能量储存设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体设及能量储存设备，并且更具体地，设及用于在电场中W静电的方式 储存能量的电活性电气组件。
【背景技术】
[0002] 最近，已经有使用电化学电容器用于对电能进行增强储存的趋势。运些电容器根 据两种主要机制来获得其增强的特性：双层电容和准电容。双层型电容器使用双电层（解 释见下文）W实现非常小的电荷间隔（chargeS巧aration)(d)，运相比于常规的平面电容 器而言，对于给定电压会增加电场巧)、增加电容（曲并且从而对于该给定电压增加储存的 能量扣)，如W下的Eq. 1至3所示。
[0004] 其中E=电场、V=电势差或电压，并且d=带电板的间隔。
阳006] 其中k=相对介电常数或介电性，C=电容，￡。二自由空间的介电常数，并且A= 截面表面积。
阳00引其中U=储存的能量，C=电容，并且V=电压。
[0009] 事实上，更小的厚度（d)允许在给定的体积中包装（通常卷或堆叠）大得多的表 面积的板。如从Eq. 2中可明了，运种面积增加还显著提高电容。W上描述的性质的设备通 常被称为双电层电容器巧化C)。
[0010] 准电容器是双层电容器与电池的混合体，在准电容器中，材料的容积和表面起重 要的作用。因此，它们可比常规的平面电容器储存多得多的能量，但是面临与高级电池相同 的可靠性和科学方面的许多挑战，包括因昂贵的原材料W及复杂的工艺导致的高成本。准 电容器仿效电池技术，将在化学反应（氧化和还原）中储存能量，所述化学反应在相关电极 的表面处或非常靠近所述表面处发生。所述反应的表面性质是与化学电池技术相区别的特 征。
[0011] 可将运些作用（即，双层电容器和准电容器）之一或二者用于所谓"超级电容器" 中。有利地，本文中的发明W新的方式在不存在任何形式上的"化学反应"的情况下利用和 扩展了双层理论。
[0012] W前还探索了通过应用导电性聚合物来增强双层电容器的理念，例如，颁给化的 美国专利No. 8, 164, 881。虽然本文描述的发明的确利用聚合物涂层，但是所述聚合物有时 是电阻性的并且有时是绝缘的，而没有被设计成导电的。运在结构、性质上并且因此在功能 上，都与W前的应用显著不同。
[0013] 目前的邸LC在击穿前仅能处理低电压。为了得到许多实际应用（例如，电动车 辆）所必需的更高的电压，低电压的邸LC被W与电池串联连接W用于高压使用大体相同的 方式串联连接。根据本发明的原理构造的能量储存设备可处理更高的电压并且被串联连 接。
[0014] 本发明旨在克服现有技术具有的一个或多个基本问题，W及解决如上文所述的一 种或多种需要。
【发明内容】
[0015] 为了解决上文所述的一个或多个问题，在本发明的一个示例性实施方案中，一种 能量储存设备包括电容器，该电容器具有：具有第一外侧和相对的第一内侧的第一导电性 电极；所述第一导电性电极的所述第一内侧上的薄的无孔的第一非导电性涂层；所述第一 非导电性涂层上的电介质材料，所述第一非导电性涂层布置于所述第一导电性电极与所述 电介质材料之间；W及，与所述电介质材料相邻的第二导电性电极，所述电介质材料布置于 所述第二导电性电极与所述第一非导电性涂层之间。任选地，可将第二非导电性涂层设置 于所述第二导电性电极上，布置于所述第二导电性电极与所述电介质材料之间。所述非导 电性涂层是薄的，具有小于所述能量储存设备的总厚度的10%的厚度。例如并且非限制性 地，所述非导电性涂层可由可沉积或W其他方式形成于所述电极上的薄膜中的缩合的和聚 合的亚二甲苯基单体、聚对二甲苯聚合物、派瑞林（Puralene)TM聚合物、金属氧化物或另一 些绝缘体构成。
[0016] 所述非导电性涂层构成绝缘层，所述绝缘层允许比传统邸LC中使用高得多的电 压。运将层从仅少数层（电荷交替的两层或=层）扩展至可深入电介质的许多层（数目上 可能达到更大的数量级）。工作电压的升高显著提高了所述电容器中存在的电场和所述电 容器中储存的能量。
[0017] 在一个实施方案中，所述电介质材料是可变粘性的电介质材料。换言之，可WW 受控的方式，例如响应于施加的外部刺激，提高或降低所述粘性。通过示例的方式，所述外 部刺激可为：力、压力、剪切应力、法向应力、热、散热器、冷却剂、磁场和/或电场。所述外 部刺激可包括来自W下的装置：可控热源、散热器、冷却剂、可控冷却源、可控磁场生成器、 可控电场生成器、可控力生成器、可控压力生成器或可控剪切应力生成器。可使所述电介质 的粘性从电极层到电极层之间按顺序逐渐升高，或反之亦然。随着粘性的升高，亥姆霍兹 化elmholtz)层和扩散的亥姆霍兹层将电能释放为热能可被放慢，并且在完全固化时基本 停止。因此，可将电能储存延长的时间，直至准备释放。当准备释放时，可通过受控的方式， 例如通过去除提高粘性的刺激或通过施加降低粘性的刺激来降低粘性。粘性的降低有助于 放电。
[0018] 所述电介质材料可由电介质构成，所述电介质例如具有可变粘性的导电性聚合 物、非导电性聚合物、无机金属氧化物、金属氧化物混合物、生物聚合物或一些其他电介质。 在本发明的主旨和范围内可使用电流变的电介质、磁流变的电介质和宾汉塑料度in曲am plastic)电介质。
【附图说明】
[0019] 参照W下描述、所附权利要求书W及附图，本发明的前述方面、目的、特征和优点 W及其他方面、目的、特征和优点将得到更好的理解，在附图中：
[0020] 图1是概念性地例示双电层的亥姆霍兹模型的示意图；并且
[0021] 图2是概念性地例示双电层的古埃-查普曼（Gouy-化apman)模型的示意图；并且 阳0巧图3是概念性地例示双电层的斯特恩（Stern)模型的示意图；并且
[0023] 图4是概念性地例示双电层的格拉汉姆（Gr址ame)模型的示意图；并且
[0024] 图5是概念性地例示Bockris、Devanathan和Muller的双电层模型的示意图；并 且
[0025] 图6概念性地例示了根据本发明原理的示例性能量储存设备；
[0026] 图7概念性地例示了根据本发明原理的具有施加的力的示例性能量储存设备；
[0027] 图8概念性地例示了用于产生根据本发明原理的示例性能量储存设备使用的聚 合物的流程图；
[0028] 图9是例示用于制备在根据本发明原理的能量储存设备中使用的高介电常数的 电介质材料的方法的示例性流程图；并且
[0029] 图10概念性地例示了根据本公开文本的一个或多个实施方案的用于从能量储存 电容器回收漏电流的多状态电路图；
[0030] 图11概念性地例示了根据本公开文本的一个或多个实施方案的用于从能量储存 电容器回收漏电流的多状态电路图；
[0031] 图12概念性地例示了根据本公开文本的一个或多个实施方案的用于从能量储存 电容器回收漏电流的多状态电路图；
[0032] 图13概念性地例示了根据本公开文本的一个或多个实施方案的用于从能量储存 电容器回收漏电流的多状态电路图；
[0033] 图14例示了根据本发明原理的示例性能量储存设备随着时间变化的电压。
[0034] 本领域技术人员应领会运些图不意在W任何特定的比例来描绘；运些图也不意在 描述本发明的所有实施方案。本发明不限于运些图中描绘的示例性实施方案，也不限于如 图中示出的特定组件、步骤顺序、构型、形状、相对尺寸、外观方面或比例。
【具体实施方式】
[0035] 在根据本发明原理的能量储存设备的一个示例性实施方案中，绝缘层直接允许比 传统邸LC使用高得多的电压。运转而使层数从仅少数层（电荷交替的两层或S层）增加 至可深入电介质的许多层（数量可能达到更大的数量级）。如串联电容器的处理（一种分 析多层电容器的常见方法）表明，对于设定的电荷量，增加更多的层将实际上降低电容并 提高电压。如可从Eq. 1 (上文）所见，工作电压的运种提高（直接和间接地由于绝缘层的 使用）W及先前在EDLC中观察到的小程度的电荷间隔，显著增加了电容器中存在的电场。 此外还值得注意的是，如在Eq. 3 (见上文）中所见，电容器中储存的能量因电压升高而导致 巨大的提高。虽然可控制参数W保持高电容（例如，使用堆、卷或其他"技巧"），但是在对 总的设备所储存的能量的量的贡献方面，电压的升高明显超过了电容的成比例降低。
[0036] 作为背景，对于双电层的第一数学描述被认为由赫尔曼?亥姆霍兹写出。他描述 了沿着表面的相异电荷的两个平行层。该模型给出了基于层的间隔W及介质的电介质性质 的恒定电容。亥姆霍兹提出，金属电极与电解质溶液之间的界面表现得如电容器一样，即， 其能够储存电荷。图1中概念性地描述了亥姆霍兹模型。亥姆霍兹提出的模型是，电极具 有由处于电极表面处的过量负电荷或不足的正电荷引起的电荷密度。在该模型中，所述电 极上的电荷在溶液中正好被相等量的但是带相反电荷的离子平衡。该电荷源于界面处的电 解质离子的布置和/或溶剂分子中的偶极子的重定向。界面两侧出现电势差，从而形成跨 越电荷分离层的电场梯度。离子被静电排斥背离电极表面或吸引朝向电极表面，并且产生 过量的阴离子或阳离子。
[0037] 在观察到电容没有随着升高的电势（电压）而真实恒定时，提出了古埃-查普曼 模型。古埃使用统计力学发展他的理论，并认为介质的热运动阻止形成有组织的层。古 埃-查普曼模型（图2)使用十分不稳定的扩散的电荷层。古埃和查普曼提出了扩散双层 模型，该模型预测所测量的电容与电势和电解质浓度二者的相关性。他们示出，溶液中的过 量电荷密度不是仅仅位于外亥姆霍兹面，并且因此，双层可具有可变的厚度。在他们看来， 不形成亥姆霍兹式的刚性双层，因为电场与离子电荷之间的静电引力和静电斥力被电介质 溶液中的随机热运动抵消，所述随机热运动倾向于使过量的离子从电极表面扩散。在古埃 查普曼模型中，离子被视为包含于单一的扩散层内的点电荷。如亥姆霍兹模型一样，该模型 在特定条件下失效。
[0038] 亥姆霍兹模型和古埃-查普曼模型的失效引起了斯特恩W及随后的格拉汉姆的 贡献。他们的工作将上述提及的两种理论组合成一种，其中在带电表面上组织一个内"斯特 恩层"或"亥姆霍兹层"，围绕该层形成扩散层。如在图3中概念性描述的，在斯特恩模型中， 将之前两种模型组合，一些离子如亥姆霍兹提出的附着于电极上，并且一些形成古埃-查 普曼式