一種高介電材料多孔結(jié)構(gòu)電容制造技術(shù)

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開(kāi)了一種高介電材料多孔結(jié)構(gòu)超級(jí)電容。它包括多孔金屬高介電材料復(fù)合基板，低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)，密封容器，正電極，負(fù)電極；多孔金屬高介電材料復(fù)合基板是在泡沫金屬骨架表面上沉積一層或多層高介電材料形成的多孔材料，多孔金屬高介電材料復(fù)合基板浸潤(rùn)在低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)中，并且被封裝在密封容器里，多孔金屬高介電材料復(fù)合基板與正電極相連，導(dǎo)電液體介質(zhì)與負(fù)電極相連，形成蓄積電能的超級(jí)電容器。本實(shí)用新型專利技術(shù)利用多孔電極具有極大的表面積，BaTiO3或者CaCu3Ti4O12高介電系數(shù)實(shí)現(xiàn)大容量電容，解決了現(xiàn)有超級(jí)電容工作電壓低的問(wèn)題，使得電容獲得了極高的能量蓄積密度。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及用于儲(chǔ)蓄電能的電容，尤其涉及一種高介電材料多孔結(jié)構(gòu)電容。
技術(shù)介紹
目前蓄電技術(shù)主要有兩種，一種是鋰離子電池利用鋰(Li+)離子在陽(yáng)極和陰極之間的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程，另一種是超級(jí)電容利用多孔電極巨大表面積和極小間距形成容量巨大的雙層電容結(jié)構(gòu)，通過(guò)物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)充放電。這兩種技術(shù)在蓄電應(yīng)用上各有優(yōu)缺點(diǎn)鋰離子電池具有儲(chǔ)能密度大，漏電流小等優(yōu)點(diǎn)，但是存在循環(huán)使用次數(shù)少、壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)、功率密度小、安全性差等缺點(diǎn)；超級(jí) 電容具有充電時(shí)間短，功率密度大以及循環(huán)使用次數(shù)多以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是目前超級(jí)電容的儲(chǔ)能密度只有電池的十分之一左右，難以代替電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模蓄電應(yīng)用。目前的超級(jí)電容大多利用雙層電容結(jié)構(gòu)，利用活性碳多孔結(jié)構(gòu)極大的表面積和水性或高分子電解質(zhì)在這些表面形成的極薄離子層，實(shí)現(xiàn)了非常大的電容量。通常這種電容可以達(dá)到數(shù)千法拉。但是由于電解質(zhì)的離解電壓非常低，因此這些電容的工作電壓只有幾伏特。由于電容蓄積能量與電壓的平方成正比，因此這種原理的超級(jí)電容能量密度比較小。最近，美國(guó)專利(US7466536)提出一種利用高介電系數(shù)材料實(shí)現(xiàn)大電容蓄電的專利，通過(guò)在兩個(gè)電極之間放入一層極薄的BaTiO3高介電系數(shù)材料，然后通過(guò)很多電容疊層實(shí)現(xiàn)足夠大的容量。美國(guó)專利(US20070121274)提出一種CaCu3Ti4O12多層薄膜實(shí)現(xiàn)大容量電容。這兩種材料具有非常高的介電常數(shù)，這兩個(gè)專利通過(guò)鍍膜或者納米包裹等方法制備高介電系數(shù)材料膜層。這種電容原理上可以承受很高的耐壓，因此能量密度可以大幅度提高。但是，這兩種方法要實(shí)現(xiàn)大電容量需要非常多的疊層結(jié)構(gòu)，一方面制備起來(lái)非常困難，另一方面這種平面結(jié)構(gòu)能夠提供的表面積非常有限。為了解決這一困難，我們借鑒現(xiàn)有超級(jí)電容利用多孔電極巨大表面積的原理，提出一種結(jié)合兩種方法的最佳方案高介電材料多孔結(jié)構(gòu)超級(jí)電容。一方面能夠解決現(xiàn)有超級(jí)電容工作電壓低的問(wèn)題，另一方面大大增加了表面積增大了電容量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高介電材料多孔結(jié)構(gòu)電容。高介電材料多孔結(jié)構(gòu)電容包括多孔金屬高介電材料復(fù)合基板，低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)，密封容器，正電極，負(fù)電極；多孔金屬高介電材料復(fù)合基板是在泡沫金屬骨架表面上沉積一層或多層高介電材料形成的多孔材料，多孔金屬高介電材料復(fù)合基板浸潤(rùn)在低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)中，并且被封裝在密封容器里，多孔金屬高介電材料復(fù)合基板與正電極相連，導(dǎo)電液體介質(zhì)與負(fù)電極相連，形成蓄積電能的電容器。所述的高介電材料為BaTiO3或CaCu3Ti4O12高介電系數(shù)材料，或者兩種材料交替疊加而成。所述的泡沫金屬骨架的材料為多孔泡沫態(tài)的銅、鎳、鈦或鋁。所述的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板的BaTiO3溶膠凝膠燒結(jié)方法的步驟為4. I)將摩爾比為I :1的A、B兩種溶液混合，在溫度40°C 80°C的水浴鍋中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為10分鐘 I個(gè)小時(shí)，得到溶液濃度為O. 3 O. 5mol/L的溶膠;A溶液由乙酸鋇與乙酸溶液按照摩爾比1:1組成；B溶液由鈦酸丁酯與摩爾比1:1乙醇-乙酸溶液組成；加入摩爾比1:1的乙酸降低PH值抑制鈦酸丁酯在溶液中水解；4. 2)將泡沫金屬骨架放入溶膠中完全浸潤(rùn)，然后在空氣中陳化4 8小時(shí)，再抽真空10分鐘以上；4. 3)在100°C 160°C烘箱中烘干，得到附著有干凝膠的泡沫金屬骨架；4. 4)在馬弗爐中燒結(jié)溫度為900°C 1150°C，保溫I 4小時(shí)，得到BaTiO3的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板。 所述的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板的CaCu3Ti4O12溶膠凝膠燒結(jié)方法的步驟為5. I)將摩爾比為I :4的C、D兩種溶液混合，充分?jǐn)嚢鐸小時(shí)得到溶液濃度為O. 3 O.5mol/L的溶膠；C溶液由硝酸銅、醋酸鈣按3 :1混合然后與摩爾比1:1乙醇溶液充分?jǐn)嚢杞M成；D溶液由鈦酸丁酯加入摩爾比1:1乙醇、冰醋酸溶液組成；加入摩爾比1:1乙酸降低PH值抑制鈦酸丁酯在溶液中水解；5. 2)將泡沫金屬骨架放入溶膠中完全浸潤(rùn)，然后在空氣中陳化4 6小時(shí)，抽真空10分鐘以上；5. 3)在70°C烘箱中烘干，得到附著有干凝膠的泡沫金屬骨架；5.4)附著有干凝膠的泡沫金屬骨在溫度為700°C 1150°C馬弗爐中燒結(jié)，保溫6 10小時(shí)，得到CaCu3Ti4O12的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板。所述的低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)是鎵、銦、鋅、錫、鎂、銅或金一種或多種。所述的浸潤(rùn)過(guò)程是先讓低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)完全熔化，然后將多孔金屬高介電材料復(fù)合基板浸入低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)中，讓低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)完全滲入到多孔金屬高介電材料復(fù)合基板的孔隙中。本技術(shù)不僅利用多孔電極具有極大的表面積，并且利用溶膠凝膠方法實(shí)現(xiàn)了BaTiO3系或CaCu3Ti4O12系高介電系數(shù)材料對(duì)于多孔電極表面的全面覆蓋，同時(shí)利用低熔點(diǎn)金屬完全滲入到多孔金屬高介電材料復(fù)合基板的孔隙中，實(shí)現(xiàn)了電容兩個(gè)電極之間盡量小的間隙，從而極大地增加了電容量。這種方法不僅能夠解決現(xiàn)有超級(jí)電容工作電壓低的問(wèn)題，而且由于巨大的表面積使得電容獲得了極高的能量蓄積密度。附圖說(shuō)明圖I為高介電材料多孔結(jié)構(gòu)超級(jí)電容示意圖；圖2為泡沫金屬骨架顯微圖；圖3為沉積了一層薄的高介電材料泡沫金屬骨架顯微圖；圖4為蓄電原理示意圖。圖中多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I,低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)2,密封容器3,正電極4,負(fù)電極5，泡沫金屬骨架6，高介電材料7。具體實(shí)施方式如圖I所示，高介電材料多孔結(jié)構(gòu)電容包括多孔金屬高介電材料復(fù)合基板1，低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)2,密封容器3,正電極4,負(fù)電極5 ;多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I是在泡沫金屬骨架6表面上沉積一層或多層高介電材料7形成的多孔材料,多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I浸潤(rùn)在低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)2中，并且被封裝在密封容器3里,多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I與正電極4相連,導(dǎo)電液體介質(zhì)2與負(fù)電極5相連,形成蓄積電能的電容器。所述的高介電材料7為BaTiO3或CaCu3Ti4O12高介電系數(shù)材料，或者兩種材料交替疊加而成。所述的泡沫金屬骨架6的材料為多孔泡沫態(tài)的銅、鎳、鈦或鋁。所述的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I的BaTiO3溶膠凝膠燒結(jié)方法的步驟為4. I)將摩爾比為I :1的A、B兩種溶液混合，在溫度40°C 80°C的水浴鍋中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為10分鐘 I個(gè)小時(shí)，得到溶液濃度為O. 3 O. 5mol/L的溶膠;A溶 液由乙酸鋇與乙酸溶液按照摩爾比1:1組成；B溶液由鈦酸丁酯與摩爾比1:1乙醇-乙酸溶液組成；加入摩爾比1:1的乙酸降低PH值抑制鈦酸丁酯在溶液中水解；4. 2)將泡沫金屬骨架6放入溶膠中完全浸潤(rùn)，然后在空氣中陳化4 8小時(shí)，再抽真空10分鐘以上；4. 3)在100°C 160°C烘箱中烘干，得到附著有干凝膠的泡沫金屬骨架6 ；4. 4)在馬弗爐中燒結(jié)溫度為900°C 1150°C，保溫I 4小時(shí)，得到BaTiO3的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I。所述的多孔金屬高介電材料復(fù)合基板I的CaCu3Ti4O12溶膠凝膠燒結(jié)方法的步驟為5. I)將摩爾比為I :4的C、D兩種溶液混合，充分?jǐn)嚢鐸小時(shí)得到溶液濃度為O. 3 O.5mol/L的溶膠；C溶液由硝酸銅、醋酸鈣按3 :1混合然后與摩爾比1:1乙醇溶液充分?jǐn)嚢杞M成；D本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高介電材料多孔結(jié)構(gòu)電容，其特征在于包括多孔金屬高介電材料復(fù)合基板（1），低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)（2），密封容器（3），正電極（4），負(fù)電極（5）；多孔金屬高介電材料復(fù)合基板（1）是在泡沫金屬骨架（6）表面上沉積一層或多層高介電材料（7）形成的多孔材料，多孔金屬高介電材料復(fù)合基板（1）浸潤(rùn)在低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)（2）中，并且被封裝在密封容器（3）里，多孔金屬高介電材料復(fù)合基板（1）與正電極（4）相連，導(dǎo)電液體介質(zhì)（2）與負(fù)電極（5）相連，形成蓄積電能的電容器；所述的高介電材料（7）為BaTiO3或CaCu3Ti4O12高介電系數(shù)材料，或者兩種材料交替疊加而成；所述的低熔點(diǎn)金屬介質(zhì)（2）是鎵、銦、鋅、錫、鎂、銅或金一種或多種。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：符建，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：符建，
類(lèi)型：實(shí)用新型
國(guó)別省市：