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美科学家采用气相沉积技术 将烧结砖升级“超级电容器储能装置”

作者:中国储能网新闻中心 来源:仪器网 发布时间:2020-08-13 浏览:
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超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,它既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性。超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时,由于库仑力、分子间力及原子间力的作用,使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷,称其为界面双层。

把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板,电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同,可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。

以黏土、页岩、煤矸石或粉煤灰为原料,经成型和高温焙烧而制得的用于砌筑承重和非承重墙体的砖统称为烧结砖。近日,美国科学家根据烧结砖的多孔结构,采用气相沉积技术将烧结砖改造成为超级电容器储能装置。储能砖砌成的墙将能储存大量电能。可为开发具有储电功能的多用途增值建筑材料带来新的思路。

什么是“储能系统”

在对储能过程进行分析时,为了确定研究对象而划出的部分物体或空间范围,称为储能系统。它包括能量和物质的输入和输出、能量的转换和储存设备。储能系统往往涉及多种能量、多种设备、多种物质、多个过程,是随时间变化的复杂能量系统,需要多项指标来描述它的性能。常用的评价指标有储能密度、储能功率、蓄能效率以及储能价格、对环境的影响等。能源储存系统可以储存多余的热能、动能、电能、位能、化学能等,改变能量的输出容量、输出地点、输出时间等。

气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程,改变工件表面成分,在表面形成具有特殊性能(例如超硬耐磨层或具有特殊的光学、电学性能)的金属或化合物涂层的新技术。气相沉积通常是在工件表面覆盖厚度约0.5~10μm的一层过渡族元素(钛、钒、铬、锆、钼、钽、铌及铪)与碳、氮、氧和硼的化合物。

按照过程的本质可将气相沉积分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积( PVD)两大类。气相沉积是模具表面强化的新技术之一,气相沉积技术的应用涉及多种领域。仅在改善机械零件耐磨抗蚀性能方面,其用途就十分广泛。

气相沉积技术的发展前景

1、设备的发展。如已制出电子束大型连续蒸镀设备、多种型式磁控溅射设备、新型弧源离子镀设备、HCD和多弧复合离子镀设备、各种IBAD设备及PIII设备等。

2、工艺的进展。主要表现膜层种类的增多和膜层性能的提高。如已制备出各种高性能的耐磨、抗蚀膜层、耐高温腐蚀膜层、热障膜层、类金刚石和立方氮化硼膜层及多种陶瓷、梯度和多层复合膜层。

3、方法的复合。较先进的气相沉积工艺多是各种单一PVD,CVD方法的复合。它们不仅采用各种新型的加热源,而且充分运用各种化学反应高频电磁(脉冲、射频、微波等)及等离子体等效应来激活沉积粒子。如反应蒸镀、反应溅射、离子束溅射、多种等离子体激发的CVD等。

蒸镀设备

简称蒸镀,是指在真空条件下,采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料(或称膜料)并使之气化,粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。蒸镀是使用较早、用途较广泛的气相沉积技术,具有成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能独特等优点。真空蒸镀装置由真空抽气系统和蒸发室组成。真空抽气系统由(超)高真空泵、低真空泵、排气管道和阀门等组成。

此外,还附有冷阱(用以防止油蒸气的返流)和真空测量计等。蒸发室大多用不锈钢制成。在蒸发室内配有真空蒸镀时不可缺少的蒸发源、基片和蒸发空间。此外,还置有控制蒸发原子流的挡板,测量膜厚并用来监控薄膜生长速率的膜厚计,测量蒸发室的真空变化和蒸发时剩余气体压力的(超)高真空计,以及控制薄膜生长形态和结晶性的基片温度调节器等。蒸发源是用来加热膜料使之气化蒸发的部件。

真空蒸发使用的蒸发源主要有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热等五大类。真空蒸镀使用的加热方式主要有:电阻加热、电子束加热。射频感应加热、电弧加热和激光加热等几种。

磁控溅射设备

磁控溅射的基本原理是利用 Ar一O2混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下,被加速的高能粒子轰击靶材表面,能量交换后,靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,转移到基体表面而成膜。电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。

氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动,该电子的运动路径很长。

磁控溅射设备一般根据所采用的电源的不同又可分为直流溅射和射频溅射两种。直流磁控溅射的特点是在阳极基片和阴极靶之间加一个直流电压,阳离子在电场的作用下轰击靶材,它的溅射速率一般都比较大。但是直流溅射一般只能用于金属靶材,因为如果是绝缘体靶材,则由于阳粒子在靶表面积累,造成所谓的“靶中毒”,溅射率越来越低。

离子镀设备

离子镀是真空镀膜工艺的一项新发展。利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离,并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下,将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀(空心阴极蒸镀法)、多弧离子镀(阴极电弧离子镀)等。普通真空镀膜(亦称真空蒸镀)时,工件夹固在真空罩内,当高温蒸发源通电加热后,促使待镀材料——蒸发料融化蒸发。

由于温升,蒸发料粒子获得一定动能,则沿着视线方向徐徐上升,最后附着于工件表面上堆积成膜。离子镀在航空工业及其他部门的应用潜力是很大的,除以上几种以外,还有许多,比如镀导电膜、硬化膜、装饰膜以及用于精密焊接、精微密封、表面修补等。

关键字:超级电容器 储能系统

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