美科學家采用“氣相沉積技術”將燒結磚升級“超級電容器儲能裝置”

超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件。當電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力及原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定和符號相反的雙層電荷，稱其為界面雙層。

把雙電層超級電容看成是懸在電解質中的2個非活性多孔板，電壓加載到2個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。雙電層電容器根據(jù)電極材料的不同，可以分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器和有機聚合物電極超級電容器。

以粘土、頁巖、煤矸石或粉煤灰為原料，經(jīng)成型和高溫焙燒而制得的用于砌筑承重和非承重墻體的磚統(tǒng)稱為燒結磚。近日，美國科學家根據(jù)燒結磚的多孔結構，采用氣相沉積技術將燒結磚改造成為超級電容器儲能裝置。儲能磚砌成的墻將能儲存大量電能?？蔀殚_發(fā)具有儲電功能的多用途增值建筑材料帶來新的思路。

什么是“儲能系統(tǒng)”

在對儲能過程進行分析時，為了確定研究對象而劃出的部分物體或空間范圍，稱為儲能系統(tǒng)。它包括能量和物質的輸入和輸出、能量的轉換和儲存設備。儲能系統(tǒng)往往涉及多種能量、多種設備、多種物質、多個過程，是隨時間變化的復雜能量系統(tǒng)，需要多項指標來描述它的性能。常用的評價指標有儲能密度、儲能功率、蓄能效率以及儲能價格、對環(huán)境的影響等。能源儲存系統(tǒng)可以儲存多余的熱能、動能、電能、位能、化學能等，改變能量的輸出容量、輸出地點、輸出時間等。

氣相沉積技術是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，改變工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(例如超硬耐磨層或具有特殊的光學、電學性能)的金屬或化合物涂層的新技術。氣相沉積通常是在工件表面覆蓋厚度約0.5~10μm的一層過渡族元素(鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鉭、鈮及鉿)與碳、氮、氧和硼的化合物。

按照過程的本質可將氣相沉積分為化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積( PVD)兩大類。氣相沉積是模具表面強化的新技術之一，氣相沉積技術的應用涉及多種領域。僅在改善機械零件耐磨抗蝕性能方面，其用途就十分廣泛。

氣相沉積技術的發(fā)展前景

1、設備的發(fā)展。如已制出電子束大型連續(xù)蒸鍍設備、多種型式磁控濺射設備、新型弧源離子鍍設備、HCD和多弧復合離子鍍設備、各種IBAD設備及PIII設備等。

2、工藝的進展。主要表現(xiàn)膜層種類的增多和膜層性能的提高。如已制備出各種高性能的耐磨、抗蝕膜層、耐高溫腐蝕膜層、熱障膜層、類金剛石和立方氮化硼膜層及多種陶瓷、梯度和多層復合膜層。

3、方法的復合。較先進的氣相沉積工藝多是各種單一PVD，CVD方法的復合。它們不僅采用各種新型的加熱源，而且充分運用各種化學反應高頻電磁(脈沖、射頻、微波等)及等離子體等效應來激活沉積粒子。如反應蒸鍍、反應濺射、離子束濺射、多種等離子體激發(fā)的CVD等。

蒸鍍設備

簡稱蒸鍍，是指在真空條件下，采用一定的加熱蒸發(fā)方式蒸發(fā)鍍膜材料(或稱膜料)并使之氣化，粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。蒸鍍是使用較早、用途較廣泛的氣相沉積技術，具有成膜方法簡單、薄膜純度和致密性高、膜結構和性能獨特等優(yōu)點。真空蒸鍍裝置由真空抽氣系統(tǒng)和蒸發(fā)室組成。真空抽氣系統(tǒng)由(超)高真空泵、低真空泵、排氣管道和閥門等組成。

此外，還附有冷阱(用以防止油蒸氣的返流)和真空測量計等。蒸發(fā)室大多用不銹鋼制成。在蒸發(fā)室內(nèi)配有真空蒸鍍時不可缺少的蒸發(fā)源、基片和蒸發(fā)空間。此外，還置有控制蒸發(fā)原子流的擋板，測量膜厚并用來監(jiān)控薄膜生長速率的膜厚計，測量蒸發(fā)室的真空變化和蒸發(fā)時剩余氣體壓力的(超)高真空計，以及控制薄膜生長形態(tài)和結晶性的基片溫度調節(jié)器等。蒸發(fā)源是用來加熱膜料使之氣化蒸發(fā)的部件。

真空蒸發(fā)使用的蒸發(fā)源主要有電阻加熱、電子束加熱、高頻感應加熱、電弧加熱和激光加熱等五大類。真空蒸鍍使用的加熱方式主要有：電阻加熱、電子束加熱。射頻感應加熱、電弧加熱和激光加熱等幾種。

磁控濺射設備

磁控濺射的基本原理是利用 Ar一O2混合氣體中的等離子體在電場和交變磁場的作用下，被加速的高能粒子轟擊靶材表面，能量交換后，靶材表面的原子脫離原晶格而逸出，轉移到基體表面而成膜。電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。

氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉積在基片上成膜。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛倫茲力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長。

磁控濺射設備一般根據(jù)所采用的電源的不同又可分為直流濺射和射頻濺射兩種。直流磁控濺射的特點是在陽極基片和陰極靶之間加一個直流電壓，陽離子在電場的作用下轟擊靶材，它的濺射速率一般都比較大。但是直流濺射一般只能用于金屬靶材，因為如果是絕緣體靶材，則由于陽粒子在靶表面積累，造成所謂的“靶中毒”，濺射率越來越低。

離子鍍設備

離子鍍是真空鍍膜工藝的一項新發(fā)展。利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質部分電離，并在氣體離子或被蒸發(fā)物質離子的轟擊下，將蒸發(fā)物質或其反應物沉積在基片上的方法。其中包括磁控濺射離子鍍、反應離子鍍、空心陰極放電離子鍍(空心陰極蒸鍍法)、多弧離子鍍(陰極電弧離子鍍)等。普通真空鍍膜(亦稱真空蒸鍍)時，工件夾固在真空罩內(nèi)，當高溫蒸發(fā)源通電加熱后，促使待鍍材料——蒸發(fā)料熔化蒸發(fā)。

由于溫升，蒸發(fā)料粒子獲得一定動能，則沿著視線方向徐徐上升，最后附著于工件表面上堆積成膜。離子鍍在航空工業(yè)及其他部門的應用潛力是很大的，除以上幾種以外，還有許多，比如鍍導電膜、硬化膜、裝飾膜以及用于精密焊接、精微密封、表面修補等。