TW201222589A - Solid-state super capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
201222589 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種固態超級電容器,尤指一種利用奈 米線叢增加電極表面積及以直接反應沉積得到高純度介電 材料,達到該材料具有最高介電係數之固態超級電容器。 【先前技術】 電容器是一種儲能元件,具有耦合交流、濾波、調諧、 相移、儲存能量和旁路等用途。因應南頻電力電子電路的 技術演進,高能量密度已是發展的潮流,陶瓷電容雖有很 高介電係數但還可提高,因受限於以往陶瓷電容之生產條 件,陶瓷材料經過煅燒後須粉碎處理,在材料粉碎時,會 造成汙染降低介電係數。在陶瓷材料成形時須加入黏結 劑,降低材料純度同時降低介電係數,且陶瓷材料燒結後 會形成光滑表面,所以只能與平面電極結合、很難產生高 表面積之電極,例如圓板電容及積層陶竞電容(MLCC),而 且現今的積層陶瓷電容生產時長與寬都不能太大。 目前使用之電容器製程無法兼顧有高表面積導體和超 高介電係數而得到一個超大單位體積容量之電容,例如電 解電容及電雙層超級電容雖然為高導體表面積,但因需使 用電解液所以無法得到高介電係數之介電層、高使用壽 命、高安全性以及高耐電壓值,工作溫度亦受到侷限。 電解電容器是由陽極處理使鋁箔表面產生氧化鋁作為 絕緣層,當使用極性相反或電壓超過時,會破壞絕緣層而 201222589 造成漏電,進而分解電解液產生氣體’便會衍生電容器爆 聚與糸統爆炸的危安事故。 電雙層電容器雖有很大導體表面積、但是使用水系電 解液單體(cell)的耐電壓值及介電係數都非常低,響應速度 慢’ 一般对壓不超過3 V ’當系統規格有耐高電壓設計時, 電雙層電容器需進行串聯,額外增加電力控制管理系統配 置與操作危險性。 鲁 美國EESTOR公司於美國專利公告US7033406與 US7466536中,揭露一種電子能量儲存單元(EESU),採用 高介電係數之鈦酸鋇改質混合式粉末當作介電材料,利用 材料雙面塗佈氧化铭(aluminurn oxide)與飼鎮氧化銘玻璃 材料(calcium magnesium aluminosilicate),以及利用網印方 式製作對稱式鎳電極層,然後進行材料之燒結以及熱均壓 疫理以便產生向緻畨性且以薄層化增加表面積之能量儲 存結構。 、 籲μ、4專利所揭露之技術缺失在於,因須採用薄膜製程, 水料之應力不易消除,雜質、微小裂痕及氣孔之 粗^均疋很難克服之技術’即使採用陶免類之玻璃基板材 11作基貝、(matnx) ’間接地降低有效介電係數,同時也很 、处理因為不適當的製程因素產生的熱衝擊(thermal shock)、雜質(impuHties)、機械應力(繼匕―的⑻等因 f &成’丨電層材料之内部微小裂痕㈣⑽幻等問 題另外因採用薄膜製程耐壓不高,須堆疊串聯耐壓才 多句堆宜串聯結構其中某一層開路或短路會造成整組儲能 201222589 元件失效或耐壓降低,對儲能單元造成安全操作上的極大 風險’另外,發明者藉由提供高純度之鈦酸鋇改質材料及 材料薄層化之燒結製程以提高整體之電荷儲存.能力,然而 這種製程模式雖能相當程度的提高儲能元件之能量密度, 但無法真正達到最佳能量密度之提升、及降低生產風險, 而且克服這些瑕疵是很大的技術挑戰過程,所以此項發明 技術會大幅增加製作成本。 另外’加拿大專利公告號CA2598754以及CA2598787 _ 中,揭露了採用純陶瓷材料或陶瓷高分子混合材料當作介 電層’以铭或鋁合金材料當作電極層,並且在内部電極 (internal electrode)製作時,加入不與外部電極(externai electrode)相連接的浮動電極(fl〇ating eiectr〇de),以堆疊式 製作儲能元件結構,其中有關高表面積之浮動電極若不與 外部電極相連結,實際只是一個虛像電極無法將極化電荷 引出’實質上並無法真正製成高容量電容器,另外,陶兗 高分子混合物之顆粒尺寸、分散處理技術以及介電特性影 鲁 響與緻密性影響,均是製程上的一大挑戰,而且高分子材 料對於溫度之變化非常敏感,會影響材料之緻密性及電極 距離,因而溫度之升高造成整體模組體積膨脹,電容量會 明顯降低’影響儲能的效果,而浮動電極分散不易控制, 很容易造成短路,在製程上是一大挑戰。 【發明内容】 本發明所欲解決之技術問題與目的: 201222589 緣此,本發明之主要目的係提供一種固態超級電容器 及其製備方法,以達到具有高電容量與高能量密度的目的。 本發明解決問題之技術手段: 一種固態超級電容器係包含第一奈米線叢電極、第二 奈米線叢電極與介電材料;第一奈米線叢電極係由第一電 極與第一奈米線叢所構成,其中,第一奈米線叢係自該第 一電極垂直延伸出,並包含複數條互相間隔之第一奈米 • 線;第二奈米線叢電極係由第二電極與第二奈米線叢所構 成,其中,第二電極係平行該第一電極設置,且第二奈米 線叢係自該第二電極垂直延伸出,與該第一奈米線叢間 隔,並包含複數條互相間隔之第二奈米線;介電材料係設 置於該第一奈米線叢電極與該第二奈米線叢電極之奈米線 間隙,以及該兩奈米線叢電極之間隔内。 於本發明之一較佳實施例中,該第一電極與該第二電 極係可以設置於同一平面或不同平面上。 * 除此之外,本發明更揭露一種固態超級電容器之製作 方法,係包含以下步驟:(a)於一基板之表面形成一第一電 極、一第二電極,再將基板製成複數個奈米孔洞,且於該 第一電極與該第二電極上披覆一背膠;(b)將一電極材料填 於該些奈米孔洞内,以形成相互間隔之一第一奈米線叢與 一第二奈米線叢;該第一奈米線叢係與該第一電極電性連 結,形成一第一奈米線叢電極;該第二奈米線叢係與該第 二電極電性連結,形成一第二奈米線叢電極;(c)將該基板 201222589 去除;(d)以一介電材料填滿該些第一奈米線之間隙、該 些第二奈米線間隙以及該第一奈米線叢電極與該第二奈米 線叢電極之間隔内。 於本發明之一較佳實施例中,該第一電極與該第二電 極係可以分別設置於該基板之一上表面與一下表面,或是 一同設置於該基板之該上表面或該下表面。 本發明對照先前技術之功效: 相較於習知技術之電容器,本發明之固態超級電容 器,具備高功率密度以及高能量密度之特性,且其耐壓值 更可由兩奈米線叢電極之間隔寬度決定,因此可用於各種 電壓之直流電源儲能裝置與在交流設備使用。 此一介電層直接由反應堆積生成不需再做其他加工程 序,不會產生其他污染,所以經由固化(或烘燒、燒結)後 為極向純度及南密度之介電層’具有極面介電係數’且該 電極表面為奈米線叢,所以是具有非常高表面積之電極, 故有效提高固態超級電容器容量。 本發明所採用的具體實施例,將藉由以下之實施例及 圖式作進一步之說明。 【實施方式】 本發明係關於一種固態超級電容器,尤指一種利用奈 米線叢增加電極表面積及以直接反應沉積得到高純度介電 材料,達到該材料具有最高介電係數之固態超級電容器。 201222589 以下兹列舉—料實施湘糾本發明 者皆知此僅為-舉例,而並非用以限定發明本身二 較佳實施例之内容詳述如下。 牙有關此 # ί參㈣m係為本發明固態超級電容器之 弟一貫施例立體圓。固態超級電容器係包含第一 = 電極u、第二奈米線叢電極12與介電材料13。不… 第一奈米線叢電極11係由第一電極ln與第一夺米 所構成’其中’第一奈来線叢ιΐ2係自該第二電極 :直延伸出,並包含複數條互相間隔之第一奈米線,·第 極】2係由第二電極121與第二奈米線叢122 ’第二奈米線叢122係、自該第二電極⑵垂 直延伸出,與該m線叢112間隔, 相間隔之第二奈㈣ “灵賴互 第二電極m係平行該第—電極ιη設置,而於本發 日=佳實施例中,第一電極lu與第二電極i2i可以設 sr第一平Γ上,亦可以設置於不同平面上,當第一電極 Π二電極m設置於同一平面時,第一奈米線叢ιΐ2 j二:米線叢122係朝同一方向延伸,而當第-電極m ,第=電極m設置於不同平面時,第一奈米線叢ιΐ2斑 弟:奈米線叢122係分別朝第二電極⑵與第-電極m 延伸。 介電材料13係設置於該㈣—奈米線之間隙、該些第 —米線間隙以及該第-奈米線叢 線叢電極12之間隔16内;介電材料^ 一不米 电材枓13可以依據產品需求 201222589 特丨生之不同’而採用不同的 中之較佳者,介電㈣η了 4數材枓,而於本實施例 互,!讀枓13可以用鈦鍰鋇。 本务明更揭露-種固態超 作方法係包含以下步驟: 電合裔之製作方法’該製 斤請參閱第二Α圖、第二_、第三 第四A圖與第四β圖二 。·_β圖、 Β圖係為純之職圖,第—三之俯視圖’第二 圖案之俯視圖,第:係為於基板上形成電極 視θ,g Λ 圖係為於基板上形成電極圖案之剖 剖視圖皆為覆=之剖視圖;其中’ 之表面形成-第-電極=視,° 須於基板100 孔、、间H,B上^電 卜一第二電極121與複數個奈米 /π ,且於5亥第一電極丨η盥該第二雷楠μ祕费 背膠14,·然而,要強 ,、一電木21上披復一 H周的疋’形成的順序並不影響後續的 是如第二圖至第四圖所示,先於基板 形成卜電極U1與第二電極⑵後,才形成奈米孔 二以及披覆背膠14,也可以是先於基板100上形成奈 後’再形成第—電極111與第二電極121並披覆 n ,此外,奈米孔洞15的形成方式可以有多種選擇, 例如將基板100置於電解液中進行陽極處理就可以在基 100表面形成奈米孔洞15。 ,,繼續參閱第五A圖、第五B圖、第六A圖與第六3 圖第五A圖係為形成奈米線叢後去除基板之俯視圖,第 五B圖係為形成奈米線叢後去除基板之剖視圖與奈米線叢 201222589 之放大圖第A圖係為將介電材料填滿空隙之俯視圖, 第六B圖係為將介電材料填滿空隙之剖視圖與奈米線叢之 放大圖接著,將—電極材料填於該些奈米孔洞15内,以 形成相互fa〗陣之^一定 . ….,之弟—奈米線叢U2與一第二奈米線叢 ,^不米線叢112係與該第一電極111電性連結, 2成Φ第奈米線叢電極u,該第二奈米線叢122係與該 〜2 121 f性連結’形成—第二奈米線叢電極12,當 =二1線|112與第二奈米線叢122形成後,即可將基 複數條第:太由放大圖可以知道,第一奈米線叢112是由 播/、π'米線 U2la、U21b、1121C 與 1121d 所共同 構成’雖然圖中僅以四條第—奈米線112U、1121b、1121e Ϊ 作為示意’然第一奈米線U21a' 1121b、U21c 1 數目並*影響树明之技術原理,同理,第二 2線叢122収由複數條第二奈米線所構成;於本實施 I之較佳者,基板100可以利用餘刻(etching)或溶洗 (dissolution)的方式去除。 接著以一介電材料13填滿該些第一奈米線】⑵&、 第-太間隙、該些第二奈米線間隙以及該 1與該第二奈米線叢電極12之間隔 二則可以為任何可產生介電特性之材料,例 是真空狀態皆可作為介電材料13 ;而部份介 二a I3於填入後可能需要進行固化程序,例如介電材料 ’’’、、陶瓷類材料時,可以利用燒結、固化與烘燒之其中二 弋成3L,然而此固化程序僅為一般成熟之習知技街, 201222589 因此在本說明書中不多做贅述。 請參閱第七A圖與第七3圖’第七八圖係為去除背膠 t視圖,第七B圖係為去除背膠之剖視圖。最後視所用 可種介電材料13再用適當方法固化 们4 土 發明之固態超級電容器;而背膠:去除;;法 成=士 Γ夕種選擇’例如當介電材料13為陶㈣,在燒結 成型訏即可將背膠14同時去除。 堆c固態超級電容器可以簡單藉由同方向重覆 量到電性並聯連接,以組合成各種不同需求電容 夏的固恕超級電容器。 -奈::叢,可經由調整第 度,改變整體固態超級電容V的工二u間之間隔16寬 電=請參閱第八圖’第八圖係為本發明之固態超級 器時:第。於製作本發明之固態超級電容 tn.HA 、…電極21與第二奈米線叢電極22可以 第—夺乎例如鑛齒狀或指又狀等,只要確保 一電二奈米線叢222分別電性連結於第 料並互相保持間隔,以及介電材 結有奈米線叢,:夺超級電容器之電極係連 容器的電容值是與電極面二積:於電 的距離成反比,所以增大電極面積和J高介電= 201222589 瓷介電層就可以有效增加電容值。經由調整第一奈米線叢 電極與第二奈米線叢電極間之間隔寬度,就可改變工作電 壓。此外,可將該固態超級電容器以並聯方式重複堆疊以 達到需要之容量,符合高電壓與高能量密度的規格需求。 藉由以上較佳具體實施例之詳述,係希望能更加清楚 描述本發明之特徵與精神,而並非以上述所揭露的較佳具 體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地,其目的是 希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請 •之專利範圍的範疇内。 【圖式簡單說明】 第一圖係為本發明固態超級電容器之第一實施例立體 圖, 第二A圖係為基板之俯視圖; 第二B圖係為基板之剖視圖; 第三A圖係為於基板上形成電極圖案之俯視圖; ® 第三B圖係為於基板上形成電極圖案之剖視圖; 第四A圖係為形成奈米孔洞且彼覆背膠之俯視圖; 第四B圖係為形成奈米孔洞且彼覆背膠之剖視圖; 第五A圖係為形成奈米線叢後去除基板之俯視圖; 第五B圖係為形成奈米線叢後去除基板之剖視圖及奈米 線叢之放大圖; 第六A圖係為將介電材料填滿空隙之俯視圖; 第六B圖係為將介電材料填滿空隙之剖視圖及奈米線叢 [S] 12 201222589 之放大圖; 第七A圖係為去除背膠之俯視圖; 第七B圖係為去除背膠之剖視圖;以及 第八圖係為本發明之固態超級電容器之另一較佳實施 例。 【主要元件符號說明】 基板100 第一奈米線叢電極11 第一電極111 第一奈米線叢112 第一奈米線 1121a、U21b、1121c、1121d 第二奈米線叢電極12 第二電極121 第二奈米線叢122 介電材料13 背膠14 奈米孔洞15 間隔16 第一奈米線叢電極21 第一電極211 第一奈米線叢212 第二奈米線叢電極22 第二電極221 [S] 13 201222589 第二奈米線叢222 介電材料23
Claims (1)
- 201222589 七、申請專利範圍: 1. 一種固態超級電容器,係包含: 一第一奈来線叢電極,係包含一第一電極與一第一奈米 線叢,該第一奈米線叢係自該第一電極垂直延伸出, 並包含複數條互相間隔之第一奈米線; 一第二奈米線叢電極,係包含一第二電極與一第二奈米 線叢,該第二電極係平行該第一電極設置,該第二奈 I 米線叢係自該第二電極垂直延伸出,與該第一奈米線 叢間隔,並包含複數條互相間隔之第二奈米線;以及 一介電材料,係設置於該些第一奈米線之間隙、該些第 二奈米線之間隙以及該第一奈米線叢電極與該第二奈 米線叢電極之間隔内。 2. —種固態超級電容器之製作方法,係包含以下步驟: (a) 於一基板之表面形成一第一電極、一第二電極與 複數個奈米孔洞,且於該第一電極與該第二電極 φ 上披覆一背膠; (b) 將一電極材料填於該些奈米孔洞内,以形成相互 間隔之一第一奈米線叢與一第二奈米線叢,該第 一奈米線叢係具有複數條第一奈米線,並與該第 一電極電性連結,藉以形成一第一奈米線叢電 極,該第二奈米線叢係具有複數條第二奈米線, 並與該第二電極電性連結,藉以形成一第二奈米 線叢電極; (c) 將該基板去除;以及 [S] 15 201222589 (d)以一介電材料填滿該些第一奈米線之間隙、該些 第二奈米線之間隙以及該第一奈米線叢電極與該 第二奈米線叢電極之間隔内。 3. 如申請專利範圍第3項所述之固態超級電容器之製作方 法,其中該第一電極與該第二電極係分別設置於該基板 之一上表面與一下表面。 4. 如申請專利範圍第3項所述之固態超級電容器之製作方 法,其中該第一電極與該第二電極係設置於該基板之同 ® 一表面之上。m 16
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