專利名稱：固態(tài)儲能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請涉及用于儲能的裝置和制造與使用這樣的裝置的方法。
背景技術(shù)：
通常，電容式儲能裝置包括兩個電極，介電材料置于這兩個電極之間。圖1為示出電容式儲能裝置的簡化圖。如圖1所示，介電材料103位于電極101和電極102之間。當(dāng)在電極兩端施加電壓時，介電材料變得極化并且電荷儲存在電極板上。遺憾的是，如下文所述的，傳統(tǒng)的儲能裝置存在不足。期望有新的并且改進的儲能
裝置
發(fā)明內(nèi)容
本專利申請描述了用于儲能的裝置和用于制作和使用該裝置的方法。在各個實施方式中，阻擋層設(shè)置在儲能裝置的介電材料和電極之間。阻擋層的特征為高于介電材料的介電常數(shù)。還存在其他實施方式。在一個實施方式中，本發(fā)明提供了一種包括隔開的第一電極和第二電極的儲能裝置。介電層設(shè)置在第一電極和第二電極之間。第一阻擋層設(shè)置在第一電極和介電層之間并且第二阻擋層設(shè)置在第二電極和介電層之間。第一阻擋層和第二阻擋層的介電常數(shù)均獨立地大于介電層的介電常數(shù)。根據(jù)本申請，介電材料可以具有不同的相對介電常數(shù)，該相對介電常數(shù)可以在約2和25之間，在約3和15之間，或者在其他范圍內(nèi)。介電層可以具有能帶間隙大于4eV的材料。介電層還可以具有大于0.5V/nm的擊穿場強的材料。介電層可包括選自氧化物、氮化物、氮氧化物和氟化物的材料。介電層還可以包括選自 SiO2、HfO2、Al2O3 或 Si3N4 的材料。具有較高相對介電常數(shù)的阻擋層可以具有大于20的相對介電常數(shù)。阻擋層的材料可以具有小于4eV的能帶間隙,并且擊穿場強可以在lmV/nm和200mV/nm之間。根據(jù)本申請，第一阻擋層和第二阻擋層可獨立地包括選自離子型導(dǎo)電材料和非離子型導(dǎo)電材料的材料。根據(jù)本申請，離子型導(dǎo)電材料可以選自Li+導(dǎo)體、H+導(dǎo)體、Mg2+導(dǎo)體、Na+導(dǎo)體、0_導(dǎo)體、F_導(dǎo)體、Li3PO4和Li3P04_xNx。非離子型導(dǎo)電材料可以為多鐵性高_k材料，諸如，CaCu3Ti4012、La2_xSrxNi04、納米復(fù)合高_k材料、高_k陶瓷材料、鈣鈦礦鐵電材料、PZT (Pb (Zra5Tia5) O3)、SrTiO3> PbTi03、BaTiO3' (BaSr) TiO3 等。第一阻擋層和第二阻擋層獨立地包括介電常數(shù)在包括介電層的材料的介電常數(shù)的10倍和10000倍之間的材料。在具體實施方式
中，第一阻擋層和第二阻擋層獨立地包括介電常數(shù)在包括介電層的材料的介電常數(shù)的50倍和1，000倍之間的材料。第一阻擋層和第二阻擋層可以獨立地具有在4nm和IOOnm之間的厚度。在具體實施方式
中，介電層具有在IOnm和ΙΟμπι之間的厚度。第一阻擋層和第二阻擋層可以獨立地具有在介電層厚度的10倍和1000倍之間的厚度。應(yīng)當(dāng)理解，阻擋層材料和介電層材料根據(jù)應(yīng)用而不同。在一個實施方式中，第一阻擋層和第二阻擋層均為PZT且介電層為SiO2。在另一實施方式中，第一阻擋層和第二阻擋層均為LiPON且介電層為Si02。在另一實施方式中，第一阻擋層和第二阻擋層均為LiPON且介電層為Li20。在另一實施方式中,第一阻擋層和第二阻擋層均為LiPON且介電層為LiF。阻擋層也可以具有不同的材料。在一個實施方式中，第一阻擋層包括陽離子導(dǎo)電材料且第二阻擋層包括陰離子導(dǎo)電材料。在另一實施方式中，第一阻擋層包括陰離子導(dǎo)電材料和陽離子導(dǎo)電材料。在另一實施方式中，第二阻擋層包括陰離子導(dǎo)電材料和陽離子導(dǎo)電材料。通過上文所述的結(jié)構(gòu)，所述裝置可以具有在5Whr/kg和1000Whr/kg之間的、在10Whr/kg和650Whr/kg之間的、或者在50Whr/kg和500Whr/kg之間的能量密度。在某個實施方式中，能量密度可以大于50Whr/kg,或者大于100Whr/kg。第一電極具有的逸出功可以大于第二電極的逸出功。第一電極的逸出功可以大于
4.0eV以及第二電極的逸出功可以小于4.5eV。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實施方式提供了優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的多種優(yōu)點。在該專利申請中，儲能裝置能夠保持高于傳統(tǒng)電容式儲能裝置的場強并且其因此可以用于高能量密度的電容式儲能器。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的儲能裝置與傳統(tǒng)裝置相比能夠忍受住較高的擊穿電壓(并且因此改善了穩(wěn)定性和可靠性 )，因此可以具有較高級別的能量密度。還存在如下文所述的其他優(yōu)點。


圖1為示出電容式儲能裝置的簡化圖。圖2示出對于電容式儲能裝置的示例性電流電壓曲線。圖3示出多種常用電介質(zhì)的介電常數(shù)和擊穿場強。圖4示出高能量密度的儲能裝置的一種形式。圖5示出因Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)的開始而引起的能量密度。圖6示出Li3PO4和Li3P04_xNx的態(tài)密度(DOS)的計算。圖7示出包括電極和通過阻擋材料的層隔開的多個介電材料層的裝置的一個示例。圖8示出包括第一電極和第二電極、設(shè)置在該第一電極和第二電極之間的介電層、以及第一阻擋層和第二阻擋層的裝置800。圖9示出儲能裝置的擊穿電壓。圖10為示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的利用SiO2作為介電材料和利用PZT作為阻擋材料的示例性儲能裝置的性能的圖表。
具體實施例方式本專利申請描述了用于儲能的裝置和制造與使用這樣的裝置的方法。在各個實施方式中，阻擋層設(shè)置在儲能裝置的介電材料和電極之間。阻擋層的特征在于，其介電常數(shù)比介電材料的介電常數(shù)高。還存在其他實施方式。與電化學(xué)儲能器(例如，蓄電池)相比，電容式儲能器具有公知的優(yōu)點。與蓄電池相t匕，電容器能夠以非常高的功率密度即充電/再充電速率來儲存能量，貯藏壽命長且退化小，并且可以充放電(循環(huán)的)數(shù)萬次或者數(shù)百萬次。然而，儲存能量的電容器通常并不像蓄電池那樣有較小的體積或者重量，或者儲存每份能量的成本并不低，這使得對于諸如電動車的應(yīng)用而言，電容器是不實用的。因此，提供能夠以單位體積和/或單位質(zhì)量儲存更密集的能量的電容式儲能器是儲能技術(shù)中的一個進步。圖2示出對于電容式儲能裝置的示例性電流電壓曲線。通常，電極兩端的電壓V是電極上所儲存的電荷Q的某種函數(shù)，如圖2中的實曲線所示。將存在某一最大電壓Vmax,在介電材料開始擊穿之前，該裝置可以被充電至該最大電壓Vmax。對于線性材料，電容不取決于Q,且V (Q) =Q/C，如圖2中的虛線B所示。通常通過下式給出該裝置中儲存的總能量:
權(quán)利要求
1.一種儲能裝置，包括:間隔開的第一電極和第二電極；介電層，該介電層設(shè)置在所述第一電極和所述第二電極之間；第一阻擋層，所述第一阻擋層設(shè)置在所述第一電極和所述介電層之間；和第二阻擋層，所述第二阻擋層設(shè)置在所述第二電極和所述介電層之間，其中，所述第一阻擋層的介電常數(shù)和所述第二阻擋層的介電常數(shù)分別大于所述介電層的介電常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述介電層包括具有2和25之間的相對介電常數(shù)的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述介電層包括具有3和15之間的相對介電常數(shù)的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述介電層包括具有大于0.5V/nm的擊穿場強的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述介電層包括選自氧化物、氮化物、氮氧化物和氟化物的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述介電層包括選自Si02、Si0xNy、Hf02、Al203或Si3N4的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一阻擋層和所述第二阻擋層分別包括具有在lmV/nm和200mV/nm之間的擊穿場強的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一阻擋層和所述第二阻擋層分別包括選自離子型導(dǎo)電材料和非離子型導(dǎo)電材料的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述離子型導(dǎo)電材料選自Mg2+導(dǎo)體、Li+導(dǎo)體、H+導(dǎo)體、Na+導(dǎo)體、(Γ導(dǎo)體和Γ導(dǎo)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述離子型導(dǎo)電材料為Li3PO4或Li3P04_xNx。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述非離子型導(dǎo)電材料為高_k陶瓷材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述非離子型導(dǎo)電材料為鈣鈦礦鐵電材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述非離子型導(dǎo)電材料選自PZT(Pb (Zr0.5T i .5) O3)、SrT i O3、PbT i O3、BaT i O3 和(BaSr) T i O3。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述非離子型導(dǎo)電材料為多鐵性高-k材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述非離子型導(dǎo)電材料為CaCu3Ti4O12或La2—xSrxNi04o
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述非離子型導(dǎo)電材料為納米復(fù)合高-k材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一阻擋層和所述第二阻擋層分別包括介電常數(shù)在包括所述介電層的材料的介電常數(shù)的10倍與10000倍之間的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一阻擋層和所述第二阻擋層分別具有在4nm和IOOnm之間的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述介電層具有在IOnm和IOym之間的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一阻擋層和所述第二阻擋層分別具有在所述介電層的厚度的10倍和1000倍之間的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置， 其中，所述第一阻擋層包括陽離子導(dǎo)電材料以及所述第二阻擋層包括陰離子導(dǎo)電材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一阻擋層包括陰離子導(dǎo)電材料和陽離子導(dǎo)電材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述第二阻擋層包括陰離子導(dǎo)電材料和陽離子導(dǎo)電材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述裝置具有在50Whr/kg和500Whr/kg之間的能量密度。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述裝置具有大于50Whr/kg的能量密度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述裝置具有大于lOOWhr/kg的能量密度。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一電極的逸出功大于所述第二電極的逸出功。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述第一電極的逸出功大于4.0eV以及所述第二電極的逸出功小于4.5eVo
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固態(tài)儲能裝置。本發(fā)明申請描述了用于儲能的裝置和制作與使用該裝置的方法。在各個實施方式中，阻擋層設(shè)置在該儲能裝置的介電材料和電極之間。該阻擋層的特征在于，該阻擋層的介電常數(shù)比所述介電材料的介電常數(shù)高。還存在其他的實施方式。
文檔編號H01G4/12GK103227048SQ20131003451
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月30日
發(fā)明者蒂姆·胡米, 弗里德里?！·普林茨, 韋斯頓·亞瑟·赫爾曼, 約瑟夫·漢, 瑞納·法史英 申請人:量子世界公司