[发明专利]改良的电荷存储装置及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学电荷存储装置及系统。具体而言，本发明涉及用作混合超级电容器/电池装置的改良的聚合物有机电荷存储系统。

背景

在过去的十年里，包括智能卡、传感器和一次性电子产品在内的便携式装置的使用迅速增加已经对驱动这些装置的更有效的方法、装置和系统的发展施加压力。随着这些装置在尺寸上不断减小，已开发出维持或甚至具有增加的能量存储容量的更小电源以确保满足这些日益复杂装置的能量需求。开发了薄膜电池以达到这样的目的。

然而,市场上的薄膜电池都使用锂离子或碱性(Zn/MnO₂)技术。这些技术关于它们的安全性、柔性、再充电能力和最大电压可能具有各种局限性，因此这些技术不太理想。

应注意的是,在电荷存储装置的开发中先前已使用共轭聚合物，但选择的材料典型地是具有相对较窄带隙的材料，例如聚苯胺的衍生物。在这种背景下，采用宽带隙意味着在光谱的可见部分中具有相对较少吸收或者没有吸收的材料，而采用窄带隙意味着在可见光谱中且特别是在光谱的绿-红部分中具有显著吸收的材料。虽然先前在电荷存储装置中也研究了较宽带隙的材料例如聚芴，得出的结论是聚芴“对于电池电极而言不是令人感兴趣的材料(Chem.Rev.，1997，97，207-281)”。

先前就制造全有机电荷存储装置的尝试在商业上是不可接受的。没有实现稳定性、容量和过程可行性的合适组合。事实上，先前的聚合物有机电荷存储装置遭受的更严重问题是低的化学稳定性和低的氧化还原稳定性，两者都导致与在多次充电循环之后保持存储电荷以及维持电荷存储能力相关的问题。

因此,需要一种改良的电荷存储装置，其不仅是环境可持续的，而且也是有效的。优选地，该改良的电荷存储装置应该是非自燃的、完全可再充电的和易于印刷的。

发明概述

提供本概述以便以简化的形式介绍一些概念，下文在详细描述中进一步描述这些概念。本概述并不意图确定所要求保护的主题的关键特征或者基本特征，也并不意图将其用作确定所要求保护的主题的范围的辅助物。

根据一个实施方案，提供了一种电荷存储系统，其包含：阳极组件和阴极组件，所述组件各自包含共轭聚合物材料的电荷存储层，其中所述阴极组件的电荷存储层的共轭聚合物材料在其放电状态下是空气稳定的和非离子的，并且其中所述阳极组件的电荷存储层的共轭聚合物材料在其放电状态下是空气稳定的和非离子的。

优选地，阴极组件的电荷存储层的共轭聚合物材料可以包含至少一个杂原子，该杂原子具有能够氧化从而形成稳定阳离子的可用孤对电子。阴极组件的电荷存储层的共轭聚合物材料可以包含芳基氨基。阴极组件的电荷存储层的材料可以包含：二芳胺或三芳胺，或者N-取代的咔唑、吩噁嗪、吩噻嗪、或者其它的环化三芳胺、噻吩衍生物如噻吩并噻吩或者二苯并噻吩、苯并呋喃衍生物、氧杂蒽衍生物、卟啉、酞菁。所述共轭聚合物材料可以包含用芳基如二芳基或三芳基氨基改性的聚芴配制物。

作为附加或者作为替代，可以配置阳极组件的电荷存储层的共轭聚合物材料以形成稳定的阴离子。所述共轭聚合物材料可以包含烃类(例如聚芴和其衍生物)或者聚苯胺。所述共轭聚合物材料可以包含具有两个或更多个取代基的聚芴，所述取代基选自芳基或烷基取代基中的一个或多个。所述两个取代基可以包含烷氧基取代的烷基，例如甲氧乙基或者聚乙二醇的低聚物。该材料可以包含具有低-LUMO基团的共聚氟，所述低-LUMO基团是例如2,1,3-苯并噻二唑或者2,4,6-三苯基-1,3,5-三嗪或者2,3-二苯基喹喔啉、芴酮和这些材料中任一种的衍生物。

作为附加或者作为替代，该共轭聚合物材料可以是共聚物。该共轭聚合物可以包含交联的共轭聚合物链。该交联的共轭聚合物链可以包含苯并环丁烯(BCB)-烯烃。该共轭聚合物可以包含极性侧基。该极性侧基可以包含醚基。

任选地，该电荷存储系统可以进一步包含氧化锌(ZnO)。该电荷存储系统可以进一步包含电接触部。该电接触部可包含金或铟锡氧化物或者氟锡氧化物和/或铝锌氧化物和/或锑锡氧化物、氧化锌和/或包括但不限于铜、锌、锡、银、金、铝、钛、铋或铁的金属或合金的其它合适元素或化合物。

优选地，可以总体地调节聚合物以便为具体应用提供电荷释放性质，例如但不限于更类似电池的或者类似超级电容器的行为。