能量儲存裝置、能量儲存裝置的制造方法以及包含能量儲存裝置的移動電子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一般來說，本發(fā)明的所公開實施例涉及能量儲存，以及更具體來說，涉及電化學(xué)電容能量儲存裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會依賴能量的現(xiàn)成可用性。隨著對能量的需求增加，能夠有效儲存能量的裝置變得越來越重要。因此，包括電池、電容器、電化學(xué)電容器(EC)(包括贗電容器和雙電層電容器(EDLC)(有時稱作超級電容器以及其它名稱))、混合EC等的能量儲存裝置廣泛用于電子以及之外的領(lǐng)域。具體來說，電容器廣泛用于范圍從電路和電力輸送到電壓調(diào)節(jié)和電池更換的應(yīng)用。電化學(xué)電容器的特征在于高能量儲存容量、快速充電/放電能力和大循環(huán)使用期限以及其它預(yù)期特性、包括高功率密度、小尺寸和小重量，并且因而成為供若干能量儲存應(yīng)用中使用的有希望候選。
【附圖說明】
[0003]通過閱讀以下結(jié)合附圖的詳細描述，將會更好地了解所公開實施例，附圖包括:
圖1和圖2是按照本發(fā)明的實施例的能量儲存結(jié)構(gòu)的截面圖；
圖3是按照本發(fā)明的一實施例、在多孔結(jié)構(gòu)的通道中形成的雙電層的圖示；
圖4a和圖4b分別是多孔硅結(jié)構(gòu)的表面和截面層面的圖像；
圖5是按照本發(fā)明的一實施例的能量儲存裝置的一部分的截面圖；
圖6是按照本發(fā)明的一實施例、具有烴端接的電極的示意表示；
圖7是包含按照本發(fā)明的一實施例的能量儲存裝置的移動電子裝置的示意圖；
圖8是示出制造按照本發(fā)明的一實施例的能量儲存裝置的方法的流程圖；以及圖9是按照本發(fā)明的一實施例的計算系統(tǒng)的示意表示。
【具體實施方式】
[0004]為了說明的簡潔和清楚起見，附圖示出構(gòu)造的一般方式，并且可省略眾所周知的特征和技術(shù)的描述及細節(jié)，以免不必要地影響對本發(fā)明的所述實施例的論述的理解。另外，附圖中的元件不一定按比例繪制。例如，圖中一部分元件的尺寸可相對于其它元件放大，以幫助提高對本發(fā)明的實施例的理解。某些附圖可按照理想化方式示出，以便諸如當(dāng)結(jié)構(gòu)示為具有直線、銳角和/或平行平面等時幫助理解，在現(xiàn)實世界條件下可能明顯不太對稱和有序。不同附圖中的相同參考標(biāo)號表示相同元件，而相似參考標(biāo)號可以但不一定表示相似元件。
[0005]描述和權(quán)利要求書中的任何術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(若有的話)用于區(qū)分相似元件，但不一定用于描述特定順次或時間順序。要理解，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)情況下是可互換的，使得本文所述的本發(fā)明的實施例例如能夠按照與本文所示或所述的不同的次序進行操作。類似地，如果方法在本文中描述為包括一系列步驟，則本文所提供的這類步驟的順序不一定是可執(zhí)行這類步驟的唯一順序，而是可能省略所述步驟的一部分和/或可能將本文沒有描述的某些其它步驟添加到該方法。此外，術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”及其任何變化意在涵蓋非排他的包含，使得包括元件列表的過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備不一定局限于那些元件，而是可包括未明確列出或者這種過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它元件。
[0006]描述和權(quán)利要求書中的任何術(shù)語“左”、“右”、“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“之上”、
“之下”等(若有的話)用于描述性目的，而不一定用于描述永久相對位置，除非另加具體說明或者由上下文說明。要理解，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)情況下是可互換的，使得本文所述的本發(fā)明的實施例例如能夠按照與本文所示或所述的不同的其它方向進行操作。如本文所使用的術(shù)語“耦合”定義為按照電或非電的方式直接或間接連接。本文中描述為彼此“相鄰”的對象在適合于使用詞語的上下文的情況下可以是彼此物理接觸、彼此接近或者在相同的一般地區(qū)或區(qū)域。詞語“在一個實施例中”在本文中的出現(xiàn)并不一定全部指同一實施例。
[0007]附圖詳細描述
在本發(fā)明的一個實施例中，能量儲存裝置包括:第一電極，其中包括包含第一電解質(zhì)的第一多個通道；以及第二電極，其中包括包含第二電解質(zhì)的第二多個通道。第一電極具有第一表面，以及第二電極具有第二表面。第一和第二電極中的至少一個是多孔硅電極，以及第一和第二表面中的至少一個包括鈍化層。
[0008]雖然本文的論述的大部分將集中于電化學(xué)電容器，但是“能量儲存裝置”表示一除了 EC之外一還明確包括混合電化學(xué)電容器(其與電化學(xué)電容器相似，在下文更詳細論述)以及電池、燃料電池以及儲存能量的類似裝置。按照本發(fā)明的實施例的能量儲存裝置能夠用于大量應(yīng)用，包括臺式和膝上型(筆記本)計算機、平板計算機、蜂窩電話、智能電話、音樂播放器、服務(wù)器、其它電子裝置、汽車、公共汽車、火車、飛機、其它運輸車輛、家用能量儲存、用于太陽能或風(fēng)能發(fā)電機一特別是能量采集裝置一所生成的能量的儲存等等。
[0009]電化學(xué)電容器按照與管理常規(guī)平行板電容器的原理相似的原理進行操作，但是某些重要差別適用。一個顯著差別涉及電荷分離機制。對于一類重要EC，這通常采取所謂的雙電層或EDL、而不是常規(guī)電容器的電介質(zhì)的形式。EDL在電解質(zhì)與高表面積之間的界面處通過該界面一側(cè)的電子(或者電子空穴)以及另一側(cè)的離子電荷載流子的電化學(xué)行為來創(chuàng)建，并且引起電荷的有效分離，而不管雙層中的兩層如此靠近的事實。(物理分離距離為大約一納米。)因此，典型EDL電容器可被認為是將電荷儲存在其EDL中。當(dāng)電壓跨界面施加時形成的EDL的每層是導(dǎo)電的一導(dǎo)電通過電解質(zhì)中的離子并且通過電極中的電子/空穴來執(zhí)行，但是雙層的性質(zhì)阻止電流跨其之間的邊界流動。(下面結(jié)合圖3進一步論述EDL。)
正如常規(guī)電容器中那樣，EDL電容器的電容與電極的表面積成正比，而與電荷分離距離成反比。在EDL電容器中可取得的極高電容部分歸因于:可歸因于多通道多孔結(jié)構(gòu)的極高表面積以及可歸因于EDL的納米級電荷分離距離，其因電解質(zhì)的存在而發(fā)生，如上所述。可按照本發(fā)明的實施例使用的一種類型的電解質(zhì)是離子液體。另一種是包括含離子溶劑的電解質(zhì)。有機電解質(zhì)、水電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)也是可能的。
[0010]另一類電化學(xué)電容器是贗電容器，其中除了 EDL電容之外，一種附加儲存機制一起源是感應(yīng)電而不是靜電的儲存機制一還能夠在某些類型的電極表面發(fā)生。附加儲存機制通常稱作“贗電容”，并且其特征在于與許多固態(tài)電極電池的操作相似的電荷儲存過程。兩種儲存機制相互補充，從而產(chǎn)生比單獨采用EDL電容時可能出現(xiàn)的情況甚至更大的能量儲存潛能。通常，贗電容器的電極之一涂敷有過渡金屬氧化物、適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電聚合物或者類似材料，其在電荷被儲存時組成活性材料。這些材料能夠與電解質(zhì)、諸如氫氧化鉀(KOH)溶液配合使用；當(dāng)裝置被充電時，電解質(zhì)將與材料發(fā)生反應(yīng)，并且驅(qū)動電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其中儲存能量。更具體來說，這些材料經(jīng)過高可逆表面和近表面電子轉(zhuǎn)移(例如氧化還原(感應(yīng)電))反應(yīng)(其因快速充電和放電歷程而實現(xiàn)比常規(guī)電池中的大量儲存要高的電力)儲存其能量的大部分。
[0011]將會理解，贗電容器可使用除了以上所述之一以外的電解質(zhì)來構(gòu)成。例如，例如，含離子溶劑、例如Li2SO^ LiPF6可用作電解質(zhì)；這些產(chǎn)生插層反應(yīng)，其涉及將試樣插入寄主結(jié)構(gòu)的表面而沒有破壞任何鍵。這種反應(yīng)與先前所述的其它贗電容反應(yīng)相似，它引起電荷的轉(zhuǎn)移，因此它也是感應(yīng)電的，并且被認為是氧化還原反應(yīng)，盡管是特殊類型的氧化還原反應(yīng)。
[0012]混合電化學(xué)電容器是組合EC和電池的屬性的能量儲存裝置。在一個示例中，涂敷有鋰離子材料的電極與電化學(xué)電容器相結(jié)合，以便創(chuàng)建具有EC的快速充電和放電特性以及電池的高能量密度的裝置。另一方面，混合EC、例如電池具有比電化學(xué)電容器要短的預(yù)計使用期限。
[0013]現(xiàn)在參照附圖，圖1和圖2是能量儲存結(jié)構(gòu)100的截面圖，其將用來引導(dǎo)介紹將幫助了解本發(fā)明的實施例的概念和結(jié)構(gòu)的初始論述。如圖1所示，能量儲存結(jié)構(gòu)100包括能量儲存裝置101和導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)102。(在一些實施例中，支承結(jié)構(gòu)102能夠省略。)備選地，如圖2所示，能量儲存結(jié)構(gòu)100包括能量儲存裝置101和非導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)102。
[0014]能量儲存裝置101包括由作為電子絕緣體和離子導(dǎo)體的分離物130相互分離的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)120。分離物130防止導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110和120相互物理接觸，由此防止電短路。(在其它實施例中，由于以下所述原因，分離物是不必要的并且能夠省略。)
在一些實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)I1和120的至少一個包括多孔結(jié)構(gòu)，其中包含多個通道，其中每個具有到多孔結(jié)構(gòu)表面的開口。在某些實施例中，這個特征是用來形成多孔結(jié)構(gòu)的以下所述示范過程的結(jié)果。作為一個示例，多孔結(jié)構(gòu)可在導(dǎo)電或者半導(dǎo)電材料中形成。備選地，多孔結(jié)構(gòu)可在涂敷了導(dǎo)電膜(例如原子層沉積(ALD)導(dǎo)電膜，例如氮化鈦(TiN)、鎢或釕)的絕緣材料(例如氧化鋁)中形成。在這點上，具有更高電導(dǎo)率的材料是有利的，因為它們降低能量儲存裝置的有效串聯(lián)電阻(ESR)。在所示實施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)120均包括這種多孔結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110包括具有到對應(yīng)多孔結(jié)構(gòu)的表面115的開口 112的通道111，以及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)120包括具有到對應(yīng)多孔結(jié)構(gòu)的表面125的開口 122的通道121。
[0015]能量儲存裝置101的各種配置是可能的。在圖1的實施例中，例如，能量儲存裝置101包括兩個不同的多孔結(jié)構(gòu)(即，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)120)，其隔著分離物130面對面結(jié)合在一起。作為另一個示例，在圖2的實施例中，能量儲存裝置101包括單平面多孔結(jié)構(gòu)，其中第一段(導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110)通過包含分離物130的溝槽231與第二段(導(dǎo)電結(jié)構(gòu)120)分離。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之一將是裝置的正極側(cè)，而另一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)將是負極側(cè)。溝槽231可沿直線分離導(dǎo)電結(jié)構(gòu)110和120，但是備選地可使用更復(fù)雜形狀、例如兩個交叉電極的分支之間的曲折