[发明专利]固态超级电容器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固态超级电容器，尤其涉及一种利用纳米线丛增加电极表面积及以直接反应沉积得到高纯度介电材料，达到该材料具有最高介电系数的固态超级电容器。 

背景技术

电容器是一种储能元件，具有耦合交流、滤波、调谐、相移、储存能量和旁路等用途。因应高频电力电子电路的技术演进，高能量密度已是发展的潮流，陶瓷电容虽有很高介电系数但还可提高，因受限于以往陶瓷电容的生产条件，陶瓷材料经过煅烧后须粉碎处理，在材料粉碎时，会造成污染降低介电系数。在陶瓷材料成形时须加入黏结剂，降低材料纯度同时降低介电系数，且陶瓷材料烧结后会形成光滑表面，所以只能与平面电极结合、很难产生高表面积的电极，例如圆板电容及积层陶瓷电容(MLCC)，而且现今的积层陶瓷电容生产时长与宽都不能太大。 

目前使用的电容器工艺无法兼顾有高表面积导体和超高介电系数而得到一个超大单位体积容量的电容，例如电解电容及电双层超级电容虽然为高导体表面积，但因需使用电解液所以无法得到高介电系数的介电层、高使用寿命、高安全性以及高耐电压值，工作温度也受到局限。 

电解电容器是由阳极处理使铝箔表面产生氧化铝作为绝缘层，当使用极性相反或电压超过时，会破坏绝缘层而造成漏电，进而分解电解液产生气体，便会衍生电容器爆浆与系统爆炸的危安事故。 

电双层电容器虽有很大导体表面积、但是使用水系电解液单体(cell)的耐电压值及介电系数都非常低，响应速度慢，一般耐压不超过3V，当系统规格有耐高电压设计时，电双层电容器需进行串联，额外增加电力控制管理系统配置与操作危险性。 

美国EESTOR公司于美国专利公告US7033406与US7466536中，揭露一 种电子能量储存单元(EESU)，采用高介电系数的钛酸钡改质混合式粉末当作介电材料，利用材料双面涂布氧化铝(aluminum oxide)与钙镁氧化铝玻璃材料(calcium magnesium aluminosilicate)，以及利用网印方式制作对称式镍电极层，然后进行材料的烧结以及热均压处理，以便产生高致密性且以薄层化增加表面积的能量储存结构。 

该专利所揭露的技术缺失在于，因须采用薄膜工艺，所以混合浆料的应力不易消除，杂质、微小裂痕及气孔的产生均是很难克服的技术，即使采用陶瓷类的玻璃基板材料当作基质(matrix)，间接地降低有效介电系数，同时也很难处理因为不适当的工艺因素产生的热冲击(thermal shock)、杂质(impurities)、机械应力(mechanical stress)等因素，造成介电层材料的内部微小裂痕(internal crack)等问题，另外，因采用薄膜工艺耐压不高，须堆栈串联耐压才够，堆栈串联结构其中某一层开路或短路会造成整组储能元件失效或耐压降低，对储能单元造成安全操作上的极大风险，另外，发明者通过提供高纯度的钛酸钡改质材料及材料薄层化的烧结工艺以提高整体的电荷储存能力，然而这种工艺模式虽能相当程度的提高储能元件的能量密度，但无法真正达到最佳能量密度的提升、及降低生产风险，而且克服这些瑕疵是很大的技术挑战过程，所以此项发明技术会大幅增加制作成本。 

另外，加拿大专利公告号CA2598754以及CA2598787中，揭露了采用纯陶瓷材料或陶瓷高分子混合材料当作介电层，以铝或铝合金材料当作电极层，并且在内部电极(internal electrode)制作时，加入不与外部电极(external electrode)相连接的浮动电极(floating electrode)，以堆栈式制作储能元件结构，其中有关高表面积的浮动电极若不与外部电极相连接，实际只是一个虚像电极无法将极化电荷引出，实质上并无法真正制成高容量电容器，另外，陶瓷高分子混合物的颗粒尺寸、分散处理技术以及介电特性影响与致密性影响，均是工艺上的一大挑战，而且高分子材料对于温度的变化非常敏感，会影响材料的致密性及电极距离，因而温度的升高造成整体模块体积膨胀，电容量会明显降低，影响储能的效果，而浮动电极分散不易控制，很容易造成短路，在工艺上是一大挑战。 

发明内容

本发明所欲解决的技术问题与目的： 

缘此，本发明的主要目的在于提供一种固态超级电容器及其制备方法，以达到具有高电容量与高能量密度的目的。 

本发明解决问题的技术手段：