高能量密度电容器专利检索-能量密度电池与电池专利检索查询-专利查询网

积极推动地理标志专门立法

2022-03-10 地理标志，立法，知识产权
保护知识产权是对创新最大的激励

2022-03-10 保护知识产权，创新，激励
谢商华：加快制定知识产权基本法

2022-03-10 知识产权基本法
擦亮“双奥之城”品牌

2022-03-10 双奥，知识产权
让冰雪运动“热”力全开

2022-03-10 冰雪运动，知识产权
携手共奋进　走好强国路

2022-03-10 强国，知识产权
坚持创新引领　方能稳中求进

2022-03-10 创新，稳中求进，知识产权
答好“两张卷” 奋进新征程

2022-03-10 知识产权
专家解读政府工作报告中的创新和知识产权相关部署

2022-03-10 政府工作报告，创新，知识产权
今年政府工作报告指出：加强知识产权保护和运用

2022-03-10 政府工作报告，知识产权保护

高能量密度电容器

阅读：122发布：2020-05-13

IPRDB可以提供高能量密度电容器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种具有多孔导电基底的电容器，在该基底的内表面及外表面上施加介质的第一层及导电第二层。本发明还涉及一种用于制造这种电容器的方法及其在电气与电子电路中的用途。，下面是高能量密度电容器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种包括多孔导电基底的电容器，该基底的内表面及外表面上施加有不是氧化钽或氧化铌的介质的第一层及导电的第二层。

2.如权利要求1的电容器，其中所述基底具有自0.01至10m2/g的比表面积。

3.如权利要求1或2的电容器，其中所述基底含熔点至少为900℃的至少一种金属或至少一种金属合金。

4.如权利要求1至3中一项的电容器，其中所述基底含Ni、Cu、Pd、Ag、 Cr、Mo、W、Mn或Co及/或基于其的至少一种金属合金。

5.如权利要求1至4中一项的电容器，其中所述基底由导电材料组成。

6.如权利要求1至4中一项的电容器，其中所述基底由至少一种粉末形式的非金属材料组成，该材料由至少一种金属或至少一种金属合金所包覆。

7.如权利要求1或6的电容器，其中所述非金属材料是Al2O3或石墨。

8.如权利要求1至7中一项的电容器，其中所述介质具有大于100的介电常数。

9.如权利要求1至8中一项的电容器，其中所述介质含有具有组合物 AxByO3的钙钛矿型的氧化物陶瓷，其中A和B表示单价至六价的阳离子或这些阳离子的混合物，x表示0.9至1.1的数值，且y表示0.9至1.1的数值。

10.如权利要求1至9中一项的电容器，其中所述介质含BaTiO3。

11.如权利要求1至10中一项的电容器，其中所述介质含一种或多种具有其的氧化物形式的掺杂剂元素，其浓度在0.01与10原子％之间。

12.一种用于制造电容器的方法，其中将不是氧化钽或氧化铌的介质的第一层及具有触点的导电材料的第二层施加至具有触点的多孔导电基底的内表面及外表面。

13.如权利要求12的方法，其中通过在1至100千巴的压力下进行压缩或热压缩及/或在500至1500℃的温度下进行烧结，而从具有0.01至10m2/g 的比表面积的粉末来制造所述多孔基底。

14.如权利要求12或13的方法，其中所述介质从溶液沉积到所述多孔基底上。

15.如权利要求12至14中一项的方法，其中将所述多孔基底浸渍于含有溶解形式的所述介质的前体化合物的溶液中，且随后进行热处理。

16.一种如权利要求1至11中一项的电容器在电气与电子电路中的用途。

说明书全文

技术领域

本发明涉及具有作为第一电极的多孔导电基底的电容器。

背景技术

各种各样的应用中的能量储存是持续开发工作的主题。具体是，用于能量临时储存的模块很难以基于电池来制造，在这些模块中，由于短的充电及放电时间而引起极强电流且因此引起高功率。这些模块可例如用于不间断电源、用于风力发电厂的缓冲系统及以混合燃料推进的汽车中。
原则上，电容器能够以极强电流来充电及放电。然而，迄今为止，具有与Li离子电池的能量相当的能量(即，大约250Wh/l)的电容器还不为人所知。
根据电容器公式：
                   E＝C.U2及C＝ε.ε0. A/d，
其中：  E＝能量
        C＝电容
        U＝电压
        ε＝介质的介电常数
        ε0＝自由空间的介电常数
        A＝电极表面面积
        d＝电极间距
通过使用具有高击穿电压及高介电常数的介质以及通过使用大的电极表面面积及短的电极间距，可获得高能量密度。
所谓的Ultracaps(双层电化学电容器)由于使用达到2500m2/g的极大的电极表面面积及很短的电极间距而具有很高的电容，但其仅耐受约2V的低电压，且由于其所含有的有机电解质而耐受低温。具体是，缺乏热稳定性会阻碍其在汽车中的使用，因为其不能配合于引擎隔室中。
钽电容器由烧结钽粉基底组成。因此其具有很大的电极表面面积，但由于其电化学制造，其限于作为仅具有低介电常数(ε＝27)的介质的五氧化二钽且限于小尺寸。这阻碍了其在能量储存中的使用。
多层陶瓷电容器(MLCC)由于使用陶瓷介质而耐受高电压及周围温度。此外，具有高介电常数(＞10,000)的陶瓷介质是可获得的。然而，对于大电极表面面积的需求会需要大量的层(＞500)。因此，这些电容器的制造较昂贵，且其在这些层的厚度增加时经常容易存在缺陷。同样，不可能制造具有相当大的尺寸(即，大于1cm3的范围内的体积)的电容器，因为这将在制造层结构时导致应力破裂，且因此导致组件失效。
特定能量密度的实例：
Ultracap：Maxwell BCAP0010(2600F，2.5V，490cm3)：4.6Wh/l
钽：Epcos B45196H(680μF，10V，130mm3)：0.073Wh/l
MLCC：Murata GRM55DR73A104KW01L(0.1μF，1000V，57 mm3)：0.25Wh/l
DE-A-0221498描述了由惰性多孔基底所组成的高能量密度陶瓷电容器，在该惰性多孔基底上施加有导电第一层、第二钛酸钡层及另一导电层。为此，首先通过气相沉积或无电镀敷而利用金属化来涂覆诸如氧化铝的材料的惰性多孔基底。在第二步骤中，通过利用钛酸钡纳米分散剂 (nanodispersion)进行浸渍并随后于900-1100℃下进行烧结来制造介质。
该方法由于精细的制造方法及金属化的低热稳定性而成问题。制造介质需要900-1100℃的温度。许多金属在这些温度下已经具有很高的迁移率，这与金属的大的表面张力一起可导致金属化层聚结并形成精细小液滴。这特别在银或铜金属化的情况下被观察到。在第二步骤中利用钛酸钡纳米分散剂进行浸渍期间，若分散剂含有相当大的颗粒或聚集体，则此外可发生孔隙的不均匀涂覆或堵塞。若发生不均匀涂覆，则不可能使用多孔基底的所有内表面，这会减少电容器的有用电容并大大地增加短路的风险。

发明内容

因此，本发明的一目标是开发一种具有高能量密度与高热、机械及电负载容量的电容器，以允许其用于前述应用中。还旨在避免所描述的制造问题。
该目标实现为，电容器包含多孔导电基底，在该基底的尽可能多的内表面及外表面上施加介质层及导电层。
已发现，由导电材料所制成的多孔基底也适合直接作为基底。使用导电基底材料会提供以下优点：由于基底的预先存在的电导率，而无需利用金属化另外涂覆该基底。
因此本发明涉及一种含有多孔导电基底的电容器，在该基底的内表面及外表面施加不是氧化钽或氧化铌的介电质的第一层及导电第二层。
本发明还涉及一种用于制造这些电容器的方法及其在电气与电子电路中的用途。
合适的基底优选具有0.01至10m2/g(尤其优选为0.1至5m2/g)的比表面积(BET表面)。
这些基底可(例如)从具有0.01至10m2/g的比表面积(BET表面)的粉末通过在1至100千巴的压力下进行压缩或热压缩及/或在500至1500℃ (优选为700至1300℃)下进行烧结来制造。该压缩或烧结优选在由空气、惰性气体(例如，氩或氮)或氢或这些气体的混合物所组成的气氛中在0.001 至10巴的压力下来进行。
用于压缩的压力及/或用于热处理的温度取决于所使用的材料及所预期的材料密度。30至70％的理论值的密度是优选希望的，以对于所预期的目的而保证电容器的充分的机械稳定性、以及为随后利用介质进行涂覆而保证充分的孔隙率。
可使用所有这样的金属或金属合金的粉末，其具有至少900℃(优选大于1200℃)的足够高的熔点，且其在随后处理期间不会与陶瓷介质发生任何反应。
基底优选含有：至少一种金属，优选为Ni、Cu、Pd、Ag、Cr、Mo、 W、Mn或Co；及/或基于这些金属的至少一种金属合金。
优选，基底完全由导电材料组成。
根据另一优选变型，基底由以粉末形式的至少一非金属材料组成，该材料由上文所描述的至少一金属或至少一金属合金所包覆。优选包覆非金属材料，使得在该非金属材料与介质之间不发生损害电容器的特性的反应。
这些非金属材料可例如为Al2O3或石墨。然而，SiO2、TiO2、ZrO2、 SiC、Si3N4或BN也合适。所有由于其热稳定性而避免孔隙率在介质的热处理期间由于金属材料烧结而进一步减少的材料都是合适的。
根据本发明而使用的基底可具有各种各样的几何形状，例如立方体形，板形或圆柱体形。这些基底可以各种尺寸(优选为几毫米至几分米)来制造，优选从若干毫米至若干分米，且因此可完美地匹配于有关应用。具体是，可使这些尺寸适应于电容器的所需电容。举例而言，对于风力发电厂或混合机车中的能量储存应用，可使用具有高电容及5厘米至5分米范围内的大尺寸的电容器，而微电子器件中的应用需要具有1毫米至5厘米范围内的尺寸的低电容的小电容器。
这些基底连接至触点。触点优选可通过在基底的前述制造期间直接引入导电导线或条带来制造。作为可选方案，触点也可(例如)通过焊接或熔接而在导电导线或条带与基底的表面之间形成一导电连接来制造。
根据本发明所使用的多孔导电基底用作第一电极，且同时用作用于介质的基底。
通常可使用作为介质的所有材料均适用。在本发明中排除氧化钽及氧化铌。
所使用的介质应具有大于100(优选大于500)的介电常数。
介质优选含有氧化物陶瓷，优选为钙钛矿类型，其具有可通过通式 AxByO3来特征化的组合物。此处，A及B表示单价至六价阳离子或这些阳离子的混合物，优选为Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ti、Zr、V、Nb、Ta、 Mo、W、Mn、Zn、Pb或Bi，x表示0.9至1.1的数值，且y表示0.9至1.1的数值。A与B在此情况下彼此不同。
特别优选的是使用BaTiO3。合适的介质的其它实例为SrTiO3、 (Ba1-xSrx)TiO3及Pb(ZrxTi1-x)O3，其中x表示0.01与0.99之间的数值。
为了改良诸如介电常数、电阻率、击穿强度或长期稳定性的具体特性，介质也可含有氧化物形式的浓度有利地在0.01与10原子％之间(优选为0.05 至2原子％)的掺杂剂元素。合适的掺杂剂元素的实例为：周期表的第二主族的元素，特别Mg及Ca；及周期表的副族的第4与第5周期的元素，例如 Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag及 Zn；以及镧系元素，诸如La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、 Er、Tm、Yb及Lu。
介质可从溶液沉积于多孔基底上(所谓的溶胶-凝胶方法)。与使用分散剂相比，提供均质溶液特别有利的，使得即使在相当大的基底的情况下也不能发生孔隙堵塞及不均匀涂覆。为此，利用溶液来浸渍多孔基底，这些溶液可通过将相应元素或其盐溶解于溶剂中来制造。
可优选使用的盐为：前述元素(此处表示为M)的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、卤化物、乙酰基丙酮化物或这些物的衍生物；前述元素(此处表示为M)的无机酸的盐，其具有通式M(R-COO)x，其中R为H、甲基、乙基、丙基、丁基或2-乙基己基，且x＝1、2、3、4、5或6；前述元素(此处表示为M)的醇的盐，其具有通式M(R-O)x，其中R为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、2-乙基己基、2-羟乙基、 2-甲氧乙基、2-乙氧乙基、2-丁氧乙基、2-羟丙基或2-甲氧丙基，且x＝1、 2、3、4、5或6；或这些盐的混合物。
可优选使用的溶剂为：羧酸，其具有通式R-COOH，其中R为H、甲基、乙基、丙基、丁基或2-乙基己基；醇，其具有通式R-OH，其中R为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基或2-乙基己基；乙二醇衍生物，其具有通式R1-O-(C2H4-O)x-R2，其中R1及R2为H、甲基、乙基或丁基，且x＝1、2、3或4；1，3-二羰基化合物，诸如乙酰基丙酮或乙酰基丙酮化物；脂族或芳族烃，例如戊烷、己烷、庚烷、苯、甲苯或二甲苯；醚，诸如二乙醚、二丁醚或四氢呋喃；或这些溶剂的混合物。
基底的浸渍可例如使用低粘度溶液而通过将这些基底浸没于该溶液中来进行，或者使用较高粘度的溶液而通过压力浸渍或通过流过这些基底来进行。也可通过喷射来施加该溶液。在此情况下，必须保证基底的内表面及外表面的完全润湿。
随后将该溶液在温度为500至1500℃(优选为700至1200℃)的烘箱中煅烧以形成相应的陶瓷，并将其烧结以形成膜。惰性气体(例如氩、氮)、氢气、氧气或蒸汽或这些气体的混合物可用作具有0.001至10巴的气压的气氛。以此方式，在多孔基底的整个内表面及外表面上获得具有优选为10至 1000纳米(特别优选为50至500纳米)的厚度的薄膜。尽可能地，应覆盖整个内表面及外表面，以保证电容器的最大电容。
所施加的介质的膜厚度可通过涂覆溶液的浓缩或通过涂覆的重复来调整。在多重涂覆的情况下，根据经验，在每一涂覆步骤的后在200至600℃ 的温度(优选在约400℃的温度)煅烧、且在500至1500℃(优选为700至 1200℃)的温度进行随后的烧结已经足够。为了改良介质的电气特性，可能需要在烧结后在200与600℃之间的温度、在具有0.01％至25％的氧含量的气氛中进行另一热处理。
根据该方法的另一优选变型，通过如下的技术将介质施加至基底，该技术在文献中被描述为“模板辅助润湿”(template-assisted wetting)(例如，见Y.Luo，I.Szafraniak，V.Nagarjan，R.B.Wehrspohn，M.Steinhart， J.H.Wendorff，N.D.Zakharov，R.Ramesh，M.Alexe，Applied Physics Letters 2003，83，440)。为此，使基底与介质的聚合前体的溶液接触，使得在该基底的整个内表面及外表面上形成溶液膜。随后与上述方法中的类似，通过热处理将该溶液转换成陶瓷介质。
根据本发明，将导电第二层作为参考电极而施加至介质上。其可为根据现有技术通常用于此目的的任何导电材料。例如，使用二氧化锰或导电聚合物，诸如聚噻吩、聚呲咯、聚苯胺或这些聚合物的衍生物。通过施加金属层作为参考电极，获得了电容器的较好的电导率并因此获得电容器的较低的等效串联电阻，这些金属层(例如)为根据至今未公开的德国专利申请10325243.6的铜层。
与参考电极接触的外部触点也可通过根据现有技术通常用于此目的的任何技术来制造。例如，该触点可通过石墨化、施加导电银及/或焊接来制造。一旦电容器具有了触点，就可将该电容器包覆，以保护其免于外部效应。

具体实施方式

根据本发明而制造的电容器具有多孔导电基底，在该基底的基本所有内表面及外表面上施加介质层及导电层。该电容器在图1中通过示例示出。
根据本发明而制造的电容器具有高能量密度以及高热、机械及电负载容量，且其因此适合于各种各样的应用的能量储存，特别适合于需要高能量密度的应用中的能量储存。与常规钽电容器或多层陶瓷电容器相比，其制造方法允许简单且经济地制造具有显著较大的尺寸及相应高电容的电容器。
这些电容器可(例如)用作：电能技术中的平滑或储存电容器；微电子器件中的耦合件、滤波器或小容量电容器；二次电池的替代品；移动电气装置(例如电力工具、电信应用、便携式计算机、医疗装置)、不间断电源、电动车的主能量储存单元；电动车或混合动力车(“再生式刹车”)、电气升降机的补充能量储存单元；及用于补偿风力发电厂、太阳能发电厂、太阳能热发电厂或其它发电厂的功率波动的缓冲能量储存单元。
将参考以下示例性实施例来更详细地解释本发明，但并不表示任何限制。
实例
实例1：
利用镍导线及镍粉末(粒度D50＝6.6μm)来填充圆柱形石英玻璃坩埚并以机械方法将其均匀压缩。随后将其在氢气氛中在800℃烧结3小时。获得了具有大约40％的孔隙体积比率及0.1m2/g的BET表面的固体基底。
实例2：
将甲氧基乙醇中的50.0g 60％浓度(w/w)的双-2-甲氧基乙醇钡溶液与36.4 g四-2-甲氧基乙醇钛在室温搅拌30分钟，且随后逐滴添加甲氧基乙醇中的28g 25％浓度的水溶液(w/w)。获得了具有20％的含量的溶液(w/w 相对于BaTiO3)。该溶液的浓度可通过蒸发甲氧基乙醇而增加至40％(w/w 相对于BaTiO3)。
实例3：
将51.0g乙酸钡溶解于70g沸腾的冰醋酸中。接着在70℃添加68g四正丁醇钛。获得了具有25％的含量的溶液(w/w相对于BaTiO3)。
实例4：
将50g甲氧基乙醇中的48.0g四-2-乙基己醇钛溶液添加至甲氧基乙醇中的40.0g 60％浓度(w/w)的双-2-甲氧基乙醇钡溶液。将其搅拌12 小时，且随后在减压下移除甲氧基乙醇。获得了具有22％的含量的溶液 (w/w相对于BaTiO3)。
实例5：
将根据实例1的基底浸没于根据实例2的溶液中。可在几分钟后不再见到起泡。可施加真空以有助于完全浸渍。将完全充满溶液的基底从该溶液中移出，且滴尽黏附至外部的任何溶液。
实例6：
通过使用密封件将根据实例1的基底配合于保持装置中，并利用根据实例3或4的溶液在4巴的压力下冲洗，直至可不再见到起泡为止。将完全充满溶液的基底从该溶液中移出，且滴尽黏附至外部的任何溶液。
实例7：
将根据实例5或6的浸渍基底在温度为400℃的烘箱中于具有饱和水蒸气的惰性气体气氛中处理3小时，以煅烧溶液以形成陶瓷涂层。将浸渍/煅烧的顺序进行5次，接着在具有1ppm的氧含量的惰性气体气氛中在800℃ 下将该陶瓷涂层烧结6小时。
实例8：
将根据实例7的陶瓷涂覆基底浸没于硝酸锰(II)的饱和水溶液中，直至不再见到起泡为止。将完全充满溶液的基底从该溶液中移出，且滴尽黏附至外部的任何溶液。接着将浸渍的基底在温度为300℃的烘箱中于空气中处理3小时，以煅烧溶液以形成二氧化锰导电层。进行浸渍/煅烧的顺序，直至获得恒定重量，且使所有孔隙完全充满二氧化锰。
实例9：
通过使用密封件将根据实例7的陶瓷涂覆基底配合于保持装置中，并根据至今未公开的德国专利申请10325243.6，利用甲氧基乙胺与甲氧基丙胺的1∶1混合物中的甲酸铜(II)溶液(含量10％w/w相对于Cu)在4 巴的压力下来冲洗，直至不再见到起泡为止。将完全充满溶液的基底从该溶液中移出，且滴尽黏附至外部的任何溶液。接着将浸渍的基底在温度为 220℃的烘箱中于惰性气体气氛(Ar或N2)中处理2小时，以制造铜涂层。将浸渍/热处理的顺序进行若干次，以获得导电膜的完全涂覆。

标题	发布/更新时间	阅读量
新型高能量密度锂电池-专利编号CN109755472A	2020-05-12	994
一种高能量密度锂电池-专利编号CN109148940A	2020-05-12	177
高能量密度静电电容器-专利编号CN104854669B	2020-05-13	718
高能量密度锂离子电池-专利编号CN103401016A	2020-05-11	705
高能量密度光学治疗仪-专利编号CN102284140A	2020-05-11	139
高能量密度锂离子电池-专利编号CN109461885A	2020-05-12	64
高能量密度电池-专利编号CN111029487A	2020-05-11	178
高能量密度静电电容器-专利编号CN104854669A	2020-05-11	589
高能量密度锂离子电池-专利编号CN103401016B	2020-05-13	56
高能量密度电容器-专利编号CN101048833A	2020-05-13	120

高能量密度电容器

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

IPRDB

热门服务

关于我们

友情链接

联系方式