专利名称：固态储能装置的制作方法
技术领域：
本专利申请涉及用于储能的装置和制造与使用这样的装置的方法。
背景技术：
通常，电容式储能装置包括两个电极，介电材料置于这两个电极之间。图1为示出电容式储能装置的简化图。如图1所示，介电材料103位于电极101和电极102之间。当在电极两端施加电压时，介电材料变得极化并且电荷储存在电极板上。遗憾的是，如下文所述的，传统的储能装置存在不足。期望有新的并且改进的储能
装置
发明内容
本专利申请描述了用于储能的装置和用于制作和使用该装置的方法。在各个实施方式中，阻挡层设置在储能装置的介电材料和电极之间。阻挡层的特征为高于介电材料的介电常数。还存在其他实施方式。在一个实施方式中，本发明提供了一种包括隔开的第一电极和第二电极的储能装置。介电层设置在第一电极和第二电极之间。第一阻挡层设置在第一电极和介电层之间并且第二阻挡层设置在第二电极和介电层之间。第一阻挡层和第二阻挡层的介电常数均独立地大于介电层的介电常数。根据本申请，介电材料可以具有不同的相对介电常数，该相对介电常数可以在约2和25之间，在约3和15之间，或者在其他范围内。介电层可以具有能带间隙大于4eV的材料。介电层还可以具有大于0.5V/nm的击穿场强的材料。介电层可包括选自氧化物、氮化物、氮氧化物和氟化物的材料。介电层还可以包括选自 SiO2、HfO2、Al2O3 或 Si3N4 的材料。具有较高相对介电常数的阻挡层可以具有大于20的相对介电常数。阻挡层的材料可以具有小于4eV的能带间隙,并且击穿场强可以在lmV/nm和200mV/nm之间。根据本申请，第一阻挡层和第二阻挡层可独立地包括选自离子型导电材料和非离子型导电材料的材料。根据本申请，离子型导电材料可以选自Li+导体、H+导体、Mg2+导体、Na+导体、0_导体、F_导体、Li3PO4和Li3P04_xNx。非离子型导电材料可以为多铁性高_k材料，诸如，CaCu3Ti4012、La2_xSrxNi04、纳米复合高_k材料、高_k陶瓷材料、钙钛矿铁电材料、PZT (Pb (Zra5Tia5) O3)、SrTiO3> PbTi03、BaTiO3' (BaSr) TiO3 等。第一阻挡层和第二阻挡层独立地包括介电常数在包括介电层的材料的介电常数的10倍和10000倍之间的材料。在具体实施方式
中，第一阻挡层和第二阻挡层独立地包括介电常数在包括介电层的材料的介电常数的50倍和1，000倍之间的材料。第一阻挡层和第二阻挡层可以独立地具有在4nm和IOOnm之间的厚度。在具体实施方式
中，介电层具有在IOnm和ΙΟμπι之间的厚度。第一阻挡层和第二阻挡层可以独立地具有在介电层厚度的10倍和1000倍之间的厚度。应当理解，阻挡层材料和介电层材料根据应用而不同。在一个实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为PZT且介电层为SiO2。在另一实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为LiPON且介电层为Si02。在另一实施方式中，第一阻挡层和第二阻挡层均为LiPON且介电层为Li20。在另一实施方式中,第一阻挡层和第二阻挡层均为LiPON且介电层为LiF。阻挡层也可以具有不同的材料。在一个实施方式中，第一阻挡层包括阳离子导电材料且第二阻挡层包括阴离子导电材料。在另一实施方式中，第一阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。在另一实施方式中，第二阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。通过上文所述的结构，所述装置可以具有在5Whr/kg和1000Whr/kg之间的、在10Whr/kg和650Whr/kg之间的、或者在50Whr/kg和500Whr/kg之间的能量密度。在某个实施方式中，能量密度可以大于50Whr/kg,或者大于100Whr/kg。第一电极具有的逸出功可以大于第二电极的逸出功。第一电极的逸出功可以大于
4.0eV以及第二电极的逸出功可以小于4.5eV。应当理解，本发明的实施方式提供了优于传统技术的多种优点。在该专利申请中，储能装置能够保持高于传统电容式储能装置的场强并且其因此可以用于高能量密度的电容式储能器。更具体地，根据本发明的储能装置与传统装置相比能够忍受住较高的击穿电压(并且因此改善了稳定性和可靠性 )，因此可以具有较高级别的能量密度。还存在如下文所述的其他优点。
图1为示出电容式储能装置的简化图。图2示出对于电容式储能装置的示例性电流电压曲线。图3示出多种常用电介质的介电常数和击穿场强。图4示出高能量密度的储能装置的一种形式。图5示出因Fowler-Nordheim隧道效应的开始而引起的能量密度。图6示出Li3PO4和Li3P04_xNx的态密度(DOS)的计算。图7示出包括电极和通过阻挡材料的层隔开的多个介电材料层的装置的一个示例。图8示出包括第一电极和第二电极、设置在该第一电极和第二电极之间的介电层、以及第一阻挡层和第二阻挡层的装置800。图9示出储能装置的击穿电压。图10为示出根据本发明的实施方式的利用SiO2作为介电材料和利用PZT作为阻挡材料的示例性储能装置的性能的图表。
具体实施例方式本专利申请描述了用于储能的装置和制造与使用这样的装置的方法。在各个实施方式中，阻挡层设置在储能装置的介电材料和电极之间。阻挡层的特征在于，其介电常数比介电材料的介电常数高。还存在其他实施方式。与电化学储能器(例如，蓄电池)相比，电容式储能器具有公知的优点。与蓄电池相t匕，电容器能够以非常高的功率密度即充电/再充电速率来储存能量，贮藏寿命长且退化小，并且可以充放电(循环的)数万次或者数百万次。然而，储存能量的电容器通常并不像蓄电池那样有较小的体积或者重量，或者储存每份能量的成本并不低，这使得对于诸如电动车的应用而言，电容器是不实用的。因此，提供能够以单位体积和/或单位质量储存更密集的能量的电容式储能器是储能技术中的一个进步。图2示出对于电容式储能装置的示例性电流电压曲线。通常，电极两端的电压V是电极上所储存的电荷Q的某种函数，如图2中的实曲线所示。将存在某一最大电压Vmax,在介电材料开始击穿之前，该装置可以被充电至该最大电压Vmax。对于线性材料，电容不取决于Q,且V (Q) =Q/C，如图2中的虚线B所示。通常通过下式给出该装置中储存的总能量:
权利要求
1.一种储能装置，包括:间隔开的第一电极和第二电极；介电层，该介电层设置在所述第一电极和所述第二电极之间；第一阻挡层，所述第一阻挡层设置在所述第一电极和所述介电层之间；和第二阻挡层，所述第二阻挡层设置在所述第二电极和所述介电层之间，其中，所述第一阻挡层的介电常数和所述第二阻挡层的介电常数分别大于所述介电层的介电常数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述介电层包括具有2和25之间的相对介电常数的材料。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述介电层包括具有3和15之间的相对介电常数的材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述介电层包括具有大于0.5V/nm的击穿场强的材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述介电层包括选自氧化物、氮化物、氮氧化物和氟化物的材料。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述介电层包括选自Si02、Si0xNy、Hf02、Al203或Si3N4的材料。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别包括具有在lmV/nm和200mV/nm之间的击穿场强的材料。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别包括选自离子型导电材料和非离子型导电材料的材料。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述离子型导电材料选自Mg2+导体、Li+导体、H+导体、Na+导体、(Γ导体和Γ导体。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述离子型导电材料为Li3PO4或Li3P04_xNx。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述非离子型导电材料为高_k陶瓷材料。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述非离子型导电材料为钙钛矿铁电材料。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述非离子型导电材料选自PZT(Pb (Zr0.5T i .5) O3)、SrT i O3、PbT i O3、BaT i O3 和(BaSr) T i O3。
14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述非离子型导电材料为多铁性高-k材料。
15.根据权利要求8所述的装置，其中，所述非离子型导电材料为CaCu3Ti4O12或La2—xSrxNi04o
16.根据权利要求8所述的装置，其中，所述非离子型导电材料为纳米复合高-k材料。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别包括介电常数在包括所述介电层的材料的介电常数的10倍与10000倍之间的材料。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别具有在4nm和IOOnm之间的厚度。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述介电层具有在IOnm和IOym之间的厚度。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层分别具有在所述介电层的厚度的10倍和1000倍之间的厚度。
21.根据权利要求1所述的装置， 其中，所述第一阻挡层包括阳离子导电材料以及所述第二阻挡层包括阴离子导电材料。
22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述第二阻挡层包括阴离子导电材料和阳离子导电材料。
24.根据权利要求22所述的装置，其中，所述装置具有在50Whr/kg和500Whr/kg之间的能量密度。
25.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有大于50Whr/kg的能量密度。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述装置具有大于lOOWhr/kg的能量密度。
27.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电极的逸出功大于所述第二电极的逸出功。
28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述第一电极的逸出功大于4.0eV以及所述第二电极的逸出功小于4.5eVo
全文摘要
本发明涉及一种固态储能装置。本发明申请描述了用于储能的装置和制作与使用该装置的方法。在各个实施方式中，阻挡层设置在该储能装置的介电材料和电极之间。该阻挡层的特征在于，该阻挡层的介电常数比所述介电材料的介电常数高。还存在其他的实施方式。
文档编号H01G4/12GK103227048SQ20131003451
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月29日 优先权日2012年1月30日
发明者蒂姆·胡米, 弗里德里希·B·普林茨, 韦斯顿·亚瑟·赫尔曼, 约瑟夫·汉, 瑞纳·法史英 申请人:量子世界公司