利用有机和有机金属高介电常数材料改进能量存储设备中的电极和电流及其改进方法
【专利说明】利用有机和有机金属高介电常数材料改进能量存储设备中 的电极和电流及其改进方法
[0001] 相关申请 本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请No. 61/801，064的优先权，此 文包含其全部内容。本申请涉及2013年1月22日提交的美国专利申请No. 13/747, 441和 2010年7月21日提交的美国临时专利申请No. 61/366, 333,其内容在此被整体参考。
技术领域
[0002] 本披露涉及利用有机金属化合物颗粒内部的金属分散介质和有机载体制备超高 充电容量的介电材料（UHCC-介电材料)、利用新型有机金属基柔性电极形成储能设备、二者 的相关制备方法，以及介电材料的应用和电极、介电质的制备方法。所述介电材料和、介电 材料的组合和新型电极在一定厚度下的每单位质量或表面积具有超高能量储存。
【背景技术】
[0003] 电能已经被用于向汽车提供能量。电推进的优点是清洁、小排放、高效率、低噪音、 可靠。在汽车发展的早期，电推进是内燃机的最大竞争者。
[0004] 相对于电动汽车，内燃机的绝对优点是其具有由液体燃料尤其是石油馏分和汽油 而可提供更大的车载储能。早期电动汽车只能短途行驶，通常少于40英里，接下来就是漫 长的充电周期。相比较而言，化石燃料为动力的车辆可以行使数百英里，并且只需要一个快 速加油便可行使另一个几百公里。
[0005] 电力驱动汽车的显著缺点，是其动力源的电池能量密度低。早期的电池，通常是铅 酸型的，自重大的同时增加了汽车的重量。多年来，在电池技术领域的进步已降低了电池重 量带来的影响，但是进步还不足以改变电力驱动汽车和燃油驱动汽车的比例结构。
[0006] 近年来，锂电池被应用在汽车上，它重量小且提高了电动车的行使距离，然而锂电 池价格昂贵，因此多用于仅需较小电池的混合动力汽车上，这意味着车辆的主要动力来源 仍是汽油。
[0007] 电容器可储存电能。一个电容器通常包括一对电极，电极的每一侧上配置有介电 质材料，以增加能量存储量。电容器所存储的能量与介电常数呈正比。因此，介电常数越大， 能量存储量越大。于是，人们致力于高介电常数的介电质材料的开发，使电容器及其相关设 备可适用于供电设备和机械(包括汽车）的能量存储。
【发明内容】
[0008] 本说明书介绍概念，后文的细节描述中将做进一步的解释。本说明书不对权利要 求主文材料中的关键技术特征或基本技术特征做出限定，也不对权利要求主文材料中的权 利范围做出限制。酞菁铜薄膜通过溅涂或蒸发的方式制备而成，人们对它做了大量研究。但 在薄膜的使用过程中，仍存在许多问题，其中包括因薄度引起的过低的击穿电压和制备复 合薄膜的局限。
[0009] 本发明公开了一种利用具有分散型导电粒子的有机和有机金属高介电材料改进 电极和电流，及其改进的方法。一方面，所述介电材料包括至少一层包含有离域粒子、有机 化合物、分散型金属离子的有机金属组合的基本连续相材料。
[0010] 说明书附图 图1示出了电阻与电容的标准系统； 图2示出了酞菁铜晶体和低分子量物种之间形成的静电结合力； 图3示出了介电弛豫测量介电质材料介电常数的实部与虚部； 图4示出了可实现高电容的金属酞菁化学的单元结构； 图5示出了防止永久极化的电池类行为； 图6示出了使用lcmXlcm的可伐合金电极和含有35微米水平介电层的设备放电过 程； 图7示出了 9, 000小时内的数据； 图8示出了标准模型的真实数据与拟合的数据； 图9示出了在高温环境（54°C)下充电、在室温环境下放电的材料更难于匹配； 图10示出了含有分散银粒子的单层设备和两层均含有分散银粒子的双层设备所测量 到的电流曲线相互交叉； 图11示出了含有分散银粒子的单层设备和两层均含有分散银粒子的双层设备所测量 到的电阻曲线相互交叉； 图12和13示出了集成电流的变化情况（mA-sec); 图14示出了合并后的图。
[0011] 详细说明 根据实施例所述，本技术方案中公开了一项或多项酞菁厚膜结构的试验研究结果，并 且，成功开发了可充当具有存储电能功能的电容器的厚膜的制备方法，于是，超高储电电容 器同时具有电容器和电池的属性。
[0012] 本技术方案中公开了利用复合金属粒子以及嵌入在有机载体中的酞菁铜颗粒，来 形成超高介电常数k、超高电容和长时间储电的能力（的方法)。添加金属分散体有助于形 成显著充放电流。本技术方案中公开的一种或多种电容器，可通过将铜粒子与酞菁铜颗粒 和/或银粒子与酞菁铜颗粒分散、混合于溶剂中，混合形成分散体再将混合溶剂印刷于载 体上，来形成酞菁铜介电质。将具有分散金属粒子的酞菁铜介电质和分散金属粒子被施加 在电容器的导电性固体电极或电容器的多孔电极以形成厚膜。具有分散金属粒子的酞菁铜 厚膜和分散金属粒子同样可施加在一个具有分散金属粒子的酞菁铜和金属粒子制成的新 型电极上，以增加加强充放电流。绿色介电质层可在室温至60-80°C的范围下时干燥和在 150-200°C下的范围时选择性烧结形成连续涂层。如果必要的话重复准备步骤重复。在所 述步骤中的酞菁介电质结构的底部施加顶电极。此方法的优势在于，大厚度的介电质层可 用于提高电荷存储能力和增加介电质的电阻，而现有技术制得的酞菁铜介电质因其使用极 薄介电质层而具有局限性，不允许大规模极化和电荷存储，且无法添加金属分散物质。通过 添加金属粒子制备的是新型酞菁铜基电极，且所述新型电极是柔性的，并使膜可剪切和堆 叠以形成具有更高电压的设备。
[0013] 酞菁铜材料的化学属性可代表酞菁-金属化学领域，其使具有高介电常数的膜和 设备可制。大量的酞菁金属化学材料适用。典型例如铜、铁、锌酞菁基化学材料。
[0014] 在涂布和干燥的过程，可通过使用增塑剂和溶剂来影响的微晶的取向。乙基纤维 素、聚甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸酯树脂作为有机载体可得到良好的电压释放效果。使用萘 烷溶剂时可以观察到更好的金属酞菁粒子的排列。同时适量添加二丙三醇加可激活更多偶 极子从而获得更高的电容。添加分散形态的金属粒子可获得更高的充电电流。凭借表面积 的作用，一种新型电极膜可通过影响电流流入，以增加有效电荷存储能力。释放膜底层的电 极膜同样联合施加在酞菁金属膜上。所述联合施加后的膜可以进行模切、叠层并热压缩接 合，以形成多层的电荷存储设备。
[0015] 相关性简介 一组基于酞菁-金属和其相关设备的化学材料可存储极限量的电荷(远超过现有产品 或已公开的技术)。材料性能稳定、无危险。工艺方法可靠，超高电容设备可重复获得(从比 例从小到大)。表面积从lcmXlcm到30cmX10cm的设备均已被制成。所述应用方法是连 续的，且可通过卷轴技术扩大。层数从1层到27层的设备均已被制成。化学元素可被定制 使设备具有电容行为或用于制备具有双电容和电池行为的设备。
[0016] 现有专利文献公开了非连续相高频酞菁金属化学材料。包含非连续相高频酞菁材 料的设备无法获得高电容。由于化学材料的自然属性和弛豫机制，使酞菁化学材料无法在 高频状态下有效存储电荷。因此，一旦频率升高，酞菁材料无法适用于非常高的介电常数或 超高电量存储。
[0017] 测试设备利