KR102561229B1 - Method for chemical binding of the dielectric to the electrode after their assembly - Google Patents
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Abstract
본 발명은 커패시터와 같은 고유전율 및 저누설의 에너지 저장 장치 및 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 방법을 개시한다. 개시된 장치는 전기 전도성 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 입체 구속형 유전체 필름을 포함한다. 상기 입체 구속형 유전체 필름은 복수의 폴리머 분자를 포함하고, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부는 제1 전극에 결합된다. 개시된 장치는 상기 제1 전극과 상기 유전체 필름 사이 및/또는 상기 제2 전극과 상기 유전체 필름 사이에 절연층을 포함할 수 있다.The present invention discloses a high permittivity and low leakage energy storage device such as a capacitor and a method for manufacturing the energy storage device. The disclosed device includes electrically conductive first and second electrodes and a three-dimensionally confined dielectric film disposed between the first and second electrodes. The three-dimensionally confined dielectric film includes a plurality of polymer molecules, and at least some of the polymer molecules are bonded to the first electrode. The disclosed device may include an insulating layer between the first electrode and the dielectric film and/or between the second electrode and the dielectric film.
Description
본 출원은 2014년 9월 26일에 출원된 미국 특허 출원 제14/499,028호의 일부 계속 출원인, 2014년 12월 17일에 출원된 미국 특허 출원 제14/574,175호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본 출원은 또한 2013년 4월 5일에 출원된 미국 가출원 제61/808,733호에 대한 우선권을 주장하는 2014년 1월 16일에 출원된 미국 특허 출원 제14/156,457호의 일부 계속 출원이며, 이들 각각은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본 출원은 또한 현재 포기된 2012년 11월 7일에 출원된 미국 특허 출원 제13/671,546호의 일부 계속 출원 및 2014년 1월 21일에 미국 특허 제8,633,289호로 등록된 2012년 8월 30일에 출원된 미국 특허 출원 제13/599,996호의 일부 계속 출원인, 2013년 3월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제13/853,712호의 일부 계속 출원인, 2014년 9월 19일에 출원된 미국 특허 출원 제14/490,873호의 일부 계속 출원이며, 이들 각각은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함된다. This application claims priority to U.S. Patent Application Serial No. 14/574,175, filed on December 17, 2014, which is a continuation-in-part of U.S. Patent Application Serial No. 14/499,028, filed on September 26, 2014, which The entire contents are incorporated herein by reference. This application is also a continuation-in-part of U.S. patent application Ser. No. 14/156,457, filed on Jan. 16, 2014, which claims priority to U.S. Provisional Application No. 61/808,733, filed on Apr. 5, 2013, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. This application is also a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 13/671,546, filed on Nov. 7, 2012, now abandoned, and filed on Aug. 30, 2012, filed on Jan. 21, 2014 as U.S. Patent No. 8,633,289. Continuing-in-part of U.S. Patent Application Serial No. 13/599,996 filed on March 29, 2013, U.S. Patent Application Serial No. 14/490,873 filed on September 19, 2014 , each of which is incorporated herein by reference in its entirety.
본 개시는 커패시터와 같은 고유전율 및 저누설의 에너지 저장 장치 및 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a high permittivity and low leakage energy storage device, such as a capacitor, and a method of manufacturing the energy storage device.
정전 용량(electrostatic capacitance)은 대량 전기 에너지 저장에는 널리 사용되지 않았던 에너지 저장 방법이다. 일반적으로 유전체 재료에서의 종래의 정전 에너지 저장을 위한 충전 및 방전 메카니즘은 피코초(picoseconds) 내지 수백 마이크로초(microseconds)의 범위의 시간 영역 내이다. 단위 질량당 에너지 밀도 및 단위 체적당 에너지 밀도 모두에서 보다 고밀도의 에너지 저장이 필요하다.Electrostatic capacitance is an energy storage method that has not been widely used for mass electrical energy storage. Typically, charge and discharge mechanisms for conventional electrostatic energy storage in dielectric materials are in the time domain ranging from picoseconds to hundreds of microseconds. Higher density energy storage in both energy density per unit mass and energy density per unit volume is needed.
본 개시는 커패시터와 같은 고유전율 및 저누설의 에너지 저장 장치 및 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 에너지 저장 장치의 구현예는 전기 전도성 제1 전극, 전기 전도성 제2 전극, 및 상기 전기 전도성 제1 전극과 상기 전기 전도성 제2 전극 사이에 배치된 입체 구속형 유전체 필름(sterically constrained dielectric film)을 포함하며, 상기 입체 구속형 유전체 필름은 복수의 폴리머 분자를 포함한다. 상기 에너지 저장 장치는 충전 및/또는 방전된 에너지 저장 장치가 없는 경우, 오직 상기 전기 전도성 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 입체 구속형 유전체 필름의 중량만을 기준으로 적어도 1 Wh/kg의 에너지 저장 용량을 갖는다. 일부 구현예에서, 상기 전기 전도성 제1 전극상에, 상기 전기 전도성 제2 전극상에 또는 상기 전기 전도성 제1 및 제2 전극 상에 절연층이 배치된다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자의 적어도 1%가 상기 제1 전극에 또는 상기 제1 전극 상에 배치된 절연층에 결합될 수 있다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 단백질 분자일 수 있다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 상기 유전체 필름과 접촉하는 상기 전기 전도성 제1 전극의 표면의 적어도 1%에 결합될 수 있다.The present disclosure relates to a high permittivity and low leakage energy storage device, such as a capacitor, and a method of manufacturing the energy storage device. An embodiment of the energy storage device includes an electrically conductive first electrode, an electrically conductive second electrode, and a sterically constrained dielectric film disposed between the electrically conductive first electrode and the electrically conductive second electrode. And, the three-dimensionally confined dielectric film includes a plurality of polymer molecules. wherein the energy storage device stores energy of at least 1 Wh/kg based solely on the weight of the sterically confined dielectric film disposed between the electrically conductive first and second electrodes, in the absence of a charged and/or discharged energy storage device; have capacity In some embodiments, an insulating layer is disposed on the electrically conductive first electrode, on the electrically conductive second electrode or on the electrically conductive first and second electrodes. In any one or all of the above embodiments, the polymer molecule can have one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. In any one or all of the above embodiments, at least 1% of the polymer molecules may be bound to the first electrode or to an insulating layer disposed on the first electrode. In any one or all of the above embodiments, the polymeric molecule can be a protein molecule. In any one or all of the above embodiments, the polymer molecule can be bound to at least 1% of the surface of the electrically conductive first electrode in contact with the dielectric film.
일부 구현예에서, 방법은 에너지 저장 장치를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 단계는 (a) 전기 전도성 제1 전극에 유전체 필름을 도포하는 단계로서, 상기 유전체 필름이 ⅰ) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내며, ii) 복수의 폴리머 분자를 포함하는 필름 재료를 포함하는 단계, (b) 상기 유전체 필름을 전기 전도성 제2 전극과 접촉시키는 단계, 및 (c) 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가하고, 이에 의해 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 단계에 의한다. 특정 구현예에서, 상기 방법은 상기 전기 전도성 제1 전극에 절연층을 도포하여 복합 제1 전극을 형성하는 단계, 및 상기 복합 제1 전극의 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하는 단계를 더 포함한다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 전기장은 100 V/cm보다 클 수 있다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 단백질 분자일 수 있다.In some embodiments, a method includes fabricating an energy storage device, wherein (a) applying a dielectric film to an electrically conductive first electrode, wherein the dielectric film is i) electrically insulative and/or intrinsic ii) comprising a film material comprising a plurality of polymer molecules, (b) contacting said dielectric film with an electrically conductive second electrode, and (c) said first electrode, said dielectric film and applying an electric field across the second electrode, thereby fabricating the energy storage device. In certain embodiments, the method further comprises applying an insulating layer to the electrically conductive first electrode to form a composite first electrode, and applying the dielectric film to the insulating layer of the composite first electrode. . In any one or all of the above embodiments, the electric field can be greater than 100 V/cm. In any one or all of the above embodiments, the polymeric molecule can be a protein molecule.
일부 구현예에서, 방법은 에너지 저장 장치를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 단계는 (a) 전기 전도성 제1 전극에 유전체 필름을 도포하는 단계로서, 상기 유전체 필름은 ⅰ) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내고 ii) 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 필름 재료를 포함하는 단계; (b) 상기 유전체 필름을 전기 전도성 제2 전극과 접촉시키는 단계; 및 (c) 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 전기 전도성 제1 전극에 결합시켜 입체 구속형인 유전체 필름을 형성하고, 이에 의해 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 단계에 의한다. 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 전기 전도성 제1 전극에 결합하는 단계는 i) 상기 제1 전극이 양극이 되도록 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 전기장은 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 전극에 결합하기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계; ⅱ) 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계, 또는 ⅲ) 이들의 조합을 포함한다. In some embodiments, a method includes fabricating an energy storage device, wherein (a) applying a dielectric film to an electrically conductive first electrode, wherein the dielectric film is i) electrically insulative and/or intrinsic comprising a film material comprising a plurality of polymer molecules exhibiting a translucency and ii) having one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof; (b) contacting the dielectric film with an electrically conductive second electrode; and (c) forming a three-dimensionally confined dielectric film by bonding at least a portion of the polymer molecules to the electrically conductive first electrode, thereby manufacturing the energy storage device. bonding at least a portion of the polymer molecules to the electrically conductive first electrode comprises: i) applying an electric field across the first electrode, the dielectric film and the second electrode such that the first electrode becomes an anode; , wherein the electric field is applied for a time effective to couple at least a portion of the polymer molecules to the first electrode; ii) treating the dielectric film with a chemical agent, or iii) a combination thereof.
상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 전기장은 상기 유전체 필름의 평균 두께를 기준으로 적어도 0.001 V/㎛일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 전기장은 0.005 내지 1 V/㎛이고 상기 유효 시간은 1초 내지 30분이다.In any one or all of the above embodiments, the electric field can be at least 0.001 V/μm based on the average thickness of the dielectric film. In some embodiments, the electric field is 0.005 to 1 V/μm and the effective time is 1 second to 30 minutes.
상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 방법은 상기 전기 전도성 제1 전극에 절연층을 도포하여 복합 제1 전극을 형성하는 단계, 및 상기 복합 제1 전극의 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 결합시키는 단계는 상기 유효 시간 동안 상기 복합 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가하는 단계를 포함하고, 이에 의해 상기 폴리머 분자의 적어도 일부가 상기 복합 제1 전극의 절연층에 결합한다. 일 독립 구현예에서, 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계는 상기 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하기 전에 라디칼 개시제를 상기 절연층에 도포하는 단계, 및 상기 절연층에 상기 유전체 필름을 도포한 후에 상기 라디칼 개시제를 활성화시키고, 이에 의해 상기 복합 제1 전극의 절연층에 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 결합시키는 단계를 포함한다. 일 독립 구현예에서, 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계는 (i) 유도체화제로 상기 폴리머 분자를 유도체화하여 상기 복합 제1 전극의 절연층에 가교결합할 수 있는 관능기를 제공하는 단계, (ii) 상기 유전체 필름의 필름 재료에 가교제를 포함시키는 단계, (ⅲ) 상기 유전체 필름의 필름 재료에 라디칼 개시제를 포함시키고, 상기 절연층에 상기 유전체 필름을 도포한 후에 상기 라디칼 개시제를 활성화시키는 단계, (ⅳ) 상기 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하기 전에 상기 절연층에 라디칼 개시제를 도포하고, 상기 절연층에 상기 유전체 필름을 도포한 후에 상기 라디칼 개시제를 활성화시키는 단계, (v) 상기 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하기 전에 상기 절연층에 플라즈마를 인가하는 단계, 또는 (vi) 이들의 임의의 조합을 포함한다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 절연층은 중합된 p-자일릴렌을 포함할 수 있다.In any one or all of the above embodiments, the method further comprises applying an insulating layer to the electrically conductive first electrode to form a composite first electrode, and applying the dielectric film to the insulating layer of the composite first electrode. An application step may be further included. In an embodiment, bonding at least some of the polymer molecules comprises applying an electric field across the composite first electrode, the dielectric film and the second electrode for the effective time, whereby the polymer molecules At least some of the molecules bond to the insulating layer of the composite first electrode. In one independent embodiment, treating the dielectric film with a chemical agent comprises applying a radical initiator to the insulating layer prior to applying the dielectric film to the insulating layer, and applying the dielectric film to the insulating layer. and later activating the radical initiator, thereby binding at least a portion of the polymer molecules to the insulating layer of the composite first electrode. In one independent embodiment, treating the dielectric film with a chemical agent comprises (i) derivatizing the polymer molecules with a derivatizing agent to provide functional groups capable of cross-linking to the insulating layer of the composite first electrode; (ii) including a crosslinking agent in the film material of the dielectric film, (iii) including a radical initiator in the film material of the dielectric film, and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the insulating layer. , (iv) applying a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer, and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the insulating layer, (v) step of activating the radical initiator, (v) the insulating layer and (vi) applying plasma to the insulating layer prior to applying the dielectric film thereto, or (vi) any combination thereof. In any one or all of the above embodiments, the insulating layer may include polymerized p-xylylene.
상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 단백질, 파릴렌, 아크릴산 폴리머, 메타크릴산 폴리머, 폴리에틸렌 글리콜, 우레탄 폴리머, 에폭시 폴리머, 실리콘 폴리머, 테르페노이드 폴리머, 천연 수지 폴리머, 폴리이소시아네이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 단백질 또는 유도체화된 단백질을 포함할 수 있다.In any one or all of the above embodiments, the polymer molecule is a protein, parylene, acrylic acid polymer, methacrylic acid polymer, polyethylene glycol, urethane polymer, epoxy polymer, silicone polymer, terpenoid polymer, natural resin polymer, polyisocyanates or combinations thereof. In any one or all of the above embodiments, the polymeric molecule may comprise a protein or a derivatized protein.
상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 전기 전도성 제2 전극은 절연층을 포함하는 복합 제2 전극일 수 있고, 상기 복합 제2 전극은 상기 절연층이 상기 유전체 필름과 접촉하도록 위치된다. 상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 유전체 필름을 상기 전기 전도성 제1 전극에 도포하는 단계는 제거가능한 캐리어 필름상에 유전체 필름을 형성하는 단계, 상기 제거가능한 캐리어 필름을 제거하는 단계 및 상기 유전체 필름을 상기 전기 전도성 제1 전극에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.In any one or all of the above embodiments, the electrically conductive second electrode can be a composite second electrode comprising an insulating layer, the composite second electrode positioned such that the insulating layer contacts the dielectric film. . In any one or all of the above embodiments, applying the dielectric film to the electrically conductive first electrode comprises forming a dielectric film on a removable carrier film, removing the removable carrier film, and and applying the dielectric film to the electrically conductive first electrode.
상기 구현예들 중 임의의 하나 또는 전부에서, 상기 폴리머 분자는 인 시추(in situ)로 형성될 수 있다. 이러한 구현예에서, 상기 방법은 가교제, 및 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 폴리머 분자 전구체를 포함하는 조성물을 상기 제1 전극에 도포하는 단계, 및 상기 가교제를 활성화하고, 이에 의해 상기 폴리머 분자 전구체를 가교 결합하여 복수의 폴리머 분자를 포함하는 유전체 필름을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 폴리머 분자 전구체는 (i) 아미노산 분자, (ii) 올리고펩티드, (iii) 폴리펩티드, 또는 (iv) 이들의 조합을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 폴리머 분자 전구체는 p-자일릴렌 모노머를 추가로 포함한다.In any one or all of the above embodiments, the polymer molecule may be formed in situ . In this embodiment, the method includes applying to the first electrode a composition comprising a crosslinking agent and a plurality of polymer molecular precursors comprising one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof, and activating the crosslinking agent. and cross-linking the polymer molecule precursors thereby providing a dielectric film including a plurality of polymer molecules. In some embodiments, the polymer molecule precursor comprises (i) an amino acid molecule, (ii) an oligopeptide, (iii) a polypeptide, or (iv) a combination thereof. In some embodiments, the polymer molecular precursor further comprises a p-xylylene monomer.
일 독립 구현예에서, 에너지 저장 장치를 제조하는 방법은 (a) 금속화된 표면을 가지며 상기 금속화된 표면상에 절연층을 포함하는 폴리머의 제1 시트 또는 롤을 제공하는 단계로서, 상기 절연층은 상기 금속화된 표면의 엣지 부분이 노출되도록 상기 금속화된 표면을 완전히 덮지는 않는 단계; (b) 상기 절연층에 유전체 필름을 도포하는 단계로서, 상기 유전체 필름은 i) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내고, ii) 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 필름 재료를 포함하는 단계; (c) 금속화된 폴리머의 제2 시트 또는 롤을 상기 유전체 필름과 접촉시키는 단계로서, 상기 제2 시트 또는 롤은 금속화된 표면을 가지며 상기 금속화된 표면상에 절연층을 포함하고, 상기 절연층은 금속화된 표면의 엣지 부분이 노출되도록 상기 금속화된 표면을 완전히 덮지는 않으며, 상기 제2 시트 또는 롤은 상기 절연층이 상기 유전체 필름과 접촉하고 상기 제2 시트 또는 롤의 노출된 엣지 부분이 상기 제1 시트의 노출된 엣지 부분에 근접하도록 배향되어 복합체 다층 표면을 형성하는 단계; (d) 상기 복합체 다층 표면을 압연된 형태로 권취하거나 상기 복합체 다층 표면의 일부를 절삭 및 적층하여 적층된 형태를 형성하는 단계; (e) 상기 제1 시트 또는 롤 및 상기 제2 시트 또는 롤의 노출된 엣지 부분을 전기적 접속부를 갖는 도전성 캡 또는 비도전성 홀더 내에 함유된 도전성 폴리머에 결합시키는 단계; (f) 상기 복합체 다층 표면을 양극 및 음극에 전기적으로 접속시키는 단계; 및 (g) 상기 다층 복합체에 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 전기장은 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 시트 또는 롤의 절연층, 상기 제2 시트 또는 롤의 절연층 또는 둘 다에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계를 포함한다. In one independent embodiment, a method of making an energy storage device includes (a) providing a first sheet or roll of polymer having a metallized surface and comprising an insulating layer on the metallized surface, the insulating layer comprising: the layer does not completely cover the metallized surface such that edge portions of the metallized surface are exposed; (b) applying a dielectric film to the insulating layer, wherein the dielectric film i) is electrically insulating and/or exhibits a high permittivity, and ii) comprises a plurality of polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. comprising a film material comprising polymer molecules; (c) contacting a second sheet or roll of metallized polymer with the dielectric film, the second sheet or roll having a metallized surface and comprising an insulating layer on the metallized surface; The insulating layer does not completely cover the metallized surface such that an edge portion of the metallized surface is exposed, and the second sheet or roll is such that the insulating layer contacts the dielectric film and the exposed portion of the second sheet or roll. orienting the edge portion to proximate the exposed edge portion of the first sheet to form a composite multilayer surface; (d) winding the composite multi-layer surface into a rolled form or cutting and laminating portions of the composite multi-layer surface to form a laminated form; (e) bonding exposed edge portions of the first sheet or roll and the second sheet or roll to a conductive polymer contained within a conductive cap or non-conductive holder having electrical connections; (f) electrically connecting the composite multilayer surface to an anode and a cathode; and (g) applying an electric field to the multilayer composite, wherein the electric field causes at least some of the polymer molecules to bond to the insulating layer of the first sheet or roll, the insulating layer of the second sheet or roll, or both. It includes a step of applying for an effective time for
일 독립 구현예에서, 에너지 저장 장치를 제조하는 방법은 (a) 격납 장치 내에, 절연층을 포함하는 상부 표면을 갖는 제1 전극을 제공하는 단계; (b) 천공된 비도전성 세퍼레이터 시트를 상기 제1 전극의 절연층상에 위치시키는 단계; (c) 절연층을 포함하는 하부 표면을 갖는 제2 전극을 상기 세퍼레이터 시트 상에 상기 제2 전극의 절연층이 상기 세퍼레이터 시트와 접촉하도록 위치시키는 단계; (d) 유전체 재료를 첨가하여 천공된 세퍼레이터 시트 내의 공간을 채우고 상기 제1 및 제2 전극을 접촉시키는 단계로서, 상기 유전체 재료는 i) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내고, ii) 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 단계; 및 (e) 상기 제1 전극이 양극이 되도록 상기 제1 전극, 상기 유전체 재료 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가함으로써 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 전극의 절연층에 결합시키는 단계로서, 상기 전기장은 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 전극의 절연층에 결합시키 위한 유효 시간 동안 인가된다.In one independent embodiment, a method of manufacturing an energy storage device includes (a) providing a first electrode in a containment device having a top surface comprising an insulating layer; (b) placing a perforated non-conductive separator sheet on the insulating layer of the first electrode; (c) positioning a second electrode having a lower surface including an insulating layer on the separator sheet so that the insulating layer of the second electrode contacts the separator sheet; (d) adding a dielectric material to fill the space in the perforated separator sheet and bring the first and second electrodes into contact, wherein the dielectric material is i) electrically insulative and/or exhibits a high permittivity, and ii) one or more polarities comprising a plurality of polymer molecules having a functional group, an ionizable functional group, or a combination thereof; and (e) coupling at least some of the polymer molecules to the insulating layer of the first electrode by applying an electric field across the first electrode, the dielectric material and the second electrode such that the first electrode becomes an anode. , the electric field is applied for an effective time to couple at least some of the polymer molecules to the insulating layer of the first electrode.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken with reference to the accompanying drawings.
도 1은 예시적인 에너지 저장 장치의 개략도이다.
도 2는 예시적인 에너지 저장 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 다른 예시적인 에너지 저장 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 압연된 형태를 갖는 예시적인 에너지 저장 장치의 개략적인 분해도이다.
도 5는 천공된 세퍼레이트 플레이트를 포함하는 예시적인 에너지 저장 장치의 개략적인 분해도이다.
도 6은 도 5의 에너지 저장 장치의 측단면도이다.
도 7은 개시된 방법의 일 구현예에 의해 제조된 에너지 저장 장치로부터의 음극의 광학 현미경 사진이다.
도 8은 도 7의 에너지 저장 장치로부터의 양극의 광학 사진이다.
도 9는 흐르는 물로 린스한 후에 도 7의 음극의 광학 사진이다.
도 10은 흐르는 물로 린스한 후에 도 8의 양극의 광학 사진이다.
도 11은 소정 각도에서 촬영한, 도 9의 음극의 광학 사진이다.
도 12는 소정 각도에서 촬영한, 도 10의 양극의 광학 사진이다.
도 13은 수동으로 긁어서 결합된 폴리머 분자를 제거한 후의 도 10의 양극의 광학 사진이다. 1 is a schematic diagram of an exemplary energy storage device.
2 is a schematic cross-sectional view of an exemplary energy storage device.
3 is a schematic cross-sectional view of another exemplary energy storage device.
4 is a schematic exploded view of an exemplary energy storage device having a rolled form.
5 is a schematic exploded view of an exemplary energy storage device including a perforated separate plate.
6 is a cross-sectional side view of the energy storage device of FIG. 5;
7 is an optical micrograph of a cathode from an energy storage device made by one embodiment of the disclosed method.
8 is an optical picture of an anode from the energy storage device of FIG. 7;
Figure 9 is an optical photograph of the cathode of Figure 7 after rinsing with running water.
10 is an optical photograph of the anode of FIG. 8 after rinsing with running water.
11 is an optical photograph of the cathode of FIG. 9 taken at an angle.
FIG. 12 is an optical photograph of the anode of FIG. 10 taken from a predetermined angle.
13 is an optical photograph of the anode of FIG. 10 after manual scraping to remove bound polymer molecules.
본 개시는 폴리머 분자를 포함하는 유전체 재료를 포함하는 에너지 저장 장치 및 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부는 상기 에너지 저장 장치의 전극에 결합된다. 상기 에너지 저장 장치는 예를 들어 정전 커패시터와 유사한 정전 유형의 충전/방전 메카니즘을 통해 에너지를 저장한다. 상기 에너지 저장 장치의 구현예는 전자 장치, 벌크 전기 저장, 및 전기 에너지를 사용하거나 이의 저장을 필요로 하는 임의의 다른 장치의 분야에서 유용하다.The present disclosure relates to an energy storage device comprising a dielectric material comprising polymer molecules and a method of manufacturing the energy storage device, wherein at least a portion of the polymer molecules are bonded to electrodes of the energy storage device. The energy storage device stores energy through, for example, an electrostatic type charge/discharge mechanism similar to an electrostatic capacitor. Embodiments of energy storage devices are useful in the fields of electronic devices, bulk electrical storage, and any other device that uses or requires storage of electrical energy.
I. 정의I. Definition
하기 용어 및 약어의 설명은 본 개시를 보다 잘 설명하고 본 개시의 실시에 있어서 당업자를 가이드하기 위해 제공된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하는(comprising)"은 "함유하는(including)"을 의미하고, 단수 형태 또는 "상기(the)"는 그 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 언급을 포함한다. 용어 "또는"은 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 언급된 대체 요소의 단일 요소 또는 둘 이상의 요소의 조합을 지칭한다. The following explanations of terms and abbreviations are provided to better describe the present disclosure and guide those skilled in the art in the practice of the present disclosure. As used herein, “comprising” means “including” and the singular form or “the” refers to plural references unless the context clearly dictates otherwise. include The term “or” refers to a single element or a combination of two or more of the recited alternative elements, unless the context dictates otherwise.
달리 설명되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기술된 것들과 유사하거나 균등한 방법 및 재료가 본 개시의 실시 또는 테스트에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료는 하기에 기술된다. 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적인 것이며 제한하려는 것은 아니다. 본 개시의 다른 특징은 이하의 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백하다.Unless otherwise stated, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in the practice or testing of the present disclosure, suitable methods and materials are described below. The materials, methods and examples are illustrative only and are not intended to be limiting. Other features of the present disclosure are apparent from the following detailed description and claims.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 또는 청구의 범위에서 사용되는 구성 요소, 전압, 온도, 시간 등의 양을 나타내는 모든 숫자는 용어 "약"에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 암시적으로 또는 명시적으로, 제시된 수치 파라미터는 추구되는 원하는 특성 및/또는 당업자에게 공지된 표준 테스트 조건/방법 하의 검출 한계에 의존할 수 있는 근사치이다. 논의된 선행 기술을 구현예와 직접적으로 및 명시적으로 구별하는 경우, 구현예의 숫자는 "약"이라는 단어가 기술되지 않는 한 근사치가 아니다.Unless otherwise indicated, all numbers expressing quantities of components, voltages, temperatures, times, etc., used in the specification or claims are to be understood as being modified by the term "about." Thus, unless otherwise indicated, implicitly or explicitly, numerical parameters presented are approximations that may depend on the desired property sought and/or limits of detection under standard test conditions/methods known to those skilled in the art. Where the prior art discussed is directly and explicitly distinguished from an embodiment, the number of an embodiment is not an approximation unless the word "about" is recited.
본 개시의 다양한 구현예들의 검토를 용이하게 하기 위해, 특정 용어에 대한 설명이 하기에 제공된다:To facilitate review of various embodiments of the present disclosure, explanations of certain terms are provided below:
커패시터(Capacitor): 유전체라고 불리는 실질적으로 비도전성 재료에 의해 분리된 2개의 도전성 플레이트를 포함하는 에너지 저장 장치. 커패시터의 용량(capacitance) 값 또는 저장 용량은 플레이트의 크기, 플레이트 사이의 거리 및 유전체의 특성에 따라 달라진다. 이 관계는 식 1에 도시되어 있다: Capacitor : An energy storage device comprising two conductive plates separated by a substantially non-conductive material called a dielectric . The capacitance value or storage capacity of a capacitor depends on the size of the plates, the distance between the plates and the characteristics of the dielectric. This relationship is shown in Equation 1:
식 1: C = (e 0 ·e r ·A)/d Equation 1: C = (e 0 e r A)/d
여기서 e 0 = 진공의 전기 유전율(8.8542 × 10-12 F/m), e r = 비유전율(아래에 정의됨), A = 한 플레이트의 표면적(동일한 크기), 및 d = 두 플레이트 사이의 거리.where e 0 = electric permittivity of vacuum (8.8542 × 10 -12 F/m), e r = relative permittivity (defined below), A = surface area of one plate (of equal size), and d = distance between two plates .
유전체 재료(Dielectric material): 인가된 전기장에 의해 분극될 수 있는 전기 절연체. 본 명세서에서 사용되는 용어 "유전체 재료"는 하나 이상의 극성 관능기 및/또는 이온화 가능한 관능기를 포함하는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 재료를 지칭한다. Dielectric material : An electrical insulator that can be polarized by an applied electric field. As used herein, the term “dielectric material” refers to a material comprising a plurality of polymer molecules comprising one or more polar functional groups and/or ionizable functional groups.
절연 파괴 전압(Dielectric breakdown voltage): 유전체 재료가 "파괴되어" 전류가 전도되는 전압. 절연 파괴 전압은 재료의 절연 강도의 지표이다. Dielectric breakdown voltage: The voltage at which the dielectric material “breaks down” and conducts current. Dielectric breakdown voltage is an indicator of the dielectric strength of a material.
유도체화된 ( Derivatized ): 폴리머와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 용어 "유도체화된"은 화학적 변형을 통해 관능기가 첨가된 폴리머를 지칭한다. 예를 들어, 단백질은 말레산 무수물로 유도체화되어 말레산 관능기를 갖는 단백질을 제공할 수 있다. Derivatized : The term “derivatized,” as used herein with reference to polymers , refers to polymers to which functional groups have been added through chemical transformation. For example, proteins can be derivatized with maleic anhydride to provide proteins with maleic acid functionality.
전기 절연성 재료 또는 절연체(Electrically insulative material or insulator): 절연체는 내부 전하가 자유롭게 흐르지 않는 재료로서, 따라서 절연체는 전류가 거의 또는 전혀 전도되지 않는다. 완벽한 절연체가 존재하지 않는다는 것을 인식하면서, 본 명세서에서 사용된 용어 "전기 절연성 재료"는 주로 절연성인 재료, 즉 커패시터로서 정상적인 사용 중에 재료를 가로질러 인가된 전기장을 초과하는 역치 파괴장(threshold breakdown field)을 가져서, 정상적인 사용 중에 전기 파괴를 피할 수 있는 재료를 의미한다. Electrically insulative material or insulator : An insulator is a material through which internal charge does not flow freely, and therefore it conducts little or no current. Recognizing that no perfect insulator exists, the term "electrically insulating material" as used herein refers to a material that is primarily insulating, i.e., a capacitor, which has a threshold breakdown field that exceeds the electric field applied across the material during normal use. ), which means a material capable of avoiding electrical breakdown during normal use.
전극(Electrode): 본 명세서에서 사용되는 용어 "전극"은 전기 도체(예를 들어, 금속), 또는 전기 도체 및 상기 전기 도체의 표면상의 비도전성 재료를 포함하는 "복합" 전극을 지칭한다. Electrode: As used herein, the term “electrode” refers to an electrical conductor (eg, metal) or a “composite” electrode comprising an electrical conductor and a non-conductive material on the surface of the electrical conductor.
관능기 (Functional group): 특정 화학 반응 및/또는 분자의 정전기적 상호 작용을 담당하는 분자 내의 특정 원자 그룹. 예시적인 관능기는, 제한 없이, 할로(플루오로, 클로로, 브로모, 요오도), 에폭시드, 히드록실, 카보닐(케톤), 알데히드, 카보네이트 에스테르, 카복실레이트, 에테르, 에스테르, 퍼옥시, 히드로퍼옥시, 카복스아미드, 아민(1차, 2차, 3차), 암모늄, 아미드, 이미드, 아지드, 시아네이트, 이소시아네이트, 티오시아네이트, 니트레이트, 니트라이트, 니트릴, 니트로알칸, 니트로소, 피리딜, 포스페이트, 술포닐, 술피드, 티올(술포히드릴) 및 디술피드기를 포함한다. 극성 관능기는 사용 환경에서 이온을 형성하지는 않지만, 대신 분자 내에서 양전하 및 음전하의 부분적 분리를 제공한다. 이온화 가능한 관능기는 사용 환경에서 이온화 상태(예를 들어, -COOH 대 COO-, -NH3 대 NH4 +)일 수 있는 것들이다. Functional group: A specific group of atoms within a molecule that is responsible for specific chemical reactions and/or electrostatic interactions of molecules. Exemplary functional groups include, without limitation, halo (fluoro, chloro, bromo, iodo), epoxide, hydroxyl, carbonyl (ketone), aldehyde, carbonate ester, carboxylate, ether, ester, peroxy, hydro Peroxy, carboxamide, amine (primary, secondary, tertiary), ammonium, amide, imide, azide, cyanate, isocyanate, thiocyanate, nitrate, nitrite, nitrile, nitroalkane, nitro bovine, pyridyl, phosphate, sulfonyl, sulfide, thiol (sulfohydryl) and disulfide groups. Polar functional groups do not form ions in the environment of use, but instead provide partial separation of positive and negative charges within a molecule. Ionizable functional groups are those that may be in an ionized state in the environment of use (eg, -COOH to COO-, -NH 3 to NH 4 + ).
절연 또는 비도전성 층/코팅( Insulative or noncouductive layer/coating): 본 명세서에서 사용되는 용어 "절연층", "절연 코팅", "비도전성층" 및 "비도전성 코팅"은 오믹 전도도 면에서 전기 절연성인 재료의 층 또는 코팅을 지칭하며, 즉 상기 재료는 1 × 10-1 S/m(Siemens per meter) 미만의 오믹 전도도를 갖는다. Insulative or non - conductive layer/coating : As used herein, the terms “insulative layer,” “insulating coating,” “non-conductive layer,” and “non-conductive coating” refer to an electrically insulative property in terms of ohmic conductivity. refers to a layer or coating of a phosphorus material, ie the material has an ohmic conductivity of less than 1×10 −1 Siemens per meter (S/m).
파릴렌 ( Parylene ): 중합된 p-자일릴렌(PuraleneTM 폴리머로도 알려짐), 또는 중합 치환된 p-자일릴렌으로 알려져 있다. 중합된 p-자일릴렌은 하기 화학식을 만족한다: Parylene : Also known as polymerized p-xylylene (also known as Puralene ™ polymer), or polymerized substituted p - xylylene. Polymerized p-xylylene satisfies the formula:
. .
유전율( Permittivity ): 본 명세서에서 사용되는 용어 "유전율"은 재료가 분극됨으로써 재료의 공간 체적의 "유전 상수"를 진공의 유전율보다 높게 변화시키는 능력을 지칭한다. 재료의 비유전율 (relative permittivity )은 식 2에 도시된 바와 같이 정적 유전율 상수 측정치를 진공의 유전 상수로 나눈 값이다. Permittivity : As used herein, the term "permittivity" refers to the ability of a material to change the "dielectric constant" of its spatial volume to be higher than the permittivity of vacuum by being polarized. The relative permittivity of a material is the measured static permittivity constant divided by the dielectric constant of vacuum , as shown in Equation 2.
식 2: e r = e s /e 0 Equation 2: e r = e s /e 0
여기서 : e r = 비유전율, e s = 측정된 유전율 및 e 0 = 진공의 전기 유전율(8.8542 × 10-12 F/m). 진공은 비유전율이 1인 반면, 물은 비유전율이 80.1(20℃)이고 유기 코팅은 일반적으로 3 내지 8의 비유전율을 갖는다. 일반적으로, 용어 "고유전율"은 적어도 3.3의 비유전율을 갖는 재료를 말한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "고유전율(high permittivity)"은 또한 전기장 내 침지와 같은 유전율 향상 기술을 사용하여 적어도 10% 만큼 증가된 유전율을 갖는 재료를 지칭한다.where: e r = relative permittivity, e s = measured permittivity and e 0 = electric permittivity of vacuum (8.8542 × 10 -12 F/m). Vacuum has a relative permittivity of 1, whereas water has a relative permittivity of 80.1 (at 20°C) and organic coatings generally have a relative permittivity of 3 to 8. Generally, the term "high permittivity" refers to a material having a relative permittivity of at least 3.3. As used herein, the term “high permittivity” also refers to a material that has a permittivity that is increased by at least 10% using permittivity enhancement techniques such as immersion in an electric field.
올리고( Oligo ): "몇 개"를 의미하는 접두어. 예를 들어 올리고펩티드는 아미드 결합을 통해 결합된 2 내지 20개의 아미노산을 포함할 수 있고, 반면 폴리펩티드는 20개보다 많은 아미노산을 포함한다. 올리고펩티드는 디펩티드, 트리펩티드, 테트라펩티드, 펜타펩티드 등을 포함한다. Oligo : A prefix meaning "a few". For example, an oligopeptide may contain 2 to 20 amino acids linked via amide bonds, whereas a polypeptide contains more than 20 amino acids. Oligopeptides include dipeptides, tripeptides, tetrapeptides, pentapeptides and the like.
극성(Polar): 용어 "극성"은 전자가 원자들 사이에서 동등하게 공유되지 않아, 즉 양전하 및 음전하의 영역이 영구적으로 분리된 화합물 또는 화합물 내의 관능기를 의미한다. Polar: The term “polar” refers to a compound or functional group within a compound in which electrons are not shared equally between atoms, ie regions of positive and negative charge are permanently separated.
폴리펩티드(Polypeptide): 아미드 결합을 통해 결합된 20개 초과의 아미노산 또는 폴리머. 용어 폴리펩티드는 합성 폴리펩티드뿐만 아니라 천연 폴리펩티드도 포함한다. Polypeptide: More than 20 amino acids or polymers joined via amide linkages. The term polypeptide includes natural as well as synthetic polypeptides.
폴리머 / 폴리머 분자(Polymer/polymeric molecule): 화학 반응, 즉 중합을 통해 형성된 반복 구조 단위(예: 모노머)의 분자. Polymer / polymeric molecule: A molecule of repeating structural units (eg monomers) formed through a chemical reaction, i.e. polymerization.
입체 구속형 유전체 필름(sterically constrained dielectric film): 본 명세서에 사용되는 용어 "입체 구속형 유전체 필름"은 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 전기 절연성이고/이거나 고유전율의 유전체 필름으로서, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부는 입체 구속형으로서, 즉, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부는 상기 유전체 재료 내에서 전체 폴리머 분자의 물리적 운동이 제한된다. 입체 구속은 상기 폴리머 분자의 일부가 상기 유전체 필름과 접촉하는 전극 표면에 결합될 때 발생한다. 상기 폴리머 분자는 본 명세서에 개시된 방법의 구현예에 의해 전극 표면에 결합될 수 있다. Sterically constrained dielectric film: As used herein, the term "sterically constrained dielectric film" is an electrically insulating and/or comprising a plurality of polymer molecules having one or more polar functional groups, ionizable functional groups or combinations thereof. As a high permittivity dielectric film, at least some of the polymer molecules are sterically confined, that is, at least some of the polymer molecules are constrained in physical motion of the entire polymer molecule within the dielectric material. Steric confinement occurs when some of the polymer molecules are bonded to the electrode surface in contact with the dielectric film. The polymer molecules may be bonded to the electrode surface by embodiments of the methods disclosed herein.
II. 입체 구속형 유전체 필름을 갖는 에너지 저장 장치II. Energy storage device with three-dimensionally confined dielectric film
에너지 저장 장치의 구현예는 실질적으로 서로 평행한 2개의 도전성 표면(전극) 및 상기 도전성 표면들 사이의 입체 구속형 유전체 필름을 포함한다. 상기 장치는 상기 전극들 중 하나 또는 둘 다의 위에 절연층 또는 코팅을 더 포함할 수 있다. 상기 유전체 재료는 복수의 폴리머 분자를 포함하며, 이들 중 적어도 일부는 전극들 중 하나에, 또는 전극상의 절연층에 결합된다.An embodiment of an energy storage device includes two conductive surfaces (electrodes) substantially parallel to each other and a three-dimensionally confined dielectric film between the conductive surfaces. The device may further include an insulating layer or coating over one or both of the electrodes. The dielectric material includes a plurality of polymer molecules, at least some of which are bonded to one of the electrodes or to an insulating layer on the electrode.
A. 전극A. electrode
일부 구현예에서, 전극은 평면 또는 실질적으로 평면이다. 각각의 전극은 독립적으로 매끄러운 표면 또는 거친 표면을 가질 수 있다. 거친 전극은 예를 들어 탄소 입자로 제조될 수 있고, 이들은 연마된 금속으로 제조된 전극과 같은 매끄러운 전극보다 훨씬 더 많은 표면적을 전극에 제공한다. 선택되는 표면 거칠기의 양은 주어진 에너지 저장 장치 또는 전기 용량성 장치에 대해 요구될 수 있는 외부 전기 파라미터에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 매끄러운 전극을 포함하는 에너지 저장 장치와 비교하여, 거친 전극을 포함하는 유사한 에너지 저장 장치는 수 마이크로초 내지 밀리초와 같은 짧은 시간 동안 훨씬 더 빠른 충전 및 방전 전류량(예를 들어, 100배 더 빠름)을 가질 수 있고, 또한 매끄러운 전극을 갖는 에너지 저장 장치에 의해 제공되는 방전 속도와 유사한 느린 방전 속도가 뒤따른다.In some embodiments, the electrode is planar or substantially planar. Each electrode may independently have a smooth or rough surface. Rough electrodes can be made, for example, from carbon particles, which provide the electrode with much more surface area than smooth electrodes, such as electrodes made of polished metal. The amount of surface roughness selected may depend, at least in part, on external electrical parameters that may be required for a given energy storage or capacitive device. Compared to energy storage devices that include smooth electrodes, similar energy storage devices that include rough electrodes have much faster charge and discharge currents (e.g., 100 times faster) for shorter time periods, such as a few microseconds to milliseconds. , followed by a slow discharge rate similar to that provided by energy storage devices with smooth electrodes.
B. B. 절연층insulation layer
각각의 전극은 하나 이상의 표면상에 절연(비도전성)층 또는 절연 코팅으로 피복될 수 있다. 절연 코팅을 갖는 전극은 "복합 전극(composite electrode)"으로 지칭된다. 상기 에너지 저장 장치에서, 상기 복합 전극은 상기 절연층이 상기 유전체 재료와 접촉하도록 배향된다. 상기 절연층은 전극을 위한 증가된 절연 특성을 제공할 뿐만 아니라 첨가될 유전체 재료를 위한 결합 부위를 제공한다. 상기 절연층은 1 × 10-1 S/m 미만의 오믹 전도도를 갖는다. 일부 구현예에서, 상기 절연층은 1 × 10-2 S/m 미만, 1 × 10-5 S/m 미만 또는 1 × 10-10 S/m 미만의 오믹 전도도를 갖는다. 특정 구현예에서, 오믹 전도도는 1 × 10-25 S/m 내지 1 × 10-1 S/m, 1 × 10-10 S/m 내지 1 × 10-1 S/m, 또는 1 × 10-5 S/m 내지 1 × 10-1 S/m이다. 상기 코팅은 두께가 수 nm 내지 10 ㎛ 초과의 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 절연층은 5 nm 내지 10 ㎛, 예를 들어 0.1 내지 10 ㎛, 0.3 내지 10 ㎛, 0.3 내지 5 ㎛ 또는 0.3 내지 2 ㎛의 평균 두께를 갖는다. 일 구현예에서, 상기 코팅은 상기 제1 전극의 외부 표면으로부터 상기 제2 전극의 외부 표면까지 측정되는 커패시터의 전체 두께의 10% 미만인 평균 두께를 갖는다. 상기 절연성 코팅은 기상 증착, 액체 분무, 및 코팅 도포 분야의 당업자에게 공지된 다른 기술을 포함하는 임의의 적합한 수단에 의해 도포될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 절연 코팅은 예를 들어 US 2014/0139974에 개시된 바와 같은 PuraleneTM 폴리머 코팅과 같은 중합된 p-자일릴렌이다.Each electrode may be covered with an insulating (non-conductive) layer or insulating coating on one or more surfaces. An electrode with an insulating coating is referred to as a “composite electrode”. In the energy storage device, the composite electrode is oriented such that the insulating layer is in contact with the dielectric material. The insulating layer provides increased insulating properties for the electrodes as well as bonding sites for the dielectric material to be added. The insulating layer has an ohmic conductivity of less than 1×10 −1 S/m. In some embodiments, the insulating layer has an ohmic conductivity of less than 1×10 −2 S/m, less than 1×10 −5 S/m, or less than 1×10 −10 S/m. In certain embodiments, the ohmic conductivity is between 1 x 10 -25 S/m and 1 x 10 -1 S/m, between 1 x 10 -10 S/m and 1 x 10 -1 S/m, or 1 x 10 -5 S/m to 1 × 10 -1 S/m. The coating can range in thickness from a few nm to more than 10 μm. In some embodiments, the insulating layer has an average thickness of 5 nm to 10 μm, such as 0.1 to 10 μm, 0.3 to 10 μm, 0.3 to 5 μm or 0.3 to 2 μm. In one embodiment, the coating has an average thickness that is less than 10% of the total thickness of the capacitor measured from the outer surface of the first electrode to the outer surface of the second electrode. The insulative coating may be applied by any suitable means including, but not limited to, vapor deposition, liquid spraying, and other techniques known to those skilled in the art of coating application. Exemplary insulating coatings are polymerized p-xylylene, such as Puralene ™ polymer coatings, for example as disclosed in US 2014/0139974.
상기 절연층은 적절한 코모노머로 개질되어 증가된 유전율, 및/또는 상기 유전체 재료의 폴리머 분자에 대한 부착 부위를 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 코모노머는 하나 이상의 불포화 결합을 포함한다. 중합된 p-자일릴렌을 포함하는 절연층은 예를 들어 올레핀, 비닐 유도체, 알키닐 유도체, 아크릴 화합물, 알릴 화합물, 카보닐, 시클릭 에테르, 시클릭 아세탈, 시클릭 아미드, 옥사졸린 및 이들의 조합을 포함하나 이에 한정되지 않는 코모노머의 함유에 의해 개질될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 코모노머는 아크릴레이트(예, 2-카복시에틸 아크릴레이트), 메타크릴레이트(예, 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트), α-피넨, R-(-)카르본, 리날룰, 시클로헥센, 디펜텐, α-테르피넨, R-(+)-리모넨 및 이들의 조합이다. 코폴리머는 교호 모노머를 포함하거나 또는 블록 코폴리머의 형태일 수 있다.The insulating layer may be modified with suitable comonomers to provide increased permittivity and/or attachment sites for polymer molecules of the dielectric material. In some embodiments, the comonomer contains one or more unsaturated bonds. The insulating layer containing polymerized p-xylylene is, for example, olefin, vinyl derivative, alkynyl derivative, acryl compound, allyl compound, carbonyl, cyclic ether, cyclic acetal, cyclic amide, oxazoline and these may be modified by the inclusion of comonomers, including but not limited to combinations. In some embodiments, the comonomer is an acrylate (eg, 2-carboxyethyl acrylate), a methacrylate (eg, 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate), α-pinene, R-(- ) carvone, linalool, cyclohexene, dipentene, α-terpinene, R-(+)-limonene, and combinations thereof. Copolymers may include alternating monomers or may be in the form of block copolymers.
C. C. 폴리머polymer 분자를 포함하는 유전체 재료 Dielectric material containing molecules
상기 에너지 저장 장치의 일부 구현예는 단일 유전체 재료층을 포함하는 유전체 필름을 포함하고, 다른 구현예는 다층 유전체 재료를 포함하는 유전체 필름을 포함한다. 상기 다층 유전체 재료는 증착 사이에 표면 개질을 갖거나 갖지 않고 여러번 증착되는 단일 재료로 형성될 수 있다. 대안으로, 각각의 층은 상이한 화학 조성을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 장치는 상이한 전기 유전율을 갖는 2 이상의 유전체층을 포함하는 유전체 필름으로 구성된다. 상기 유전체 필름은 수 ㎛ 내지 수 ㎜ 범위의 평균 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 유전체 필름은 10 ㎛ 내지 5 ㎜, 예를 들어 10 ㎛ 내지 1 ㎜, 10 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 250 ㎛와 같은 평균 두께를 갖는다. 일부 구현예에서, 상기 유전체 필름은 80 내지 120 ㎛의 평균 두께, 예를 들어 100 ㎛의 평균 두께를 갖는다.Some embodiments of the energy storage device include a dielectric film comprising a single dielectric material layer, and other embodiments include a dielectric film comprising multiple layers of dielectric material. The multilayer dielectric material may be formed from a single material that is deposited multiple times, with or without surface modification between depositions. Alternatively, each layer may have a different chemical composition. In some embodiments, the device is composed of a dielectric film comprising two or more dielectric layers having different electrical permittivities. The dielectric film may have an average thickness ranging from several μm to several mm. In some embodiments, the dielectric film has an average thickness such as 10 μm to 5 mm, such as 10 μm to 1 mm, 10 μm to 500 μm, or 50 μm to 250 μm. In some embodiments, the dielectric film has an average thickness between 80 and 120 μm, for example an average thickness of 100 μm.
일부 구현예에서, 상기 유전체 재료는 액체 특성을 가지며, 꿀과 유사한 또는 그 이상의 점도를 갖는다. 특정 구현예에서, 상기 유전체 재료는 10,000 cP 내지 250,000 cP의 점도를 갖는다. 일 독립 구현예에서, 상기 유전체 재료는 고체이다.In some embodiments, the dielectric material has liquid properties and has a viscosity similar to or greater than that of honey. In certain embodiments, the dielectric material has a viscosity of 10,000 cP to 250,000 cP. In one independent embodiment, the dielectric material is a solid.
상기 유전체 재료는 실질적으로 도전성이 없을 수 있다: 즉, 상기 유전체 재료는 양 전극에서 또는 그 근처에서 산화/환원되지 않고 오믹 도전성을 나타내지 않는다. 따라서, 개시된 에너지 저장 장치의 구현예는 종래의 전기 화학 전지가 아니라, 정전 커패시터와 더 밀접하게 관련되어 있다. 그러나, 상기 유전체 재료는 종래의 전기 화학 전지 또는 정전 커패시터보다 장시간 동안 더 많은 양의 비 에너지(specific energy)를 저장할 수 있다.The dielectric material may be substantially non-conductive: that is, the dielectric material is not oxidized/reduced at or near the positive electrodes and exhibits no ohmic conductivity. Thus, embodiments of the disclosed energy storage devices are more closely related to electrostatic capacitors, rather than conventional electrochemical cells. However, the dielectric material can store a greater amount of specific energy for a longer period of time than a conventional electrochemical cell or electrostatic capacitor.
일부 구현예에서, 상기 에너지 저장 장치는 비도전성인 고유전율 유전체 재료를 포함한다. 비도전성 고유전율 유전체의 두 가지 비제한적 예는 쉘락(shellac) 매트릭스 내의 제인(zein) 및 말레산 무수물로 유도체화된 단백질이다. 다른 구현예에서, 상기 유전체 재료는 도전성이며; 이러한 구현예에서, 상기 전극은 전형적으로 오믹 전기 전도를 완화시키거나 방지하기 위해 전술한 절연층으로 코팅된다. 상기 유전체 재료가 2.5 MΩ/㎠ 미만의 저항을 갖는 경우, 절연층이 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 에너지 저장 장치는 적어도 10 내지 2,000,000의 유전율 및 1 S/m 내지 1 × 10-25 S/m의 오믹 전도를 갖는 유전체 재료를 포함한다.In some embodiments, the energy storage device includes a high-k dielectric material that is non-conductive. Two non-limiting examples of non-conductive high-k dielectrics are proteins derivatized with zein and maleic anhydride in a shellac matrix. In another embodiment, the dielectric material is conductive; In this embodiment, the electrode is typically coated with an insulating layer described above to mitigate or prevent ohmic electrical conduction. If the dielectric material has a resistance of less than 2.5 MΩ/cm 2 , an insulating layer may be used. In some embodiments, the energy storage device includes a dielectric material having a permittivity of at least 10 to 2,000,000 and an ohmic conductance of 1 S/m to 1 x 10 −25 S/m.
개시된 에너지 저장 장치의 구현예는 극성 관능기 및/또는 이온화 가능한 관능기를 갖는 폴리머 분자를 포함하는 유전체 재료를 포함하여, 그 결과 분자내 쌍극자 및 쌍극자 모멘트를 생성한다. 상기 폴리머 분자는 하나 이상의 이중 결합을 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 유전체 재료는 상기 에너지 저장 장치의 두 전극과 접촉하는 필름이다. 전형적으로, 접촉은 상기 필름과 상기 전극의 전체 접촉면 사이의 직접적인 물리적 접촉으로 기술될 수 있다. 유전체 재료는 "나(bare)" 금속 또는 탄소계 전극 표면, 또는 복합 전극의 절연층과 접촉할 수 있다.Embodiments of the disclosed energy storage devices include dielectric materials comprising polymer molecules having polar functional groups and/or ionizable functional groups, resulting in intramolecular dipoles and dipole moments. The polymer molecule may further include one or more double bonds. In some embodiments, the dielectric material is a film that contacts the two electrodes of the energy storage device. Typically, contact can be described as direct physical contact between the film and the entire contact surface of the electrode. The dielectric material may be in contact with the “bare” metal or carbon-based electrode surface, or with the insulating layer of the composite electrode.
일부 구현예에서, 상기 폴리머 분자는 극성 폴리머이다. 단백질은 낮은 독성을 갖는 쉽게 구할 수 있고 저렴한 극성 폴리머이다. 낮은 독성은 다른 폴리머에 비해 큰 장점으로서, 상기 에너지 저장 장치를 재활용하거나 소각할 수 있도록 한다. 단백질 분자는 극성 관능기 및/또는 이온화 가능한 관능기를 갖는 아미노산을 포함한다. 다른 적합한 폴리머는 치환된(예: 플루오르화된) 및 비치환된 파릴렌 폴리머, 아크릴산 폴리머, 메타크릴산 폴리머, 폴리에틸렌 글리콜, 우레탄 폴리머, 에폭시 폴리머, 실리콘 폴리머, 유기 테르페노이드 폴리머, 천연 유기 폴리머(쉘락(shellac)과 같은 수지), 폴리이소시아네이트 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 또한 코폴리머, 예를 들어 아크릴레이트 코폴리머(예: 에틸렌부틸-, 에틸- 및 메틸-아크릴레이트와의 코폴리머) 및 파릴렌 코폴리머(예: p-자일릴렌과 아크릴레이트(예: 2-카복시에틸 아크릴레이트), 메타크릴레이트(예: 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트), α-피넨, R-(-)카르본, 리날룰, 시클로헥센, 디펜텐, α-테르피넨, R-(+)-리모넨 및 이들의 조합과의 코폴리머)이 본 명세서의 범위 내에 있다. 극성 폴리머의 비제한적인 예로는 제인(zein), 대마 단백질(hemp protein), 밀 글루텐(wheat gluten), 폴리(아크릴산-코-말레산), 폴리(아크릴산), 유청 단백질 분리물(whey protein isolate), 대두 단백질 분리물(soy protein isolate), 완두 단백질 추출물(pea protein extract), 쉘락(shellac) 및 이들의 조합을 포함한다.In some embodiments, the polymer molecule is a polar polymer. Proteins are readily available and inexpensive polar polymers with low toxicity. Low toxicity is a great advantage over other polymers, allowing the energy storage device to be recycled or incinerated. Protein molecules include amino acids with polar functional groups and/or ionizable functional groups. Other suitable polymers include substituted (eg fluorinated) and unsubstituted parylene polymers, acrylic acid polymers, methacrylic acid polymers, polyethylene glycols, urethane polymers, epoxy polymers, silicone polymers, organic terpenoid polymers, natural organic polymers. (resins such as shellac), polyisocyanates, and combinations thereof. Also copolymers such as acrylate copolymers (e.g. copolymers with ethylenebutyl-, ethyl- and methyl-acrylates) and parylene copolymers (e.g. p-xylylene with acrylates (e.g. 2- carboxyethyl acrylate), methacrylates (e.g. 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate), α-pinene, R-(-)carvone, linalool, cyclohexene, dipentene, α-ter copolymers with pinene, R-(+)-limonene, and combinations thereof) are within the scope of this disclosure. Non-limiting examples of polar polymers include zein, hemp protein, wheat gluten, poly(acrylic acid-co-maleic acid), poly(acrylic acid), whey protein isolate ), soy protein isolate, pea protein extract, shellac, and combinations thereof.
특정 구현예에서, 폴리머 분자는 유도체화되어 나전극 표면(즉, 나금속 표면 또는 탄소 표면) 또는 복합 전극 표면에 폴리머 분자의 후속 결합을 촉진시키는 관능기와 같은 부가적인 관능기가 부착된다. 예시적인 유도체화제에는 무수물, 카보디이미드, 이미도에스테르, 및 N-히드록시숙신이미드 및 말레이미드, 아릴아지드 또는 디아지린기의 조합을 포함하는 시약이 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 폴리머는 말레산 무수물, 이타콘산 무수물, 시스-4-시클로헥센-1,2-디카복실산 무수물 또는 시스-5-노르보르넨-엔도-2,3-디카복실산 무수물과 같은 무수물로 유도체화된다. 유도체화된 폴리머 분자는 전극 표면과의 가교 결합 또는 다른 반응에 의해 전극 표면에 결합될 수 있다. 폴리머 분자가 말레산 무수물로 유도체화되는 경우, 예를 들어 유도체화 폴리머 분자는 이중 결합을 통해 가교 결합될 수 있다. 가교 결합은 화학 작용제(예를 들어, 라디칼 개시제), 자외선 광 활성화 또는 열 활성화와 같은 임의의 적합한 수단에 의해 수행될 수 있다.In certain embodiments, the polymer molecule is derivatized to attach additional functional groups, such as functional groups that promote subsequent incorporation of the polymer molecule to the bare electrode surface (ie, bare metal surface or carbon surface) or composite electrode surface. Exemplary derivatizing agents include, but are not limited to, anhydrides, carbodiimides, imidoesters, and reagents comprising a combination of N-hydroxysuccinimide and maleimide, arylazide, or diazirine groups. In some embodiments, the polymer is an anhydride such as maleic anhydride, itaconic anhydride, cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride or cis-5-norbornene-endo-2,3-dicarboxylic anhydride. is derivatized with The derivatized polymer molecule can be bound to the electrode surface by cross-linking or other reaction with the electrode surface. When a polymer molecule is derivatized with maleic anhydride, for example the derivatized polymer molecule can be cross-linked via a double bond. Crosslinking may be effected by any suitable means such as chemical agents (eg radical initiators), ultraviolet light activation or thermal activation.
본 발명자들은 놀랍게도 상기 특성을 갖는 폴리머 분자가, 입체 구속형일 때, 비록 폴리머 분자가 전극 사이에서 자유롭게 운동할 수 없더라도 에너지 저장에 사용될 수 있음을 발견했다. 폴리머 분자는, 전극 및 상기 폴리머 분자를 포함하는 유전체 재료를 포함하는 에너지 저장 장치를 충전 및/또는 방전하기 전에, 공유 결합(단일 또는 다중), 반 데르 발스 힘 또는 수소 결합을 포함하는 임의의 수단에 의해 복합 전극의 나전극 표면 또는 복합 전극의 비도전성 또는 절연 코팅에 상기 폴리머 분자를 결합시킴으로써 입체적으로 구속될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 폴리머 분자는 양극에 결합된다. 에너지 저장 장치가 전자 회로에서 후속적으로 사용될 때와 같이, 후속적 사용 동안 에너지 저장 장치가 충전 및 방전될 때 폴리머 분자는 전극에 결합된 채로 유지된다.The present inventors have surprisingly found that polymer molecules having the above properties can be used for energy storage when sterically confined, even though the polymer molecules cannot move freely between electrodes. Any means including covalent bonding (single or multiple), van der Waals forces or hydrogen bonding prior to charging and/or discharging the energy storage device comprising an electrode and a dielectric material comprising the polymer molecule. It can be sterically constrained by binding the polymer molecule to the surface of the bare electrode of the composite electrode or to the non-conductive or insulating coating of the composite electrode. In some embodiments, the polymer molecule is bonded to an anode. The polymer molecules remain bound to the electrodes as the energy storage device is charged and discharged during subsequent use, such as when the energy storage device is subsequently used in an electronic circuit.
유전체 재료를 포함하는 에너지 저장 장치에서, 상기 전극으로부터의 외부 전기장의 부과는 유전체 재료 층에서의 현재 위치로부터 얻을 수 있는 이온 또는 쌍극자의 최저 에너지 상태의 붕괴를 유도한다. 따라서, 전기장이 인가될 때, 쌍극자 또는 이온은 휴지 위치(즉, 전기장이 인가되기 전의 위치)에서 운동하고, 이어서 재료 내의 전하 분포의 재배열이 유도된다. 이것은 유전체 재료 전체에 걸쳐 계속되는 다른 모든 쌍극자의 다른 재배치로 이어진다. 열로 전환되지 않은 에너지는 유전체 재료에 흡수된다. 에너지가 방출되는 경우, 만일 저장된 에너지가 증가된 열 운동(온도에 비례하는 임의의 분자 운동)과 같은 다른 메커니즘을 통해 방출되지 않는다면, 이 과정의 역전이 일어날 수 있다.In an energy storage device comprising a dielectric material, the imposition of an external electric field from the electrode induces the collapse of the lowest energy state of the ion or dipole obtainable from its present position in the dielectric material layer. Thus, when an electric field is applied, the dipoles or ions move from their resting position (i.e., the position before the electric field is applied), which in turn induces a rearrangement of the charge distribution within the material. This leads to a different rearrangement of all other dipoles that continues throughout the dielectric material. Energy not converted to heat is absorbed by the dielectric material. When energy is released, the reverse of this process can occur if the stored energy is not released through some other mechanism, such as increased thermal motion (random molecular motion proportional to temperature).
임의의 특정 이론에 의해 구속되기를 바라지 않지만, 큰 분자 내에서, 분자의 다른 부분은 제자리에 결합되어 있어 낮은 에너지 레벨로의 전체적 운동 및 전극에 결합되고 열 운동 형태로는 방출되지 않을 전위 에너지의 후속적 방출을 충분히 방지하면서, 분자의 오직 일부의 운동만이 일어날 수 있다고 믿어진다. 이러한 운동의 구속은 유전체 분자의 자유도를 감소시키고 결과적으로 전기장에서 열로 흡수된 에너지를 분산시키는 분자의 능력을 감소시킨다. 따라서, 결합된 폴리머 분자는 폴리머 분자가 감소된 자유도로 인해 열의 형태로 에너지를 방출할 수 없도록 전기장에 결합한다. 거대 분자의 특정 부분의 운동은 생물학적 거대 분자를 분석하기 위해 그러한 기술을 사용하는 사람들에게 알려진 전기 영동 움직임과 관련될 수 있으며 이와 유사하다.While not wishing to be bound by any particular theory, within a large molecule, different parts of the molecule are bonded in place resulting in global motion to lower energy levels and subsequent potential energy bonded to the electrodes and not released in the form of thermal motion. It is believed that motion of only a portion of the molecule can occur, sufficiently preventing enemy emission. This restraint of motion reduces the degree of freedom of the dielectric molecules and consequently reduces the ability of the molecules to dissipate the energy absorbed as heat in the electric field. Thus, bound polymer molecules bind to the electric field such that the polymer molecules cannot release energy in the form of heat due to the reduced degree of freedom. The motion of certain parts of macromolecules can be related to, and similar to, electrophoretic motion known to those who use such techniques to analyze biological macromolecules.
임의의 특정 이론에 의해 구속되기를 바라지 않지만, 상기 폴리머의 일부가 전극 (또는 전극상의 코팅)에 결합될 때, 상기 폴리머의 나머지 부분은 전기장에 반응하여 극성 및/또는 이온화 가능한 관능기가 재배향되면서 유전체 필름 내에서 폴리머가 신장, 꼬임 또는 구부러질 수 있다고 믿어진다. 입체구조(Conformation) 및 위치의 이러한 변화는 에너지 저장 장치 내에서 에너지를 저장한다. 에너지 저장 장치가 방전될 때, 저장된 에너지는 결합된 폴리머 분자가 덜 규칙적인 입체구조로 복귀하면서 전기에너지로서 방출된다. 폴리머 분자의 적어도 일부가 감소된 자유도를 갖는, 폴리머 분자들을 포함하는 유전체 재료는 "입체 구속형 유전체 필름"으로 지칭된다.While not wishing to be bound by any particular theory, when a portion of the polymer is bonded to an electrode (or coating on an electrode), the remainder of the polymer reacts to an electric field to reorient the polar and/or ionizable functional groups while making the dielectric dielectric It is believed that the polymer can be stretched, twisted or bent within the film. These changes in conformation and position store energy within the energy storage device. When the energy storage device is discharged, the stored energy is released as electrical energy as the bound polymer molecules revert to a less regular three-dimensional structure. A dielectric material comprising polymer molecules, in which at least some of the polymer molecules have a reduced degree of freedom, is referred to as a "sterically constrained dielectric film".
따라서, 개시된 에너지 저장 장치의 구현예는 폴리머 분자를 포함하는 입체 구속형 유전체 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 입체 구속형 유전체 재료에서 상기 폴리머 분자의 적어도 1%, 적어도 10%, 적어도 25%, 적어도 50%, 적어도 80%, 또는 적어도 90%가 전극에 결합되어 있다. 특정 구현예에서, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부는 양극에 결합된다. 상기 전극이 복합 전극인 경우, 상기 폴리머 분자는 상기 복합 전극의 절연층에 결합된다. 결합의 백분율은 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 전극에 결합시킨 후에 전극에서 씻겨 낸 폴리머 분자의 양을 측정함으로써 평가될 수 있다.Accordingly, embodiments of the disclosed energy storage devices include a sterically confined dielectric material comprising polymer molecules. In some embodiments, at least 1%, at least 10%, at least 25%, at least 50%, at least 80%, or at least 90% of the polymer molecules in the sterically constrained dielectric material are bound to electrodes. In certain embodiments, at least some of the polymer molecules are bonded to the positive electrode. When the electrode is a composite electrode, the polymer molecules are bonded to the insulating layer of the composite electrode. The percentage of binding can be evaluated by measuring the amount of polymer molecules washed off the electrode after binding at least some of the polymer molecules to the electrode.
일부 구현예에서, 상기 폴리머 분자는 상기 유전체 재료와 접촉하는 양극 표면의 적어도 1%, 적어도 25%, 적어도 50%, 적어도 80% 또는 적어도 90%에 결합된다. 결합된 폴리머에 의해 덮인 표면의 백분율은 예를 들어, 광학 현미경에 의해 시각적으로 평가될 수 있다. 상기 에너지 저장 장치를 제조한 후에는, 장치를 분해하여 검사할 수 있다. 상기 양극을 흐르는 물에 노출시킴으로써 세척하여 비결합된 물질을 제거한 다음 광학 현미경으로 검사한다. 결합된 폴리머에 의해 덮인 표면의 영역은 결합된 폴리머가 없는 영역과 쉽게 구별될 수 있다.In some embodiments, the polymer molecules are bound to at least 1%, at least 25%, at least 50%, at least 80% or at least 90% of the anode surface in contact with the dielectric material. The percentage of surface covered by the bound polymer can be assessed visually, for example by light microscopy. After manufacturing the energy storage device, the device can be disassembled and inspected. The anode is washed by exposing it to running water to remove unbound material and then examined under an optical microscope. Areas of the surface covered by bound polymers can be easily distinguished from areas without bound polymers.
상기 폴리머 분자와 상기 전극 사이의 결합은 1미터 높이에서 떨어지는 물과 동등한 힘을 갖는 흐르는 물로 전극 및 결합된 폴리머 분자를 세척하거나 또는 결합된 폴리머를 20N 미만의 힘으로 흐르는 물에서 수동으로 문지름과 같은, 일상적인 붕괴를 견딜 정도로 충분히 강하다. 그러한 강도의 결합은 장치를 제조하는 동안 에너지 저장 장치에 전기장이 인가될 때만 관찰된다. 일부 구현예에서, 양극이 음이 되도록 장치에 외부 전압을 역 극성으로 인가함으로써 적어도 일부의 결합이 파괴될 수 있다.The bonding between the polymer molecules and the electrodes is such as washing the electrodes and bonded polymer molecules with running water having a force equivalent to that of water falling from a height of 1 meter, or manually rubbing the bonded polymers under running water with a force of less than 20 N. , strong enough to withstand everyday breakdowns. Such strong coupling is only observed when an electric field is applied to the energy storage device during fabrication of the device. In some embodiments, at least some bonds can be broken by applying an external voltage of reverse polarity to the device such that the positive electrode becomes negative.
D. 예시적인 에너지 저장 장치D. Exemplary Energy Storage Devices
일부 구현예에서, 에너지 저장 장치(100)는 양극(110), 입체 구속형 유전체층(120) 및 음극(130)(도 1 및 2)을 포함한다. 양극(110)과 음극(130)은 독립적으로 도전성 금속, 반도체, 도전성 폴리머 또는 다른 전기 전도성 재료일 수 있다. 특정 경우에서, 이 재료는 탄소계 또는 그래핀계 전극과 같은 고 표면적 전도체인 것이 유리하다. 입체 구속형 유전체층(120)은 (i) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내고 (ii) 극성 관능기 및/또는 이온화 가능한 관능기를 포함하는 복수의 폴리머 분자(122)를 포함하는 필름 재료를 포함한다. 상기 폴리머 분자는 또한 하나 이상의 이중 결합을 포함할 수 있다. 선택적으로, 절연층(140, 150)은 양극(110)과 유전체층(120) 사이 및/또는 유전체층(120)과 음극(130) 사이에 배치된다. 일부 구현예에서, 절연층(140, 150)은 제1 전극(110)의 외부 표면(112)으로부터 제2 전극(130)의 외부 표면(132)까지 측정된 에너지 저장 장치(100)의 전체 두께의 10% 미만인 두께를 가질 수 있다. 장치의 사용 중에 발생하는 줄(Joule) 가열 및/또는 오믹 전도 손실을 방지하기 위해 절연층이 포함될 수 있다. 폴리머 분자들(122)의 적어도 일부는 부착 지점(124)을 통해 양극(110) (또는 존재한다면 절연층(140))에 결합된다. 각각의 부착 지점(124)은 공유 결합(단일, 이중 또는 삼중), 수소 결합, 반 데르 발스 힘(van der Waals forces) 또는 양극(110)이 음극(130)에 대하여 양전하를 유지한다고 가정하여 양극(110)으로부터 폴리머 분자들(122)의 해리를 방지하기에 충분히 강한 다른 결합력일 수 있다. 폴리머 분자(122)의 일부는 부착 지점(126)을 통해 음극(130) (또는 존재한다면 절연층(150))에 결합될 수 있다. 각 부착 지점(126)은 공유 결합(단일, 이중 또는 삼중), 수소 결합, 반 데르 발스 힘(130), 또는 음극(130)이 양극(110)에 대하여 음전하를 유지한다고 가정하여 음극(130)으로부터 폴리머 분자(122)의 해리를 방지하기에 충분히 강한 다른 결합력일 수 있다. 양극 및 음극(110, 130)은 도전성 리드(115, 135)(예컨대, 도전성 와이어 리드, 트레이스 또는 다른 경로)를 통해 전압 공급원에 부착될 수 있다.In some implementations, energy storage device 100 includes an anode 110, a sterically confined dielectric layer 120 and a cathode 130 (FIGS. 1 and 2). Anode 110 and cathode 130 may independently be a conductive metal, semiconductor, conductive polymer, or other electrically conductive material. In certain cases, it is advantageous for this material to be a high surface area conductor, such as a carbon- or graphene-based electrode. The sterically constrained dielectric layer 120 comprises a film material comprising a plurality of polymer molecules 122 that (i) are electrically insulative and/or have a high permittivity and (ii) contain polar functional groups and/or ionizable functional groups. The polymer molecule may also contain one or more double bonds. Optionally, insulating layers 140 and 150 are disposed between anode 110 and dielectric layer 120 and/or between dielectric layer 120 and cathode 130 . In some implementations, the insulating layer 140, 150 is the total thickness of the energy storage device 100 measured from the outer surface 112 of the first electrode 110 to the outer surface 132 of the second electrode 130. It may have a thickness of less than 10% of An insulating layer may be included to prevent Joule heating and/or ohmic conduction losses occurring during use of the device. At least some of the polymer molecules 122 are bonded to the anode 110 (or to the insulating layer 140 if present) via attachment points 124 . Each attachment point 124 is a covalent bond (single, double, or triple), hydrogen bond, van der Waals forces, or an anode, assuming that the anode 110 retains a positive charge relative to the cathode 130. Another bonding force strong enough to prevent dissociation of the polymer molecules 122 from (110) may be. Some of the polymer molecules 122 may be bonded to the negative electrode 130 (or to the insulating layer 150 if present) via attachment points 126 . Each attachment point 126 is a covalent bond (single, double, or triple), hydrogen bond, van der Waals forces 130, or negative electrode 130, assuming that negative electrode 130 retains a negative charge relative to positive electrode 110. may be another binding force strong enough to prevent dissociation of the polymer molecule 122 from Anodes and cathodes 110, 130 may be attached to a voltage source via conductive leads 115, 135 (eg, conductive wire leads, traces, or other pathways).
일 독립 구현예에서, 에너지 저장 장치(200)는 양극(210), 입체 구속형 유전체층(220) 및 음극(230)을 포함한다(도 3). 입체 구속형 유전체층(220)은 (i) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내고 (ii) 극성 관능기 및/또는 이온화 가능한 관능기를 포함하는 복수의 폴리머 분자(222, 223, 224)를 포함하는 필름 재료를 포함한다. 상기 폴리머 분자는 또한 하나 이상의 이중 결합을 포함할 수 있다. 양극(210)과 유전체층(220) 사이 및 유전체층(220)과 음극(230) 사이에 절연층 또는 비도전성층(240, 250)이 배치된다. 폴리머 분자(222)의 일부는 음전하 또는 부분적으로 음전하를 갖는 극성 및/또는 이온화 가능한 관능기를 가지며, 부착 지점(225)을 통해 절연층(240)에 결합된다. 폴리머 분자들(223)의 일부는 양전하 또는 부분 양전하를 갖는 극성 또는 이온화 가능한 관능기를 가지며, 부착 지점(226)을 통해 절연층(250)에 결합된다. 폴리머 분자들(224)의 일부는 양전하 또는 부분 양전하를 갖는 적어도 하나의 극성 관능기 또는 이온화 가능한 관능기를 갖고, 적어도 하나의 극성 관능기 또는 이온화 가능한 기는 음전하 또는 부분 음전하이다. 충분한 길이의 폴리머 분자(224)는 절연층(240 및 250) 사이의 거리를 확장할 수 있고, 양 절연층에 결합될 수 있다. 양극 및 음극(210, 230)은 도전성 리드(215, 235)를 통해 전압 공급원에 부착될 수 있다.In one stand-alone implementation, energy storage device 200 includes an anode 210, a sterically constrained dielectric layer 220, and a cathode 230 (FIG. 3). The sterically confined dielectric layer 220 is a film material comprising a plurality of polymer molecules 222, 223, 224 that (i) are electrically insulative and/or exhibit high permittivity and (ii) contain polar functional groups and/or ionizable functional groups. include The polymer molecule may also contain one or more double bonds. Insulating or non-conductive layers 240 and 250 are disposed between the anode 210 and the dielectric layer 220 and between the dielectric layer 220 and the cathode 230 . Some of the polymer molecules 222 have polar and/or ionizable functional groups that have a negative charge or partially negative charge and are bonded to the insulating layer 240 via attachment points 225 . Some of the polymer molecules 223 have a polar or ionizable functional group with a positive charge or a partial positive charge, and are bonded to the insulating layer 250 via an attachment point 226 . Some of the polymer molecules 224 have at least one polar functional group or ionizable functional group having a positive or partial positive charge, and at least one polar functional group or ionizable group having a negative or partial negative charge. Polymer molecules 224 of sufficient length can extend the distance between insulating layers 240 and 250 and can bond to both insulating layers. Anodes and cathodes 210 and 230 may be attached to a voltage source via conductive leads 215 and 235 .
예시적인 일 구현예에서, 에너지 저장 장치는 유전층의 압연된 형태 또는 적층 형태를 갖는다. 도 4는 기판(325) 상에 입체 구속형 유전체층(320)을 포함하는 압연된 형태를 갖는 전극(310)을 갖는 예시적인 에너지 저장 장치(300)를 도시한다. 제2 기판(도시되지 않음)은 입체 구속형 유전체층(320)이 두 기판 사이에 끼워지도록 유전체층(320)의 상부에 위치할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 입체 구속형 유전체층(320)은 기판(325)의 하나의 엣지(326)로 연장되지 않는다. 롤형 전극(310)의 상부 및 하부는 도전성 폴리머(330)에 결합되며, 도전성 폴리머(330)는 전기 접속부(345, 355)를 갖는 캡 또는 홀더(340, 350) 내에 포함된다. 장치(300) 주위에 선택적인 슬리브(미도시)가 배치되어 사용 중에 기계적 및 전기적 보호를 제공할 수 있다.In one exemplary embodiment, the energy storage device has a rolled or stacked form of dielectric layers. FIG. 4 shows an exemplary energy storage device 300 having an electrode 310 having a rolled form that includes a three-dimensionally confined dielectric layer 320 on a substrate 325 . A second substrate (not shown) may be positioned on top of the dielectric layer 320 such that the three-dimensionally confined dielectric layer 320 is sandwiched between the two substrates. As shown in FIG. 4 , the sterically confined dielectric layer 320 does not extend to one edge 326 of the substrate 325 . The upper and lower portions of the rolled electrode 310 are bonded to a conductive polymer 330, which is contained within caps or holders 340, 350 having electrical contacts 345, 355. An optional sleeve (not shown) may be placed around the device 300 to provide mechanical and electrical protection during use.
도 5 및 도 6에 도시된 일 독립 구현예에서, 예시적인 에너지 저장 장치(400)는 2개의 전극(410, 420)을 포함한다. 전극(410, 420)은 도전성 시트일 수 있다. 일부 실시예에서, 도전성 시트는 금속(예컨대, 알루미늄)이고, 약 2 mm의 두께를 갖는 약 500 mm2의 크기를 가질 수 있다. 각각의 시트는 PuraleneTM 폴리머 코팅과 같은 절연층(412, 422)으로 덮혀 전극을 생성한다. 전기 전도성 리드(415, 425)는 각 전극(410, 420)에 부착되고 유전체 재료와 접촉하는 영역에서 원치 않는 전도를 방지하도록 절연된다. 전극과 거의 동일한 크기의 비도전성 세퍼레이터 시트(430)는 전극(410, 420)을 채우고 접촉하기 위한 유전체 재료(440)의 경로를 제공하기 위해 천공된다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터 시트(430)는 약 0.5 mm의 두께를 가지며, 인가되는 전압에 따라 최대 2 mm 이상의 더 큰 두께가 허용된다. 세퍼레이터 시트는 2개의 전극(410, 420)이 서로 접촉하는 것을 방지하고 2개의 전극에 대해 일정한 간격을 제공한다. 전극은 도 6에 도시된 바와 같이 격납 장치(450) 내에 조립된다. 고체 유전체 또는 액체 유전체 재료(440)는 전극(410, 420) 사이의 공간을 채우기 위해 첨가된다. 대안으로, 상기 유전체 재료는 전극 상에 미리 코팅될 수 있다. 유전체 재료(440)는 극성 관능기 및/또는 이온화 가능한 관능기를 포함하는 복수의 폴리머 분자를 포함한다. 상기 폴리머 분자는 또한 하나 이상의 이중 결합을 포함할 수 있다. 2개의 전극에 전압을 인가하여 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 양극에 결합시킴으로써 입체 구속형 유전체 재료를 제조한다.In one stand-alone implementation shown in FIGS. 5 and 6 , the exemplary energy storage device 400 includes two electrodes 410 and 420 . The electrodes 410 and 420 may be conductive sheets. In some embodiments, the conductive sheet is metal (eg, aluminum) and may have a size of about 500 mm 2 with a thickness of about 2 mm. Each sheet is covered with an insulating layer 412, 422 such as a Puralene ™ polymer coating to create an electrode. Electrically conductive leads 415 and 425 are attached to respective electrodes 410 and 420 and are insulated to prevent unwanted conduction in areas in contact with the dielectric material. A non-conductive separator sheet 430 of approximately the same size as the electrodes is perforated to provide a path for dielectric material 440 to fill and contact the electrodes 410 and 420 . In some embodiments, the separator sheet 430 has a thickness of about 0.5 mm, and a greater thickness of up to 2 mm or more is allowed depending on the applied voltage. The separator sheet prevents the two electrodes 410 and 420 from contacting each other and provides a constant distance between the two electrodes. The electrodes are assembled into containment device 450 as shown in FIG. 6 . A solid dielectric or liquid dielectric material 440 is added to fill the space between electrodes 410 and 420 . Alternatively, the dielectric material may be pre-coated on the electrode. Dielectric material 440 includes a plurality of polymer molecules that include polar functional groups and/or ionizable functional groups. The polymer molecule may also contain one or more double bonds. A three-dimensionally confined dielectric material is prepared by applying a voltage to two electrodes to couple at least a portion of the polymer molecules to the anode.
일부 구현예에서, 상기 에너지 저장 장치를 충전 및/또는 방전하기 전에(즉, 장치가 제조된 후에, 전자 회로 등에서 에너지 저장 장치를 사용하기 전에) 전기장의 인가 및/또는 화학 작용제로의 처리에 의해 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 전극에 결합시키면, 폴리머 분자가 제1 전극에 결합되지 않은 유사한 에너지 저장 장치, 즉 에너지 저장 장치를 충전 및/또는 방전하기 전에 유전체 재료가 입체적으로 구속되지 않은 유사한 에너지 저장 장치에서의 유전체 재료의 유전율과 비교하여, 입체 구속형 유전체 재료의 유전율이 적어도 50%, 예를 들어 50% 내지 10,000%, 50% 내지 100,000%, 50% 내지 1,000,000%, 또는 심지어 50% 내지 10,000,000% 이상 개선된다. 개시된 에너지 저장 장치의 구현예는 실질적으로 동일한 화학 조성을 갖는 유전체 재료를 포함하나, 상기 에너지 저장 장치를 충전 및/또는 방전하기 전에 적어도 일부 폴리머들을 전극 표면에 결합시킴으로써 폴리머가 입체적으로 구속되지 않은 비교가능한 에너지 저장 장치에 의해 저장되는 에너지의 양의 적어도 100배, 1000배, 10,000배 또는 심지어 100,000배를 저장할 수 있다. 일부 구현예에서, 개시된 에너지 저장 장치는 비교가능한 에너지 저장 장치에 의해 저장되는 에너지의 양을 100배 내지 100,000배, 예를 들어 100배 내지 10,000배, 100배 내지 20,000배 또는 100배 내지 100,000배를 저장할 수 있다. 개시된 에너지 저장 장치의 일부 구현예는 충전 및/또는 방전된 에너지 저장 장치가 없는 경우, 전기 전도성 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 유전체 재료의 중량만을 기준으로 적어도 1 Wh/kg, 적어도 10 Wh/kg, 또는 적어도 100 Wh의 에너지 저장 용량, 예를 들어 1 Wh/kg 내지 1300 Wh/kg, 10 Wh/kg 내지 1300 Wh/kg 또는 100 Wh/kg 내지 1300 Wh/kg의 에너지 저장 용량을 갖는다. 특정 구현예에서, 상기 에너지 저장 용량은 100 Wh/kg 내지 1300 Wh/kg의 범위 내에 있다. 개시된 에너지 저장 장치의 일부 구현예는 시간당 10% 미만, 시간당 1% 미만, 시간당 0.5% 미만, 또는 시간당 0.1% 미만의 에너지 손실을 갖는다. 따라서, 개시된 에너지 저장 장치는 견고한 고에너지 밀도의 커패시터이다. 에너지 밀도가 높기 때문에 에너지 저장량을 희생시키지 않고 다른 커패시터보다 더 두꺼운 유전체 필름으로 장치를 제조할 수 있다.In some embodiments, by application of an electric field and/or treatment with a chemical agent prior to charging and/or discharging the energy storage device (i.e., after the device is manufactured, prior to using the energy storage device in an electronic circuit, etc.) When at least a portion of the polymer molecules are bonded to the first electrode, a similar energy storage device in which the polymer molecules are not bonded to the first electrode, i.e., before charging and/or discharging the energy storage device, the dielectric material is not sterically constrained. Compared to the permittivity of dielectric materials in similar energy storage devices, the permittivity of the sterically constrained dielectric material is at least 50%, for example 50% to 10,000%, 50% to 100,000%, 50% to 1,000,000%, or even 50% to 10,000,000% or more. Embodiments of the disclosed energy storage device include dielectric materials having substantially the same chemical composition, but binding at least some of the polymers to electrode surfaces prior to charging and/or discharging the energy storage device so that the polymers are not sterically constrained to provide a comparable material. It may store at least 100 times, 1000 times, 10,000 times or even 100,000 times the amount of energy stored by the energy storage device. In some embodiments, the disclosed energy storage devices can increase the amount of energy stored by comparable energy storage devices by a factor of 100 to 100,000, such as 100 to 10,000, 100 to 20,000, or 100 to 100,000 times. can be saved Some embodiments of the disclosed energy storage devices provide at least 1 Wh/kg, at least 10 Wh, based solely on the weight of the dielectric material disposed between the electrically conductive first and second electrodes, in the absence of a charged and/or discharged energy storage device. /kg, or an energy storage capacity of at least 100 Wh, for example 1 Wh/kg to 1300 Wh/kg, 10 Wh/kg to 1300 Wh/kg or 100 Wh/kg to 1300 Wh/kg. . In certain embodiments, the energy storage capacity is in the range of 100 Wh/kg to 1300 Wh/kg. Some embodiments of the disclosed energy storage devices have an energy loss of less than 10% per hour, less than 1% per hour, less than 0.5% per hour, or less than 0.1% per hour. Thus, the disclosed energy storage device is a robust high energy density capacitor. Because of their high energy density, devices can be fabricated with thicker dielectric films than other capacitors without sacrificing energy storage.
III. 에너지 저장 장치를 제조하는 방법III. How to make an energy storage device
에너지 저장 장치를 제조하는 방법의 구현예는 (a) 유전체 필름을 전기 전도성 제1 전극에 도포하는 단계로서, 상기 유전체 필름은 (i) 전기 절연성이고/이거나 고유전율을 나타내고 (ii) 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 필름 재료를 포함하는 단계; (b) 상기 유전체 필름을 전기 전도성 제2 전극과 접촉시키는 단계; 및 (c) 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가함으로써, 상기 에너지 저장 장치를 제조하는 단계를 포함한다. 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가함으로써 에너지 저장 장치를 제조하는 동안 상기 폴리머 분자의 적어도 일부가 상기 제1 전극에 결합되고, 이에 의해 상기 폴리머 분자의 적어도 일부가 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 또는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 모두의 표면에 결합된 입체 구속형 유전체 필름을 제조한다. 일부 구현예들에서, 입체 구속형 유전체 필름은 (i) 상기 제1 전극이 양극이 되도록 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 전기장은 폴리머 분자의 적어도 일부를 제1 전극에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계, (ii) 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계, 또는 (iii) 이들의 조합에 의해 제조된다. Embodiments of a method of fabricating an energy storage device include (a) applying a dielectric film to an electrically conductive first electrode, wherein the dielectric film (i) is electrically insulative and/or exhibits a high permittivity and (ii) has one or more polarities. comprising a film material comprising a plurality of polymer molecules having a functional group, an ionizable functional group, or a combination thereof; (b) contacting the dielectric film with an electrically conductive second electrode; and (c) applying an electric field across the first electrode, the dielectric film and the second electrode, thereby fabricating the energy storage device. By applying an electric field across the first electrode, the dielectric film and the second electrode, at least some of the polymer molecules are bonded to the first electrode, whereby at least some of the polymer molecules are bonded during fabrication of an energy storage device. To prepare a three-dimensional confinement type dielectric film bonded to the surface of the first electrode, the second electrode, or both the first electrode and the second electrode. In some embodiments, the three-dimensionally constrained dielectric film is prepared by (i) applying an electric field across the first electrode, the dielectric film, and the second electrode such that the first electrode becomes an anode, wherein the electric field is applied to a polymer molecule. is applied for an effective time to bond at least a portion of to the first electrode, (ii) treating the dielectric film with a chemical agent, or (iii) a combination thereof.
A. 유전체 필름 형성A. Dielectric Film Formation
필름 재료를 포함하는 유전체 필름은 기상 증착, 액체 분무, 스크리닝, 스핀-코팅 또는 필름 형성 분야의 당업자에게 공지된 다른 방법을 포함하는 임의의 적절한 수단에 의해 제조되고, 전기 전도성 제1 전극에 도포된다. 일 구현예에서, 상기 전기 전도성 제1 전극은 나전극 또는 절연층을 포함하는 복합 전극이고, 상기 유전체 필름은 나전극 표면 또는 복합 전극의 절연층 상에 직접 형성된다. 이어 상기 유전체 필름은 유전체 필름을 전기 전도성 제2 전극과 접촉하기 전 또는 후에 저온(예를 들어, 25 내지 60℃)에서 건조된다. 일 독립 구현예에서, 상기 유전체 필름은 제거 가능한 캐리어 필름(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 필름) 상에 형성되고, 건조되고, 이어서 전극 표면으로 전달된다.A dielectric film comprising a film material is prepared by any suitable means including vapor deposition, liquid spray, screening, spin-coating or other methods known to those skilled in the art of film formation and applied to the electrically conductive first electrode. . In one embodiment, the electrically conductive first electrode is a bare electrode or a composite electrode including an insulating layer, and the dielectric film is directly formed on a surface of the bare electrode or an insulating layer of the composite electrode. The dielectric film is then dried at a low temperature (eg, 25 to 60° C.) before or after contacting the dielectric film with the electrically conductive second electrode. In one stand-alone embodiment, the dielectric film is formed on a removable carrier film (eg, polytetrafluoroethylene film), dried, and then transferred to an electrode surface.
일부 구현예에서, 상기 필름 재료는 용매 및 복수의 폴리머 분자를 포함하는 액체 또는 슬러리로부터 제조된다. 적합한 용매는 알칸올, 알킬렌 글리콜, 물 및 이들의 조합을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 예시적인 용매는 에탄올, 에틸렌 글리콜, 물 및 이들의 조합을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 폴리머 분자는 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 갖는다. 상기 폴리머 분자는 또한 하나 이상의 이중 결합을 포함할 수 있다. 적합한 폴리머 분자는 전술되어 있다. 특정 구현예에서, 예를 들어, 혼합물을 여과 또는 원심분리함으로써, 용해되지 않은 폴리머 분자가 혼합물로부터 제거된다.In some embodiments, the film material is prepared from a liquid or slurry comprising a solvent and a plurality of polymer molecules. Suitable solvents include, but are not limited to, alkanols, alkylene glycols, water, and combinations thereof. Exemplary solvents include ethanol, ethylene glycol, water and combinations thereof. In some embodiments, the polymer molecule has one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. The polymer molecule may also contain one or more double bonds. Suitable polymer molecules are described above. In certain embodiments, undissolved polymer molecules are removed from the mixture, for example, by filtering or centrifuging the mixture.
상기 액체 또는 슬러리는 가교제를 더 포함할 수 있다. 적합한 가교제는 무수물, 카보디이미드, 이미도에스테르, 붕사 염, 소듐 보로하이드라이드, 및 N-히드록시숙신이미드 및 말레이미드, 아릴 아지드 또는 디아지린기의 조합을 포함하는 시약을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 통상의 가교제는 트리알릴트리아진트리온 및 폴리머 화학 분야의 당업자에게 공지된 다른 트리알릴 또는 트리비닐 시약을 포함한다. 예시적인 무수물은 말레산 무수물, 이타콘산 무수물, 시스-4-시클로헥센-1,2-디카복실산 무수물, 시스-5-노르보르넨-엔도-2,3-디카르복시산 무수물 및 이들의 조합을 포함한다.The liquid or slurry may further include a crosslinking agent. Suitable crosslinking agents include anhydrides, carbodiimides, imidoesters, borax salts, sodium borohydride, and reagents comprising a combination of N-hydroxysuccinimide and maleimide, aryl azide or diazirine groups, but Not limited. Common crosslinkers include triallyltriazinetriones and other triallyl or trivinyl reagents known to those skilled in the art of polymer chemistry. Exemplary anhydrides include maleic anhydride, itaconic anhydride, cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride, cis-5-norbornene-endo-2,3-dicarboxylic anhydride, and combinations thereof do.
일부 구현예에서, 상기 액체 또는 슬러리는 라디칼 개시제와 같은 개시제를 추가로 포함하여 상기 폴리머 분자 사이의 가교 결합을 촉매화한다. 예시적인 개시제는 아조 비스이소부티로니트릴, 1,1'-아조비스(시클로헥산카보니트릴), 디쿠밀퍼옥사이드, 2-히드록시-2-메틸프로피오페논, 캄포퀴논, 페난트렌퀴논 및 이들의 조합을 포함하는(이에 한정되지는 않음) 열 및 광 활성화 화학 개시제를 포함한다. 일 실시예에서, 이타콘산 무수물 및 디쿠밀 퍼옥사이드를 사용하여 제인 분자를 가교 결합시켰다.In some embodiments, the liquid or slurry further comprises an initiator, such as a radical initiator, to catalyze cross-linking between the polymer molecules. Exemplary initiators include azo bisisobutyronitrile, 1,1'-azobis(cyclohexanecarbonitrile), dicumylperoxide, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, camphorquinone, phenanthrenequinone, and thermal and light activated chemical initiators, including but not limited to combinations. In one embodiment, itaconic anhydride and dicumyl peroxide were used to cross-link the zein molecule.
폴리머 분자와 유기 염을 형성하고/하거나 필름 재료를 중화할 수 있는 염과 같은 하나 이상의 염이 가교결합이 완료되기 전에 상기 액체 또는 슬러리에 첨가될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응이 이산화탄소를 방출하고 유전체 필름의 바람직하지 않은 반대 이온 오염을 일으키지 않기 때문에 탄산염(예: 구아니딘 카보네이트, 세슘 카보네이트, 스트론튬 카보네이트 또는 이들의 조합)이 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 바륨 티타네이트가 상기 액체 또는 슬러리에 첨가된다. 일 독립 구현예에서, 비도전성 폴리머와 같은 전압 보조제가 첨가된다.One or more salts, such as those capable of forming organic salts with polymer molecules and/or neutralizing film materials, may be added to the liquid or slurry before crosslinking is complete. In some embodiments, carbonates (eg, guanidine carbonate, cesium carbonate, strontium carbonate, or combinations thereof) may be used since the reaction releases carbon dioxide and does not result in undesirable counter ion contamination of the dielectric film. In one embodiment, barium titanate is added to the liquid or slurry. In one independent embodiment, a voltage aid such as a non-conductive polymer is added.
상기 액체 또는 슬러리는 임의의 적절한 수단에 의해 상기 전기 전도성 제1 전극에 도포된다. 일 구현예에서, 상기 슬러리는 전극의 고정 또는 연속 이동 스트립 상에 코팅된다. 다른 구현예에서, 상기 액체 또는 슬러리는 용기로부터 분사되거나 혼합 용기로부터 부어지는 압력과 같은(이에 한정되지는 않음) 임의의 수의 수단을 통해 고정 위치된 전극 플레이트 상에 부어진다. 다른 구현예에서, 상기 액체 또는 슬러리는 스핀 코팅에 의해 전극에 인가된다. 상기 액체 또는 슬러리를 혼합 용기로부터 전극으로 이동시키기 위한 다른 방법이 예상된다. 액체 또는 슬러리는 퍼지거나(spread), 가압되거나(pressed), 또는 압연(rolled)되어 전극 표면을 덮어 전극 표면상의 액체 또는 슬러리의 균일한 박막 코팅을 보장할 수 있다. 확산 블레이드, 롤러 또는 다른 수단의 사용을 포함하되 이에 국한되지 않는, 이 단계를 수행하기 위한 복수의 수단이 구상된다. 슬러리의 기상 증착은 필름 형성 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이 슬러리의 분무화(atomization) 또는 화학 기상 증착을 통해 달성될 수 있다.The liquid or slurry is applied to the electrically conductive first electrode by any suitable means. In one embodiment, the slurry is coated onto a stationary or continuously moving strip of electrodes. In other embodiments, the liquid or slurry is poured onto the fixedly positioned electrode plate via any number of means, such as, but not limited to, pressure sprayed from a vessel or poured from a mixing vessel. In another embodiment, the liquid or slurry is applied to the electrode by spin coating. Other methods for transferring the liquid or slurry from the mixing vessel to the electrode are envisaged. The liquid or slurry may be spread, pressed, or rolled to cover the electrode surface to ensure a uniform thin film coating of the liquid or slurry on the electrode surface. A plurality of means for performing this step are envisioned, including but not limited to the use of spreading blades, rollers or other means. Vapor deposition of the slurry may be accomplished through atomization or chemical vapor deposition of the slurry, as known to those skilled in the art of film formation.
일 구현예에서, 충분한 양의 액체 또는 슬러리가 전극 표면에 도포되어 건조 되었을 때 원하는 두께의 유전체 필름을 제조한다. 다른 구현예에서, 2개 이상의 액체층 또는 슬러리층이 전극 표면에 도포되어 원하는 두께를 제공할 수 있다. 각 층은 다른 층이 도포되기 전에 건조될 수 있거나, 또는 모든 층이 도포된 후에 건조하면서 액체 또는 슬러리의 순차적 증착이 수행될 수 있다. 2개 이상의 층이 도포될 때, 상기 층들은 동일하거나 상이한 화학 조성을 가질 수 있다.In one embodiment, a sufficient amount of liquid or slurry is applied to the surface of the electrode and when dried to produce a dielectric film of the desired thickness. In other embodiments, two or more liquid or slurry layers may be applied to the electrode surface to provide the desired thickness. Each layer may be dried before the other layers are applied, or sequential deposition of the liquid or slurry may be performed with drying after all layers have been applied. When two or more layers are applied, the layers may have the same or different chemical composition.
상기 전극 및 유전체 재료는 가열되어 용매를 제거하고 상기 전극 표면상에 유전체 필름을 형성할 수 있다. 가열은 상기 유전체 재료를 상기 전기 전도성 제2 전극과 접촉시키기 전 또는 후에 수행할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 어셈블리는 클램핑되거나 가압되어 유전체 재료에 압력을 가하고 상기 액체 또는 슬러리로부터 공기 또는 가스를 압출하여 제1 및 제2 전극이 전극의 내향 표면들이 완전하고 밀접하게 접촉하도록 한다. 특정 구현예에서, 상기 어셈블리는 150℃ 내지 300℃의 온도로 가열되어 용매를 제거한다. 특정 용매에 따라 다른 온도 범위가 적절할 수 있다.The electrode and dielectric material may be heated to remove the solvent and form a dielectric film on the surface of the electrode. Heating may be performed before or after contacting the dielectric material with the electrically conductive second electrode. In some embodiments, the assembly is clamped or pressurized to apply pressure to the dielectric material and extrude air or gas from the liquid or slurry to bring the first and second electrodes into full and intimate contact with the inward facing surfaces of the electrodes. In certain embodiments, the assembly is heated to a temperature of 150° C. to 300° C. to remove the solvent. Other temperature ranges may be appropriate depending on the particular solvent.
일 독립 구현예에서, 상기 유전체 필름의 폴리머 분자는 인 시추(in situ)로 형성된다. 상기 유전체 재료 액체 또는 슬러리는 가교제, 및 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 폴리머 분자 전구체를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 전구체는 아미노산 분자, 올리고펩티드, 폴리펩티드 또는 이들의 조합이다. 특정 구현예에서, 상기 폴리머 분자 전구체는 p-자일릴렌 모노머를 추가로 포함한다. 상기 액체 또는 슬러리는 전술한 바와 같이 제1 전극에 도포된다. 도포 후, 가교제가 활성화되어, 폴리머 분자 전구체를 가교 결합시켜 복수의 폴리머 분자를 포함하는 유전체 필름을 제공한다. 가교 결합 공정은 또한 전극이 절연층을 포함하는 복합 전극일 때 폴리머 분자들의 일부를 전극 표면에 결합시킬 수 있다.In one independent embodiment, the polymer molecules of the dielectric film are formed in situ . The dielectric material liquid or slurry includes a crosslinking agent and a plurality of polymer molecular precursors comprising one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof. In some embodiments, the precursor is an amino acid molecule, oligopeptide, polypeptide or combination thereof. In certain embodiments, the polymer molecular precursor further comprises a p-xylylene monomer. The liquid or slurry is applied to the first electrode as described above. After application, the crosslinking agent is activated to crosslink the polymer molecule precursors to provide a dielectric film comprising a plurality of polymer molecules. The cross-linking process can also bind some of the polymer molecules to the electrode surface when the electrode is a composite electrode including an insulating layer.
B. B. 절연층insulation layer 형성 formation
일부 구현예에서, 상기 방법은 제1 전극에 절연층을 도포하여 제1 복합 전극을 형성한 다음, 제1 복합 전극의 절연층에 유전체 필름을 도포하는 단계를 더 포함한다. 일 구현예에서, 상기 절연층은 중합된 p-자일릴렌을 포함한다. 또 다른 실시 양태에서, 상기 절연층은 p-자일릴렌 및 전술한 바와 같은 다른 코모노머의 코폴리머를 포함한다. 절연층은 기상 증착, 액체 분무, 스크리닝, 스핀-코팅 또는 필름 형성 분야의 당업자에게 공지된 다른 방법을 포함하는 임의의 적합한 수단에 의해 도포된다.In some embodiments, the method further includes applying an insulating layer to the first electrode to form a first composite electrode and then applying a dielectric film to the insulating layer of the first composite electrode. In one embodiment, the insulating layer includes polymerized p-xylylene. In another embodiment, the insulating layer comprises a copolymer of p-xylylene and other comonomers as described above. The insulating layer is applied by any suitable means including vapor deposition, liquid spraying, screening, spin-coating or other methods known to those skilled in the art of film formation.
일부 구현예에서, 상기 절연층은 기상 증착을 이용하여 도포된다. 상기 절연층이 중합된 p-자일렌을 포함하는 경우, 자일렌을 단원자형 산소 공급원과 반응시켜 모노머 형태의 p-자일릴렌을 생성시킬 수 있다. 예로서, 상기 단원자형 산소 공급원은 아산화질소 또는 이온화된 이원자 산소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 자일렌을 상기 단원자형 산소 공급원과 반응시켜 모노머 형태의 p-자일릴렌을 제조하는 단계는 대기압, 단원자 산소 공급원에 대한 자일렌의 화학양론적 비율에서 450℃ 내지 800℃로 가열된 환경에서 수행된다. 상기 반응은 전기 가열 열분해 반응 튜브, 예컨대 Inconel(니켈 합금 600) 열분해 반응 튜브에서 일어날 수 있다. 아르곤 또는 질소 가스와 같은 불활성 가스 단독, 또는 아산화질소와 같은 반응성 화합물을 포함한 불활성 가스의 유동 스트림은 열분해 반응 튜브로 공급된다. 출발 물질, 예를 들어 자일렌 증기는 열분해 반응 튜브 내로 도입되고 반응 튜브 내의 단원자 산소와 반응한다. 매우 반응성이고 일시적이므로, 단원자 산소는 반응 챔버(215) 내의 휘발성 혼합물과 반응할 수 있어야 한다. 전술한 바와 같이, 상기 단원자 산소의 공급원은 캐리어 가스와 함께 공급되는 가스 화합물이거나, 또는 별개로 공급되는 가스 화합물이거나, 플라즈마 발생기와 같은 또 다른 공급원을 포함할 수 있다. 단원자 산소 플라즈마는 산소(O2) 가스를 예를 들어 가스를 이온화하는 RF 방전과 같은 이온화 에너지 공급원에 노출시킴으로써 생성할 수 있다. 대안적으로, 아산화질소(N2O)와 같은 화합물이 열분해, 촉매화된 분해 및/또는 다른 분해를 통해 반응을 위한 단원자형 산소를 공급할 수 있다. 따라서, 단원자형 산소 플라즈마 발생기, 또는 단원자형 산소 화합물(예: N2O) 공급물 또는 다른 적절한 단원자 공급원이 제공된다. 플라즈마 가스는 전술한 출발 물질과 함께 사용되어 산화된 중간 생성물을 형성할 수 있으며, 이는 후속적으로 반응하여 모노머, 다이머, 트리머, 올리고머 또는 폴리머일 수 있는, 출발 물질의 산화된 형태의 반응 생성물을 형성할 수 있다. 300℃ 내지 800℃의 온도에서, 반응 튜브의 생성물(output)은 모노머 p-자일릴렌을 모노머 형태로 유지하기에 충분히 고온이다. 전극 표면상의 모노머의 급속 냉각은 모노머의 액체 응축 및 모노머의 폴리머로의 신속한 중합을 초래한다. 고온의 반응 스트림으로 냉각된 비반응성 가스를 혼합하는 장치를 사용하여 반응 튜브를 나가는 반응성 중간체의 온도를 감소시키고 응축을 촉진시킬 수 있다. 선택적으로 반응 튜브의 출구에 팽창 밸브가 사용되어 고온 가스의 주울-톰슨 냉각을 제공할 수 있다. 선택적으로, 증착된 혼합물은 광개시 광 에너지 및/또는 자기장 및/또는 전기장과 같은 유전율 향상 필드에 노출될 수 있다.In some embodiments, the insulating layer is applied using vapor deposition. When the insulating layer includes polymerized p-xylylene, monomeric p-xylylene may be produced by reacting the xylene with a monoatomic oxygen source. As an example, the source of monoatomic oxygen may include nitrous oxide or ionized diatomic oxygen. In some embodiments, the step of reacting xylene with the monoatomic oxygen source to produce p-xylylene in monomeric form is from 450° C. to 800° C. at atmospheric pressure, at a stoichiometric ratio of xylene to monoatomic oxygen source. It is performed in a heated environment. The reaction may occur in an electrically heated pyrolysis reaction tube, such as an Inconel (nickel alloy 600) pyrolysis reaction tube. A flow stream of an inert gas such as argon or nitrogen gas alone or containing a reactive compound such as nitrous oxide is fed to the pyrolysis reaction tube. A starting material, for example xylene vapor, is introduced into a pyrolysis reaction tube and reacts with monoatomic oxygen in the reaction tube. Being highly reactive and ephemeral, monoatomic oxygen must be able to react with the volatile mixture within reaction chamber 215. As described above, the source of monoatomic oxygen may be a gas compound supplied together with a carrier gas, or a gas compound supplied separately, or may include another source such as a plasma generator. A monoatomic oxygen plasma can be created by exposing oxygen (O 2 ) gas to a source of ionizing energy, such as, for example, an RF discharge that ionizes the gas. Alternatively, a compound such as nitrous oxide (N 2 O) may supply monoatomic oxygen for the reaction via thermal decomposition, catalyzed decomposition and/or other decomposition. Accordingly, a monoatomic oxygen plasma generator, or a monoatomic oxygen compound (eg, N 2 O) feed or other suitable monoatomic source is provided. Plasma gases can be used with the aforementioned starting materials to form oxidized intermediates, which are subsequently reacted to form reaction products in oxidized forms of the starting materials, which can be monomers, dimers, trimers, oligomers or polymers. can form At temperatures between 300° C. and 800° C., the output of the reaction tube is sufficiently hot to retain the monomeric p-xylylene in its monomeric form. Rapid cooling of the monomers on the electrode surface results in liquid condensation of the monomers and rapid polymerization of the monomers into polymers. Devices for mixing cooled non-reactive gases with the hot reaction stream may be used to reduce the temperature of the reactive intermediate exiting the reaction tube and promote condensation. Optionally, an expansion valve may be used at the outlet of the reaction tube to provide Joule-Thomson cooling of the hot gases. Optionally, the deposited mixture may be exposed to permittivity enhancing fields such as photoinitiated light energy and/or magnetic and/or electric fields.
상기 방법은 2-클로로-1,4-디메틸벤젠, 2,5-디클로로-p-자일렌, 2,5-디메틸아니솔, 테트라플루오로-p-자일렌 및 1,2,4-트리메틸 벤젠을 포함하나 이에 국한되지 않는 다른 치환체에 확장될 수 있다. 방향족 고리상에 치환체가 메타 또는 오르토 배향된 것들 또한 허용가능한 반응 출발 물질이다. 상기 반응은 플라즈마 또는 분해된 산소 함유 물질 또는 이의 중간 반응 생성물(intermediate reaction product)로부터 제조된 단원자 산소와 반응할 수 있고, 또한 방향족 고리의 존재에 의해 안정화된 수소 원자를 함유하는 모든 화합물로 일반화될 수 있다. 전형적으로, 이러한 수소 원자는 페닐 고리의 α 위치(벤질 위치)에 위치한다. 알파 방향족 고리 위치로부터 제거된 마이클 구조는 유기 합성의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 방향족 고리에 대해 알파 위치의 수소에 유사한 반응성을 부여하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 수소 원자의 반응성은 방향족 고리의 알파 및/또는 마이클 위치 또는 벤젠과 같은 방향족 고리로 제한되지 않는다. 유기 화학 분야의 당업자에게 알려진 바와 같이 많은 상이한 고리, 접합된 고리 및 비-고리 시스템에 대해 다른 방향족 안정화가 알려져 있다. 이러한 출발 물질은 바람직하게는 제거되어 부분적으로 산화된 출발 물질을 형성할 수 있는 2개의 수소 원자의 존재를 가질 수 있다. 이들 바람직한 물질은 임의로 이량체화, 삼량체화, 올리고머화 또는 중합화하는 능력을 가질 수 있다.The method is 2-chloro-1,4-dimethylbenzene, 2,5-dichloro-p-xylene, 2,5-dimethylanisole, tetrafluoro-p-xylene and 1,2,4-trimethyl benzene Can be extended to other substituents, including but not limited to. Those with meta or ortho orientation of substituents on the aromatic ring are also acceptable reaction starting materials. The reaction is generalized to all compounds which can react with monoatomic oxygen prepared from plasma or decomposed oxygenates or intermediate reaction products thereof, and which also contain hydrogen atoms stabilized by the presence of an aromatic ring. It can be. Typically, this hydrogen atom is located at the α position (benzyl position) of the phenyl ring. Michael structures removed from the alpha aromatic ring position are known to impart similar reactivity to the hydrogen at the alpha position to the aromatic ring, as is well known to those skilled in organic synthesis. However, the reactivity of these hydrogen atoms is not limited to the alpha and/or Michael positions of aromatic rings or to aromatic rings such as benzene. As is known to those skilled in the art of organic chemistry, other aromatic stabilizations are known for many different ring, fused ring and non-ring systems. This starting material may preferably have the presence of two hydrogen atoms which can be removed to form a partially oxidized starting material. These preferred materials may optionally have the ability to dimerize, trimerize, oligomerize or polymerize.
절연층이 p-자일렌을 포함하는 코폴리머를 포함하는 경우, 자일렌은 단원자형 산소 공급원과 반응하여 모노머 형태의 p-자일릴렌을 제조할 수 있다. 예로서, 단원자형 산소 공급원은 아산화질소 또는 이온화된 이원자 산소를 포함할 수 있다. 단원자 산소 플라즈마는 산소(O2) 가스를 예를 들어 가스를 이온화하는 RF 방전과 같은 이온화 에너지 공급원에 노출시킴으로써 생성할 수 있다. 대안적으로, 아산화질소(N2O)와 같은 화합물은 열분해, 촉매화된 분해 및/또는 다른 분해를 통해 반응을 위한 단원자형 산소를 공급할 수 있다. 바람직한 일 구현예에서, 자일렌을 단원자형 산소 공급원과 반응시켜 모노머 형태로 p-자일릴렌을 생성하는 단계는 대기압, 350℃ 내지 800℃로 가열된 환경에서, 모노머 산소 공급원에 대한 자일렌의 화학양론적 비율로 수행된다. 반응은 전기 가열 열분해 반응 튜브, 예컨대 Inconel(니켈 합금 600) 열분해 반응 튜브에서 일어날 수 있다. 모노머 형태의 p-자일릴렌은 공중합 화합물(코모노머), 즉 모노머 형태의 p-자일릴렌과 공중합하는 화합물과 혼합된다. 모노머 형태의 p-자일릴렌 및 공중합 화합물은 혼합하는 동안 기체 형태이다. 플라스마 가스는 전술한 출발 물질과 함께 사용되어 중간 산화 생성물을 형성할 수 있으며, 이는 후속적으로 반응하여 출발 물질의 산화된 형태인 반응 생성물을 형성할 수 있다. 모노머 형태의 p-자일릴렌을 공중합 화합물과 혼합한 후, 생성된 혼합물을 응축기에서 트랩할 수 있다. 응축기는 혼합물의 응축이 일어나는 온도를 갖는다. 적어도 -30℃, 예를 들어 -30℃ 내지 400℃ 범위의 온도는 대부분의 혼합물에 대해 응축을 허용한다. 응축기는 트래핑을 용이하게 하기 위해 용매를 함유한다. 선택적으로, 트랩된 혼합물은 제3의 물질, 예를 들어 다른 모노머, 반응성 물질 또는 불활성 물질과 혼합될 수 있다. 모노머 형태의 p-자일릴렌을 공중합 화합물과 혼합한 후, 생성된 혼합물은 전극 상에 증착될 수 있다. 전극의 온도는 증착된 혼합물의 응고를 촉진시키도록 제어될 수 있다. (개질 또는 비개질된) 모노머를 전극 표면상에 유도하면서 신속하게 냉각시켜 모노머를 액체 응축시키고 모노머를 폴리머로 신속하게 중합시킨다. 선택적으로, 증착된 혼합물은 광개시 광에너지 및/또는 자기장 및/또는 전기장과 같은 유전율 향상 필드에 노출될 수 있다.When the insulating layer includes a copolymer containing p-xylene, xylene may react with a monoatomic oxygen source to produce p-xylylene in monomeric form. As an example, the monoatomic oxygen source may include nitrous oxide or ionized diatomic oxygen. A monoatomic oxygen plasma can be created by exposing oxygen (O 2 ) gas to a source of ionizing energy, such as, for example, an RF discharge that ionizes the gas. Alternatively, a compound such as nitrous oxide (N 2 O) may supply monoatomic oxygen for the reaction through thermal decomposition, catalyzed decomposition, and/or other decomposition. In a preferred embodiment, the step of reacting xylene with a monoatomic oxygen source to produce p-xylylene in monomeric form is a chemical reaction of xylene with respect to a monomeric oxygen source in a heated environment at atmospheric pressure, 350° C. to 800° C. It is carried out in a stoichiometric ratio. The reaction may occur in an electrically heated pyrolysis reaction tube, such as an Inconel (nickel alloy 600) pyrolysis reaction tube. Monomer form of p-xylylene is mixed with a copolymerization compound (comonomer), that is, a compound that copolymerizes with monomer form of p-xylylene. The monomeric form of p-xylylene and the copolymerized compound are in gaseous form during mixing. Plasma gases can be used with the aforementioned starting materials to form intermediate oxidation products, which can subsequently react to form reaction products that are oxidized forms of the starting materials. After mixing p-xylylene in monomeric form with the copolymerization compound, the resulting mixture can be trapped in a condenser. The condenser has a temperature at which condensation of the mixture occurs. Temperatures in the range of at least -30°C, eg -30°C to 400°C, allow condensation for most mixtures. The condenser contains solvent to facilitate trapping. Optionally, the trapped mixture may be mixed with a third material, such as another monomer, reactive material or inert material. After mixing the monomeric form of p-xylylene with the copolymerized compound, the resulting mixture can be deposited on an electrode. The temperature of the electrode can be controlled to promote solidification of the deposited mixture. The monomer (modified or unmodified) is rapidly cooled while directing it onto the electrode surface to condense the monomer into a liquid and rapidly polymerize the monomer into a polymer. Optionally, the deposited mixture may be exposed to permittivity enhancing fields such as photoinitiated light energy and/or magnetic and/or electric fields.
C. C. 폴리머polymer 분자를 전극에 결합시킴 bind molecules to electrodes
일부 구현예에서, 전기장은 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 인가된다. 바람직하게는, 상기 전기장은 직류 전기장이다. 상기 전기장은 제1 전극이 양극으로서 기능하고 제2 전극이 음극으로서 기능하도록 인가된다. 전기장 강도는 유전체 필름의 평균 두께를 기준으로 100 V/cm보다 크거나, 또는 적어도 0.001 V/㎛일 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 전기장 강도는 0.005 내지 1 V/㎛, 0.01 내지 1 V/㎛, 0.1 내지 1 V/㎛ 또는 0.4 내지 0.6 V/㎛이다.In some embodiments, an electric field is applied across the first electrode, the dielectric film and the second electrode. Preferably, the electric field is a direct current electric field. The electric field is applied such that the first electrode functions as an anode and the second electrode functions as a cathode. The electric field strength may be greater than 100 V/cm, or at least 0.001 V/μm, based on the average thickness of the dielectric film. In certain embodiments, the electric field strength is 0.005 to 1 V/μm, 0.01 to 1 V/μm, 0.1 to 1 V/μm, or 0.4 to 0.6 V/μm.
상기 전기장은 유전체 필름 내의 적어도 일부의 폴리머 분자를 상기 제1 전극에 결합시켜 입체 구속형 유전체 필름을 제조하기 위한 유효 시간 동안 적용될 수 있다. 상기 유효 시간은 적어도 부분적으로 전기장 강도에 기초하며, 1초 내지 수분의 범위, 예를 들어 30초 내지 60분, 5분 내지 30분, 또는 5분 내지 15분일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 전기장은 0.005 내지 1 V/㎛이고 상기 유효 시간은 1초 내지 30분이다. 일 구현예에서, 20분 동안 0.005 내지 0.5 V/㎛의 전기장 강도가 중합된 p-자일릴렌을 포함하는 복합 전극 표면에 50% 이상의 단백질 분자를 결합시키는데 유효하다. 또 다른 구현예에서, 5 내지 15분 동안 0.5 내지 1 V/㎛의 전기장 강도가 중합된 p-자일릴렌을 포함하는 복합 전극 표면에 단백질 분자의 90% 초과를 결합시키는데 효과적이다.The electric field may be applied for an effective time to manufacture a three-dimensionally confined dielectric film by binding at least some polymer molecules in the dielectric film to the first electrode. The effective time is based at least in part on the electric field strength and may range from 1 second to several minutes, such as from 30 seconds to 60 minutes, from 5 minutes to 30 minutes, or from 5 minutes to 15 minutes. In some embodiments, the electric field is 0.005 to 1 V/μm and the effective time is 1 second to 30 minutes. In one embodiment, an electric field strength of 0.005 to 0.5 V/μm for 20 minutes is effective to bind 50% or more of the protein molecules to the surface of the composite electrode comprising polymerized p-xylylene. In another embodiment, an electric field strength of 0.5 to 1 V/μm for 5 to 15 minutes is effective to bind more than 90% of the protein molecules to the composite electrode surface comprising polymerized p-xylylene.
일부 구현예에서, 상기 전기 전도성 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 전기 전도성 제2 전극을 조립한 후에, 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하여 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 전극에 결합시킴으로써 입체 구속형 유전체 필름을 생성한다. 특정 구현예에서, 상기 전기장은 상기 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 제2 전극을 가로질러 인가되고, 상기 유전체 필름은 화학 작용제로 처리된다.In some embodiments, after assembling the electrically conductive first electrode, the dielectric film and the electrically conductive second electrode, by treating the dielectric film with a chemical agent to bond at least some of the polymer molecules to the first electrode. Create a three-dimensionally confined dielectric film. In certain embodiments, the electric field is applied across the first electrode, the dielectric film and the second electrode, and the dielectric film is treated with a chemical agent.
일 구현예에서, 상기 제1 전극은 복합 전극이고 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계는 상기 유전체 필름을 절연층에 도포하기 전에 라디칼 개시제를 상기 절연층에 도포한 다음, 상기 라디칼 개시제를 활성화시켜 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 절연층에 결합시켜 입체 구속형 유전체 필름을 생성한다. 예시적인 라디칼 개시제는 아조비스이소부티로니트릴, 1,1'-아조비스(시클로헥산카보니트릴), 디쿠밀 퍼옥사이드, 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논, 캄포퀴논, 페난트렌퀴논, 이들의 조합, 및 중합 기술 분야의 당업자에게 알려진 다른 라디칼 개시제를 포함한다. 상기 라디칼 개시제는 산화-환원, 광 개시, 열 개시 또는 중합 기술 분야의 당업자에게 공지된 다른 방법에 의해 활성화되어, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 절연층에 결합시킨다.In one embodiment, the first electrode is a composite electrode and the step of treating the dielectric film with a chemical agent applies a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the insulating layer, and then activates the radical initiator. to bond at least a portion of the polymer molecules to the insulating layer to create a three-dimensionally constrained dielectric film. Exemplary radical initiators are azobisisobutyronitrile, 1,1'-azobis(cyclohexanecarbonitrile), dicumyl peroxide, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, camphorquinone, phenanthrenequinone, combinations thereof, and other radical initiators known to those skilled in the art of polymerization. The radical initiator is activated by oxidation-reduction, photoinitiation, thermal initiation or other methods known to those skilled in the art of polymerization to bind at least a portion of the polymer molecules to the insulating layer.
일 독립 구현예에서, 상기 제1 전극은 복합 전극이며, 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계는 상기 유전체 필름의 필름 재료 내에 라디칼 개시제를 포함시키고, 상기 유전체 필름을 상기 절연층에 도포한 후에 라디칼 개시제를 활성화시키는 단계를 포함한다.In one independent embodiment, the first electrode is a composite electrode, and the step of treating the dielectric film with a chemical agent includes a radical initiator in the film material of the dielectric film, and applies the dielectric film to the insulating layer after and activating the radical initiator.
일 독립 구현예에서, 상기 제1 전극은 복합 전극이고, 화학 작용제로 유전체 필름을 처리하는 단계는 유도체화제로 상기 폴리머 분자를 유도체화하여 제1 복합 전극의 절연층에 가교결합할 수 있는 관능기를 제공하는 단계, 및 후속적으로 라디칼 개시제, 자외선, 열 활성화 또는 이들의 조합을 사용하여 상기 관능기를 상기 절연층에 가교결합시켜 입체 구속형 유전체 필름을 제조하는 단계를 포함한다. 예시적인 유도체화제는 무수물, 카보디이미드, 이미도에스테르, 및 N-히드록시숙신이미드 및 말레이미드, 아릴아지드 또는 디아지린기의 조합을 포함하는 시약을 포함한다. 일부 구현예에서, 유도체화제는 말레산 무수물, 이타콘산 무수물, 시스-4-시클로헥센-1,2-디카복실산 무수물 또는 시스-5-노르보르넨-엔도-2,3-디카복실산 무수물과 같은 무수물이다.In one independent embodiment, the first electrode is a composite electrode, and the step of treating the dielectric film with a chemical agent derivatizes the polymer molecules with a derivatizing agent to form functional groups capable of cross-linking to the insulating layer of the first composite electrode. providing, and subsequently cross-linking the functional group to the insulating layer using a radical initiator, ultraviolet light, thermal activation, or a combination thereof to prepare a three-dimensionally constrained dielectric film. Exemplary derivatizing agents include anhydrides, carbodiimides, imidoesters, and reagents comprising a combination of N-hydroxysuccinimide and maleimide, arylazide, or diazirine groups. In some embodiments, the derivatizing agent is maleic anhydride, itaconic anhydride, cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic acid anhydride or cis-5-norbornene-endo-2,3-dicarboxylic acid anhydride. It is anhydrous.
일 독립 구현예에서, 상기 제1 전극은 복합 전극이고, 화학 작용제로 유전체 필름을 처리하는 단계는 상기 유전체 필름을 상기 절연층에 도포하기 전에 상기 절연층의 표면에 플라즈마를 인가하는 단계를 포함한다. 플라즈마는 고전압 "스파크 (spark)" 플라즈마를 통해 산소와 함께 캐리어 가스(예를 들어, 질소 또는 아르곤)를 통과시킴으로써 제조된다. 스파크를 가로지르는 전압 강하는 250 kHz에서 약 100V 내지 1000V이다. 대안적으로, 동일한 가스 혼합물을 사용하여 훨씬 더 낮은 전압(예를 들어, 13.6 MHz 및 <100V)에서 고주파 플라즈마가 생성될 수 있다. 플라즈마는 p-자일렌을 산화시키기에 충분히 오래 지속되는(예를 들어, 수 밀리초) 단원자 산소를 생성한다. 상기 유전체 필름 내의 폴리머 분자는 플라즈마와 반응하여, 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 절연층에 결합시키고 입체 구속형 유전체 필름을 형성한다.In one independent embodiment, the first electrode is a composite electrode, and treating the dielectric film with a chemical agent includes applying a plasma to a surface of the insulating layer prior to applying the dielectric film to the insulating layer. . The plasma is produced by passing a carrier gas (eg, nitrogen or argon) along with oxygen through a high voltage “spark” plasma. The voltage drop across the spark is about 100V to 1000V at 250 kHz. Alternatively, a high-frequency plasma can be generated at a much lower voltage (eg, 13.6 MHz and <100V) using the same gas mixture. The plasma produces monoatomic oxygen that is long enough to oxidize p-xylene (e.g., several milliseconds). The polymer molecules in the dielectric film react with the plasma to bond at least a portion of the polymer molecules to the insulating layer and form a three-dimensionally confined dielectric film.
상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하기 위하여 상기 구현예들 중 하나 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리머 분자는 유도체화제로 유도체화될 수 있고, 가교제가 필름 재료에 포함될 수 있으며, 유전체 필름을 도포하기 전에 라디칼 개시제가 필름 재료에 포함되거나 절연층에 도포되고 후속적으로 활성화될 수 있다.One or more of the above embodiments may be used in combination to treat the dielectric film with a chemical agent. For example, the polymer molecule may be derivatized with a derivatizing agent, a crosslinking agent may be included in the film material, and a radical initiator may be included in the film material prior to application of the dielectric film or applied to an insulating layer and subsequently activated. can
D. 대체 어셈블리를 제조하는 방법D. Methods of Manufacturing Substitute Assemblies
일 구현예에서, 도 4에 도시된 바와 같은 에너지 저장 장치를 제조하는 방법은, (i) 금속화된 표면을 가지며 상기 금속화된 표면상에 본 명세서에 개시한 바와 같은 절연층을 포함하는 폴리머의 제1 시트 또는 롤을 제공하는 단계로서, 상기 절연층은 상기 금속화된 표면의 엣지 부분이 노출되도록 상기 금속화된 표면을 완전히 덮지는 않는 단계; (ii) 본 명세서에 개시된 바와 같은 유전체 필름을 상기 절연층에 도포하는 단계; (iii) 금속화된 폴리머의 제2 시트 또는 롤을 상기 유전체 필름과 접촉시키는 단계로서, 상기 제2 시트 또는 롤은 금속화된 표면을 가지며 상기 금속화된 표면상에 절연층을 포함하고, 상기 절연층은 상기 금속화된 표면의 엣지 부분이 노출되도록 상기 금속화된 표면을 완전히 덮지는 않고, 상기 제2 시트 또는 롤은 상기 절연층이 상기 유전체 필름과 접촉하고 상기 제2 시트 또는 롤의 상기 노출된 엣지 부분이 상기 제1 시트의 상기 노출된 엣지 부분에 근접하도록 배향되어 복합체 다층 표면을 형성하는 단계; (iv) 상기 복합체 다층 표면을 압연된 형태로 권취하거나 또는 복합체 다층 표면의 일부를 절삭 및 적층하여 적층된 형태를 형성하는 단계; (v) 상기 제1 시트 또는 롤 및 상기 제2 시트 또는 롤의 노출된 엣지 부분을 전기적 접속부를 갖는 도전성 캡 또는 비도전성 홀더 내에 포함된 도전성 폴리머에 결합시키는 단계; (vi) 상기 복합체 다층 표면을 양극 및 음극에 전기적으로 접속시키는 단계; 및 (vii) 상기 다층 복합체에 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 전기장은 유전체 필름의 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 시트 또는 롤의 절연층, 상기 제2 시트 또는 롤의 절연층 또는 둘 다에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계를 포함한다. In one embodiment, a method of fabricating an energy storage device as shown in FIG. 4 includes (i) a polymer having a metallized surface and comprising an insulating layer as disclosed herein on the metallized surface. providing a first sheet or roll of, wherein the insulating layer does not completely cover the metallized surface such that edge portions of the metallized surface are exposed; (ii) applying a dielectric film as disclosed herein to the insulating layer; (iii) contacting the dielectric film with a second sheet or roll of metallized polymer, the second sheet or roll having a metallized surface and comprising an insulating layer on the metallized surface; The insulating layer does not completely cover the metallized surface such that an edge portion of the metallized surface is exposed, and the second sheet or roll is such that the insulating layer is in contact with the dielectric film and the second sheet or roll is in contact with the dielectric film. orienting an exposed edge portion proximate to the exposed edge portion of the first sheet to form a composite multilayer surface; (iv) winding the composite multi-layer surface into a rolled form or cutting and laminating portions of the composite multi-layer surface to form a laminated form; (v) bonding exposed edge portions of the first sheet or roll and the second sheet or roll to a conductive polymer contained within a conductive cap or non-conductive holder having an electrical connection; (vi) electrically connecting the composite multilayer surface to an anode and a cathode; and (vii) applying an electric field to the multilayer composite, wherein the electric field causes at least some of the polymer molecules of the dielectric film to be in the insulating layer of the first sheet or roll, the insulating layer of the second sheet or roll, or both. and applying for an effective time for binding.
일 독립 구현예에서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 에너지 저장 장치를 제조하는 방법은, (i) 격납 장치 내에 본 명세서에 개시된 절연층을 포함하는 상부 표면을 갖는 제1 전극을 제공하는 단계; (ii) 천공된 비도전성 세퍼레이터 시트를 상기 제1 전극의 절연층 상에 위치시키는 단계; (ⅲ) 제2 전극의 절연층이 세퍼레이터 시트와 접촉하도록, 본 명세서에 개시된 바와 같은 절연층을 포함하는 하부 표면을 갖는 제2 전극을 상기 세퍼레이터 시트 상에 위치시키는 단계; (iv) 본 명세서에 개시된 바와 같은 유전체 재료를 첨가하여 상기 천공된 세퍼레이터 시트 내의 공간을 채우고 제1 및 제2 전극을 접촉시키는 단계; 및 (v) 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 상기 제1 전극의 절연층에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 상기 제1 전극, 상기 유전체 재료 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가함으로써 상기 유전체 재료의 상기 폴리머 분자의 적어도 일부를 제1 전극의 절연층에 결합시키는 단계를 포함한다. In one independent embodiment, a method of manufacturing an energy storage device as shown in FIGS. 5 and 6 includes (i) providing a first electrode having a top surface comprising an insulating layer disclosed herein in a containment device. step; (ii) placing a perforated non-conductive separator sheet on the insulating layer of the first electrode; (iii) positioning a second electrode having a lower surface comprising an insulating layer as disclosed herein on the separator sheet such that the insulating layer of the second electrode contacts the separator sheet; (iv) adding a dielectric material as disclosed herein to fill the space in the perforated separator sheet and bring the first and second electrodes into contact; and (v) applying an electric field across the first electrode, the dielectric material, and the second electrode for an effective time to couple at least some of the polymer molecules to the insulating layer of the first electrode, thereby causing the dielectric material to be oxidized. bonding at least a portion of the polymer molecules to the insulating layer of the first electrode.
IV. IV. 실시예Example
실시예Example 1 One
유전체 필름의 제조Manufacturing of Dielectric Films
재료:ingredient:
단백질/ 폴리머 / 아미노산: 제인(Sigma-Aldrich CAS # 9010-66-6), 대마 단백질(Manitoba Harvest Hemp Foods, Winnipeg, Manitoba, Canada, Hemp Pro 70), 바이탈 밀 글루텐(Vital Wheat Gluten) (John & Jennie's Gourmet Kitchen Center, Salt Lake City, UT, jandjkitchen.com), 폴리(아크릴산-코-말레산) (Sigma-Aldrich CAS # 52255-49-9), 폴리(아크릴산) (Sigma-Aldrich CAS # 9003-01-4), 유청 단백질 분리물(Purebulk.com Lot # 20131025-07-1000g), 대두 단백질 분리물(Honeyville Food Products, Honeyville, UT Item # 30-066-904), 감마 아미노부티르산(GABA)(Purebulk.com Lot # 20130722-01), 완두 단백질 추출물 85%(Purebulk.com Lot # 20140226-06-1000g), L-라이신 HCl(Purebulk.com Lot # 20131125-01-1000g), L-세린(Purebulk.com Lot # 20130606-04), L-글루타민(Purebulk.com Lot # 20130912), L-트립토판(Purebulk.com Lot # 20131015-04-100g), L-티로신 (Purebulk.com Lot # 20131016-08-1000g), 아스파르트산(Purebulk.com Lot # 20130122-06) Proteins/ Polymers / Amino Acids : Zein (Sigma-Aldrich CAS # 9010-66-6), Hemp Protein (Manitoba Harvest Hemp Foods, Winnipeg, Manitoba, Canada, Hemp Pro 70), Vital Wheat Gluten (John &Jennie's Gourmet Kitchen Center, Salt Lake City, UT, jandjkitchen.com), Poly(Acrylic Acid-Co-Maleic Acid) (Sigma-Aldrich CAS # 52255-49-9), Poly(Acrylic Acid) (Sigma-Aldrich CAS # 9003- 01-4), Whey Protein Isolate (Purebulk.com Lot # 20131025-07-1000g), Soy Protein Isolate (Honeyville Food Products, Honeyville, UT Item # 30-066-904), Gamma Aminobutyric Acid (GABA) ( Purebulk.com Lot # 20130722-01), Pea Protein Extract 85% (Purebulk.com Lot # 20140226-06-1000g), L-Lysine HCl (Purebulk.com Lot # 20131125-01-1000g), L-Serine (Purebulk .com Lot # 20130606-04), L-Glutamine (Purebulk.com Lot # 20130912), L-Tryptophan (Purebulk.com Lot # 20131015-04-100g), L-Tyrosine (Purebulk.com Lot # 20131016-08- 1000 g), aspartic acid (Purebulk.com Lot # 20130122-06)
무수물: 말레산 무수물(Sigma-Aldrich CAS # 108-31-6), 이타콘산 무수물(Alfa Aesar CAS # 2170-03-8), 시스-4-시클로헥센-1,2-디카복실산 무수물(Alfa Aesar CAS # 935-795), 시스-5-노르보르넨-엔도-2,3-디카복실산 무수물(Alfa Aesar CAS # 129-64-6). Anhydrides: maleic anhydride (Sigma-Aldrich CAS # 108-31-6), itaconic anhydride (Alfa Aesar CAS # 2170-03-8), cis-4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride (Alfa Aesar CAS # 935-795), cis-5-norbornene-endo-2,3-dicarboxylic acid anhydride (Alfa Aesar CAS # 129-64-6).
염: 구아니딘 카보네이트(Sigma-Aldrich CAS # 593-85-1), 세슘 카보네이트(Alfa Aesar CAS # 534-17-8), 스트론튬 카보네이트(Sigma-Aldrich CAS # 1633-05-2), 루비듐 카보네이트(Alfa Aesar CAS # 584-09-8) Salts: Guanidine Carbonate (Sigma-Aldrich CAS # 593-85-1), Cesium Carbonate (Alfa Aesar CAS # 534-17-8), Strontium Carbonate (Sigma-Aldrich CAS # 1633-05-2), Rubidium Carbonate (Alfa Aesar CAS#584-09-8)
용매: 에탄올, 에틸렌 글리콜(Sigma-Aldrich CAS # 107-21-1) Solvent : ethanol, ethylene glycol (Sigma-Aldrich CAS # 107-21-1)
예시적인 유전체 제조 절차 : 50 mL 삼각 플라스크에서, 1g의 제인 및 1.14 g의 이타콘산 무수물을 아르곤 대기 하에서 15분 동안 교반하면서 65℃로 가열함으로써 무수 에탄올 10 mL 중에 용해시켰다. 일단 완전한 용해가 일어나고 반응 온도가 65℃에 도달하면 0.035g의 디쿠밀 퍼옥사이드를 한꺼번에 첨가하고, 혼합물을 아르곤 하에 1시간 동안 계속 교반하였다. 이어서 핫 플레이트를 끄고 혼합물을 실온으로 냉각시켰다. 일단 냉각시킨 후, 혼합물의 pH를 범용 지시약 pH 종이(pH 약 3)로 시험하고, 구아니딘 카보네이트 1g을 pH가 약 7이 될 때까지 소량씩 첨가하였다. 구아니딘 카보네이트를 첨가할 때 반응시 이산화탄소 생성으로 인해 과도한 발포(및 버블링)가 발생하지 않도록 주의하였다. 단백질/무수물 반응의 완결 정도에 따라 더 많거나 또는 더 적은 구아니딘 카보네이트를 사용하여 중화를 달성할 수 있지만, 통상적으로 첨가된 무수물의 1몰 당량을 크게 초과하지는 않는다. 유전체의 최종 pH는 5 내지 10일 수 있다. Exemplary dielectric preparation procedure : In a 50 mL Erlenmeyer flask, 1 g of zein and 1.14 g of itaconic anhydride were dissolved in 10 mL of absolute ethanol by heating to 65° C. with stirring under an argon atmosphere for 15 minutes. Once complete dissolution occurred and the reaction temperature reached 65° C., 0.035 g of dicumyl peroxide was added in one portion, and the mixture was continued to stir under argon for 1 hour. The hot plate was then turned off and the mixture cooled to room temperature. Once cooled, the pH of the mixture was tested with universal indicator pH paper (pH about 3) and 1 gram of guanidine carbonate was added in small portions until the pH was about 7. When adding guanidine carbonate, care was taken to avoid excessive foaming (and bubbling) due to carbon dioxide production during the reaction. Depending on the degree of completion of the protein/anhydride reaction, more or less guanidine carbonate can be used to achieve neutralization, but usually not significantly more than 1 molar equivalent of added anhydride. The final pH of the dielectric may be between 5 and 10.
주: a) 단백질은 구아니딘 카보네이트와의 반응을 일으킬 수 있는 부가적인 고유의 관능기를 포함하므로, 1 당량을 초과할 잠재적 필요성이 있음; b) 사용된 무수물의 양은 제인 대 말레산 무수물(분자량 98.06 g/mol)의 1:1 중량/중량 비를 기준으로 결정되었다. 말레산 무수물의 분자량을 기준으로 등몰량의 치환된 무수물(이타콘산)을 계산하였다.Notes: a) Potential need to exceed 1 equivalent as proteins contain additional intrinsic functional groups that can react with guanidine carbonate; b) The amount of anhydride used was determined based on a 1:1 weight/weight ratio of zein to maleic anhydride (molecular weight 98.06 g/mol). Equimolar amounts of the substituted anhydride (itaconic acid) were calculated based on the molecular weight of the maleic anhydride.
실시예Example 2 2
중합된 p-polymerized p- 자일릴렌xylylene 코팅의 제조 manufacture of coatings
코모노머를 포함 및 포함하지 않고 Puralene™ 폴리머(중합된 자일릴렌)를 포함하는 코팅을 여러 경로로 제조하였다.Coatings comprising Puralene™ polymer (polymerized xylylene) with and without comonomers have been prepared by several routes.
재료:ingredient:
개시제: 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)(Sigma-Aldrich CAS # 78-67-1), 1,1'-아조비스(시클로헥산카보니트릴)(ACHN)(Sigma-Aldrich CAS # 2094-98-6), 디쿠밀 퍼옥사이드(Sigma-Aldrich CAS # 80-43-3), 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(Sigma-Aldrich CAS # 7473-98-5), 캄포퀴논(Sigma-Aldrich CAS # 10373-78-1), 페난트렌퀴논(Sigma-Aldrich CAS # 84-11-7)Initiators: Azobisisobutyronitrile (AIBN) (Sigma-Aldrich CAS # 78-67-1), 1,1'-Azobis(cyclohexanecarbonitrile) (ACHN) (Sigma-Aldrich CAS # 2094-98- 6), dicumyl peroxide (Sigma-Aldrich CAS # 80-43-3), 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (Sigma-Aldrich CAS # 7473-98-5), camphorquinone (Sigma-Aldrich CAS # 10373-78-1), phenanthrenequinone (Sigma-Aldrich CAS # 84-11-7)
개시 공급원: 반응기 출구(output)에 부착된 가열된 증발기 블록에서의 열(>65℃), 254nm 광(Philips TUV 15W G15t8 UV-C Long Life), 354 nm 광(Sylvania 350 Blacklight F15T8/350BL) Initiation source : heat (>65°C) in a heated evaporator block attached to the reactor output, 254 nm light (Philips TUV 15W G15t8 UV-C Long Life), 354 nm light (Sylvania 350 Blacklight F15T8/350BL)
코모노머: 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(Sigma-Aldrich CAS # 2530-85-0), 비닐 아세테이트(Alfa Aesar CAS # 108-05-4), 2-카복시에틸 아크릴레이트(Sigma-Aldrich CAS # 24615-84-7), (+)-α-피넨(Alfa Aesar CAS # 7785-70-8), (-)-α-피넨(Alfa Aesar CAS # 7785-26-4), R-(-)-카르본(Alfa Aesar CAS # 6485-40-1), 리날룰(Alfa Aesar CAS # 78-70-6), 시클로헥센(Alfa Aesar CAS # 110-83-8), 디펜텐(Alfa Aesar CAS # 138-86-3), α-테르피넨(Alfa Aesar CAS # 99-86-5), R-(+)-리모넨(Alfa Aesar CAS # 5989-27-5)Comonomers: 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate (Sigma-Aldrich CAS # 2530-85-0), vinyl acetate (Alfa Aesar CAS # 108-05-4), 2-carboxyethyl acrylate (Sigma -Aldrich CAS # 24615-84-7), (+)-α-pinene (Alfa Aesar CAS # 7785-70-8), (-)-α-pinene (Alfa Aesar CAS # 7785-26-4), R -(-)-Carvone (Alfa Aesar CAS # 6485-40-1), Linalool (Alfa Aesar CAS # 78-70-6), Cyclohexene (Alfa Aesar CAS # 110-83-8), Dipentene ( Alfa Aesar CAS # 138-86-3), α-Terpinene (Alfa Aesar CAS # 99-86-5), R-(+)-Limonene (Alfa Aesar CAS # 5989-27-5)
화학적 개시제를 사용한 Puralene TM 폴리머 제조, 경로 A: 이 경로는 수정없이 미국 특허 제8,633,289호에 기재된 반응기를 사용하였다. 1½" 정방형 FR4 유리 충전 에폭시 보드로 지지되는 산화물이 없는 둥근 구리 ½" 기판의 표면에 열 개시제의 5% 용액을 도포했다. 이 용액은 0.05 g의 고체 개시제(AIBN, ACHN, 또는 디쿠밀 퍼옥시드)를 10 mL의 무수 에탄올에 용해시키고 완전한/거의 완전한 용해가 일어날 때까지 초음파 처리하여 제조하였다. 일단 용해되면, 20μL의 상기 개시제 용액을 상기 금속 표면에 도포하고, 용매를 주변 대기 하에서 증발시켰다. 이 공정은 상기 금속 표면에 미립자 개시제 고체의 얇은 층을 남겼다. 이후 이 기판을 로봇 팔에 부착된 냉각 알루미늄 블록(~ 13℃)에 장착했다. 그 후, 상기 기판을 모노머 p-자일릴렌으로 최소 3회 및 최대 10회 코팅하였다. 각 코팅 사이에는, 상기 기판을 냉각 블록 상에 2분 동안 놓아두어 화학 반응을 강화하였다. 이로써 300 nm 내지 1000+ nm 범위의 두께를 갖는 중합된 p-자일릴렌의 공형 코팅(conformal coating)을 생성하였다. Puralene TM with chemical initiator Polymer Preparation, Route A: This route used the reactor described in US Pat. No. 8,633,289 without modification. A 5% solution of thermal initiator was applied to the surface of an oxide-free round copper ½" substrate supported with a 1½" square FR4 glass filled epoxy board. This solution was prepared by dissolving 0.05 g of a solid initiator (AIBN, ACHN, or dicumyl peroxide) in 10 mL absolute ethanol and sonicating until complete/near complete dissolution occurred. Once dissolved, 20 μL of the initiator solution was applied to the metal surface and the solvent was evaporated under ambient air. This process left a thin layer of particulate initiator solids on the metal surface. The board was then mounted on a cooling aluminum block (~13°C) attached to a robotic arm. The substrate was then coated with the monomer p-xylylene at least 3 times and at most 10 times. Between each coating, the substrate was placed on a cooling block for 2 minutes to intensify the chemical reaction. This resulted in a conformal coating of polymerized p-xylylene with a thickness ranging from 300 nm to 1000+ nm.
화학적 개시제를 사용한 Puralene TM 폴리머 제조, 경로 B: 이 경로는 수정 없이 미국 특허 제8,633,289호에 기재된 반응기를 사용하였다. 전술한 산화물이 없는 구리 기판의 표면에 UV 활성 개시제의 5% 용액을 도포했다. 이 용액은 0.05g의 고체 개시제(캄포퀴논 또는 페난트렌퀴논)를 10 mL의 무수 에탄올에 용해시키고 완전한/거의 완전한 용해가 일어날 때까지 초음파 처리하여 제조하였다. 일단 용해되면, 20μL의 상기 개시제 용액을 금속 표면에 도포하고, 용매를 주변 대기 하에서 증발시켰다. 이 공정은 상기 금속 표면에 미립자 개시제 고체의 얇은 층을 남겼다. 그런 다음이 기판을 로봇 팔에 부착된 냉각 알루미늄 블록(~ 13℃)에 장착했다. 그 후, 기판을 p-자일릴렌으로 최소 3회 및 최대 10회 코팅하였다. 각 코팅 사이에, 상기 기판을 동일한 하우징에 나란히 배치된 2개의 램프를 이용하여 254/350 nm 자외선에 2분간 노출시켰다. 조사 후, 상기 기판을 냉각된 블록 상에 추가 2분 동안 놓아두어 화학적 반응을 강화시켰다. 이로써 300 nm 내지 1000+ nm 범위의 두께를 갖는 중합된 p-자일릴렌의 공형 코팅을 생성하였다. Puralene TM with chemical initiator Polymer Preparation, Route B: This route used the reactor described in US Pat. No. 8,633,289 without modification. A 5% solution of a UV active initiator was applied to the surface of the aforementioned oxide-free copper substrate. This solution was prepared by dissolving 0.05 g of a solid initiator (camphorquinone or phenanthrenequinone) in 10 mL absolute ethanol and sonicating until complete/near complete dissolution occurred. Once dissolved, 20 μL of the initiator solution was applied to the metal surface and the solvent evaporated under ambient air. This process left a thin layer of particulate initiator solids on the metal surface. The substrate was then mounted on a cooling aluminum block (~13°C) attached to a robotic arm. The substrate was then coated with p-xylylene at least 3 times and at most 10 times. Between each coating, the substrate was exposed to 254/350 nm ultraviolet light for 2 minutes using two lamps placed side by side in the same housing. After irradiation, the substrate was placed on a cooled block for an additional 2 minutes to intensify the chemical reaction. This resulted in conformal coatings of polymerized p-xylylene with thicknesses ranging from 300 nm to 1000+ nm.
화학적 개시제를 사용한 Puralene ™ 폴리머 제조, 경로 C: 이 경로는 미국 특허 제8,633,289호에 기술된 반응기를 다음과 같이 수정하여 사용하였다: Inconel 반응기 튜브 상부에 질소(캐리어 가스) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(UV 활성 개시제, 원액)이 공급된 가열된 스테인레스 강 증발기 블록을 부착하였다. 전술한 산화물이 없는 구리 기판을 로봇 팔에 부착된 냉각 알루미늄 블록(~ 13℃)에 장착했다. 그 후, 상기 기판을 p-자일릴렌으로 최소 3회 및 최대 10회 코팅하였다. 각 코팅 사이에, 상기 기판을 동일한 하우징에 나란히 배치된 2개의 램프를 이용하여 254/350 nm 자외선에 2분간 노출시켰다. 조사 후, 상기 기판을 냉각된 블록 상에 추가 2분 동안 놓아두어 화학 반응을 강화시켰다, 이로써 300 nm 내지 1000+ nm 범위의 두께를 갖는 중합된 p-자일릴렌의 공형 코팅을 생성하였다. Preparation of Puralene ™ Polymer Using Chemical Initiator , Route C: This route used the reactor described in US Pat. No. 8,633,289 with the following modifications: Nitrogen (carrier gas) and 2-hydroxy-2 on top of Inconel reactor tubes. - A heated stainless steel evaporator block supplied with methylpropiophenone (UV active initiator, stock solution) was attached. The aforementioned oxide-free copper substrate was mounted on a cooling aluminum block (~13 °C) attached to a robotic arm. The substrate was then coated with p-xylylene at least 3 times and at most 10 times. Between each coating, the substrate was exposed to 254/350 nm ultraviolet light for 2 minutes using two lamps placed side by side in the same housing. After irradiation, the substrate was placed on a cooled block for an additional 2 minutes to intensify the chemical reaction, resulting in a conformal coating of polymerized p-xylylene with a thickness ranging from 300 nm to 1000+ nm.
Puralene ™ 코폴리머 제조, 경로 A: 전술한 산화물이 없는 구리 전극의 표면에 상기 5% 개시제 용액 5μL (상기 상세 참조) 또는 5μL의 순수한 2-히드록시-2-메틸프로피오페논, 및 20μL의 상기 코모노머 중 하나를 도포하였다. 기판을 수직으로 장착할 때 액체 물질이 표면으로부터 떨어지지 않도록 기판을 약간 건조시켰다. 제조된 기판을 상기 PuraleneTM 폴리머 제조 경로 A 내지 C(개시제 의존성임)에 기재된 방법을 사용하여 코팅하였다. 이로써 에너지 분산형 X 선 분광법을 사용하여 분석할 수 있는 다양한 두께의 코폴리머 필름을 제조하였다. Preparation of Puralene ™ copolymer , route A: 5 μL of the above 5% initiator solution (see details above) or 5 μL of pure 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, and 20 μL of the above on the surface of an oxide-free copper electrode as described above. One of the comonomers was applied. The substrate was slightly dried so that the liquid material did not drip off the surface when the substrate was mounted vertically. The prepared substrates were coated using the method described in Puralene ™ Polymer Preparation Routes A to C above (initiator dependent). This produced copolymer films of various thicknesses that could be analyzed using energy dispersive X-ray spectroscopy.
Puralene ™ 코폴리머 제조, 경로 B: 앞에서 설명한 산화물이 없는 구리 전극의 표면에 20μL의 5% 개시제 용액(상기 상세 참조) 또는 20μL의 순수 2-히드록시-2-메틸 프로피오페논 도포하였다. 캐리어 용매가 증발되고 기판이 장착되면, 코팅 전에 에어 브러시를 사용하여 기판 표면에 액체 코모노머를 도포하였다. 이후, 화학 개시제를 사용한 Puralene™ 폴리머 제조, 경로 A에 설명된 코팅 기술을 사용했다.Preparation of Puralene ™ copolymer , route B: 20 μL of a 5% initiator solution (see details above) or 20 μL of pure 2-hydroxy-2-methyl propiophenone were applied to the surface of an oxide-free copper electrode as described above. Once the carrier solvent had evaporated and the substrate was mounted, a liquid comonomer was applied to the surface of the substrate using an airbrush prior to coating. This was followed by the coating technique described in Preparation of Puralene™ Polymers Using Chemical Initiators, Route A.
Puralene ™ 코폴리머 제조, 경로 C : 이 경로는 미국 특허 제8,633,289호에 기술된 반응기를 다음과 같이 수정하여 사용했다: Inconel 반응기 튜브 상부에 질소(캐리어 가스) 및 액체 코모노머(원액)가 그 안으로 공급되는 가열된 스테인레스 강 증발기 블록을 부착하였다. 전술한 산화물이 없는 구리 전극의 표면에 20μL의 5% 개시제 용액(상기 상세 참조) 또는 20μL의 순수 2-히드록시-2-메틸 프로피오페논을 도포하였다. 캐리어 용매가 증발되면, 기판을 냉각 블록 상에 장착하였다. 이 공정에서, 증발기 블록에서 코모노머를 기화시켰고, 모노머 비점 온도로 가열하고, 증발 된 모노머를 p-자일릴렌 주흐름(main flow)에 첨가하여 모노머 및 자일릴렌 모두를 기판 표면에 동시에 도포하였다. 이후 제조된 기판을 상기 PuraleneTM 폴리머 제조 경로 A 내지 C(개시제 의존성임)에 기재된 방법을 사용하여 코팅하였다. Puralene ™ Copolymer Preparation, Route C: This route used the reactor described in U.S. Pat. No. 8,633,289 with the following modification: Nitrogen (carrier gas) and liquid comonomer (stock solution) were introduced into the top of the Inconel reactor tubes. A supplied heated stainless steel evaporator block was attached. 20 μL of a 5% initiator solution (see details above) or 20 μL of pure 2-hydroxy-2-methyl propiophenone were applied to the surface of the aforementioned oxide-free copper electrode. Once the carrier solvent has evaporated, the substrate is mounted on a cooling block. In this process, the comonomer was vaporized in an evaporator block, heated to the monomer boiling point, and the evaporated monomer was added to the p-xylylene main flow to simultaneously apply both the monomer and xylylene to the substrate surface. Afterwards, the manufactured substrate is treated with the Puralene TM Coating was performed using the method described in Polymer Preparation Routes A to C (initiator dependent).
Puralene ™ 코폴리머 제조, 경로 D: 이 경로는 미국 특허 제8,633,289호에 기술된 반응기를 다음과 같이 수정하여 사용하였다: Inconel 반응기 튜브 상부에 질소(캐리어 가스) 및 액체 코모노머(원액)가 그 안으로 공급되는 가열된 스테인레스 강 증발기 블록을 부착하였다. 질소 및 액체 개시제(2-히드록시-2-메틸 프로피오페논)를 전달하기 위해 제2 증발기 블록을 위에 배치하였다. 이 공정에서, 코모노머 및 개시제 둘 다를 기화시켜 p-자일릴렌 흐름 내로 들어가게 하여 세 물질 모두가 동시에 기판에 접촉하도록 하였다. 산화물이 없는 구리 기판을 냉각 블록 상에 탑재하고, 화학 개시제를 사용한 PuraleneTM 폴리머 제조, 경로 C에 기재된 방법을 사용하여 코팅하였다.Preparation of Puralene ™ Copolymer , Route D: This route used the reactor described in U.S. Patent No. 8,633,289 with the following modifications: a heated stainless steel evaporator block at the top of the Inconel reactor tubes into which nitrogen (carrier gas) and liquid comonomer (stock solution) were fed. Attached. A second evaporator block was placed above to deliver nitrogen and liquid initiator (2-hydroxy-2-methyl propiophenone). In this process, both comonomer and initiator are vaporized into the p-xylylene stream so that all three materials contact the substrate simultaneously. An oxide-free copper substrate was mounted on a cooling block and coated using the method described in Preparation of Puralene ™ Polymer Using Chemical Initiator, Route C.
실시예Example 3 3
에너지 저장 장치의 제조Manufacture of energy storage devices
금속화된 폴리머의 시트 또는 롤, 예를 들어 패턴화된 알루미늄 처리된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)(Mylar® 폴리에스테르 필름)를 US 2014/0139974 A1에 기재된 바와 같은 PuraleneTM 폴리머를 포함하는 코팅과 같은 절연층으로 코팅한다. 일부 실시예에서, 상기 금속화된 폴리머의 시트 또는 롤은 약 6 ㎛의 두께 및 약 50 mm의 폭을 갖는다. 비도전성 코팅을 금속화된 표면에 도포하되, 표면을 완전히 덮지는 않는다. 대략 6 mm의 도전성 나표면이 한쪽 엣지에 노출된다. 이어서, 코팅된 금속화된 재료를 비도전성 폴리머 표면 상부에 US 2013/0224397 A1에 기술된 유전체 재료를 분무하여 코팅한다. 충분한 유전체 재료를 증착하여 60℃에서 10분 동안 건조시킨 후 약 100 ㎛의 두께를 갖는 유전체 층을 제공한다. 제1 기판과 유사한 방식으로 비도전성 폴리머로 코팅된 금속화된 폴리머의 다른 시트 또는 롤을 뒤집어, 코팅되지 않은 엣지가 제1 기판의 코팅되지 않은 엣지와 마주하고 두 개의 알루미늄 처리된 표면이 서로 대향하도록 한다. 제2 기판의 폴리머가 코팅된 면을 제1 기판의 유전체가 코팅된 면과 접촉하게 한다. 이어 복합체 다층 표면을 롤(나중에 평탄화될 수 있음)로 권취하거나 또는 플레이트로 적층하여 더 큰 에너지 저장량을 갖는 더 큰 장치를 제공한다. 도전성 폴리머 블렌드(당업자에게 공지된 도전성 에폭시와 같은)에 도전성 전극 엣지를 결합시킴으로써 롤 또는 적층의 코팅되지 않은 전극 엣지에 대한 전기 접속을 제공한다. 상기 도전성 폴리머는 기계적으로 실질적인 전기 전도성 캡 또는 와이어와 같은 전기적 접속부 및/또는 압축 전기 접속을 허용하기에 충분한 기계적 강도를 갖는 다른 비도전성 홀더 내에 포함시킨다. 선택적으로 슬리브를 전체 장치 주위에 배치하여 의도된 용도로 사용할 때 박막 및 장치 자체에 기계적 및 전기적 보호를 제공할 수 있다.Sheets or rolls of metallized polymer, for example patterned aluminized polyethylene terephthalate (PET) (Mylar® polyester film), such as coatings comprising Puralene ™ polymers as described in US 2014/0139974 A1 coated with an insulating layer. In some embodiments, the sheet or roll of metallized polymer has a thickness of about 6 μm and a width of about 50 mm. A non-conductive coating is applied to the metallized surface, but does not completely cover the surface. Approximately 6 mm of conductive bare surface is exposed at one edge. The coated metallized material is then coated by spraying a dielectric material described in US 2013/0224397 A1 onto the non-conductive polymer surface. Enough dielectric material is deposited to provide a dielectric layer having a thickness of about 100 μm after drying at 60° C. for 10 minutes. Invert the other sheet or roll of metallized polymer coated with the non-conductive polymer in a manner similar to the first substrate so that the uncoated edge faces the uncoated edge of the first substrate and the two aluminized surfaces face each other. let it do The polymer coated side of the second substrate is brought into contact with the dielectric coated side of the first substrate. The composite multilayer surface is then wound into a roll (which can later be flattened) or laminated into a plate to provide a larger device with greater energy storage. Bonding the conductive electrode edge to a conductive polymer blend (such as a conductive epoxy known to those of ordinary skill in the art) provides an electrical connection to a roll or stack of uncoated electrode edges. The conductive polymer is incorporated within a mechanically substantial electrically conductive cap or electrical connection such as a wire and/or other non-conductive holder having sufficient mechanical strength to permit compression electrical connection. Optionally, a sleeve may be placed around the entire device to provide mechanical and electrical protection to the membrane and the device itself when used as intended.
에너지 저장 장치를 DC 전압 공급 장치에 연결한다. 0.001 내지 100 mA/㎠의 전류로 장치에 전원을 공급한다. 유전체 필름의 ㎛ 두께 당 0.001 V보다 큰 전기장에서, 유전체 필름의 적어도 일부 폴리머 분자를 비도전성 코팅에 결합시키기에 유효한 시간 동안 전류를 흐르게 한다. 일부 구현예에서, 전기장 강도는 0.01 V/㎛ 초과, 예를 들어 0.05 내지 1 V/㎛ 또는 0.1 내지 1 V/㎛이다. 유효 시간은 수 초에서 수 분이 될 수 있다. 일부 구현예에서, 전압은 0.1 내지 1 V/㎛이고 유효 시간은 5분 내지 30분이다. 장치에 의해 흡수된 에너지의 계산은 에너지 저장 장치 제조 분야의 당업자에게 공지된 방법에 의해 결정된다. 흡수된 에너지의 방출은 저항기의 접지를 통해 차등 방전 전압(differential voltage discharge)을 적분하여 결정한다. Connect the energy storage device to a DC voltage supply. The device is powered with a current of 0.001 to 100 mA/cm 2 . At an electric field greater than 0.001 V per micron thickness of the dielectric film, current is passed for a time effective to bond at least some polymer molecules of the dielectric film to the non-conductive coating. In some embodiments, the electric field strength is greater than 0.01 V/μm, such as 0.05 to 1 V/μm or 0.1 to 1 V/μm. The effective time can be from a few seconds to several minutes. In some embodiments, the voltage is between 0.1 and 1 V/μm and the effective time is between 5 minutes and 30 minutes. Calculation of the energy absorbed by the device is determined by methods known to those skilled in the art of energy storage device manufacturing. The release of absorbed energy is determined by integrating the differential voltage discharge across the resistor to ground.
일 작동 실시예에서, 장치의 분해 및 현미경 검사 결과 유전체 재료가 비도전성 폴리머로 코팅된 전극 표면에 강하게 기계적으로 결합된 것이 밝혀졌다. In one working embodiment, disassembly and microscopic examination of the device revealed that the dielectric material was strongly mechanically bonded to the electrode surfaces coated with the non-conductive polymer.
실시예Example 4 4
라디칼 radical 개시제initiator 및 가교제를 갖는 and with a crosslinking agent 코폴리머층의of the copolymer layer 제조 manufacturing
도 1 내지 도 6 중 어느 하나에 도시된 에너지 저장 장치에서, 모노머 분자 (바람직하게는 p-자일릴렌 모노머)를 도전성 전극 또는 제거가능한 캐리어 필름으로 작용할 비도전성 시트(예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌 시트) 상에 증착한다. 코모노머 분자는 중합, 이량체화하는 능력을 갖거나, 또는 도전성 또는 절연성일 수 있는 연장된 구조를 형성할 수 있는 임의의 분자일 수 있다. 추가로, 첨가 된 코모노머 종은 가교제로서 작용할 수 있는 몇 개의 반응성 관능기를 갖는 구조를 가질 수 있다. 대안적으로, 전술한 바와 같은 가교제 또는 중합 또는 필름 형성 분야의 당업자에게 공지된 가교제를 증착된 모노머와 함께 첨가할 수 있다. 상기 기술된 바와 같은 라디칼 개시제 또는 중합 또는 필름 형성 분야의 당업자에게 공지된 라디칼 개시제를 증착된 모노머와 함께 또는 별도의 증착 단계에서 첨가한다. 필름은 기상 증착, 액체 분무, 스크리닝, 또는 필름 형성 분야의 당업자에게 공지 된 다른 방법에 의해 증착할 수 있다. 라디칼 개시제의 활성화는 산화-환원, 광 개시, 열 개시, 또는 필름 형성 분야의 당업자에게 공지된 다른 방법에 의해 제공한다. 폴리머 필름을 제조하기 위한 예시적인 방법은 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제8,633,289호에 기재되어 있다. 전기장, 자기장 또는 이들 모두를 제조 중에 폴리머 필름에 적용하여, 필름의 기계적 및 전기적 특성을 개질, 예를 들어 필름을 보다 점성 또는 고체로 제조할 수 있다. In the energy storage device shown in any one of FIGS. 1 to 6, monomer molecules (preferably p-xylylene monomer) are used as a conductive electrode or a non-conductive sheet (e.g., polytetrafluoroethylene) to act as a removable carrier film. sheet). A comonomer molecule can be any molecule that has the ability to polymerize, dimerize, or form an extended structure that can be conductive or insulating. Additionally, the added comonomer species can have structures with several reactive functional groups that can act as crosslinkers. Alternatively, a crosslinking agent as described above or a crosslinking agent known to those skilled in the art of polymerization or film formation may be added together with the deposited monomers. A radical initiator as described above or known to a person skilled in the art of polymerization or film formation is added together with the deposited monomers or in a separate deposition step. The film may be deposited by vapor deposition, liquid spraying, screening, or other methods known to those skilled in the art of film formation. Activation of the radical initiator is provided by oxidation-reduction, photoinitiation, thermal initiation, or other methods known to those skilled in the art of film formation. Exemplary methods for making polymeric films are described in US Pat. No. 8,633,289, incorporated herein by reference. An electric field, a magnetic field, or both can be applied to the polymer film during fabrication to modify the mechanical and electrical properties of the film, for example making the film more viscous or solid.
이후, 상기 형성된 필름이 장치용의 완전한 유전체 재료가 아닌 경우 별도의 단계로서 유전체층을 증착할 수 있다. 전술한 실시예들에서 설명한 대로 반대 전극을 추가하고, 전술한 대로 장치를 장착한다.A dielectric layer may then be deposited as a separate step if the formed film is not a complete dielectric material for the device. A counter electrode is added as described in the previous embodiments, and the device is mounted as described above.
실시예Example 5 5
폴리머polymer 결합 Combination
"화학 개시제를 사용하여 제조한 Puralene TM 폴리머 , 경로 C"에 기재된 방법을 사용하여 제1 전극 표면에 PuraleneTM 폴리머의 절연층을 도포하였다. 제인을 포함하는 유전체 필름을 상기 절연층상에 도포하였다. PuraleneTM 폴리머의 절연층을 포함하는 제2 전극을 상기 유전체 필름과 접촉시켰다. 20V의 전기장을 제1 전극, 유전체 필름 및 제2 전극을 가로질러 5분 동안 인가하여 제1 전극(양극)상의 절연층에 제인 폴리머를 결합시켰다. 에너지 저장 장치를 분해하고 검사하여 단백질 결합의 정도와 강도를 결정하였다. An insulating layer of Puralene ™ polymer was applied to the surface of the first electrode using the method described in “Puralene ™ polymer prepared using chemical initiator , route C” . A dielectric film containing zein was applied on the insulating layer. A second electrode comprising an insulating layer of Puralene ™ polymer was brought into contact with the dielectric film. An electric field of 20V was applied across the first electrode, the dielectric film and the second electrode for 5 minutes to bond the zein polymer to the insulating layer on the first electrode (anode). The energy storage devices were disassembled and examined to determine the extent and strength of protein binding.
또한, 도 7 및 도 8은 각각 분해 후 음극 및 양극의 광학 현미경 사진이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 양극은 그 표면상에 단백질의 공형 코팅을 포함한다. 전극을 흐르는 물로 린스하여 다시 검사했다. 또한, 도 9 및 도 10은 린스 후의 음극 및 양극 각각의 광학 사진이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 단백질은 양극 표면에 결합된 채로 유지되었다.7 and 8 are optical micrographs of the cathode and anode after disassembly, respectively. As shown in Figure 8, the anode contains a conformal coating of protein on its surface. The electrodes were rinsed with running water and inspected again. 9 and 10 are optical photographs of each of the cathode and anode after rinsing. As shown in Figure 10, the protein remained bound to the anodic surface.
도 11 및 도 12는 각각 음극 및 양극의 광학 사진이다. 이 사진들은 표면 세부 사항을 보다 명확하게 보여주기 위해 비스듬히 촬영하였다. 도 12는 단백질 분자로 전극 표면을 실질적으로 완전히 덮는 것을 도시한다. 도 13은 유전체 필름을 칼로 수동 스크래핑한 후 린스한 양극의 광학 사진이다. 밝은 영역(화살표로 표시)은 긁어서 결합된 단백질 분자를 제거하고 단백질 층 아래의 전극 표면을 보여주는 영역이다. 사진은 전극 표면에서 결합된 단백질 분자를 제거하는 데 상당한 힘이 필요하다는 것을 보여준다. 11 and 12 are optical photographs of the cathode and anode, respectively. These photos were taken at an angle to show surface details more clearly. 12 shows substantially complete covering of the electrode surface with protein molecules. 13 is an optical photograph of an anode after manually scraping the dielectric film with a knife and then rinsing. The bright area (indicated by the arrow) is the area where the scraping removed bound protein molecules and showing the electrode surface underneath the protein layer. The picture shows that significant force is required to remove bound protein molecules from the electrode surface.
개시된 발명의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 구현예를 고려하여, 예시 된 구현예는 본 발명의 바람직한 예일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 오히려, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위에 의해 한정된다. 따라서 우리는 이들 청구범위의 범위와 사상 내에 있는 모든 것을 우리의 발명으로 청구한다. In view of the many possible implementations to which the principles of the disclosed invention may be applied, the illustrated implementations are only preferred examples of the invention and should not be regarded as limiting the scope of the invention. Rather, the scope of the present invention is defined by the following claims. Accordingly, we claim as our invention all that comes within the scope and spirit of these claims.
Claims (25)
전기 전도성 제1 전극에 제1 절연층을 도포하여 복합 제1 전극을 형성하는 단계로서, 상기 제1 절연층이 중합된 p-자일릴렌 절연층, 또는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, α-피넨, R-(-)카르본, 리날룰, 시클로헥센, 디펜텐, α-테르피넨, R-(+)-리모넨 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 1종 이상의 코모노머와 p-자일릴렌으로부터 제조되는 코폴리머 절연층인 단계;
상기 복합 제1 전극의 상기 제1 절연층에 유전체 필름을 도포하는 단계로서, 상기 유전체 필름이 (i) 전기 절연성이거나, 고유전율을 나타내거나, 또는 전기 절연성이면서 고유전율을 나타내고, (ii) 하나 이상의 극성 관능기, 하나 이상의 이온화 가능한 관능기, 또는 극성 관능기와 이온화 가능한 관능기의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 필름 재료를 포함하는 것인 단계;
상기 유전체 필름을 전기 전도성 제2 전극과 접촉시키는 단계; 및
(i) 상기 복합 제1 전극이 양극이 되도록 상기 복합 제1 전극, 상기 유전체 필름 및 상기 전기 전도성 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 전기장이 상기 복수의 폴리머 분자의 적어도 1%를 상기 복합 제1 전극의 제1 절연층에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계, 또는
(ii) 상기 유전체 필름을 화학 작용제로 처리하는 단계
에 의해 상기 복수의 폴리머 분자의 적어도 1%를 상기 복합 제1 전극에 결합시켜 입체 구속형 유전체 필름(sterically constrained dielectric film)을 형성하고, 이에 의해 에너지 저장 장치를 제조하는 단계;에 의한 것인 방법. A method comprising manufacturing an energy storage device, said step comprising:
Forming a composite first electrode by applying a first insulating layer to the electrically conductive first electrode, wherein the first insulating layer is a polymerized p-xylylene insulating layer, or an acrylate, methacrylate, α-pinene, prepared from p-xylylene and one or more comonomers selected from R-(-)carvone, linalool, cyclohexene, dipentene, α-terpinene, R-(+)-limonene, or any combination thereof a copolymer insulating layer that becomes;
Applying a dielectric film to the first insulating layer of the composite first electrode, wherein the dielectric film (i) is electrically insulating, exhibits a high dielectric constant, or is electrically insulating and exhibits a high dielectric constant, and (ii) one comprising a film material comprising a plurality of polymer molecules having at least one polar functional group, at least one ionizable functional group, or a combination of a polar functional group and an ionizable functional group;
contacting the dielectric film with an electrically conductive second electrode; and
(i) applying an electric field across the composite first electrode, the dielectric film and the electrically conductive second electrode such that the composite first electrode is an anode, wherein the electric field is at least 1% of the plurality of polymer molecules. applied for an effective time to bond to the first insulating layer of the composite first electrode, or
(ii) treating the dielectric film with a chemical agent;
By bonding at least 1% of the plurality of polymer molecules to the composite first electrode to form a sterically constrained dielectric film, thereby manufacturing an energy storage device.
상기 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하기 전에 상기 제1 절연층에 라디칼 개시제를 도포하는 단계; 및
상기 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포한 후에 상기 라디칼 개시제를 활성화시키고, 이에 의해 상기 복수의 폴리머 분자의 적어도 1%를 상기 복합 제1 전극의 제1 절연층에 결합시키는 단계를 포함하는 방법.The method of claim 1 , wherein treating the dielectric film with a chemical agent comprises:
applying a radical initiator to the first insulating layer before applying the dielectric film to the first insulating layer; and
activating the radical initiator after applying the dielectric film to the first insulating layer, thereby bonding at least 1% of the plurality of polymer molecules to the first insulating layer of the composite first electrode. .
(i) 유도체화제로 상기 폴리머 분자를 유도체화하여 상기 복합 제1 전극의 제1 절연층에 가교결합할 수 있는 관능기를 제공하는 단계;
(ii) 상기 유전체 필름의 필름 재료에 가교제를 포함시키는 단계;
(iii) 상기 유전체 필름의 필름 재료에 라디칼 개시제를 포함시키고, 상기 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포한 후에 상기 라디칼 개시제를 활성화시키는 단계;
(iv) 상기 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하기 전에 상기 절연층에 라디칼 개시제를 도포하고, 상기 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포한 후에 상기 라디칼 개시제를 활성화시키는 단계;
(v) 상기 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하기 전에 상기 제1 절연층에 플라즈마를 인가하는 단계; 또는
(vi) 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법.The method of claim 1 , wherein treating the dielectric film with a chemical agent comprises:
(i) derivatizing the polymer molecules with a derivatizing agent to provide a cross-linkable functional group to the first insulating layer of the composite first electrode;
(ii) including a cross-linking agent in the film material of the dielectric film;
(iii) including a radical initiator in the film material of the dielectric film and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the first insulating layer;
(iv) applying a radical initiator to the insulating layer before applying the dielectric film to the first insulating layer, and activating the radical initiator after applying the dielectric film to the first insulating layer;
(v) applying plasma to the first insulating layer before applying the dielectric film to the first insulating layer; or
(vi) a method comprising any combination thereof.
제거 가능한 캐리어 필름상에 상기 유전체 필름을 형성하는 단계;
상기 제거 가능한 캐리어 필름을 제거하는 단계; 및
상기 복합 제1 전극의 제1 절연층에 상기 유전체 필름을 도포하는 단계를 포함하는 방법.The method of any one of claims 1 to 3, wherein the step of applying the dielectric film to the first insulating layer of the composite first electrode,
forming the dielectric film on a removable carrier film;
removing the removable carrier film; and
and applying the dielectric film to the first insulating layer of the composite first electrode.
가교제, 및 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 폴리머 분자 전구체를 포함하는 조성물을 상기 제1 전극에 도포하는 단계; 및
상기 가교제를 활성화시키고, 이에 의해 상기 폴리머 분자 전구체를 가교 결합시켜 복수의 폴리머 분자를 포함하는 유전체 필름을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer molecules are formed in situ and the method
applying a composition comprising a crosslinking agent and a plurality of polymer molecular precursors including one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof to the first electrode; and
activating the crosslinking agent, thereby crosslinking the polymer molecule precursor to provide a dielectric film comprising a plurality of polymer molecules.
금속화된 표면을 가지며 상기 금속화된 표면상에 절연층을 포함하는 폴리머의 제1 시트 또는 롤을 제공하는 단계로서, 상기 금속화된 표면의 엣지 부분이 노출되도록 상기 절연층이 상기 금속화된 표면을 완전히 덮지는 않고, 상기 절연층이 중합된 p-자일릴렌 절연층, 또는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, α-피넨, R-(-)카르본, 리날룰, 시클로헥센, 디펜텐, α-테르피넨, R-(+)-리모넨 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 1종 이상의 코모노머와 p-자일릴렌으로부터 제조되는 코폴리머 절연층인 단계;
상기 절연층에 유전체 필름을 도포하는 단계로서, 상기 유전체 필름이 (i) 전기 절연성이거나, 고유전율을 나타내거나, 또는 전기 절연성이면서 고유전율을 나타내고, (ii) 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 극성 관능기와 이온화 가능한 관능기의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 필름 재료를 포함하는 단계;
금속화된 폴리머의 제2 시트 또는 롤을 상기 유전체 필름과 접촉시키는 단계로서, 상기 제2 시트 또는 롤이 금속화된 표면을 가지며 상기 금속화된 표면상에 절연층을 포함하고, 상기 절연층은 상기 금속화된 표면의 엣지 부분이 노출되도록 상기 금속화된 표면을 완전히 덮지는 않으며, 상기 제2 시트 또는 롤은 상기 절연층이 상기 유전체 필름과 접촉하고 상기 제2 시트 또는 롤의 노출된 엣지 부분이 상기 제1 시트 또는 롤의 노출된 엣지 부분에 근접하도록 배향되어 복합체 다층 표면을 형성하는 단계;
상기 복합체 다층 표면을 압연된 형태로 권취하거나 또는 상기 복합체 다층 표면의 일부를 절삭(cutting) 및 적층하여 적층된 형태를 형성하는 단계;
상기 제1 시트 또는 롤 및 상기 제2 시트 또는 롤의 노출된 엣지 부분을 전기적 접속부를 갖는 도전성 캡 또는 비도전성 홀더 내에 함유된 도전성 폴리머에 결합시키는 단계;
상기 복합체 다층 표면을 양극 및 음극에 전기적으로 접속시키는 단계; 및
상기 복합체 다층 표면에 전기장을 인가하는 단계로서, 상기 전기장이 상기 폴리머 분자의 적어도 1%를 상기 제1 시트 또는 롤의 절연층, 상기 제2 시트 또는 롤의 절연층 또는 둘 다에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계를 포함하는 방법.A method of manufacturing an energy storage device comprising:
providing a first sheet or roll of polymer having a metallized surface and comprising an insulating layer on the metallized surface, wherein the insulating layer is exposed such that an edge portion of the metallized surface is exposed; A p-xylylene insulating layer in which the insulating layer is polymerized without completely covering the surface, or an acrylate, methacrylate, α-pinene, R-(-)carbon, linalool, cyclohexene, dipentene, α -A step of a copolymer insulating layer prepared from p-xylylene and at least one comonomer selected from terpinene, R-(+)-limonene, or any combination thereof;
applying a dielectric film to the insulating layer, wherein the dielectric film (i) is electrically insulative, exhibits a high dielectric constant, or is electrically insulative and exhibits a high dielectric constant, and (ii) one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or comprising a film material comprising a plurality of polymer molecules having a combination of a polar functional group and an ionizable functional group;
contacting a second sheet or roll of metallized polymer with the dielectric film, the second sheet or roll having a metallized surface and comprising an insulating layer on the metallized surface, the insulating layer comprising: It does not completely cover the metallized surface such that the edge portion of the metallized surface is exposed, and the second sheet or roll is such that the insulating layer is in contact with the dielectric film and the exposed edge portion of the second sheet or roll is orienting the first sheet or roll to proximate the exposed edge portion to form a composite multilayer surface;
winding the composite multi-layer surface into a rolled form or cutting and laminating portions of the composite multi-layer surface to form a laminated form;
bonding exposed edge portions of the first sheet or roll and the second sheet or roll to a conductive polymer contained within a conductive cap or non-conductive holder having an electrical connection;
electrically connecting the composite multilayer surface to an anode and a cathode; and
applying an electric field to the composite multilayer surface, wherein the electric field is effective to bind at least 1% of the polymer molecules to the insulating layer of the first sheet or roll, the insulating layer of the second sheet or roll, or both A method comprising applying for a period of time.
격납 장치 내에, 절연층을 포함하는 상부 표면을 갖는 제1 전극을 제공하는 단계로서, 상기 절연층이 중합된 p-자일릴렌 절연층, 또는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, α-피넨, R-(-)카르본, 리날룰, 시클로헥센, 디펜텐, α-테르피넨, R-(+)-리모넨 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 1종 이상의 코모노머와 p-자일릴렌으로부터 제조되는 코폴리머 절연층인 단계;
천공된 비도전성 세퍼레이터 시트를 상기 제1 전극의 절연층상에 위치시키는 단계;
절연층을 포함하는 하부 표면을 갖는 제2 전극을 상기 세퍼레이터 시트 상에 상기 제2 전극의 절연층이 상기 세퍼레이터 시트와 접촉하도록 위치시키는 단계;
유전체 재료를 첨가하여 상기 천공된 세퍼레이터 시트 내의 공간을 채우고 상기 제1 전극 및 제2 전극을 접촉시키는 단계로서, 상기 유전체 재료가 (i) 전기 절연성이거나, 고유전율을 나타내거나, 또는 전기 절연성이면서 고유전율을 나타내고, (ii) 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 단계; 및
상기 제1 전극이 양극이 되도록 상기 제1 전극, 상기 유전체 재료 및 상기 제2 전극을 가로질러 전기장을 인가함으로써 상기 폴리머 분자의 적어도 1%를 상기 제1 전극의 절연층에 결합시키는 단계로서, 상기 전기장이 상기 폴리머 분자의 적어도 1%를 상기 제1 전극의 절연층에 결합시키기 위한 유효 시간 동안 인가되는 단계를 포함하는 방법.A method of manufacturing an energy storage device comprising:
A step of providing, within a containment device, a first electrode having an upper surface comprising an insulating layer, wherein the insulating layer is a polymerized p-xylylene insulating layer, or an acrylate, methacrylate, α-pinene, R-( -) A copolymer prepared from p-xylylene and one or more comonomers selected from carvone, linalool, cyclohexene, dipentene, α-terpinene, R-(+)-limonene, or any combination thereof an insulating layer;
placing a perforated non-conductive separator sheet on the insulating layer of the first electrode;
positioning a second electrode having a lower surface including an insulating layer on the separator sheet so that the insulating layer of the second electrode contacts the separator sheet;
adding a dielectric material to fill the space in the perforated separator sheet and bringing the first electrode and the second electrode into contact, wherein the dielectric material (i) is electrically insulating, exhibits a high permittivity, or is electrically insulating and has a high dielectric constant; (ii) comprising a plurality of polymer molecules comprising one or more polar functional groups, ionizable functional groups, or combinations thereof; and
bonding at least 1% of the polymer molecules to the insulating layer of the first electrode by applying an electric field across the first electrode, the dielectric material and the second electrode such that the first electrode becomes an anode; and applying an electric field for a period of time effective to bind at least 1% of the polymer molecules to the insulating layer of the first electrode.
전기 전도성 제1 전극;
전기 전도성 제2 전극;
상기 전기 전도성 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 입체 구속형 유전체 필름으로서, 상기 입체 구속형 유전체 필름이 하나 이상의 극성 관능기, 이온화 가능한 관능기 또는 극성 관능기와 이온화 가능한 관능기의 조합을 갖는 복수의 폴리머 분자를 포함하는 입체 구속형 유전체 필름; 및
상기 전기 전도성 제1 전극 및 상기 입체 구속형 유전체 필름 사이에 배치된 제1 절연층으로서, 상기 제1 절연층이 중합된 p-자일릴렌 절연층, 또는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, α-피넨, R-(-)카르본, 리날룰, 시클로헥센, 디펜텐, α-테르피넨, R-(+)-리모넨 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 1종 이상의 코모노머와 p-자일릴렌으로부터 제조되는 코폴리머 절연층인 제1 절연층;
을 포함하고,
상기 에너지 저장 장치는, 충전된 에너지 저장 장치가 없는 경우, 방전된 에너지 저장 장치가 없는 경우, 또는 충전 및 방전된 에너지 저장 장치가 없는 경우, 상기 전기 전도성 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 상기 입체 구속형 유전체 필름의 중량만을 기준으로 적어도 1 Wh/kg의 에너지 저장 용량을 갖고,
상기 전기 전도성 제1 전극 및 제1 절연층은 함께 복합 제1 전극을 형성하고, 및
상기 복수의 폴리머 분자의 적어도 1%가 상기 복합 제1 전극의 제1 절연층에 결합되고, 이에 의해 상기 유전체 필름을 입체적으로 구속하는 것인, 에너지 저장 장치.As an energy storage device,
an electrically conductive first electrode;
an electrically conductive second electrode;
A sterically constrained dielectric film disposed between the electrically conductive first electrode and the second electrode, wherein the sterically constrained dielectric film comprises a plurality of polymer molecules having at least one polar functional group, an ionizable functional group, or a combination of a polar functional group and an ionizable functional group. A three-dimensionally confined dielectric film comprising; and
A first insulating layer disposed between the electrically conductive first electrode and the three-dimensionally constrained dielectric film, wherein the first insulating layer is a polymerized p-xylylene insulating layer, or acrylate, methacrylate, α-pinene, R -(-)carvone, linalool, cyclohexene, dipentene, α-terpinene, R-(+)-limonene, or one or more comonomers selected from any combination thereof and p-xylylene a first insulating layer that is a copolymer insulating layer;
including,
The energy storage device is disposed between the electrically conductive first electrode and the second electrode when there is no charged energy storage device, when there is no discharged energy storage device, or when there is no charged and discharged energy storage device. Having an energy storage capacity of at least 1 Wh/kg based only on the weight of the three-dimensionally confined dielectric film;
the electrically conductive first electrode and the first insulating layer together form a composite first electrode; and
wherein at least 1% of the plurality of polymer molecules are bonded to the first insulating layer of the composite first electrode, thereby sterically constraining the dielectric film.
상기 전기 전도성 제2 전극과 상기 입체 구속형 유전체 필름 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는 에너지 저장 장치.According to claim 18,
The energy storage device further comprising an insulating layer disposed between the electrically conductive second electrode and the three-dimensionally confined dielectric film.
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