專利名稱：固態(tài)超級電容器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)超級電容器，尤其涉及一種利用納米線叢增加電極表面積及以直接反應(yīng)沉積得到高純度介電材料，達到該材料具有最高介電系數(shù)的固態(tài)超級電容器。
背景技術(shù)：
電容器是一種儲能元件，具有耦合交流、濾波、調(diào)諧、相移、儲存能量和旁路等用途。因應(yīng)高頻電力電子電路的技術(shù)演進，高能量密度已是發(fā)展的潮流，陶瓷電容雖有很高介電系數(shù)但還可提高，因受限于以往陶瓷電容的生產(chǎn)條件，陶瓷材料經(jīng)過煅燒后須粉碎處理， 在材料粉碎時，會造成污染降低介電系數(shù)。在陶瓷材料成形時須加入黏結(jié)劑，降低材料純度同時降低介電系數(shù)，且陶瓷材料燒結(jié)后會形成光滑表面，所以只能與平面電極結(jié)合、很難產(chǎn)生高表面積的電極，例如圓板電容及積層陶瓷電容(MLCC)，而且現(xiàn)今的積層陶瓷電容生產(chǎn)時長與寬都不能太大。
目前使用的電容器工藝無法兼顧有高表面積導(dǎo)體和超高介電系數(shù)而得到一個超大單位體積容量的電容，例如電解電容及電雙層超級電容雖然為高導(dǎo)體表面積，但因需使用電解液所以無法得到高介電系數(shù)的介電層、高使用壽命、高安全性以及高耐電壓值，工作溫度也受到局限。
電解電容器是由陽極處理使鋁箔表面產(chǎn)生氧化鋁作為絕緣層，當(dāng)使用極性相反或電壓超過時，會破壞絕緣層而造成漏電，進而分解電解液產(chǎn)生氣體，便會衍生電容器爆漿與系統(tǒng)爆炸的危安事故。
電雙層電容器雖有很大導(dǎo)體表面積、但是使用水系電解液單體(cell)的耐電壓值及介電系數(shù)都非常低，響應(yīng)速度慢，一般耐壓不超過3V，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)格有耐高電壓設(shè)計時， 電雙層電容器需進行串聯(lián)，額外增加電力控制管理系統(tǒng)配置與操作危險性。
美國EESTOR公司于美國專利公告US703!M06與US7466536中，揭露一種電子能量儲存單元(EESU)，采用高介電系數(shù)的鈦酸鋇改質(zhì)混合式粉末當(dāng)作介電材料，利用材料雙面涂布氧化鋁(aluminum oxide)與鈣鎂氧化鋁玻璃材料(calcium magnesium aluminosilicate)，以及利用網(wǎng)印方式制作對稱式鎳電極層，然后進行材料的燒結(jié)以及熱均壓處理，以便產(chǎn)生高致密性且以薄層化增加表面積的能量儲存結(jié)構(gòu)。
該專利所揭露的技術(shù)缺失在于，因須采用薄膜工藝，所以混合漿料的應(yīng)力不易消除，雜質(zhì)、微小裂痕及氣孔的產(chǎn)生均是很難克服的技術(shù)，即使采用陶瓷類的玻璃基板材料當(dāng)作基質(zhì)(matrix)，間接地降低有效介電系數(shù)，同時也很難處理因為不適當(dāng)?shù)墓に囈蛩禺a(chǎn)生的熱沖擊(thermal shock)、雜質(zhì)(impurities)、機械應(yīng)力(mechanical stress)等因素， 造成介電層材料的內(nèi)部微小裂痕(internal crack)等問題，另外，因采用薄膜工藝耐壓不高，須堆棧串聯(lián)耐壓才夠，堆棧串聯(lián)結(jié)構(gòu)其中某一層開路或短路會造成整組儲能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(fēng)險，另外，發(fā)明者通過提供高純度的鈦酸鋇改質(zhì)材料及材料薄層化的燒結(jié)工藝以提高整體的電荷儲存能力，然而這種工藝模式雖能相當(dāng)程度的提高儲能元件的能量密度，但無法真正達到最佳能量密度的提升、及降低生產(chǎn)風(fēng)險，而且克服這些瑕疵是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)過程，所以此項發(fā)明技術(shù)會大幅增加制作成本。
另外，加拿大專利公告號CA2598754以及CA2598787中，揭露了采用純陶瓷材料或陶瓷高分子混合材料當(dāng)作介電層，以鋁或鋁合金材料當(dāng)作電極層，并且在內(nèi)部電極 (internal electrode)制作時，加入不與外部電極(external electrode)相連接的浮動電極(floating electrode)，以堆棧式制作儲能元件結(jié)構(gòu)，其中有關(guān)高表面積的浮動電極若不與外部電極相連接，實際只是一個虛像電極無法將極化電荷引出，實質(zhì)上并無法真正制成高容量電容器，另外，陶瓷高分子混合物的顆粒尺寸、分散處理技術(shù)以及介電特性影響與致密性影響，均是工藝上的一大挑戰(zhàn)，而且高分子材料對于溫度的變化非常敏感，會影響材料的致密性及電極距離，因而溫度的升高造成整體模塊體積膨脹，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，在工藝上是一大挑戰(zhàn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所欲解決的技術(shù)問題與目的
緣此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種固態(tài)超級電容器及其制備方法，以達到具有高電容量與高能量密度的目的。
本發(fā)明解決問題的技術(shù)手段
一種固態(tài)超級電容器，包含第一納米線叢電極、第二納米線叢電極與介電材料；第一納米線叢電極由第一電極與第一納米線叢所構(gòu)成，其中，第一納米線叢自該第一電極垂直延伸出，并包含多條互相間隔的第一納米線；第二納米線叢電極由第二電極與第二納米線叢所構(gòu)成，其中，第二電極平行該第一電極設(shè)置，且第二納米線叢自該第二電極垂直延伸出，與該第一納米線叢間隔，并包含多條互相間隔的第二納米線；介電材料設(shè)置于該第一納米線叢電極與該第二納米線叢電極的納米線間隙，以及該兩納米線叢電極的間隔內(nèi)。
于本發(fā)明的一較佳實施例中，該第一電極與該第二電極可以設(shè)置于同一平面或不同平面上。
除此之外，本發(fā)明還揭露一種固態(tài)超級電容器的制作方法，包含以下步驟(a)于一基板的表面形成一第一電極、一第二電極，再將基板制成多個納米孔洞，且于該第一電極與該第二電極上披覆一背膠；(b)將一電極材料填于該些納米孔洞內(nèi)，以形成相互間隔的一第一納米線叢與一第二納米線叢；該第一納米線叢與該第一電極電性連接，形成一第一納米線叢電極；該第二納米線叢與該第二電極電性連接，形成一第二納米線叢電極；(c)將該基板去除；(d)以一介電材料填滿該些第一納米線的間隙、該些第二納米線間隙以及該第一納米線叢電極與該第二納米線叢電極的間隔內(nèi)。
于本發(fā)明的一較佳實施例中，該第一電極與該第二電極可以分別設(shè)置于該基板的一上表面與一下表面，或是一同設(shè)置于該基板的該上表面或該下表面。
本發(fā)明還揭露一種固態(tài)超級電容器的制作方法，包含以下步驟
(a)于一基板的表面形成一第一電極、一第二電極與多個納米孔洞，且于該第一電極與該第二電極上披覆一背膠；
(b)將一電極材料填于該些納米孔洞內(nèi)，以形成相互間隔的一第一納米線叢與一第二納米線叢，該第一納米線叢具有多條第一納米線，并與該第一電極電性連接，藉以形成一第一納米線叢電極，該第二納米線叢具有多條第二納米線，并與該第二電極電性連接，藉以形成一第二納米線叢電極；
(c)對該基板進行一介電化處理，以形成一介電材料。
于本發(fā)明的一較佳實施例中，該介電化處理包含燒結(jié)、固化與烘燒中的至少一個。
本發(fā)明對照先前技術(shù)的功效
相較于現(xiàn)有技術(shù)的電容器，本發(fā)明的固態(tài)超級電容器，具備高功率密度以及高能量密度的特性，且其耐壓值更可由兩納米線叢電極的間隔寬度決定，因此可用于各種電壓的直流電源儲能裝置與在交流設(shè)備使用。
此一介電層直接由反應(yīng)堆積生成不需再做其它加工程序，不會產(chǎn)生其它污染，所以經(jīng)由固化(或烘燒、燒結(jié))后為極高純度及高密度的介電層，具有極高介電系數(shù)，且該電極表面為納米線叢，所以是具有非常高表面積的電極，故有效提高固態(tài)超級電容器容量。
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
圖1為本發(fā)明固態(tài)超級電容器的第一實施例立體圖2A為基板的俯視圖2B為基板的剖視圖3A為于基板上形成電極圖案的俯視圖;3B為于基板上形成電極圖案的剖視圖4A為形成納米孔洞且披覆背膠的俯視圖4B為形成納米孔洞且披覆背膠的剖視圖5A為形成納米線叢后去除基板的俯視圖5B為形成納米線叢后去除基板的剖視圖及納米線叢的放大圖6A為將介電材料填滿空隙的俯視圖6B為將介電材料填滿空隙的剖視圖及納米線叢的放大圖7A為去除背膠的俯視圖7B為去除背膠的剖視圖；以及
圖8為本發(fā)明的固態(tài)超級電容器的另一較佳實施例。
其中，附圖標(biāo)記
基板 100
第一納米線叢電極11
第一電極111
第一納米線叢112
第一納米線1121a、1121b、1121c、1121d
第二納米線叢電極12
第二電極121
第二納米線叢122
介電材料13
背膠14
納米孔洞15
間隔16
第--納米線叢電極21
第--電極211
第--納米線叢212
第二二納米線叢電極22
第二二電極221
第二二納米線叢222
介電材料2具體實施方式
本發(fā)明是關(guān)于一種固態(tài)超級電容器，尤指一種利用納米線叢增加電極表面積及以直接反應(yīng)沉積得到高純度介電材料，達到該材料具有最高介電系數(shù)的固態(tài)超級電容器。以下茲列舉一較佳實施例以說明本發(fā)明，然本領(lǐng)域技術(shù)人員皆知此僅為一舉例，而并非用以限定發(fā)明本身。有關(guān)此較佳實施例的內(nèi)容詳述如下。
請參閱圖1，圖1為本發(fā)明固態(tài)超級電容器的第一實施例立體圖。固態(tài)超級電容器包含第一納米線叢電極11、第二納米線叢電極12與介電材料13。
第一納米線叢電極11是由第一電極111與第一納米線叢112所構(gòu)成，其中，第一納米線叢112是自該第一電極111垂直延伸出，并包含多條互相間隔的第一納米線；第二納米線叢電極12是由第二電極121與第二納米線叢122所構(gòu)成，其中，第二納米線叢122是自該第二電極121垂直延伸出，與該第一納米線叢112間隔，并包含多條互相間隔的第二納米線
第二電極121是平行該第一電極111設(shè)置，而于本發(fā)明的較佳實施例中，第一電極 111與第二電極121可以設(shè)置于同一平面上，也可以設(shè)置于不同平面上，當(dāng)?shù)谝浑姌O111與第二電極121設(shè)置于同一平面時，第一納米線叢112與第二納米線叢122是朝同一方向延伸，而當(dāng)?shù)谝浑姌O111與第二電極121設(shè)置于不同平面時，第一納米線叢112與第二納米線叢122是分別朝第二電極121與第一電極111延伸。
介電材料13是設(shè)置于該些第一納米線的間隙、該些第二納米線間隙以及該第一納米線叢電極11與該第二納米線叢電極12的間隔16內(nèi)；介電材料13可以依據(jù)產(chǎn)品需求特性的不同，而采用不同的介電系數(shù)材料，而于本實施例中的較佳者，介電材料13可以用鈦銨鋇。
本發(fā)明還揭露一種固態(tài)超級電容器的制作方法，該制作方法包含以下步驟
請參閱圖2A、圖2B、圖3A、圖3B、圖4A與圖4B，圖2A是為基板的俯視圖，圖2B是為基板的剖視圖，圖3A為于基板上形成電極圖案的俯視圖，圖;3B為于基板上形成電極圖案的剖視圖，圖4A為形成納米孔洞且披覆背膠的俯視圖，圖4B為形成納米孔洞且披覆背膠的剖視圖；其中，剖視圖皆為沿AA切線的剖視圖。首先，必須于基板100的表面形成一第一電極111、一第二電極121與多個納米孔洞15，且于該第一電極111與該第二電極121上披覆一背膠14 ；然而，要強調(diào)的是，形成的順序并不影響后續(xù)的制作過程，因此可以是如圖2至圖4所示，先于基板100上形成第一電極111與第二電極121后，才形成納米孔洞15以及披覆背膠14，也可以是先于基板100上形成納米孔洞15后，再形成第一電極111與第二電極121并披覆背膠14 ；此外，納米孔洞15的形成方式可以有多種選擇，例如將基板100置于電解液中進行陽極處理就可以在基板100表面形成納米孔洞15。
請繼續(xù)參閱圖5A、圖5B、圖6A與圖6B，圖5A為形成納米線叢后去除基板的俯視圖，圖5B為形成納米線叢后去除基板的剖視圖與納米線叢的放大圖，圖6A為將介電材料填滿空隙的俯視圖，圖6B為將介電材料填滿空隙的剖視圖與納米線叢的放大圖。接著，將一電極材料填于該些納米孔洞15內(nèi)，以形成相互間隔的一第一納米線叢112與一第二納米線叢122，該第一納米線叢112是與該第一電極111電性連接，形成一第一納米線叢電極11，該第二納米線叢122是與該第二電極121電性連接，形成一第二納米線叢電極12， 當(dāng)?shù)谝患{米線叢112與第二納米線叢122形成后，即可將基板100去除，由放大圖可以知道，第一納米線叢112是由多條第一納米線1121a、1121b、1121c與1121d所共同構(gòu)成，雖然圖中僅以四條第一納米線1121a、1121b、1121c與1121d作為示意，然第一納米線1121a、 1121b、1121c與1121d的數(shù)目并不影響本發(fā)明的技術(shù)原理，同理，第二納米線叢122則是由多條第二納米線所構(gòu)成；于本實施例中的較佳者，基板100可以利用蝕刻(etching)或溶洗 (dissolution)的方式去除。
接著以一介電材料13填滿該些第一納米線1121a、1121b、1121c與1121d間隙、該些第二納米線間隙以及該第一納米線叢電極11與該第二納米線叢電極12的間隔內(nèi)；介電材料13則可以為任何可產(chǎn)生介電特性的材料，例如陶瓷或甚至是真空狀態(tài)皆可作為介電材料13 ；而部分介電材料13于填入后可能需要進行固化程序，例如介電材料13為陶瓷類材料時，可以利用燒結(jié)、固化與烘燒的其中一種方式成型，然而此固化程序僅為一般成熟的現(xiàn)有技術(shù)，因此在本說明書中不多做贅述。
請參閱圖7A與圖7B，圖7A為去除背膠的俯視圖，圖7B為去除背膠的剖視圖。最后視所用何種介電材料13再用適當(dāng)方法固化，再將背膠14去除，即可完成本發(fā)明的固態(tài)超級電容器；而背膠14去除的方法可以有很多種選擇，例如當(dāng)介電材料13為陶瓷時，在燒結(jié)成型時即可將背膠14同時去除。
而本發(fā)明的固態(tài)超級電容器可以簡單通過同方向重復(fù)堆棧即可達到電性并聯(lián)連接，以組合成各種不同需求電容量的固態(tài)超級電容器。
另外，本發(fā)明所述的固態(tài)超級電容器，可經(jīng)由調(diào)整第一納米線叢電極11與第二納米線叢電極12間的間隔16寬度，改變整體固態(tài)超級電容器的工作電壓。
另外，請參閱圖8，圖8為本發(fā)明的固態(tài)超級電容器的另一較佳實施例。于制作本發(fā)明的固態(tài)超級電容器時，第一納米線叢電極21與第二納米線叢電極22可以設(shè)計為各種特殊形狀，例如鋸齒狀或指叉狀等，只要確保第一納米線叢212與第二納米線叢222分別電性連接于第一電極211與第二電極221并互相保持間隔，以及介電材料23填滿于間隙內(nèi)即可。
除此之外，本發(fā)明還揭露另一固態(tài)超級電容器的制作方法，與前述制作方法不同的是，此一制作方法是于第一納米線叢電極11與第二納米線叢電極12形成之后，直接對基板100進行一介電化處理，以形成一介電材料13 ；其中，所述的介電化處理可以包含燒結(jié)、 固化與烘燒中的至少一個；此外，在對基板100進行介電化處理之前，還可以先將基板100 與至少一金屬溶液進行混合沉積。
舉例而言，若基板100為一二氧化鈦(TiO2)材質(zhì)，那么在第一納米線叢電極11與第二納米線叢電極12形成之后，可以先將基板100浸于氫氧化鋇Ba (OH)2中進行混合沉積； 當(dāng)氫氧化鋇溶液中的鋇離子進入基板100的納米孔洞15后，再對基板100進行至少一燒結(jié)、固化與烘燒動作，即可使基板100的材質(zhì)由二氧化鈦轉(zhuǎn)變成鈦酸鋇。而鈦酸鋇即為一種非常良好的介電材料。
綜合以上所述，本發(fā)明的固態(tài)超級電容器的電極是連接有納米線叢，而納米線叢是具有較大的表面積。由于電容器的電容值是與電極面積和介電常數(shù)成正比，與電極間的距離成反比，所以增大電極面積和采用高介電常數(shù)的陶瓷介電層就可以有效增加電容值。 經(jīng)由調(diào)整第一納米線叢電極與第二納米線叢電極間的間隔寬度，就可改變工作電壓。此外， 可將該固態(tài)超級電容器以并聯(lián)方式重復(fù)堆棧以達到需要的容量，符合高電壓與高能量密度的規(guī)格需求。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)超級電容器，其特征在于，包含一第一納米線叢電極，包含一第一電極與一第一納米線叢，該第一納米線叢自該第一電極垂直延伸出，并包含多條互相間隔的第一納米線；一第二納米線叢電極，包含一第二電極與一第二納米線叢，該第二電極平行該第一電極設(shè)置，該第二納米線叢自該第二電極垂直延伸出，與該第一納米線叢間隔，并包含多條互相間隔的第二納米線；以及一介電材料，設(shè)置于該些第一納米線的間隙、該些第二納米線的間隙以及該第一納米線叢電極與該第二納米線叢電極的間隔內(nèi)。
2.一種固態(tài)超級電容器的制作方法，其特征在于，包含以下步驟(a)于一基板的表面形成一第一電極、一第二電極與多個納米孔洞，且于該第一電極與該第二電極上披覆一背膠；(b)將一電極材料填于該些納米孔洞內(nèi)，以形成相互間隔的一第一納米線叢與一第二納米線叢，該第一納米線叢具有多條第一納米線，并與該第一電極電性連接，藉以形成一第一納米線叢電極，該第二納米線叢具有多條第二納米線，并與該第二電極電性連接，藉以形成一第二納米線叢電極；(c)將該基板去除；以及以一介電材料填滿該些第一納米線的間隙、該些第二納米線的間隙以及該第一納米線叢電極與該第二納米線叢電極的間隔內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)超級電容器的制作方法，其特征在于，該第一電極與該第二電極分別設(shè)置于該基板的一上表面與一下表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)超級電容器的制作方法，其特征在于，該第一電極與該第二電極設(shè)置于該基板的同一表面之上。
5.一種固態(tài)超級電容器的制作方法，其特征在于，包含以下步驟(a)于一基板的表面形成一第一電極、一第二電極與多個納米孔洞，且于該第一電極與該第二電極上披覆一背膠；(b)將一電極材料填于該些納米孔洞內(nèi)，以形成相互間隔的一第一納米線叢與一第二納米線叢，該第一納米線叢具有多條第一納米線，并與該第一電極電性連接，藉以形成一第一納米線叢電極，該第二納米線叢具有多條第二納米線，并與該第二電極電性連接，藉以形成一第二納米線叢電極；(c)對該基板進行一介電化處理，以形成一介電材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)超級電容器的制作方法，其特征在于，該介電化處理包含燒結(jié)、固化與烘燒中的至少一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)超級電容器的制作方法，其特征在于，于步驟(c)之前還包含將該基板與至少一金屬溶液混合沉積。
全文摘要
一種固態(tài)超級電容器及其制備方法，固態(tài)超級電容器包含表面布滿納米線叢的兩納米線叢電極以及填滿于兩納米線叢電極與納米線叢間隙的介電材料，其中納米線叢由多個納米線所構(gòu)成，以增加電極的表面積。因兩納米線叢電極為納米線叢所組成，所以有非常高表面積，介電層是該介電材料的原始原料，直接在兩納米線叢電極的間隙中反應(yīng)沉積與固化而形成，所以不會有其它加工過程的污染，可產(chǎn)生最純的介電材料，以達到該介電材料的最大介電系數(shù)，能夠有效增加電容器的單位體積電容量。
文檔編號H01G9/04GK102543452SQ20111028543
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者張宏琴, 林麗惠, 林廷鏗, 龔興國 申請人:德綠久工業(yè)股份有限公司