[发明专利]自愈电容器及其制造方法

说明书

技术领域

本申请要求于2015年2月26日由Pavel I.Lazarev提交的美国临时专利申请62/121328的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

电容器是用于以静电场的形式存储能量的无源电子部件，并且包括由电介质层隔开的一对电极。当在两个电极之间存在电位差时，在电介质层中存在电场。理想的电容器的特征在于其电容值的单一恒定值，其是每个电极上的电荷与它们之间的电位差的比值。实际上，位于电极之间的电介质层能够传递少量的漏电流。电极和引线引入等效的串联电阻，并且电介质层对导致击穿电压的电场强度有限制。

被称为击穿强度E_bd的特征电场是使电容器中的电介质层变成导电性的电场。发生这种情况时的电压被称为器件的击穿电压，由介电强度和电极之间的间隔(距离)d的乘积给出，

V_bd＝E_bdd (1)

存储在电容器中的最大体积能量密度受到与～ε×E²_bd成比例的值的限制，其中ε是电介质层的介电常数，E_bd是击穿介电强度。因此，为了增加电容器的存储能量，需要增加电介质的介电常数ε和击穿介电强度E_bd。

对于高电压应用，可以使用更大的电容器。有许多因素可以显著地降低击穿电压。导电电极的几何形状对于电容器应用很重要。特别地，尖锐的边缘或尖端会局部地极大提高电场强度并且能够导致局部击穿。一旦在任意一点开始局部击穿，则击穿通过电介质层渗透并到达相对电极。击穿轨迹(导电通道)导通并导致短路。

通常由于电场的强度变得足够高使得电子从电介质材料的原子中释放出来并使它们将电流从一个电极传导到另一个电极，而产生电介质层的破坏。电介质中的杂质或晶体结构的缺陷(电缺陷)的存在能够导致在半导体器件中观察到雪崩击穿。因此，在发生击穿时，在电介质层中形成导电通道。这些通道在电介质层的两个表面上具有出口点。

作为储能器件的电容器与电化学储能器件例如电池相比，具有众所周知的优点。与电池相比，电容器能够以非常高的能量密度即充电/放电速率储存能量，具有长的生命期并且几乎没有劣化，并且可以进行数十万或数百万次的充电和放电(循环)。然而，电容器通常不像电池那样小体积或轻重量地、或低储能成本地储存能量，这使得电容器对于一些应用例如电动车辆来说是不切实际的。

发明内容

本发明提供一种自愈电容器及其制造方法。本发明的自愈电容器能够解决与一些储能器件相关联的增加所储存的能量的体积和质量密度的问题，同时降低材料和制造过程的成本。

一方面，自愈电容器包括第一电极、第二电极、以及设置在所述第一和第二电极之间并且具有面向第一电极的第一表面和面向第二电极的第二表面的电介质层。至少一个电极包括泡沫金属。所述电介质层具有多个导电通道，每个导电通道具有位于电介质层的第一表面上的一个出口点和位于电介质层的第二表面上的另一个出口点。所述第一和第二电极的每一个包括与电介质层相邻并且与至少一个出口点相对的至少一个局部接触断路器(local contact breaker)，其阻止电流流过电介质层中的导电通道。电极是平面的，并且可以几乎或基本上彼此平行，尽管不一定是平坦的。电极可以不是平行配置的。

另一方面，一种制造具有至少一个由泡沫金属制成的电极的自愈电容器的方法，其包括：a)向电容器的电极施加电压，并逐渐增强电压强度，直到电介质层将要产生电击穿，b)在电场的影响下形成在电介质层的两个表面上具有出口点的导电通道，c)通过由击穿引起的电流对金属进行焦耳加热，而在这些出口点附近的电极内形成局部接触断路器(通孔和圆顶(dome)结构)，d)在这些出口点处蒸发了足够的电极金属时，停止电流。

通过以下的详细描述，本领域技术人员能够了解本发明的其他的方面和优点，其中仅示出和描述了本发明的说明性实施例。应该认识到本发明能够具有其他和不同的实施例，并且在不脱离本发明的情况下，在不同的明显方面上能够修改其若干细节。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

交叉引用

在此通过参考同样地合并本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请，犹如每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地引用。

附图说明