TW201401309A - 混合式電容器 - Google Patents

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Abstract

所揭露的是一種電容器，其包含：具有介電塗層的第一結構表面、具有介電塗層的第二結構表面、設置於第一結構表面與第二結構表面間的分隔件以及設置於第一結構表面與第二結構表面間的電解質。結構表面可自碳所形成，碳可以是奈米碳管的隨機陣列且奈米碳管之間距對長度比不大於1：30。介電塗層可以選自但不限於：氧化鉿、鈦酸鋇(BTO)、BST、PZT、CCTO或二氧化鈦或此類材料之兩或更多者的組合。

Description

混合式電容器
本發明係關於一種混合式電容器。
電容器在兩金屬表面間儲存電荷。基於電容器結構的方式以及用於兩金屬表面間的材料，電容器可被廣義地分類為靜電、電解或電化學型。在標準的靜電電容器中，兩金屬電極係由介電材料所分離而電荷儲存在電極之間。電解電容器包含兩個金屬電極以及浸泡在電解質中的紙間隔件，電極的一者塗覆有絕緣介電材料(金屬電極的氧化物)。藉由氧化物層所絕緣的金屬電極提供陽極(正電極)，而液體電解質與第二金屬表面提供陰極(負電極)。
電化學電容器(亦被稱為雙層電容器或超電容器)通常是由兩個相同的金屬電極所構成，每一金屬電極都塗覆有高表面積的導電碳，兩電極浸泡於電解質中並藉由間隔件所分離。電化學電容器的電容(大於100F/g或大於100μF/cm2)比電解電容器(通常具有數uF/cm2的電容)與靜電電容器(通常具有nF/cm2量級的電容)兩者的電容高上幾個量級。然而，從電化學電容器(具有有機電解質的電容器約為3V)到電解與靜電電容器(從幾十至幾百伏特)，最高操作電壓及充放電的速度大幅地增加。
相較於電池，電容器具有極高的功率密度但遠遠較低的能量密度。儲存在電容器中的電能(U)會根據其電容及(C)與操作時之最大電壓(V)的平方而改變，且其可由關係式U=½CV2來表示。為了增加儲存在電容器中的能量，電容以及操作電壓都必須要增加。電化學超電容器具有極高的電容但低操作電壓，然而靜電電容器具有較低電容但遠遠較高的操作電壓。
根據本發明之第一態樣，提供一種電容器，其包含：具有介電塗層的第一結構表面；具有介電塗層的第二結構表面；設置在該第一結構表面與該第二結構表面之間的分隔件；及設置在該第一結構表面與該第二結構表面之間的電解質。
本發明係關於介電與電化學電容器的混合式電容器，其使用介電塗覆表面，較佳地自結構的高表面積硬材料所形成，且係以電化學超電容器的傳統方式建構，因此獲得類似於該些超電容器的電容但較高的操作電壓。因此，改善了儲存在混合式電容器中的能量。此結構係不同於電解電容器的結構，因為其使用了高表面積的碳表面且絕緣氧化物並非是從電極金屬所形成的金屬氧化物。這可使此電容器結構更穩建且非極性。
結構表面較佳地為導電結構，且較佳地包含電容器的電極。例如，結構表面較佳地具有三維表面，其增加用於電荷傳遞之電極的表面積。結構奈米表面的實例為多孔性碳及活性碳的皺板。
較佳地，結構表面為奈米結構的碳表面。奈米結構的碳表面較佳地包含奈米碳管(CNT)陣列。
根據第二態樣，本發明提供一種電容器的製造方法，其包含下列步驟：a.提供具有介電塗層的第一結構表面；b.提供具有介電塗層的第二結構表面；c.將分隔件設置於該第一結構表面與該第二結構表面之間；及d.將電解質設置於該第一結構表面與該第二結構表面之間。
結構表面較佳地由碳所形成。結構表面較佳地為CNT陣列。陣列可以是規則陣列或隨機陣列。較佳地使用化學氣相沈積(CVD)製程來製造CNT。在一實例中，使用D.C.電漿增強CVD成長室來製造具有位向性的奈米管。
為了製造規則CNT陣列，可以微影方式製備基板以促進CNT僅在特定位置成長。一較佳的成長製程由四個階段所組成： (a)基板預處理(形成擴散阻擋層)，其中將30nm厚的鈮層濺鍍至矽上；(b)催化劑沈積，將10nm厚的鎳催化劑膜沈積至該基板上；(c)催化劑退火(燒結)步驟，將該基板加熱至700℃並維持700℃ 10分鐘以燒結該催化劑層並形成該催化劑的島狀物或奈米球狀物；及(d)奈米管成長，其中導入200sccm流量的NH3，並在陰極(基板)與陽極之間啟動DC放電，偏壓增加至-600V，然後導入60sccm流量的乙炔(C2H2)饋入氣體。
在一實例中，將總壓力維持在3.8mbar，並在穩定的放電下進行沈積10分鐘。
在一較佳的具體實例中，第一電極包含隨機陣列的結構較佳地為CNT。此類隨機陣列亦已知為超成長且具有遠高於規則陣列的較高長成速率。較佳地，結構的間距與長度比具有1：30的最大值。若特定密度下的結構太長，則介電塗層會變成非保形，導致不連續的介電層。此外，若結構太長且密，則可能會難以在基板的上部上形成介電層與第二電極層兩者。
針對超成長或隨機的CNT，較佳的成長製程係如下所示：(a)將2-4nm厚的鋁層塗佈於基板上；(b)利用基本壓力為10-5mbar的金屬濺射塗佈設備，將2-4nm厚的鐵(Fe)催化劑膜濺鍍至鋁層上；及(c)在600℃的NH3環境下退火已塗佈的基板10分鐘，然後將2sccm的C2H2導入處理室中以成長CNT。
CNT成長步驟較佳地具有不大於10分鐘、較佳地介於1至10分鐘、甚至更較佳地介於1至3分鐘的持續時間。鋁層為阻障層，且係用以在退火處理步驟期間形成薄的氧化鋁層。此薄的氧化物層會協助鐵的奈米島狀物形成，以成長高密度的CNT。基板可以是任何導電基板。較佳地，基板為銅或矽基板。或者，基板可以是石墨基板。
混合式電容器為結合了固態電容器技術之材料與液態電解質的電容器，其試著最大化所得電容器的期望特性。已發現，可將電容器的電壓範圍從傳統液態電解質電容器的約2.8V增加至5V或更高。
介電塗層可由下列的至少一者所形成：氧化鉿、鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鋯鈦酸鉛、CaCu3Ti4O12及二氧化鈦。介電材料較佳地為高k金屬氧化物如氧化鉿、二氧化鈦、鈦酸鋇(BTO)或鈦酸鍶鋇。此類塗層可以各種方法來製造，包含但不限制為：原子層沈積(ALD)、電漿增強ALD(PEALD)、電泳沈積(EPD)、物理氣相沈積(PVD)、脈衝雷射沈積(PLD)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、電漿增強化學氣相沈積(PECVD)及濺射塗佈。
此外，可使用多種具有相對高K值的聚合物材料來形成介電材料，例如是可以旋塗方式塗佈至塗有BTO之CNT上的氰基樹脂(CR-S)、基於聚二氟亞乙烯系的聚合物如Pvdf：Trfe或PVDF：TrFE：CFE。自我組裝之膦酸單層塗層亦可作為額外塗層具有更進一步降低漏電流的功能。
ALD製程可包含複數的沈積循環，每一沈積循環包含下列步驟：(i)將前驅物導入處理室(ii)利用沖洗(purge)氣體來沖洗處理室(iii)將氧源作為第二前驅物導入處理室，及(iv)利用沖洗氣體來沖洗處理室。氧源可以是氧氣及臭氧中的一者。沖洗氣體可以是氬氣、氮氣或氦氣。為沈積氧化鉿，可使用烷基氨鉿化合物前驅物。為沈積二氧化鈦，可使用異丙氧化鈦前驅物。每一沈積循環較佳地是在基板處於相同溫度的狀態下進行，此溫度較佳地介於200至300℃的範圍，例如250℃。每一沈積步驟較佳地包含至少100個沈積循環。例如，一ALD沈積可包含200至400個沈積循環以製造厚度範圍介於25至50nm的氧化鉿塗層。當沈積循環為電漿增強沈積循環時，上面的步驟(iii)較佳地亦包含：在將氧化前驅物供給至處理室之前，例如自氬氣或氬氣與一或多種其他氣體如氮氣、氧氣與氫氣的混合物觸發(striking)電漿。
介電塗層較佳地以兩步驟ALD製程所製造，藉此沈積第一層塗層，然後沈積製程暫停，接著沈積第二層塗層。此兩步驟塗佈可應用僅使用電漿ALD塗佈方法以及電漿與熱ALD塗佈方法的組合。暫停是在沈積製程中的中斷或延遲，已發現其有利於沈積至基板上之材料的某些特性。延遲較佳地具有至少一分鐘的持續時間。較佳地藉著在第一沈積步驟與第二沈積步驟之間供給沖洗氣體至放置了基板的處理室至少一分鐘，將延遲導入沈積。每一沈積步驟較佳地包含複數個連續的沈積循環。每個沈積步驟較佳地包含至少50個沈積循環，且此些沈積步驟中的至少一者可包含至少一百個沈積循環。在一實例中，每一沈積步驟包含兩百個連續的沈積循環。在沈積步驟之間的延遲持續時間係較佳地比每一沈積循環的持續時間更長。每一沈積循環的持續時間係較佳地介於40至50秒。
沈積步驟之間的延遲可藉由下列方式來提供：在一選擇定之沈積循環結束時，將沖洗氣體供給至處理室持續一段延長的時間。此選定的沈積循環可在沈積製程的開始時發生、在沈積循環的結束時發生、或在沈積製程的實質中途發生。
電泳為分散在溶劑中的粒子因為電場的影響而運動。此現象被電泳沈積(EPD)所利用以將帶電的粒子塗佈於基板上。例如在下列的文獻中，EPD已被用來將塗層沈積於平的基板上：Fabrication of Ferroelectric BaTiO3 Films by Electrophoretic Deposition Jpn.J.Appl.Phys.32(1993)pp.4182-4185 by Soichiro Okamura,Takeyo Tsukamoto and Nobuyuki Koura；及Preparation of a Monodispersed Suspension of Barium Titanate Nanoparticles and Electrophoretic Deposition of Thin Films,Journal of the American Ceramic Society,87：1578-1581(2004),doi：10.1111/j.1551-2916.2004.01578.x by 2.Li,J.,Wu,Y.J.,Tanaka,H.,Yamamoto,T.and Kuwabara,M；及Low-temperature synthesis of barium titanate thin films by nanoparticles electrophoretic deposition,JOURNAL OF ELECTROCERAMICS Volume 21, Numbers 1-4,189-192,DOI：10.1007/s10832-007-9106-6 by Yong Jun Wu,Juan Li,Tomomi Koga and Makoto Kuwabara。
具有介電塗層的結構表面可以下列步驟製造之：(a)提供塗佈材料的奈米粒子；及(b)利用電泳沈積將奈米粒子沈積至結構表面上。
本發明人證明了，不若其他技術如旋塗與浸塗，EPD製程有利於用於表現出金屬行為的結構表面，已發現EPD能在微結構與奈米結構基板上製造出保形的塗層。
在一較佳的具體實例中，塗佈材料為鈦酸鋇(BaTiO3)。較佳地，鈦酸鋇的粒子尺寸係介於70-150nm的範圍內。更較佳地，奈米粒子為直徑介於5-20nm的鈦酸鋇奈米粒子。
在一具體實例中，在將奈米粒子沈積至結構表面上之前，以超音波方式攪動奈米粒子。此超音波攪動會將奈米粒子打碎成較小的粒子，對結構表面提供較佳的覆蓋或更保形的塗層。
較佳地，介電塗層包含第一層與第二層。第一層較佳地利用EPD而沈積至結構表面的一者上。較佳地，介電塗層為鈦酸鋇。
較佳地，第二層係利用ALD所沈積。第二層較佳地是氧化鉿。或者，第二層可利用PLD加以沈積。在此情況下，第二層可以是鈦酸鋇。
電解質可以是水性電解質如KOH、氫氯酸或硫酸，或者是有機電解質如有機溶劑如碳酸丙烯酯或乙腈中的四氟硼酸四乙基銨鹽。較佳地，操作電壓至少為5V。
100‧‧‧混合式電容器
110‧‧‧電極
120‧‧‧介電層
130‧‧‧電解質
140‧‧‧分隔件
200‧‧‧混合式電容器
210‧‧‧金屬薄膜
220‧‧‧奈米碳管電極
230‧‧‧介電質
240‧‧‧分隔件
300‧‧‧多壁奈米管
310‧‧‧經介電質塗佈的奈米管
320‧‧‧經介電質塗佈的奈米管
600‧‧‧混合式電容器
610‧‧‧未塗佈之CNT之電容器
現在將參考隨附之圖示以例示性的方式說明本發明，其中：圖1示意地顯示根據本發明之電容器；圖2示意地顯示當結構金屬表面為對準或隨機奈米管的陣列時，電容器結構的橫剖面；圖3a、3c與3e顯示了CVD所成長之隨機奈米管的掃描電子影像；圖3b、3d與3f分別顯示了利用ALD製程在圖3a、3c與3e之相 同奈米管上塗佈了氧化鋁介電材料後的情況；圖4為利用隨機奈米管上不同厚度之氧化鋁來製造之混合式超電容器的阻抗圖譜；圖5a與5b為未塗佈與塗有氧化鋁之CNT的循環伏安圖；及圖6顯示了包含未塗佈與塗有氧化鋁之CNT之電容器的電容維持率(capacitance retention)。
圖1示意地顯示混合式電容器100，其具有兩個實質上平行的電極110，每一電極具有沈積在第一表面上的介電層120。當組裝電容器時，第一表面面對彼此。將電解質130提供於分隔件140(未顯示，但位於電解質130之兩區域之間)之任一側。
圖2示意地顯示混合式電容器200，其具有形成在金屬薄膜210上與以介電質230保形地塗佈的兩奈米碳管電極220，以及浸泡在電解質中的分隔件240。例如，分隔件為纖維素而電解質為碳酸丙烯酯中的TEABF4。
圖3a、3c與3e為多壁奈米管300的掃描電子圖，其係由CVD製程在570℃下成長3分鐘，具有10-20nm的直徑、15μm的長度且長在銅箔上。
此些奈米碳管是捲曲的且形成糾纏結構。成長此些奈米管的方法遠遠比規則筆直CNT陣列的成長方法更快，因此被稱為超成長。雖然捲曲或超成長的CNT是不規則的，但超成長的CNT具有遠遠較高的表面積，且個別的CNT之間有充分的空間讓電解質穿過。
超成長或隨機CNT的成長製程係如下所示：(a)將約2-4nm厚的鋁層塗佈於基板上；(b)利用基本壓力為10-5mbar的金屬濺射塗佈設備，將約2-4nm厚的鐵(Fe)催化劑薄膜濺鍍至鋁層上；及(c)在600℃、流量為198sccm的NH3環境下退火已塗佈的基板10分鐘，然後將2sccm的C2H2導入處理室中以成長CNT。
CNT成長步驟較佳地持續10分鐘、更較佳地持續1至10分鐘、甚至更較佳地持續1至3分鐘之期間。鋁層為阻障層，且係用以在退火處理步驟期間形成薄的氧化鋁層，此薄的氧化物層會協助鐵的奈米島狀物形成，以成長高密度的CNT。較佳地，基板為銅或矽基板。
退火步驟可在高至650℃的溫度下進行，系統壓力較佳地約為25mbar。
圖3b、3d與3f顯示超成長多壁奈米管300，其係藉由原子層沈積製程塗佈氧化鋁以形成保形地塗佈介電質之奈米結構電極310。每一ALD製程係利用Cambridge Nanotech Fiji 200電漿ALD系統來進行。將基板置於ALD系統的處理室中，處理室在沈積製程期間會被抽空至介於0.3至0.5mbar的壓力，且在沈積靠程期間基板會被維持在約200-250℃的溫度。選擇氬氣作為沖洗氣體，在開始第一沈積循環之前，將200sccm流量的氬氣供給至處理室至少30秒。
所用的ALD製程為使用三甲基鋁(TMA)與水作為前驅物的熱ALD製程；且製程溫度為200℃。藉著變化沈積循環的數目可製造出不同厚度的氧化鋁。第一沈積製程包含100個沈積循環且產生10nm厚的氧化鋁層。第二沈積製程包含200個沈積循環且產生20nm厚的氧化鋁塗層，這導致直徑50nm之介電質塗佈的奈米管310。第三沈積製程包含400個沈積循環且產生40nm厚的氧化鋁塗層，這導致直徑90nm之介電塗佈的奈米管320。未經塗佈的CNT 300的直徑約為10nm。
或者，介電塗層可以是以EPD所產生的鈦酸鋇。在第一技術中，BTO奈米粒子可利用八水氫氧化鋇及四異丙氧化鈦(IV)以溶熱法或水熱法來加以製備。所得的奈米粒子具有5-20nm的直徑及立方鈣鈦礦相的結晶性。反應物係如下所示：Ba(OH)2+8H2O+Ti{OCH(CH3)2}4(異丙氧化鈦)+乙醇(60ml)
將溶液置於50℃的水浴中磁攪拌4小時。接著利用甲酸、 乙醇及最後去離子水清洗反應產物，然後在50℃的真空中乾燥6小時。
在第二技術中，使大致上為球形之市售70-150nm的BTO奈米粒子(可自Sigma-Aldrich購得)受到高功率的超音波振盪，這會使得粒子破碎至約20nm(範圍介於4nm-25nm)。利用尖端超音波振盪器在200W至250W下使較大的粒子懸浮在水中6至12個小時。尖端超音波振盪器在尖端處比超音波浴提供更大的每單位體積功率。
此技術的進行通常會利用有機溶劑而非水來分散粒子，因為水會溶解粒子。然而一般認為，粒子會溶解在水中然後再結晶，因為尖端超音波振盪器之尖端處的高能量輸入會產生BTO的尖銳碎片。懸浮液內的粒子會因為尖端超音波振盪器而產生自然的循環，因此在接近尖端處會提供材料的恆定流。一旦超音波粉碎的過程完成後，靜置懸浮液至少一小時使得較大的粒子沈澱至懸浮液的底部。
接著利用EPD將此些奈米粒子塗佈至規則的CNT上。利用較小粒子所形成的塗層需要較多的時間來成長，例如約2小時。較小的粒子在CNT上提供較保形的塗層，因為粒子尺寸(約5-20nm)大致上小於CNT的直徑。然而，已塗佈過的CNT仍然容易漏電，這被認為是由於塗層的不連續性，且因為在奈米管上的奈米粒子沈積遠優於在矽基板上的沈積，這在兩電極之間產生的漏電路徑。電容器具有良好完整的絕緣層是很重要的，否則經儲存的電荷會隨著時間流失。為了緩和這個問題，提供第二塗佈材料。此第二塗層較佳地為具有高K值即高電容率的材料。
適合作為第二塗佈材料之化合物的實例包含但不限制為高k金屬氧化物塗層如氧化鉿、二氧化鈦、鈦酸鋇與鈦酸鍶鋇，其可以各種方法來製造，包含但不限制為：保形原子層沈積(ALD)、電漿增強ALD(PEALD)、物理氣相沈積(PVD)、脈衝雷射沈積(PLD)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、電漿增強化學氣相沈積(PECVD)及濺射塗佈。此外，可使用多種具有相對高K值的聚 合物材料，例如是可以旋塗方式塗佈至塗有BTO之CNT上的氰基樹脂(CR-S)、基於聚二氟亞乙烯的聚合物如Pvdf：Trfe或PVDF：TrFE：CFE。自我組裝之膦酸單層塗層亦可作為額外塗層具有更進一步降低漏電流的功能。
用以形成氧化鉿塗層之較佳PEALD製程包含一系列的沈積循環。每一沈積循環從將鉿前驅物供給至沈積室開始。鉿前驅為肆二甲基氨鉿(TDMAHf,Hf(N(CH3)2)4)。將鉿前驅物添加至沖洗氣體0.25秒。在將鉿前驅物導入沈積室後，再供給沖洗氣體5秒以自沈積室移除任何多餘的鉿前驅物。接著利用氬沖洗氣體觸發電漿。電漿的功率水準為300W。在供給氧之前，穩定電漿5秒，然後以20sccm的流量持續將氧供給至電漿20秒。關閉電漿電源並停止氧流，然後再供給氬沖洗氣體5秒以自沈積室移除任何多餘的氧化前驅物，最後終止沈積循環。
沈積製程是不連續的PEALD製程，包含第一沈積步驟、第二沈積步驟及第一沈積步驟與第二沈積步驟之間的延遲。第一沈積步驟包含200個連續的沈積循環，一沈積循環之終止與下一沈積循環之開始之間並無實質延遲。第二沈積步驟包含200個連續的沈積循環，一沈積循環之終止與下一沈積循環之開始之間並無實質延遲。第一沈積步驟之最終沈積循環與第二沈積步驟之第一沈積循環之間的延遲係介於1至60分鐘。在延遲期間，將沈積室中的壓力維持在0.3至0.5mbar，將基板維持在約250℃的溫度，持續地將氬沖洗氣體以20sccm的流量傳送至沈積室。在沈積步驟之間的此延遲亦可被視為是選定沈積循環之終止期間的增加，在此終止期間沖洗氣體被供給至沈積室。兩沈積處理所產生的塗層厚度約為36nm。
亦可利用包含第一沈積步驟、第二沈積步驟及第一沈積步驟與第二沈積步驟之間之延遲的不連續PEALD製程，將二氧化鈦塗層沈積在塗有BTO的規則CNT陣列。第一沈積步驟包含200個連續的沈積循環，一沈積循環之終止與下一沈積循環之開始之間並無實質延遲。第二沈積步驟包含200個連續的沈積循環，一 沈積循環之終止與下一沈積循環之開始之間並無實質延遲。第一沈積步驟之最終沈積循環與第二沈積步驟之第一沈積循環之間的延遲為10分鐘。在延遲期間，將沈積室中的壓力維持在0.3至0.5mbar，將基板維持在約250℃的溫度，持續地將氬沖洗氣體以20sccm傳送至沈積室。
利用PLD來產生鈦酸鋇的第二塗層。在下列條件下沈積鈦酸鋇膜：700℃之溫度、50mTorr之氧氣分壓及5Hz重覆率之1400雷射脈衝。使用傳統具有KrF準分子UV雷射的真空沈積室。使用1-2J/cm2的雷射能量及介於0.06-0.2mbar(50-150mTorr)的氧氛圍，以不同重覆率下的KrF準分子雷射(λ=240nm)最佳化多壁CNT上的鈣鈦礦氧化物膜。在沈積鈣鈦礦膜之後，在400mbar(300Torr)的氧氣氛圍中以10℃/分鐘的冷卻速率將沈積室冷卻至室溫。所產生的PLD塗層具有60nm的厚度。
圖4顯示如圖2中所示之混合式超電容器的阻抗圖譜。圖310係由塗有20nm厚之氧化鋁層之CNT所形成之超電容器所產生，圖320係由塗有40nm厚之氧化鋁層之CNT所形成之超電容器所產生。為了比較，圖300係由未塗佈之CNT所形成之超電容器所產生。如圖4中所示，利用未塗佈之CNT所形成的超電容器具有最高的比電容。對於其他的超電容器而言，比電容會隨著氧化鋁塗層的厚度增加而減少。這符合預期，因為電容對雙層的厚度呈反比。混合式電容器的電容係落在未塗佈之CNT電化學超電容器的數量級且遠遠高於傳統的介電電容器。
圖5a顯示利用未塗佈之CNT所製造之規則超電容器的循環伏安圖。此圖顯示在CNT與電解質之間有交互作用使得電解質的崩潰如期望超過3.5V。
圖5b顯示利用塗有40nm氧化鋁之CNT所製造之混合式超電容器的循環伏安圖。由於氧化鋁提供了分離CNT與電解質的介電層，因此CNT與電解質之間並無交互作用，如圖5b中所示混合式超電容器甚至在5V下仍然操作正常。
當電壓被施加於碳電極之間時，一部分的壓降會落在介電材 料，剩下的部分會落在介電材料與電解質之間。任何電化學電容器的操作電壓無法超過電解質/碳的電極界面之間的崩潰電壓。標準水性電解質如KOH或H2SO4的操作電壓通常為1V，在有機電解質(如在碳酸丙烯酯中之四氟硼酸四乙基銨(TEABF4)鹽)中跨過電解質的最大壓降不會超過大約3V。在混合式超電容器的情況下，當高過3V的電壓被施加在電極之間時，高於3V的電壓部分會落在介電材料上，藉此增加混合式電容器的總電壓操作。混合式電容器可操作的最大電壓會取決於碳表面上之介電塗層的厚度。對於崩潰強度為3MV/cm的40nm氧化鋁膜而言，最大操作電壓約為12V。增強4倍的操作電壓會導致混合式電容器中所儲存之能量密度增強16倍。
圖6顯示包含未塗佈之CNT之電容器610以及根據本發明自塗有氧化鋁之CNT所形成之混合式電容器600在4V進行下之電容維持率。當電容器經歷充電與放電之循環時，混合式電容器600相較於自未塗佈CNT所形成的電容器610，展現出較佳的電容維持率。
200‧‧‧混合式電容器
210‧‧‧金屬薄膜
220‧‧‧奈米碳管電極
230‧‧‧介電質
240‧‧‧分隔件

Claims (15)

  1. 一種電容器，包含：具有介電塗層的第一結構表面；具有介電塗層的第二結構表面；提供於該第一結構表面與該第二結構表面間的分隔件；及提供於該第一結構表面與該第二結構表面間的電解質。
  2. 如申請專利範圍第1項之電容器，其中該結構表面係由碳所形成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電容器，其中該結構表面為奈米碳管的隨機陣列。
  4. 如申請專利範圍第3項之電容器，其中該奈米碳管之間距對長度比係不大於1：30。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項之電容器，其中該介電塗層係由下列的至少一者所形成：氧化鉿、鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鋯鈦酸鉛、CaCu3Ti4O12與二氧化鈦。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項之電容器，其中該電解質為有機或水性的。
  7. 如前述申請專利範圍中任一項之電容器，其中操作電壓為至少5V。
  8. 一種電容器的製造方法，包含下列步驟：a.提供具有介電塗層的第一結構表面；b.提供具有介電塗層的第二結構表面；c.將分隔件設置於該第一結構表面與該第二結構表面之間；及d.將電解質設置於該第一結構表面與該第二結構表面之間。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該介電塗層包含第一層與第二層。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第一層係利用電泳沈積而沈積於該結構表面的一者上。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該介電塗層係由鈦酸鋇所形成。
  12. 如申請專利範圍第8至11項中任一項之方法，其中該第二層係利用原子層沈積製程所沈積。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該第二層係由氧化鉿所形成。
  14. 如申請專利範圍第8至11項中任一項之方法，其中該第二層係由脈衝雷射沈積製程所沈積。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該第二層係由鈦酸鋇所形成。
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