Структуры, изготовленные с использованием нанотехнологии, для пористых электрохимических конденсаторов

Структуры, изготовленные с использованием нанотехнологии, для пористых электрохимических конденсаторов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Раскрываемые варианты осуществления изобретения в целом относятся к устройствам для хранения энергии, и если более точно, то относятся к способам формирования пористых электродов с сильно развитой поверхностью.

Уровень техники

Современное общество зависит от легкой доступности энергии. Поскольку потребность в энергии увеличивается, устройства, способные эффективно сохранять энергию, приобретают все большую важность. В результате, устройства для хранения энергии, включая такие устройства, как батареи, конденсаторы, электрохимические конденсаторы (ECs), включающие в себя ионисторы и электрические двухслойные конденсаторы (EDLC - electric double layer capacitor), также известные как суперконденсаторы, наряду с другими названиями, гибридные электрохимические конденсаторы (ECs), и аналогичные устройства, широко используемые в электронной области техники и за ее пределами. В частности, конденсаторы широко используются для вариантов применения в широком диапазоне от электрических схем и энергоснабжения до регулирования напряжения и замены электрических батарей. Электрохимические конденсаторы характеризуются высокой емкостью хранения энергии, также как и другими желательными характеристиками, включающими в себя высокую плотность энергии, маленький размер, низкий вес, и таким образом становятся многообещающими кандидатами для использования в некоторых вариантах применения для хранения энергии.

В заявке WO 2011/123135 раскрываются трехмерные структуры для формирования электрохимических конденсаторов с высокой плотностью энергии. В некоторых из раскрываемых вариантов осуществления изобретения используется процесс влажного травления, чтобы вытравить глубокие поры в кремниевой структуре, а поры заполняются электролитом или диэлектрическим материалом с высокой диэлектрической проницаемостью и/или тонкой проводящей пленкой в комбинации с электролитом.

Краткое описание чертежей

Раскрываемые варианты осуществления изобретения будут более понятными после прочтения последующего подробного описания, сделанного во взаимосвязи с прилагаемыми фигурами на чертежах, в которых:

Фиг. 1 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 2 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим электрический двойной слой внутри пористой структуры устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 3 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (1011), в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 4 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 5 является крупным планом бокового вида в разрезе, иллюстрирующим главный канал в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 6 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим изображение пористой структуры, сформированной в кремниевой поверхности (322)в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 7 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (111), в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 8 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 9-10 являются схематическими боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру в соответствии с вариантами осуществления изобретения.

Фиг. 11 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 12-13 являются схематическими боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру, в соответствии с вариантами осуществления изобретения; а также способ электрохимического травления пористой структуры в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 14 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода с матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 15 является видом сверху, иллюстрирующим линии шаблона матрицы, сформированной над подложкой в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 16 является видом сверху, иллюстрирующим матрицу V-образных канавок и углублений, сформированных в подложке в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 17 является видом сверху, иллюстрирующим линии шаблона матрицы, сформированной над подложкой в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 18 является видом сверху, иллюстрирующим матрицу пирамидальных углублений, сформированную в подложке в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 19 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 20 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 21 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 22 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 23А-23В являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими устройство для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения.

Фиг. 24 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 25 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, освобожденную из токопроводящей подложки в ванне для электрохимического травления в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 26 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильное электронное устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 27 является блок-схемой, иллюстрирующей микроэлектронное устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Для простоты и ясности иллюстрации фигуры чертежей иллюстрируют общий принцип конструкции, а описания и подробности хорошо известных признаков и технологий могут быть пропущены, чтобы избежать необязательного внесения неопределенности в обсуждение описываемых вариантов осуществления изобретения. Кроме того, элементы на чертежах необязательно изображены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на фигурах могут быть увеличенными по отношению к другим элементам, чтобы помочь улучшить понимание вариантов осуществления настоящего изобретения. Определенные фигуры могут быть показаны идеализированным образом, для того чтобы помочь лучшему пониманию, например в таких случаях, когда структуры изображаются имеющими прямые линии, острые углы, и/или параллельные плоскости, или аналогичные параметры, которые в реальных условиях были бы вероятно значительно менее симметричными и упорядоченными. Те же самые цифровые позиции на различных фигурах обозначают те же самые элементы, в то время как аналогичные цифровые позиции могут, но необязательно, обозначать аналогичные элементы.

Термины «первый», «второй», «третий», «четвертый» и подобные термины в описании и в формуле изобретения, если это имеет место, используются для различения между аналогичными элементами, и необязательно для описания особого порядка последовательности или хронологического порядка. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в определенных обстоятельствах, таким образом, описываемые здесь варианты осуществления изобретения, например, имеют способность выполнения операций в последовательностях, которые отличаются от тех, которые иллюстрируются или другим способом описываются здесь. Аналогичным образом, если способ описывается здесь как содержащий последовательность шагов, то порядок таких шагов, представленный здесь, необязательно является единственным порядком, в соответствии с которым такие шаги могут выполняться, при этом определенные шаги из установленных шагов возможно могут быть пропущены и/или определенные другие шаги, не описанные здесь, возможно могут быть добавлены к способу. Кроме того, термины «содержать», «включать в себя», «иметь» и любые их вариации предназначаются для того, чтобы включать в себя неисключительное добавление, такое как процесс, способ, продукт, или устройство, которые содержат список элементов, при этом он необязательно ограничивается этими элементами, но может включать в себя другие элементы, которые определенно не внесены в список или необязательно присущи такому процессу, способу, продукту, или устройству.

Термины «левый», «правый», «передний», «задний», «верхний», «нижний», «над», «под» и подобные термины в описании и в формуле изобретения, если это имеет место, используются для описательных целей и необязательно используются для описания постоянных относительных положений, до тех пор, пока это не обозначается иным образом, или специально, или в контексте. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в определенных обстоятельствах, таким образом, описываемые здесь варианты осуществления изобретения, например, имеют способность выполнения операций в других ориентациях, по сравнению с теми, которые иллюстрируются или иным образом описываются здесь. Термин «соединенный», как он используется здесь, определяется как соединенный непосредственно или не напрямую электрическим или не электрическим способом. Описанные здесь объекты, как являющиеся «смежными» по отношению друг к другу, могут находиться в физическом контакте друг с другом, в непосредственной близости друг от друга, или в той же самой общей области или сфере, как по отношению друг к другу, так и подходящим образом для контекста, в котором эта фраза используется. Наличие здесь фразы «в одном варианте осуществления изобретения» необязательно всегда относится к тому же самому варианту осуществления изобретения.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, в котором площадь поверхности пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей структуры, увеличивается за счет формирования главных каналов вдоль направления плоскости кристалла в электропроводящей структуре. В варианте осуществления изобретения каждый из главных каналов проходит в электропроводящей структуре вдоль направления плоскости кристалла, ориентированного под острым углом к главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения боковые каналы проходят от боковой поверхности каждого из главных каналов в электропроводящей структуре, например, вдоль направления тока травления в ванне для электрохимического травления.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с уменьшенной длиной пути диффузии. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов, которые являются линейно конусообразными. Например, линейно конусообразные главные каналы могут быть сформированы за счет изменения тока травления при электрохимическом травлении нелинейным образом. В другом варианте осуществления изобретения ток травления при электрохимическом травлении может изменяться нелинейно, чтобы образовывать резервуары во множестве главных каналов. Такие структуры могут уменьшать длину пути диффузии для ионов, что уменьшает постоянную времени диффузии и делает возможным работу таких устройств для хранения энергии при более высокой мощности.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с усиленной пористой структурой. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов, которые включают в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения изменение вторичного тока травления при электрохимическом травлении накладывается на изменение первичного тока травления при электрохимическом травлении. Например, изменение вторичного тока травления при электрохимическом травлении может быть линейным добавлением синусоидальной функции. Такое синусоидальное изменение может устранить резкие изменения в пористости, что уменьшает концентрации напряжения и упрочняет пористую структуру.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, в котором условия электрохимического травления являются контролируемыми, для уменьшения размера пор, таким образом увеличивая площадь пористой поверхности и электрическую емкость устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления функционирует приблизительно при комнатной или меньшей температуре. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения алкоголь может быть или изопропиловым, или этиловым алкоголем.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с уменьшенным эффективным последовательным сопротивлением за счет увеличения площади поверхности между двумя электродами устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения площадь поверхности увеличивается за счет формирования V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной поверхности пористой структуры в одной или обеих структурах пористого электрода.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают способ с использованием гибридного материала для формирования устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения первый пористый электрод формируется за счет электрохимического травления пористой структуры в электропроводящей подложке. В варианте осуществления изобретения первый пористый электрод может интегрироваться с другой схемой в электропроводящей подложке. Разделитель и второй пористый электрод могут затем откладываться на первый пористый электрод, используя технологию тонкопленочного отложения.

В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, использующие режим электрохимического травления для получения свободностоящих пористых структур. В варианте осуществления изобретения пористая структура формируется в электропроводящей подложке, погруженной в ванну для электрохимического травления, после чего следует увеличение тока для электрохимического травления, чтобы освободить пористую структуру из электропроводящей подложки. Освобожденная пористая структура затем соединяется со слоем разделителя и второй пористой структурой, чтобы образовать устройство для хранения энергии.

Хотя в значительной степени это обсуждение будет фокусироваться на электрохимических конденсаторах (включая ионисторы и электрические двухслойные конденсаторы), подробное обозначение «устройство для хранения энергии» включает в себя в добавление к электрохимическим конденсаторам (ECs), гибридным ЕС также батареи, топливные элементы и аналогичные устройства, которые сохраняют энергию. Устройства для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения могут использоваться для широкого многообразия применений, включающих в себя автомобили, автобусы, поезда, самолеты, другие транспортные средства, бытовые устройства для хранения энергии, устройства сохранения энергии, генерированной солнечными или ветряными генераторами энергии (особенно устройства для поглощения энергии), и множество других.

Электрохимические конденсаторы работают в соответствии с принципами, аналогичными тем, которые управляют традиционными конденсаторами с параллельными пластинами, но на них распространяются определенные важные отличия. Одно значительное различие заключается в механизме разделения зарядов. Для одного важного класса электрохимических конденсаторов оно обычно принимает форму так называемого электрического двойного слоя, или EDL, в большей степени, чем диэлектрического или традиционного конденсатора. Электрический двойной слой (EDL) создается за счет электрохимического поведения ионов на поверхности раздела между электродом с сильно развитой поверхностью и электролитом, и полученным в результате эффективным разделением заряда, несмотря на тот факт, что слои находятся так близко друг к другу. (Расстояния физического разделения составляют порядка единственного нанометра). Таким образом, может считаться, что типичный электрический двухслойный конденсатор (EDLC) сохраняет заряд в электрическом двойном слое. Каждый слой EDL является электропроводящим, но свойства этого двойного слоя предотвращают протекание тока через границу между ними. (EDL дополнительно будет обсуждаться ниже во взаимодействии с фиг. 2).

Также для традиционных конденсаторов верно то, что емкость в электрическом двухслойном конденсаторе пропорциональна площади поверхности электродов и обратно пропорциональна расстоянию разделения зарядов. Очень высокие емкости могут достигаться в электрическом двухслойном конденсаторе частично благодаря очень высокой площади поверхности, свойственной многоканальной пористой структуре и расстоянию разделения зарядов нанометрового масштаба, свойственного электрическому двойному слою, которые увеличиваются благодаря присутствию электролита, как объяснялось выше. Один из типов электролита, который может использоваться в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является ионная жидкость. Другим типом является электролит, включающий в себя ионосодержащий растворитель. Также возможно использование органических электролитов, водяных электролитов, и твердотельных электролитов.

Другим классом электрохимических конденсаторов является ионистор, в котором в добавление к емкости электрического двойного слоя появляется дополнительный механизм хранения - одним из которых является Фарадеевский, а не электростатический по происхождению - может увеличить поверхность определенных типов электродов. Дополнительный механизм хранения обычно определяется как «электрическая псевдоемкость» и характеризуется процессом сохранения заряда, который аналогичен функционированию многих батарей с твердым электродом. Два механизма хранения дополняют друг друга, и приводят даже к большему потенциалу сохранения энергии, чем тот, который возможен при использовании только емкости электрического двойного слоя. Обычно один из этих электродов ионистора покрывается промежуточным слоем оксида металла, таким как MnO₂, RuO₂, NiO_x, Nb₂O₅, V₂O₅, и т.д., или другими материалами, включающими в себя Mo₂N, VN, W₂N, W₂C (карбид вольфрама), Мо₂С, VC, подходящий электропроводящий полимер, или аналогичный материал. Эти материалы могут использоваться с электролитом, таким как раствор гидроксида калия (КОН); при этом, когда устройство заряжается, электролит будет реагировать с материалом и запускать реакцию перемещения заряда туда, где сохраняется энергия. Если более точно, то эти материалы сохраняют большую часть их энергии за счет высокореверсивной поверхности и переноса электронов в приповерхностном слое (например, окислительно-восстановительных (фарадеевских) реакций), которые позволяют получить более высокую мощность, чем неупорядоченное хранение в традиционных батареях, благодаря быстрой кинематике заряда и разряда.

Должно быть понятно, что ионисторы могут создаваться с использованием других электролитов, отличающихся от упоминавшихся выше. Например, ионосодержащие растворители, такие как Li₂SO₄ или LiPF₆ могут использоваться в качестве электролитов; их использование приводит к реакции интеркалирования, которая вызывает вставление изотопов в поверхность исходной структуры без нарушения каких-либо связей. Эта реакция, подобно другим упоминавшимся ранее реакциям электрической псевдоемкости, приводит в результате к переносу заряда таким образом, что он фактически является фарадеевским и рассматривается как окислительно-восстановительная реакция, хотя и окислительно-восстановительная реакция особого типа.

Гибриды электрохимических конденсаторов являются устройствами для хранения энергии, которые объединяют характерные свойства электрохимических конденсаторов (ЕС) и батарей. В одном примере электрод, покрытый ионно-литиевым материалом, объединяется с электрохимическим конденсатором, для того чтобы создавать устройство, которое имеет быстрый обмен и характеристики обмена, как у ЕС, и высокую плотность энергии, как у батареи. С другой стороны, гибридные ЕС, аналогично батареям, имеют более короткий срок службы по сравнению с электрохимическими конденсаторами.

Фиг. 1 является боковым видом в разрезе устройства 100 для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , устройство 100 для хранения энергии содержит электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120, разделенные между собой разделителем 130, который является электрическим изолятором и ионным проводником. Разделитель 130 предотвращает физическое соприкосновение между собой электропроводящих структур 110 и 120, для того чтобы предотвращать электрическое короткое замыкание. Например, разделитель 130 может быть проницаемой мембраной или другим пористым полимерным разделителем. В целом разделитель предотвращает физическое соприкосновение анода и катода (что вызовет электрическую неисправность устройства), в то же время позволяя перенос носителей ионного заряда. В добавление к полимерным разделителям возможны также некоторые другие типы разделителей. Они включают в себя листы из волокнистого листового материала, жидкостные мембраны, полимерные электролиты, твердые ионные проводники, и подобные материалы. В других вариантах осуществления изобретения разделитель не является обязательным и может не использоваться.

По меньшей мере одна из электропроводящих структур, т.е. 110 или 120, содержит пористую структуру. В проиллюстрированном на фиг. 1 варианте осуществления изобретения обе электропроводящие структуры содержат электропроводящую пористую структуру. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, пористые структуры содержат множество главных каналов 111 и 121, каждый из которых имеет отверстие в главной поверхности соответствующей пористой структуры. Этот признак может быть результатом описанного ниже процесса электрохимического травления, используемого для формирования пористой структуры. Например, пористая структура может быть сформирована внутри электропроводящего материала, например такого как токопроводящий материал или полупроводниковый материал. Альтернативно, пористая структура может быть сформирована внутри изолирующего материала (например, окись алюминия), который был покрыт электропроводящей пленкой (например, электропроводящей пленкой с помощью способа атомно-слоевого осаждения ALD, такой как пленка из нитрида титана (TiN). В этом отношении материалы, имеющие более хорошие электропроводящие свойства, являются предпочтительными, поскольку они имеют более низкое эффективное последовательное сопротивление (ESR). В проиллюстрированных вариантах осуществления изобретения обе электропроводящие структуры, т.е. 110 и 120, содержат такую пористую структуру. Соответственно, электропроводящая структура 110 содержит главные каналы 111 с отверстиями 112 в главной поверхности 115 соответствующей пористой структуры, а электропроводящая структура 120 содержит главные каналы 121 с отверстиями 122 в главной поверхности 125 соответствующей пористой структуры. В тех вариантах осуществления изобретения, где только одна из электропроводящих структур, т.е. 110 или 120, содержит пористую структуру с множеством главных каналов, может быть другая электропроводящая структура, например, металлический электрод, структура из поликристаллического кремния, углерод, материал, основанный на углероде, материал, содержащий ионы лития, или псевдоемкостной материал.

В варианте осуществления изобретения пористая кремниевая структура может создаваться с помощью травления электропроводящей кремниевой подложки смесью фтористоводородной кислоты и алкоголя в ванне для электрохимического травления. Однако варианты осуществления изобретения не ограничиваются пористыми кремниевыми структурами, также варианты осуществления изобретения не ограничиваются электрохимическим травлением. Электрохимическое травление описывается здесь как один способ формирования пористой структуры в электропроводящей структуре. Помимо пористого кремния, некоторые другие материалы также могут особенно хорошо подходить для устройств для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения, например такие как пористый германий и пористое олово. Возможные преимущества при использовании пористого кремния включают в себя совместимость с существующей кремниевой технологией. Пористый германий обладает аналогичным преимуществом в результате существующей технологии для этого материала, и по сравнению с кремнием, обладает дополнительным возможным преимуществом, заключающимся в том, что природный оксид (оксид германия) является растворимым в воде, и поэтому он легко удаляется. (Природный оксид, который образуется на поверхности кремния, может захватывать заряд, что является нежелательным результатом, особенно в том случае, когда пористость кремния больше, чем приблизительно 20 процентов). Пористый германий также хорошо совместим с кремниевой технологией. Возможные преимущества от использования пористого олова, который является материалом с нулевой запрещенной энергетической зоной, включают в себя увеличенную электропроводимость по отношению к определенным другим электропроводящим и полупроводниковым материалам. Другие материалы также могут использоваться для создания пористой структуры, включая карбид кремния, такие сплавы, как сплав кремния и германия, а также такие металлы, как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден, и марганец.

Устройство 100 для хранения энергии может по выбору включать в себя покрытие 140, по меньшей мере, на части пористой структуры и, по меньшей мере, в некоторых главных каналах 111 и/или главных каналах 121. В варианте осуществления изобретения покрытие 140 является диэлектрическим слоем. Диэлектрический слой может быть добавлен для того, чтобы дополнительно увеличивать емкость устройства для хранения энергии, или по другим причинам, например таким как, но не ограничиваясь этим, увеличение пассивации и смачиваемости поверхности. В варианте осуществления изобретения покрытие 140 является электропроводящим покрытием, чтобы поддерживать или увеличивать электропроводимость пористой структуры, или оно может быть полезным в уменьшении эффективного последовательного сопротивления (ESR), таким образом улучшая технические характеристики. Например, устройство, имеющее более низкое ESR, способно подавать более высокую мощность (которая может проявляться в показателях большей приемистости, большего количества лошадиных сил и т.д.). И наоборот, более высокое ESR (состояние, которое преобладает внутри типичной батареи) ограничивает количество доступной энергии, по меньшей мере частично, вследствие того факта, что значительная часть энергии теряется на тепло.

На фиг. 1 также иллюстрируется электролит 150, который обусловливает электрический двойной слой (EDL). Этот электрический двойной слой схематически изображен на фиг. 2. Как иллюстрируется на фиг. 2, EDL 230 был сформирован внутри одного из главных каналов 111. EDL 230 выполнен из двух слоев заряда, один из которых является электрическим зарядом боковых стенок главного канала 111 (изображен как положительный на фиг. 2, но также может быть отрицательным), а другой образуется за счет свободных ионов электролита. EDL 230 электрически изолирует поверхность, таким образом обеспечивая разделение заряда, необходимое для выполнения функции конденсатора. Большая емкость, и следовательно, потенциал для сохранения энергии электрических двухслойных конденсаторов (EDLC) увеличивается вследствие маленького разделения (приблизительно 1 нм) между ионами электролита и поверхностным зарядом электрода. В некоторых вариантах осуществления изобретения электролит 150 является органическим веществом. Одним из типов электролита, который может быть использован в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является ионный раствор (жидкий или твердый). Другим является электролит (например, Li₂SO₄, L1PF6), включающий в себя ионосодержащий растворитель. Например, электролит может быть жидким или твердым раствором органических материалов, таких как тетраэтиламмоний тетрафторборат в ацетонитриле. Другие примеры включают в себя растворы, основанные на борной кислоте, декагидрате тетрабората натрия, или слабых органических кислотах. Также возможны органические электролиты и твердотельные электролиты. Электролит 150 (также как и другие электролиты, описанные здесь) представлен на чертежах с использованием случайно расположенных окружностей. Такое представление предполагает передать идею, что электролит является веществом (жидким или твердым, включая гелеобразные материалы), содержащим свободные ионы. Окружности были выбраны для удобства, при этом не предполагается накладывать какое-либо ограничение в отношении компонентов или качеств, включая какое-либо ограничение в отношении размера, формы, или количества ионов.

Следует также отметить, что изображения пористых структур на фиг. 1 являются в значительной степени идеализированными, если упомянуть только один пример, состоящий в том, что все главные каналы 111 и 121 показаны проходящими в единственном направлении. В реальности главные каналы могут иметь необработанные поверхности и могут ответвляться во множестве направлений. Показательные пористые структуры изображены на фиг. 3 и фиг. 6-7. Аналогичным образом, поверхности главных каналов 111 на фиг. 2 иллюстрируются как необработанные.

В варианте осуществления изобретения пористая структура электропроводящей структуры 110 и/или 120 содержит множество главных каналов 111, 121 внутри электропроводящей структуры 110, 120, и каждый из главных каналов имеет отверстие 112, 122 на главной поверхности 115, 125 соответствующей пористой структуры, при этом каждый из главных каналов 111, 121 проходит в электропроводящей структуре 110, 120 под острым углом к главной поверхности 115, 125. Множество главных каналов 111, 121 может быть ориентировано по линии передачи тока за счет травления в электропроводящей структуре в направлении локального течения тока во время электрохимического травления, или множество главных каналов 111, 121 может быть, предпочтительно, вытравлено в кристаллографическом направлении в электропроводящей структуре. В варианте осуществления изобретения главная поверхность 115 является поверхностью (1011), а каждый из главных каналов 111 проходит в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <100> плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности, как показано на иллюстрации с боковым видом в разрезе на фиг. 3. В варианте осуществления изобретения боковые каналы проходят об боковой поверхности каждого из главных каналов в пористой структуре. Фиг. 4 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство 100 для хранения энергии, аналогичное устройству, проиллюстрированному на фиг. 1, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , пористые структуры электропроводящих структур 110 и/или 120 содержат множество главных каналов 111, 121, при этом каждый канал из множества главных каналов имеет отверстие 112, 122 на главной поверхности 115, 125 соответствующей пористой структуры. Кроме того, боковые каналы 117, 127 формируются в боковой поверхности главных каналов 111, 121 и главных поверхностей 115,125.

Фиг. 5 является крупным планом бокового вида в разрезе, иллюстрирующим главный канал 111, сформированный в электропроводящей структуре 110, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. 5, боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111 В, как противоположные боковой поверхности 111 А. В варианте осуществления изобретения предпочтительная формация боковых каналов 117 выполняется вдоль направления течения тока во время электрохимического травления. Фиг. 6 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим изображение пористой структуры, сформированной в кремниевой поверхности (322), в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , главные каналы 111 проходят в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <100> плоскости кристалла под острым углом (322) к главной поверхности 115 пористой структуры. Боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111В, соответствующей боковой поверхности 111 А. Фиг. 7 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (111), в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , главные каналы 111 проходят в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <113> плоскости кристалла под острым углом к направлению (111) главной поверхности 115 пористой структуры. Боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111В, соответствующей боковой поверхности 111А. В другом варианте осуществления изобретения главные каналы проходят в электропроводящей (5512) подложке вдоль направления <100> плоскости кристалла.

Как показано на фиг. 1 и 4, устройство 100 для хранения энергии включает в себя первую пористую структуру, вторую пористую структуру, а также разделитель 130 между первой и второй пористыми, структурами. Вторая пористая структура может содержать множество вторых главных каналов 121, проходящих во второй электропроводящей структуре 120 под вторым острым углом ко второй главной поверхности 125, при этом каждый из множества вторых главных каналов имеет второе отверстие 122 на второй главной поверхности 125. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов 111 первой пористой структуры и множество главных каналов 121 второй пористой структуры параллельны друг другу. Например, главные поверхности 115, 125 могут формироваться вдоль той же самой кристаллографической плоскости. В варианте осуществления изобретения главная поверхность формируется вдоль (1011), (322), (111), или (5512) кристаллографической плоскости.

Как будет подробно описываться в дальнейшем, главные каналы могут быть сформированы таким образом, чтобы уменьшать постоянную времени диффузии. В варианте осуществления изобретения главные каналы линейно конические. В варианте осуществления изобретения главные каналы вкл