погружение кристаллической подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления через кристаллическую подложку, а также изменение тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в кристаллической подложке, где каждый из главных каналов имеет отверстие на поверхности в матрице V-образных канавок или пирамидальных углублений. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким током. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться чередующиеся области резервуаров и соединительные области, причем области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя постоянное понижение тока травления. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться непрерывно суживающиеся в направлении внутрь боковые стенки от главной поверхности к нижней поверхности каждого главного канала. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя погружение кристаллической подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления через кристаллическую подложку, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри кристаллической подложки, при этом ток травления включает в себя вторичное изменение тока травления, накладываемое на первичное изменение тока травления. Первичное изменение тока травления может быть нелинейным изменением тока. Вторичное изменение тока травления может быть линейным дополнением синусоидальной функции. Нелинейное изменение тока может быть аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов содержат боковые стенки с первичной линейной формой и накладываемой на ней синусоидальной формой. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя электрохимическое травление кристаллической подложки для высвобождения пористой структуры, содержащей множество главных каналов, из кристаллической подложки. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя поддерживание ванны для электрохимического травления приблизительно при комнатной или меньшей температуре. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя погружение кристаллической подложки в ванну для электрохимического травления, которая содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя концентрацию HF : алкоголь в соотношении 3:1, или с большей концентрацией HF.In a fourth exemplary embodiment of the invention, a method of forming a porous electrode includes applying a solid mask pattern to a crystalline substrate to form a matrix of lines, etching a matrix of V-shaped grooves or pyramidal depressions on the main surface of the crystalline substrate, and electrochemically etching a plurality of main channels in the crystalline substrate , each of the many main channels has a hole in the matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses. In an embodiment of the invention, the crystalline substrate is a silicon substrate (100), and the etching of the V-shaped grooves or pyramidal depressions includes an etching reagent - a solution of potassium hydroxide (KOH). The method may also include forming a separator layer above the matrix of V-shaped grooves or pyramidal depressions and depositing a porous electrode on the separator layer. In an embodiment of the invention, the porous electrode is deposited by chemical vapor deposition (CVD). Electrochemical etching of a plurality of main channels in a crystalline substrate may include immersing the crystalline substrate in an electrochemical etching bath and applying an etching current through the crystalline substrate, as well as changing the etching current in a non-linear manner to create a porous structure containing a plurality of main channels in the crystalline substrate, where each of the main channels has a hole on the surface in the matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses. Changing the etching current in a nonlinear manner may include changing the etching current in alternating nodes with a relatively higher and lower current. This can lead to the fact that in each main channel alternating reservoir areas and connecting regions will be contained, moreover, the reservoir regions are wider than the connecting regions. Changing the etching current in a nonlinear manner may include a constant decrease in the etching current. This can lead to the fact that each main channel will contain continuously tapering side walls inward from the main surface to the lower surface of each main channel. Electrochemical etching of a plurality of main channels in a crystalline substrate may include immersing the crystalline substrate in an electrochemical etching bath and applying an etching current through the crystalline substrate to create a porous structure containing a plurality of main channels inside the crystalline substrate, wherein the etching current includes a secondary change etching current superimposed on the primary change in etching current. The primary change in etching current may be a nonlinear change in current. A secondary change in the etching current can be a linear complement to the sinusoidal function. A nonlinear change in current can be approximated by a second or third order polynomial. In an embodiment of the invention, the plurality of main channels comprise side walls with a primary linear shape and a sinusoidal shape superimposed on it. Electrochemical etching of a plurality of main channels in a crystalline substrate may include electrochemical etching of a crystalline substrate to release a porous structure containing a plurality of main channels from the crystalline substrate. Electrochemical etching of a plurality of main channels in a crystalline substrate may include maintaining a bath for electrochemical etching at approximately room or lower temperature. Electrochemical etching of a plurality of main channels in a crystalline substrate may include immersing the crystalline substrate in an electrochemical etching bath that contains a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1, or with a higher concentration of HF. In an embodiment of the invention, the electrochemical pickling bath includes a HF: alcohol concentration of 3: 1, or with a higher HF concentration.

В пятом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку, а также изменение тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, где каждый из главных каналов имеет отверстие на поверхности пористой структуры. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким током. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться чередующиеся области резервуаров и соединительные области, причем области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя постоянное понижение тока травления. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться непрерывно суживающиеся в направлении внутрь боковые стенки от главной поверхности к нижней поверхности каждого главного канала.In a fifth exemplary embodiment of the invention, a method of forming a porous electrode includes immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath, applying the etching current through the electrically conductive substrate, and changing the etching current in a non-linear manner to create a porous structure containing many main channels in the electrically conductive substrate, where each of the main channels has a hole on the surface of the porous structure. Changing the etching current in a nonlinear manner may include changing the etching current in alternating nodes with a relatively higher and lower current. This can lead to the fact that in each main channel alternating reservoir areas and connecting regions will be contained, moreover, the reservoir regions are wider than the connecting regions. Changing the etching current in a nonlinear manner may include a constant decrease in the etching current. This can lead to the fact that each main channel will contain continuously tapering side walls inward from the main surface to the lower surface of each main channel.

В шестом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, где каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, а ток травления включает в себя изменение вторичного тока травления, накладываемое на изменение первичного тока травления. Изменение первичного тока травления может быть нелинейным изменением тока. Изменение вторичного тока травления может быть линейным дополнением синусоидальной функции. Нелинейное изменение тока может быть аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов содержат боковые стенки с первичной линейной формой и накладываемой на нее синусоидальной формой.In a sixth exemplary embodiment of the invention, a method of forming a porous electrode includes immersing an electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath, applying an etching current through an electrically conductive substrate to create a porous structure containing a plurality of main channels in the electrically conductive substrate, where each of the main channels has an opening on the main surface of the porous structure, and the etching current includes a change in the secondary etching current superimposed on change in the primary etching current. The change in the primary etching current may be a non-linear change in current. Changing the secondary etching current can be a linear complement to the sinusoidal function. A nonlinear change in current can be approximated by a second or third order polynomial. In an embodiment of the invention, the plurality of main channels comprise side walls with a primary linear shape and a sinusoidal shape superimposed on it.

В седьмом показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей структуры, где каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, которая накладывается на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области резервуаров и соединительные области.In a seventh exemplary embodiment of the invention, the energy storage device includes a porous structure comprising a plurality of main channels inside the electrically conductive structure, where each of the main channels has an opening on the main surface of the porous structure, and each of the main channels extends into the electrically conductive structure with side walls, including a primary surface shape and a secondary surface shape, which is superimposed on the primary surface shape. For example, the primary surface shape may be linear. For example, the primary surface shape may be linearly conical. In an embodiment of the invention, the secondary surface shape is sinusoidal. In an embodiment, the secondary surface shape includes alternating reservoir areas and connecting regions.

В восьмом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования устройства для хранения энергии включает в себя формирование слоя разделителя над первым электропроводящим пористым электродом, при этом первый электропроводящий пористый электрод содержит множество главных каналов, где каждый из главных каналов имеет отверстие в главной поверхности первого электропроводящего пористого электрода, и откладывающийся второй электропроводящий пористый электрод на слое разделителя. Способ также может включать в себя электрохимическое травление электропроводящей подложки, чтобы формировать первый электропроводящий пористый электрод. Отложение второго электропроводящего пористого электрода может включать в себя такую операцию как химическое осаждение из газовой фазы (CVD), покрытие, полученное способом центрифугирования, нанесение покрытия осаждением паров (PVD), и нанесение покрытия способом электроосаждения.In an eighth exemplary embodiment of the invention, a method of forming an energy storage device includes forming a separator layer above a first electrically conductive porous electrode, wherein the first electrically conductive porous electrode comprises a plurality of main channels, where each of the main channels has an opening in a main surface of the first electrically conductive porous electrode, and a deposited second electrically conductive porous electrode on the separator layer. The method may also include electrochemical etching of the electrically conductive substrate to form a first electrically conductive porous electrode. The deposition of the second electrically conductive porous electrode may include an operation such as chemical vapor deposition (CVD), a centrifugal coating, vapor deposition (PVD) coating, and electrodeposition coating.

В девятом показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя первый пористый электрод, содержащий множество главных каналов, в котором каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности первого пористого электрода, и в котором первый пористый электрод включает в себя кремний, карбид кремния, германий, или олово; разделитель располагается на первом пористом электроде, а второй электрод находится на разделительном слое, при этом второй пористый электрод включает в себя кремний, материал на основе кремния, или псевдоемкостной материал. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя легированный литием углерод. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя наноалмазную пленку.In a ninth exemplary embodiment of the invention, the energy storage device includes a first porous electrode comprising a plurality of main channels, in which each of the main channels has an opening on a main surface of the first porous electrode, and in which the first porous electrode includes silicon, silicon carbide , germanium, or tin; the separator is located on the first porous electrode, and the second electrode is on the separation layer, while the second porous electrode includes silicon, silicon-based material, or pseudocapacitive material. In an embodiment of the invention, the second porous electrode includes lithium doped carbon. In an embodiment of the invention, the second porous electrode includes a nanodiamond film.

В десятом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования устройства для хранения энергии включает в себя электрохимическое травление электропроводящей подложки, чтобы высвобождать пористую структуру из электропроводящей подложки, и соединение пористой структуры с разделительным слоем и второй пористой структурой. Соединение может включать в себя отложение разделительного слоя на пористой структуре. Соединение может включать в себя укладывание в стопку пористой структуры на разделительный слой. Соединение может включать в себя укладывание в стопку разделительного слоя на пористой структуре. Соединение может включать в себя укладывание в стопку второй пористой структуры на уложенном в стопку разделительном слое. Способ также может включать в себя электрохимическое травление второй электропроводящей подложки, чтобы высвобождать вторую пористую структуру из второй электропроводящей подложки.In a tenth exemplary embodiment of the invention, a method of forming an energy storage device includes electrochemically etching an electrically conductive substrate to release a porous structure from an electrically conductive substrate, and combining the porous structure with a separation layer and a second porous structure. The connection may include the deposition of the separation layer on the porous structure. The connection may include stacking a porous structure on a separation layer. The connection may include stacking a separation layer on a porous structure. The connection may include stacking a second porous structure on a stacked separation layer. The method may also include electrochemical etching of the second electrically conductive substrate to release a second porous structure from the second electrically conductive substrate.

В одиннадцатом варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, в то же время поддерживая в ванне для электрохимического травления приблизительно комнатную или более низкую температуру, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя раствор с концентрацией фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF.In an eleventh embodiment of the invention, a method for forming a porous electrode includes immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath, applying an etching current through the electrically conductive substrate to create a porous structure containing a plurality of main channels within the electrically conductive substrate, while maintaining the electrochemical etching in the bath approximately room or lower temperature, with each of the main channels having an opening on the main surface of the porous structure. In an embodiment of the invention, the electrochemical pickling bath includes a solution with a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1, or with a higher concentration of HF.

В двенадцатом варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, которая включает в себя раствор с концентрацией фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF, и приложение тока травления через электропроводящую подложку для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя раствор с концентрацией фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 3:1, или с большей концентрацией HF.In a twelfth embodiment of the invention, a method of forming a porous electrode includes immersing the electrically conductive substrate in an electrochemical etching bath, which includes a solution with a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1, or with a higher concentration of HF, and applying current etching through an electrically conductive substrate to create a porous structure containing many main channels inside the electrically conductive substrate, with each of the main channels having an opening on the main surface of the porous structure. In an embodiment of the invention, the electrochemical pickling bath includes a solution with a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 3: 1, or with a higher concentration of HF.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на отдельные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения могут быть сделаны без выхода за пределы объема и сущности изобретения. Соответственно, раскрытие вариантов осуществления изобретения предполагается для иллюстрации изобретения, и не предполагается для ограничения. Предполагается, что объем изобретения будет ограничиваться только до такой степени, которая предусматривается прилагаемой формулой изобретения. Например, специалистам в данной области техники будет очевидно, что устройства для хранения энергии и относящиеся к ним структуры и способы, обсуждаемые здесь, могут быть применены во множестве вариантов осуществления изобретения, при этом приведенное выше обсуждение некоторых из этих вариантов необязательно представляет полное описание всех возможных вариантов осуществления изобретения.Although the invention has been described with reference to specific embodiments of the invention, those skilled in the art will understand that various changes can be made without departing from the scope and spirit of the invention. Accordingly, the disclosure of embodiments of the invention is intended to illustrate the invention, and is not intended to be limiting. It is intended that the scope of the invention be limited only to the extent that is provided by the appended claims. For example, it will be apparent to those skilled in the art that the energy storage devices and related structures and methods discussed herein can be applied to a variety of embodiments of the invention, while the above discussion of some of these options does not necessarily represent a complete description of all possible embodiments of the invention.

Кроме того, выгоды, другие преимущества и решения проблем были описаны применительно к специфическим вариантам осуществления изобретения. Однако выгоды, преимущества, решения проблем и любой элемент или элементы, которые могут привести к каким-либо выгодам, преимуществам и решениям проблем таким образом, чтобы они имели место или становились более ясно выраженными, не должны истолковываться как критические, требуемые, или необходимые признаки или элементы любого или всех пунктов формулы изобретения.In addition, benefits, other advantages, and solutions to problems have been described in relation to specific embodiments of the invention. However, the benefits, advantages, solutions to problems and any element or elements that may lead to any benefits, advantages and solutions to problems in such a way that they take place or become more clearly expressed should not be construed as critical, required, or necessary signs or elements of any or all of the claims.

Кроме того, описанные здесь варианты осуществления изобретения и ограничения не предназначены делать изобретение всеобщим достоянием под доктриной передачи изобретения в общественное пользование, если эти варианты и ограничения: (1) неопределенно заявлены в пунктах формулы изобретения; и (2) являются или потенциально являются эквивалентами показанных элементов и/или ограничениями в пунктах формулы изобретения под доктриной эквивалентов.In addition, the embodiments and limitations described herein are not intended to make the invention publicly available under the doctrine of transferring the invention to public use, if these options and limitations are: (1) vaguely stated in the claims; and (2) are or are potentially equivalent to the elements shown and / or limitations in the claims under the doctrine of equivalents.

Claims (27)

1. Устройство для хранения энергии, содержащее:
- пористую структуру, образованную множеством главных каналов внутри электропроводящей структуры в направлении плоскости кристалла;
при этом каждый из главных каналов имеет отверстие в главной поверхности кристалла и каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру под острым углом к главной поверхности кристалла;
- вторую пористую структуру во второй электропроводящей структуре и разделитель между пористой структурой и второй пористой структурой.
1. An energy storage device comprising:
- a porous structure formed by a plurality of main channels inside the electrically conductive structure in the direction of the crystal plane;
wherein each of the main channels has an opening in the main surface of the crystal and each of the main channels passes into the electrically conductive structure at an acute angle to the main surface of the crystal;
a second porous structure in a second electrically conductive structure and a separator between the porous structure and the second porous structure.
2. Устройство для хранения энергии по п. 1, в котором каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления плоскости кристалла, ориентированного под острым углом к главной поверхности.2. A device for storing energy according to claim 1, in which each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction of the plane of the crystal, oriented at an acute angle to the main surface. 3. Устройство для хранения энергии по п. 1, дополнительно содержащее боковые каналы, проходящие от боковой поверхности каждого из главных каналов в электропроводящую структуру.3. An energy storage device according to claim 1, further comprising side channels extending from the side surface of each of the main channels into an electrically conductive structure. 4. Устройство для хранения энергии по п. 1, в котором:
- главная поверхность является поверхностью (1011), а каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления (100) плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности;
- главная поверхность является поверхностью (322), а каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления (100) плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности;
- главная поверхность является поверхностью (111), а каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления (113) плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности; или
- главная поверхность является поверхностью (5512), а каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления (100) плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности.
4. A device for storing energy according to claim 1, in which:
- the main surface is the surface (1011), and each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction (100) of the crystal plane at an acute angle to the main surface;
- the main surface is the surface (322), and each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction (100) of the crystal plane at an acute angle to the main surface;
- the main surface is the surface (111), and each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction (113) of the crystal plane at an acute angle to the main surface; or
- the main surface is the surface (5512), and each of the main channels passes into the electrically conductive structure along the direction (100) of the crystal plane at an acute angle to the main surface.
5. Устройство для хранения энергии по п. 1, в котором вторая пористая структура образована множеством вторых главных каналов и каждый из вторых главных каналов имеет второе отверстие во второй главной поверхности кристалла, а также каждый из вторых главных каналов проходит во вторую электропроводящую структуру под вторым острым углом ко второй главной поверхности кристалла; и
в котором главная поверхность и вторая главная поверхность параллельны друг другу и формируются вдоль той же самой кристаллографической плоскости.
5. The energy storage device according to claim 1, wherein the second porous structure is formed by a plurality of second main channels and each of the second main channels has a second hole in the second main surface of the crystal, and each of the second main channels passes into the second electrically conductive structure under the second acute angle to the second main surface of the crystal; and
in which the main surface and the second main surface are parallel to each other and are formed along the same crystallographic plane.
6. Устройство для хранения энергии, содержащее:
- пористую структуру внутри электропроводящей структуры, при этом пористая структура содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной поверхности пористой структуры; и
множество главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру для каждой из V-образных канавок или пирамидальных углублений, при этом каждый главный канал имеет отверстие в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении;
- вторую пористую структуру внутри второй электропроводящей структуры и разделитель между пористой структурой и второй пористой структурой, при этом разделитель проходит в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений.
6. A device for storing energy, containing:
- a porous structure inside the electrically conductive structure, while the porous structure contains a matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses in the main surface of the porous structure; and
a plurality of main channels extending into the electrically conductive structure for each of the V-shaped grooves or pyramidal recesses, each main channel having an opening in a corresponding V-shaped groove or pyramidal recess;
- a second porous structure inside the second electrically conductive structure and a separator between the porous structure and the second porous structure, the separator passing into the matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses.
7. Устройство для хранения энергии по п. 6, в котором вторая пористая структура содержит легированный литием углерод.7. The energy storage device according to claim 6, wherein the second porous structure comprises lithium doped carbon. 8. Устройство для хранения энергии по п. 6, в котором вторая пористая структура содержит наноалмазную углеродную пленку.8. The energy storage device according to claim 6, wherein the second porous structure comprises a nanodiamond carbon film. 9. Устройство для хранения энергии по п. 6, в котором вторая пористая структура проходит в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений.9. The energy storage device according to claim 6, wherein the second porous structure extends into a matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses. 10. Устройство для хранения энергии по п. 6, в котором вторая электропроводящая структура является материалом, выбранным из следующей группы: углерод, материал на основе углерода и псевдоемкостной материал.10. The energy storage device according to claim 6, in which the second electrically conductive structure is a material selected from the following group: carbon, carbon-based material and pseudocapacitive material. 11. Устройство для хранения энергии по п. 6, в котором вторая пористая структура содержит вторую матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений во второй главной поверхности второй пористой структуры; и
- вторую матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений, проходящую во вторую электропроводящую структуру, при этом каждый главный канал имеет отверстие в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении, а вторая пористая структура проходит в V-образную канавку или пирамидальные углубления пористой структуры.
11. The energy storage device according to claim 6, wherein the second porous structure comprises a second matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses in the second main surface of the second porous structure; and
- a second matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses extending into the second electrically conductive structure, with each main channel having an opening in a corresponding V-shaped groove or pyramidal recess, and the second porous structure extends into the V-shaped groove or pyramidal recesses of the porous structure.
12. Устройство для хранения энергии по п. 6, в котором разделитель полностью заполняет матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений.12. The energy storage device according to claim 6, in which the separator completely fills the matrix of V-shaped grooves or pyramidal recesses. 13. Устройство для хранения энергии по п. 1 или 6, в котором устройство для хранения энергии выполнено с возможностью встраивается внутрь электронного устройства, при этом устройство для хранения энергии выполнено с возможностью взаимодействия с микропроцессором.13. The energy storage device according to claim 1 or 6, wherein the energy storage device is configured to be integrated into an electronic device, wherein the energy storage device is configured to interact with a microprocessor. 14. Устройство для хранения энергии по п. 1 или 6, в котором каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности.14. An energy storage device according to claim 1 or 6, wherein each of the main channels extends into an electrically conductive structure with side walls including a primary surface shape and a secondary surface shape superimposed on the primary surface shape. 15. Устройство для хранения энергии по п. 14, в котором первичная форма поверхности является линейно конусообразной.15. The energy storage device according to claim 14, wherein the primary surface shape is linearly conical. 16. Устройство для хранения энергии по п. 15, в котором вторичная форма поверхности является синусоидальной.16. The energy storage device according to claim 15, wherein the secondary surface shape is sinusoidal. 17. Устройство для хранения энергии по п. 14, в котором каждый из главных каналов включает в себя чередующиеся области с резервуаром и соединительные области.17. The energy storage device according to claim 14, wherein each of the main channels includes alternating regions with a reservoir and connecting regions. 18. Способ формирования пористого электрода, содержащий:
- погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления; и
- приложение тока травления к электропроводящей подложке;
при этом приложение тока травления характеризуется:
- изменением тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, образованную множество главных каналов в электропроводящей подложке в направлении плоскости кристалла, где каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности кристалла; или
- наложением вторичного изменения тока травления на первичное изменение тока травления.
18. A method of forming a porous electrode, comprising:
- immersion of the electrically conductive substrate in the bath for electrochemical etching; and
- application of the etching current to the electrically conductive substrate;
while the application of the etching current is characterized by:
- changing the etching current in a nonlinear manner to create a porous structure formed by a plurality of main channels in the electrically conductive substrate in the direction of the crystal plane, where each of the main channels has an opening on the main surface of the crystal; or
- the imposition of a secondary change in the etching current on the primary change in the etching current.
19. Способ по п. 18, в котором изменяющийся нелинейным образом ток травления содержит изменение тока травления в чередующихся узлах относительно более высокого и более низкого тока.19. The method according to p. 18, in which the non-linearly changing etching current comprises changing the etching current in alternating nodes of a relatively higher and lower current. 20. Способ по п. 19, в котором изменяющийся нелинейным образом ток травления содержит постоянно уменьшающийся ток травления.20. The method according to p. 19, in which the non-linearly changing etching current contains a constantly decreasing etching current. 21. Способ по п. 18, в котором первичное изменение тока травления является нелинейным изменением тока травления, а вторичное изменение тока травления является линейным дополнением синусоидальной функции.21. The method according to p. 18, in which the primary change in the etching current is a nonlinear change in the etching current, and the secondary change in the etching current is a linear addition to the sinusoidal function. 22. Способ по п. 21, в котором нелинейное изменение тока травления аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка.22. The method according to p. 21, in which the nonlinear change in the etching current is approximated by a second or third order polynomial. 23. Способ по п. 18, в котором ванна для электрохимического травления содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1 или с большей концентрацией HF.23. The method according to p. 18, in which the bath for electrochemical etching contains a concentration of hydrofluoric acid (HF): alcohol in a ratio of 2: 1 or with a higher concentration of HF. 24. Способ по п. 18, дополнительно содержащий поддерживание ванны для электрохимического травления приблизительно при комнатной или меньшей температуре во время приложения тока травления.24. The method according to p. 18, further comprising maintaining the bath for electrochemical etching at approximately room or lower temperature during the application of the etching current. 25. Способ формирования устройства для хранения энергии, содержащий:
- электрохимическое травление электропроводящей подложки для высвобождения пористой структуры из этой электропроводящей подложки; и
- соединение пористой структуры с разделительным слоем и второй пористой структурой;
- в котором соединение содержит отложение разделительного слоя на пористой структуре.
25. A method of forming a device for storing energy, comprising:
- electrochemical etching of the electrically conductive substrate to release the porous structure from this electrically conductive substrate; and
- connection of the porous structure with a separation layer and a second porous structure;
- in which the connection contains the deposition of the separation layer on the porous structure.
26. Способ по п. 25, в котором соединение содержит укладывание в стопку пористой структуры на разделительный слой или укладывание в стопку разделительного слоя на пористую структуру.26. The method according to p. 25, in which the connection comprises stacking a porous structure on a separation layer or laying a stack of a separation layer on a porous structure. 27. Способ по п. 25, дополнительно содержащий электрохимическое травление второй электропроводящей подложки для высвобождения второй пористой структуры из второй электропроводящей подложки. 27. The method of claim 25, further comprising electrochemically etching the second electrically conductive substrate to release the second porous structure from the second electrically conductive substrate.
RU2014111796/07A 2012-09-28 2013-06-24 Structures made using nanotechnology for porous electrochemical capacitors RU2588036C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/631,579 US9206523B2 (en) 2012-09-28 2012-09-28 Nanomachined structures for porous electrochemical capacitors
US13/631,579 2012-09-28
PCT/US2013/047404 WO2014051772A1 (en) 2012-09-28 2013-06-24 Nanomachined structures for porous electrochemical capacitors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014111796A RU2014111796A (en) 2015-10-10
RU2588036C2 true RU2588036C2 (en) 2016-06-27

Family

ID=

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2711072C1 (en) * 2019-04-24 2020-01-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Method of electrochemical deposition of silicon-carbon films on dielectric substrates
RU198028U1 (en) * 2019-11-05 2020-06-15 Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия") BATTERY BASED ON ELECTROCHEMICAL CAPACITORS

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070235342A1 (en) * 2004-10-01 2007-10-11 Canon Kabushiki Kaisha Method for manufacturing nanostructure
US20090142656A1 (en) * 2004-04-27 2009-06-04 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. 3-d microbatteries based on interlaced micro-container structures
RU2400851C1 (en) * 2009-10-07 2010-09-27 Закрытое акционерное общество "Специальное Конструкторско-Технологическое Бюро КАСКАД" (ЗАО "СКТБ КАСКАД") Method of preparing cathode foil and cathode foil for electolytic capacitors
JP2011151376A (en) * 2009-12-24 2011-08-04 Panasonic Corp Aluminum foil for aluminum electrolytic capacitor electrode
WO2011123135A1 (en) * 2010-04-02 2011-10-06 Intel Corporation Charge storage device, method of making same, method of making an electrically conductive structure for same, mobile electronic device using same, and microelectronic device containing same
WO2011154862A1 (en) * 2010-06-06 2011-12-15 Ramot At Tel-Aviv University Ltd Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090142656A1 (en) * 2004-04-27 2009-06-04 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. 3-d microbatteries based on interlaced micro-container structures
US20070235342A1 (en) * 2004-10-01 2007-10-11 Canon Kabushiki Kaisha Method for manufacturing nanostructure
RU2400851C1 (en) * 2009-10-07 2010-09-27 Закрытое акционерное общество "Специальное Конструкторско-Технологическое Бюро КАСКАД" (ЗАО "СКТБ КАСКАД") Method of preparing cathode foil and cathode foil for electolytic capacitors
JP2011151376A (en) * 2009-12-24 2011-08-04 Panasonic Corp Aluminum foil for aluminum electrolytic capacitor electrode
WO2011123135A1 (en) * 2010-04-02 2011-10-06 Intel Corporation Charge storage device, method of making same, method of making an electrically conductive structure for same, mobile electronic device using same, and microelectronic device containing same
WO2011154862A1 (en) * 2010-06-06 2011-12-15 Ramot At Tel-Aviv University Ltd Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2711072C1 (en) * 2019-04-24 2020-01-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Method of electrochemical deposition of silicon-carbon films on dielectric substrates
RU198028U1 (en) * 2019-11-05 2020-06-15 Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия") BATTERY BASED ON ELECTROCHEMICAL CAPACITORS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9206523B2 (en) Nanomachined structures for porous electrochemical capacitors
RU2553981C2 (en) Charge accumulator, method of its manufacturing, method for manufacturing of electroconductive structure for charge accumulator, mobile electronic device using charge accumulator and microelectronic device containing charge accumulator
US9409767B2 (en) Energy storage structure, method of manufacturing a support structure for same, and microelectronic assembly and system containing same
US10170244B2 (en) Fabrication of porous silicon electrochemical capacitors
CN107103993B (en) Energy storage device, method of manufacturing the same, and mobile electronic device including the same
JP2017500736A (en) Hybrid electrochemical capacitor
TWI457956B (en) Integration of energy storage devices onto substrates for microelectronics and mobile devices
EP2783374B1 (en) Structure for energy storage device with porous polycrystalline substrate and method for constructing an energy storage device
US9978533B2 (en) Energy storage device, method of manufacturing same, and mobile electronic device containing same
US10014123B2 (en) Overcoming variance in stacked capacitors
RU2588036C2 (en) Structures made using nanotechnology for porous electrochemical capacitors