高電壓高功率儲能器件、系統及相關聯方法
2023-06-01 04:51:16
高電壓高功率儲能器件、系統及相關聯方法
【專利摘要】本發明涉及高電壓高功率儲能器件、系統及相關聯方法。提供了一種具有提高的操作電壓的高功率密度儲能器件。這種器件可包括在導電襯底上具有結構化表面的陰極，被定位成與該陰極鄰近的陽極，其中該陽極包括具有結構化表面的矽襯底，以及其中該陰極的結構化表面被定向成朝向該陽極的結構化表面。該器件還包括施加到陽極的結構化表面的介電材料，施加到陰極的結構化表面的導電材料或者贗電容材料；以及設置在陰極和陽極之間的電解質。
【專利說明】高電壓高功率儲能器件、系統及相關聯方法
【背景技術】
[0001]從具有高電壓和高功率能力的儲能容量中受益的新興系統通常採用電容器型器件，例如常規電化學電容器或者具有基於電解器件的混合形式的電容器。電容器可廣泛用於從電路和功率輸送到電壓調節和電池更換變動的應用。電容性器件可存儲的總能量可由該器件的有效表面面積、間隔的距離以及其在所累積的電荷之間的電容率，以及空間的電壓的平方來確定。
[0002]隨著電容器技術的繼續發展，已經湧現出幾種類型。作為一個例子，電雙層電容器(EDLC)，也稱作超級電容器，其特徵在於高儲能和功率密度，尺寸小，並且重量低，並且因此在各種應用中的使用中成為有力競爭者。然而，常規的EDLC趨向於具有僅幾伏的大大限制的適用電壓。另一方面，常規的電解電容操作於高電壓(多達幾百伏)，但是由於表面面積有限所以導致能量容量較低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0003]圖1是根據本發明實施例的儲能器件的一部分的示意圖；
[0004]圖2是根據本發明實施例的矽襯底的結構化表面的一部分的示意圖；
[0005]圖3是根據本發明實施例的儲能器件的一部分的示意圖；
[0006]圖4是根據本發明實施例的包括儲能器件的單片器件的示意圖；以及
[0007]圖5是根據本發明實施例的增加儲能器件的操作電壓和儲能容量的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0008]為了說明的目的，儘管下面的詳細說明中包含了許多詳情，但是本領域的普通技術人員應該清楚可以對下面細節做出許多改變或替換並且這些改變或替換可視為包括在本文中。
[0009]因此，沒有所闡述的任何權利要求的一般性的任何損失，並且沒有對所闡述的權利要求施加任何限制的情況下來闡述下面的實施例。還應該理解的是，本文中所使用的術語的目的僅在於描述特定的實施例，並不旨在進行限制。除非另有定義，否則本文中所使用的所有技術和科技術語具有本發明所屬的本領域普通技術人員所通常理解的相同含義。
[0010]如該說明書和所附權利要求使用的那樣，單數形式「一」、「一個」和「該」包括多個指示對象，除非上下文明確地另有說明。因此，例如「一層」的參考包括了多個這樣的層。
[0011]在本說明書中，「包括」，「包含」以及「具有」等等在美國專利法中具有將其授予給它們的含義，並且意味著「包括」，並且通常解釋為開放式術語。術語「由……構成」或者「由……組成」是封閉式術語，並且僅包括與這樣的術語結合所具體列出的部件、結構、步驟等等，其也是根據美國專利法得出的。「基本由……構成」或者「主要由……構成」具有由美國專利法授予給它們的含義。特別是，這種術語通常是封閉式術語，除非允許包含其他的項目、材料、部件、步驟或者元件，其並未在實質上影響與之結合使用的(一個或多個)項目的基本和新穎的特性或功能。例如，存在於成分中但是不影響成分性質或特性的微量元素如果出現在「主要由……構成」的語境下，將是可允許的，即使並沒有明確記載於遵循這種術語的項目列表中。當使用開放式術語，例如「包括」或者「包含」時，應該理解的是，應該也給予對「主要由……構成」的語言和「由……構成」語言的直接支持，如同已明確陳述。
[0012]說明書和權利要求書中的術語「第一」、「第二」、「第三」、「第四」等等，如果存在的話，用於在類似的元件之間進行區分，並不一定用於描述特定的順序或者按時間次序。應該理解的是，這樣使用的術語在適當的情況下是可以互換的，以使得例如本文中所描述的實施例能夠以在本文中說明或以其他方式示出的那些不同的順序進行操作。類似地，如果本文中將一種方法描述為包括一系列的步驟，這些步驟在本文中出現的次序並不一定這些步驟必須被執行的唯一次序，並且某些所述的步驟可以省略，和/或本文中未描述的某些其他步驟可以添加到該方法中。
[0013]說明書和權利要求書中的術語「左」、「右」、「前」、「後」、「頂」、「底」、「之上」、「下面」
等等，如果存在的話，用於說明的目的，並且不一定用於描述永久的相對位置。應該理解的是，這樣使用的術語在適當的情況下是可以互換的，以使得本文中所描述的實施例能夠以在本文中說明或以其他方式示出的那些不同的定向進行操作。術語「耦合」，如本文所述，被定義為以電氣或非電氣方式直接或間接連接。本文中被描述為彼此「鄰近」的對象，根據該短語被使用的上下文，可以彼此物理接觸，彼此很靠近，或者彼此在相同的整體區域或面積上。本文中的短語「在一個實施例中」，或者「在一個方面」並不必全部表示相同的實施例或者方面。
[0014]如本文所用，術語「基本上」表示動作、特徵、特性、狀態、結構、項目或者結果全部或者幾乎全部的範圍或程度。例如，「基本上」被封閉的物體可表示為該物體或者被完全封閉或者幾乎完全封閉。與絕對完全性的確切可允許的偏差程度在某些情況下取決於特定的情景。然而，總的來說，完全的接近度將會具有如同獲得絕對和全部完全相同的總體結果。在否定使用時「基本上」的使用同樣適用於表示動作、特徵、特性、狀態、結構、項目或者結果的完全缺少或者接近完全缺少。例如，「基本上沒有」顆粒的組分或者是完全缺少顆粒，或者是接近完全缺少顆粒從而使得其效果將與完全缺少顆粒相同。換句話說，「基本上沒有」成分或元素的組分仍然可實際包含這種項目，只要不存在其可測量效果即可。
[0015]如本文中所使用的那樣，術語「大約」用於通過假定給定值可以「略高於」或者「略低於」端點而提供了數值範圍端點的靈活性。
[0016]如本文中所使用的那樣，為方便起見，多個項目、結構元件、組成元素和/或材料可在公共列表中呈現。然而，這些列表應該構建成如同該列表的每個成員單獨被識別為獨立並且唯一的成員。因此，這種列表的單獨成員不應該依據它們在相同組中的出現且沒有相反指示而被解釋為相同列表的任何其他成員的法律上的等效。
[0017]濃度、量、以及其他數值數據在本文中可以以範圍的格式表達或者表示。應該理解的是，這種範圍格式僅僅為了方便和簡便起見而使用，因此應該靈活解釋為不僅包括該範圍的界限所明確記載的數值，而且還包括該範圍內所包含的所有單獨數值或者子範圍，就像每個數值和子範圍被明確記載。作為例示，數值範圍「約I到約5」應該解釋為不僅包括明確記載的值約I到約5，而且還包括所指示範圍內的單獨值和子範圍。因此，包括在這個數值範圍內的是諸如2、3、4的單獨值以及諸如從I到3，從2到4以及從3到5等的子範圍等等，以及單獨的1、2、3、4、5。
[0018]這種相同的原理適用於僅記載一個數值作為最小或最大值的範圍上。此外，這種解釋應該適用，而不管所描述的範圍或者特性的寬度。
[0019]貫穿本說明書中的對「示例」的引用意味著與該示例結合所描述的特定特徵、結構或特性被包括在至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書的各個位置中短語「在一個示例中」的出現並不一定全都指代相同的實施例。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]下面提供了技術實施例的初始概述，並且然後進一步詳細描述了特定的技術實施例。這種初始概述旨在幫助讀者更快速地理解該技術，並且不旨在確定該技術的關鍵的或者基本的特徵，並且它也不旨在限制所要求主題的範圍。
[0022]電雙層電容器(EDLC)的電壓範圍和能量容量能夠通過將高k高擊穿介電層結合到陽極側由此引入與該電容器的雙層串聯的另一高壓電容器而提高。在一個方面中，例如，類電解質電容器可通過施加介電層到諸如矽的襯底的結構化表面而形成，並且具有比得上常規EDLC的大的表面面積。這種結構化表面可以具有納米到微米範圍的表面特徵。整個器件電壓可以由(陽極側上的)所選擇的介電層厚度來確定，其與介電層的擊穿電壓相關。與金屬-絕緣體-金屬(MM)電容器不同，介電應力更加均勻，並且可經受更高的場強，這是因為電容器電解質繼續初始形成電極的癒合工作，根據需要局部修復和加厚介電材料。該癒合過程由介電層中的針孔及其他缺陷處的電容器的直流洩漏電流來驅動，其在每當直流電壓被施加到電容器時(即，每當電容器在工作時)引出。即使對於沉積在多孔結構上的非常薄的介電材料，擊穿電壓也高於具有類似介電層和相關厚度的對應的MIM結構的。這主要是因為這樣的事實:不同於MIM，在任一側上沒有累積實際的電子電荷。這有效消除了至少大部分隧道電子，並且也因此提高了介電擊穿電壓的開始(即，提高了其閾值)。
[0023]因此，通過選擇介電常數值高於電解質的合適材料，可以提高整個器件的操作電壓和儲能容量，在某些情況下，與對於陽極和陰極二者採用相同孔結構和相同導電塗覆厚度的常規多孔矽電化學電容器相比，提高了至少33%。通過進一步增加介電厚度，可以實現更高的電壓；然而，由於作為厚膜沉積所需要的與較大微矽結構相關聯的較低有效表面面積的結果，整體電容減小，因而能量容量不能同時提高。為了進一步澄清，操作電壓的增加可能由於以下事實，大部分電壓降在介電層兩端，從而使得器件的總電壓高於電解質的電化學窗口。根據這種設計所存儲的能量可以比用於高電壓高功率操作的許多廣泛使用的常規電解質電容器高多個量級。
[0024]因此，在如圖1所示的一個實施例中，提供了一種具有提高的操作電壓的高功率密度的儲能器件。這種器件可包括在導電襯底106上具有結構化表面104的陰極102，以及定位成與陰極102鄰近的陽極108。陽極108包括具有結構化表面112的矽襯底110，其中陽極108的結構化表面112被定向成朝向陰極102的結構化表面104，從而在其間形成空間或區域120。此外，介電材料114被施加到陽極108的結構化表面112，並且導電材料116 (或者贗電容材料)被施加到陰極102的結構化表面104。此外，電解質被沉積到陰極102和陽極108之間的空間或區域120中。圖2示出了具有矽襯底202的陽極的特寫部分，該矽襯底202具有結構化表面204。介電材料206被塗覆到矽襯底202的結構化表面204。
[0025]在構造陽極時所用的矽襯底材料可以是任何類型的矽或者能在儲能器件中使用的複合矽材料。例如，矽可以是單晶、多晶、非晶、多孔等等。此外，可根據器件的設計來對娃材料摻雜或者不摻雜。可米用摻雜來改變娃材料的各種性質，包括電氣和機械性質。在一個實施例中，娃材料可以是多孔娃材料。在另一個實施例中，娃材料可以是導電多孔娃材料。
[0026]此外，在其中熱管理可能成為問題的某些高功率方面，可使用結構化矽表面作為模板，並且矽能夠充當犧牲層，以形成導熱性質良好的金屬材料的結構化表而。這種金屬表面因此對於後續的電極製造具有高的表面面積。然後可通過塗覆具有高擊穿材料的結構化金屬表面來形成陽極，該高擊穿材料例如高擊穿氧化物。作為一個非限定性的示例，諸如Ta、Al和/或Nb的元素可直接陽極化到該結構化金屬表面上。作為另一示例，可使用燒結來形成採用金屬氧化物顆粒的介電層。
[0027]結構化表面可被定義為任何表面修正，其增加了其上執行這種修正的材料的表面面積。在某些方面，具有結構化表面的矽襯底與缺少這種表面結構化的襯底相比，具有高得多的表面面積。應該注意到，增加矽襯底表面面積的到任何程度的任何類型的結構化被視為落入到當前的範圍內。在某些情況下，結構化表面可包括增加材料表面面積的不同的表面特徵。儘管這樣的表面特徵可以是對電容器或超級電容器器件的使用有益的任何尺寸，但是在一方面中，表面特徵可以具有約10納米到約100微米的平均尺寸。在另一個方面，表面特徵可以具有從約10納米到約300納米的平均尺寸。在又一方面中，表面特徵可以具有約10納米到約80納米的平均尺寸。表面特徵類型的非限制性示例包括柱、管、溝槽、圓錐、稜錐、壁、孔、海綿等等，包括其合適的組合。應該注意到，給定表面特徵的平均尺寸的測量可依據該特徵而改變。例如，諸如柱、管、圓錐和稜錐之類的垂直定向的表面特徵可從該特徵的底部到頂峰測量。另一方面，對於孔，平均尺寸可測量為該孔的平均直徑，而溝槽可以測量為溝槽寬度。在某些方面，該結構化材料可以具有從約30納米到約300納米的孔尺寸。注意，以上也適用於除矽以外的其他材料上的結構化表面，諸如，例如，陰極的結構化表面。
[0028]此外，通過任何已知的方法來形成結構化表面，並且任何的這種方法被視為在當前的範圍內。自然而然，被形成的表面類型可以指示用於形成這種材料的技術。例如，在某些方面，表面結構可通過諸如陽極化、包括光刻的MEMS處理、化學蝕刻等等之類的技術以及其他已知的方法來形成。此外，通過改變結構化表面的三維特性，以及介電材料的厚度，可將結果所得的器件優化成實現更高的能量容量。
[0029]在儲能器件設計中的材料選擇可依賴於結果所得器件的期望參數而極大地改變。關於介電材料，例如，在構造陽極時有用的任何材料可以被視為在當前的範圍內。在一個方面，例如，介電材料可以是高擊穿高K氧化膜。這種介電材料的非限制性示例可包括Si02、Ta205、Nb205、A1203、Ti02、Hf02, HfS1x, HfAlOx、VOx, SrTi03、(Ba, Sr)Ti03、LiNb03、Bi2Ti203等等，並包括其合適的組合。此外，在某些方面，介電材料可以是鈣鈦礦氧化物。用於形成這些材料的一種技術可包括沉積前體材料(例如，Ta、Nb、Al等)到結構化表面上，以及通過例如陽極化之類的任何已知知工藝將該前體材料轉化成期望的氧化物。在某些方面，介電材料可以施加為結構化表面的塗層。在其他方面，介電材料可以是顆粒材料。在一個方面，介電材料的厚度可以從約20納米到約2微米。此外，還可考慮採用諸如退火之類的後熱處理來改進介電材料的穩定性和物理特性。
[0030]在一個方面，介電材料可包括呈極性的氧化物電介質。與傳統的靜電電容器相比，採用這種介電材料製成的電解質電容器還可以是呈極性的。這種情況下，電容器應該根據正確極性來連接以正確地工作。
[0031]可採用各種技術來形成介電材料，並且能夠在結構化矽表面上沉積這種材料的任何已知方法被視為在當前的範圍內。例如，可通過各種非限定性的方法來沉積介電材料，包括CVD、PVD、ALD生長、超臨界流生長、水熱法生長等等。此外，可通過諸如溶液澆鑄、電泳法、燒結等等之類的方法將介電顆粒材料沉積到結構化矽上。
[0032]陰極可以用多種導電材料製成，如果這樣的材料能夠使用在本公開的電容器器件中，這樣的材料的通用示例包括，但不局限於，導電聚合物、金屬、金屬合金、金屬泡沫、碳基材料，諸如矽、碳化矽之類的導電半導體，以及其組合。注意，在某些情況下，非導電材料可通過摻雜或者與金屬或者其他導電顆粒混合而製成為導電的。在其他方面，沉積在導電襯底上的贗電容材料(例如，Ru02、Mn02、V205、Ni0x、Co0x等等，其中，x為正整數)可以形成有效的陰極，並且可設計成調節並且優化整個器件電壓和容量。在某些情況下，可通過採用 ALD (TiNx, TixAlyNz, VNx, NbNx, MoNx, TiCx, ZrCx, HfCx, VCx, NbCx, TaCx, WCx、TiSix,NiSix, CoSix、Mo、W、Pt、Ru等等，再次，其中x是正整數)、超臨界流生長、電鍍(N1、Co、Cu、PcUAu等等)或者其他兼容工藝而將導電材料沉積到具有結構化表面的Si襯底上，來形成陰極。在某些情況下，娃處理(silicidat1n)還可以被應用以進一步改進陰極性能。注意，可以考慮使用適於用作陰極中的導電材料塗層的任何材料，並且任何能夠用作陰極襯底的材料被視為在當前範圍內。導電材料的其他非限定性示例可包括金屬、金屬氮化物、金屬矽化物、金屬碳化物、金屬硼化物等等，並且包括其組合。此外，可將導電塗層施加為任何厚度，這取決於結果所得電極的期望設計和功能。然而，在一個方面，導電塗層的平均厚度可為從約0.5納米到約25納米厚。然而，應該理解的是，在某些實施例中，該厚度可以僅僅是期望導電性的度量，而不管任何實際的厚度。無需依據實際物理尺寸來測量厚度。在某些方面，最小厚度可以是產生期望導電水平的最小量。在其他方面，充足或者期望厚度的確定可以僅通過所實現的導電性的測量而完成。
[0033]在某些方面，可在結構化表面和覆蓋材料層(即，或者陽極的介電材料或者陰極的導電材料)之間施加中間層。該中間材料可用在陽極中、陰極中或者陽極和陰極二者中。該層的一個目的在於改進結構化表面和其上沉積的無論什麼覆蓋材料之間的粘附。該中間層還可減小熱處理過程中的擴散，並且穩定這些材料之間的界面。此外，考慮在其間設置多個中間層。當布置在這些層之間時可提供有益處的任何中間材料都被視為在當前範圍內。這種中間材料的非限定性示例可包括Cr、T1、Au、Pt及其相關的其他氧化物。
[0034]已經知道了大量合適的電解質，並且所述電解質可根據結果所得器件的設計和期望性質來進行改變。通常電解質可具有高的離子導電性，以降低等效串聯電阻(ESR)，其能夠用於提升功率密度。在某些方面，電解質可以是具有高離子導電性的水性電解質(例如，基於H2S04)，其可改進器件的功率性能。然而，除了其他之外，尤其還考慮到基於水性、有機、離子液體電解質的方法或者其溶劑方法能夠優化整體器件性能。電解質的非限定性示例可包括KOH、NaOH,以及其組合；有機電解質，諸如溶解在ACN(乙腈)或者溶解在PC(碳酸丙烯酯)中的TEABF(四氟硼酸四乙胺)；離子液體電解質，諸如EMIMBF4 (C6H11F4BN2) ,EMIM FAP (C12H11F18N2P)、EMM OTF (C7H11F3N2O3S)、MOEDEA NTF (C9H18F6N2O5S2)、MOEMPL NTF(C10H18F6N2O5S2)以及其組合。
[0035]在某些方面有益的是包括設置在陰極和陽極之間的隔板(s印arator)。該隔板將陰極與陽極電隔離或隔開，並且允許電解質的離子穿過。如圖3所示，例如，隔板302位於介電材料114和導電或者贗電容材料116之間，並且被電解質包圍。合適的隔板材料的示例可以包括，但不局限於溼法布層(wet-laid)、無紡PP、微孔膜(ePTFE或者HDPE)基材料。注意，前一附圖中採用的附圖標記被視為與上述描述所適用於的前述附圖相同或者足夠相似。
[0036]還考慮到當前的器件可以被結合到各種系統中。例如，在另一方面，如當前教導的儲能器件可被單片集成到矽襯底或者封裝上。如圖4所示，例如，一種具有單片集成的儲能器件的電子系統可包括半導體襯底402、至少一個電子電路元件404以及至少一個儲能器件406。電子電路元件404和儲能器件406由此被單片形成在半導體襯底402上。電子電路元件可包括任何類型的電路元件，該電路元件可有益地與襯底上的儲能器件組合。非限定性的實施例包括CPU、GPU、控制電路、集成電路、電晶體兀件、_■極管、光電_■極管，等等。此外，單片襯底可另外包括電路408，該電路408在儲能器件406和電子電路元件404之間提供電連接。
[0037]此外，在某些方面，可將多個儲能器件組合以形成具有增強的電氣性能的系統。在一個方面，例如，提供一種具有提高的操作電壓的高儲能系統。這種系統可包括如上所述的多個高儲能器件，其中所述多個高儲能器件根據希望電壓更高(串聯)或者功率更高(並聯)來串聯或並聯地功能性耦合在一起。在某些方面，這種系統可通過將已經製造為單獨單元的高儲能器件帶到一起而形成。在其它方面，在製造過程中可將高儲能器件作為系統形成在一起。在某些情況下，可考慮將各種結構在串聯或並聯構造的器件之間進行共用。例如，在一個方面，一對鄰近的高儲能器件可共用雙側表面結構化襯底，或者在某些情況下，可共用複合雙側表面結構化襯底。
[0038]本發明還提供了與當前儲能器件相關聯的方法。例如，在一個方面，如圖5所示，提供了一種增加儲能器件的操作電壓和儲能容量的方法。這種方法可包括502在矽陽極上形成結構化表面，504將介電材料施加到該陽極的結構化表面，506將陰極定位成與陽極的結構化表面鄰近，508將隔板定位在陽極和陰極之間，以及510在陽極和陰極之間設置電解質。
[0039]在一個示例中，具有提高的操作電壓的高功率密度儲能器件包括:1)在導電襯底上具有結構化表面的陰極；2)被定位成與該陰極鄰近的陽極，該陽極包括具有結構化表面的矽襯底，陰極的結構化表面被定向成朝向陽極的結構化表面；3)施加到陽極的結構化表面的介電材料；4)施加到陰極的結構化表面的導電材料或贗電容材料；以及5)設置在陰極和陽極之間的電解質。
[0040]在一個示例中，將隔板設置在陰極和陽極之間，以將陰極與陽極電隔離，並允許電解質的離子穿過。
[0041]在一個示例中，陰極的結構化表面或者陽極的結構化表面中至少之一在尺寸上具有從約10納米到約100微米的表面特徵。
[0042]在一個示例中，表面特徵包括從由柱、管、溝槽、圓錐、稜錐、孔、海綿及其組合構成的組所選擇的成員。
[0043]在一個示例中，陽極包括導電矽襯底，該導電矽襯底包括從由單晶矽、多晶矽、非晶矽、多孔矽及其組合構成的組中選擇的材料。
[0044]在一個不例中，陽極包括導電多孔娃襯底。
[0045]在一個示例中，介電材料是顆粒材料。
[0046]在一個示例中，介電材料是高擊穿高K氧化膜。
[0047]在一個示例中，介電材料包括從由Si02、Ta205、Nb205、A1203、Ti02、Hf02、HfSi0x、HfAlOx, VOx, SrTi03、(Ba, Sr) Ti03、LiNb03、Bi2Ti203 及其組合所構成的組中選擇的成員。
[0048]在一個不例中，導電材料選自由TiNx、TixAlyNz、VNx> NbNx> MoNx> TiCx> ZrCx>HfCx, VCx, NbCx、TaCx, WCx, TiSix, NiSix, CoSix、Mo、W、Pt、Ru、N1、Co、Cu、Pd、Au 及其組合所構成的組。
[0049]在一個示例中，贗電容材料選自由Ru02、Mn02，V205、Ni0x、CoOx所構成的組。
[0050]在一個示例中，陰極包括從由導電聚合物、金屬泡沫、碳基材料、導電矽、導電碳化矽及其組合所構成的組中選擇的材料。
[0051]在一個示例中，電解質是水性電解質、有機電解質或者離子液體電解質。
[0052]在一個示例中，一種具有單片集成的儲能器件的電子系統，可包括:1)半導體襯底；2)至少一個電子電路元件；以及3)本文所記載的至少一個儲能器件，其中所述至少一個儲能器件和所述至少一個電子電路元件被單片形成在該半導體襯底上。
[0053]在一個示例中，電子電路元件包括處理單元。
[0054]在一個示例中，電子電路元件包括控制單元。
[0055]在一個示例中，一種具有提高的操作電壓的高儲能系統，可包括串聯或並聯地功能性耦合在一起的多個本文中所記載的多個高儲能器件。
[0056]在一個示例中，所述多個高儲能器件共用至少一個雙側表面結構化襯底。
[0057]在一個示例中，一種提高儲能器件的操作電壓和儲能容量的方法，可包括:1)在導電矽電極上形成結構化表面；2)將介電材料施加到陽極的結構化表面；3)將陰極定位成與陽極的結構化表面鄰近；4)在陽極和陰極之間定位隔板；以及5)在陽極和陰極之間設置電解質。
[0058]在一個示例中，該電解質根據器件的操作過程期間介電層的洩漏電流根據需要局部地修復和加厚介電層。
[0059]儘管前面的示例是一個或多個特定應用中特定實施例的說明，對於本領域技術人員來說明顯的是，在不脫離本文中所提出的原理和概念的情況下，可以在實施形式、使用和細節上進行大量的修改。因此，旨在不進行限制，除了如下面所闡述的權利要求進行的限制。
【權利要求】
1.一種高功率密度儲能器件，其具有提高的操作電壓，包括: 在導電襯底上具有結構化表面的陰極； 被定位成與該陰極鄰近的陽極，陰極的結構化表面被定向成朝向陽極的表面； 施加到陽極的結構化表面的介電材料； 施加到陰極的結構化表面的導電材料或贗電容材料；以及 設置在陰極和陽極之間的電解質。
2.權利要求1的器件，其中該陽極具有結構化表面。
3.權利要求1的器件，其中該陽極包括矽材料。
4.權利要求1的器件，還包括隔板，該隔板設置在陰極和陽極之間，以將陰極與陽極電隔離，並允許電解質的離子穿過。
5.權利要求1的器件，其中陰極的結構化表面在尺寸上具有從約10納米到約100微米的表面特徵。
6.權利要求5的器件，其中所述表面特徵包括從由柱、管、溝槽、圓錐、稜錐、孔、海綿及其組合構成的組所選擇的成員。
7.權利要求3的器件，其中陽極的結構化表面在尺寸上具有從約10納米到約100微米的表面特徵。
8.權利要求7的器件，其中所述表面特徵包括從由柱、管、溝槽、圓錐、稜錐、孔、海綿及其組合構成的組所選擇的成員。
9.權利要求1的器件，其中該陽極包括導電矽襯底，該導電矽襯底包括從由單晶矽、多晶矽、非晶矽、多孔矽及其組合構成的組中選擇的材料。
10.權利要求1的器件，其中該陽極包括導電多孔矽襯底。
11.權利要求1的器件，其中該介電材料是顆粒材料。
12.權利要求1的器件，其中該介電材料是高擊穿高K氧化膜。
13.權利要求1的器件，其中該介電材料包括從由Si02、Ta205、Nb205、A1203、Ti02、Hf02, HfS1x, HfAlOx、VOx, SrTi03、(Ba, Sr) Ti03、LiNb03、Bi2Ti203 及其組合所構成的組中選擇的成員。
14.權利要求1的器件，其中該導電材料選自由TiNx、TixAlyNz、VNx、NbNx、MoNx、TiCx、ZrCx、HfCx、VCx、NbCx、TaCx, WCx, TiSix, NiSix, CoSix, Mo、W、Pt、Ru、N1、Co、Cu、Pd、Au 及其組合所構成的組。
15.權利要求1的器件，其中該贗電容材料選自由Ru02、Mn02、V205、Ni0x、Co0x及其組合所構成的組。
16.權利要求1的器件，其中該陰極包括從由導電聚合物、金屬泡沫、碳基材料、導電矽、導電碳化矽及其組合所構成的組中選擇的材料。
17.權利要求1的器件，其中該電解質是水性電解質、有機電解質或者離子液體電解質。
18.一種電子系統，具有單片集成的儲能器件，包括: 半導體襯底； 至少一個電子電路元件；以及 權利要求1的至少一個儲能器件，其中所述至少一個儲能器件和所述至少一個電子電路元件被單片形成在該半導體襯底上。
19.權利要求18的系統，其中所述電子電路元件包括處理單元。
20.權利要求18的系統，其中所述電子電路元件包括控制單元。
21.—種具有提聞的操作電壓的聞儲能系統，包括: 權利要求1的多個高儲能器件，其串聯或並聯地功能性耦合在一起。
22.權利要求21的系統，其中所述多個高儲能器件共用至少一個雙側表面結構化襯
。
23.一種提高儲能器件的操作電壓和儲能容量的方法，包括: 在導電娃電極上形成結構化表面； 將介電材料施加到陽極的結構化表面； 將陰極定位成與陽極的結構化表面鄰近； 將隔板定位在陽極和陰極之間；以及 在陽極和陰極之間設置電解質。
24.權利要求23的方法，其中該電解質根據器件的操作過程期間介電材料的洩漏電流根據需要局部地修復和加厚介電材料。
【文檔編號】H01G11/24GK104517737SQ201410616413
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】陳朝暉 申請人:英特爾公司