JP2016521017A - 向上したエネルギー密度を有するエネルギー貯蔵装置 - Google Patents
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Abstract
向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、約０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有する電解質を含んでいてもよい。最終的なエネルギー貯蔵装置製品は、１つ以上の電極およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって飽和量を上回る閾値量よりも小さい総質量の電解質を有している。【選択図】図１
Description
［関連出願の相互参照］
本出願は、「向上したエネルギー密度を有するエネルギー貯蔵装置」と題された２０１３年６月１４日出願の米国仮出願第６１／８３５３２０の利益を主張するものであり、当該出願の全ては参照により本明細書に組み入れられる。
本出願は、「向上したエネルギー密度を有するエネルギー貯蔵装置」と題された２０１３年６月１４日出願の米国仮出願第６１／８３５３２０の利益を主張するものであり、当該出願の全ては参照により本明細書に組み入れられる。
本発明は、電気エネルギー貯蔵装置、特に、電気エネルギー貯蔵装置の電解質および電極の構成に概して関するものである。
例えばウルトラキャパシタのようなエネルギー貯蔵装置が、出力の異なる電子機器に使用され得る。ウルトラキャパシタは、典型的に、電解質を含浸させた第１電極、第２電極、およびセパレータを備えており、電解質は、第１電極と第２電極との間におけるイオン種の移動を促進する。例えば、ウルトラキャパシタは、電解質と電極との間の界面に形成された電気二重層に電荷を蓄えることができる。
エネルギー貯蔵装置の性能測定は、エネルギー貯蔵装置のエネルギーを蓄える能力の測定を含み得る。あるそのような測定は、装置のエネルギー密度である。ウルトラキャパシタのエネルギー密度は、ウルトラキャパシタの動作電圧に依存し得、そして一般に、より小さな実装面積においてより多くの電力を供給できるため、より高いエネルギー密度を有するウルトラキャパシタが望ましい。加えて、より高いエネルギー密度を有するウルトラキャパシタは、電源供給する電子機器におけるより少ないウルトラキャパシタ・セルの使用を促進し得、制限された利用可能なスペースを伴う電子機器を含む、より多くの電子機器に電力を供給するためのウルトラキャパシタの使用を可能にする。
例えばウルトラキャパシタのようなエネルギー貯蔵装置における電解質の量および濃度は、当該装置の性能に影響し得る。例えば、エネルギー貯蔵装置における低減された電解質塩濃度は、電極間のイオン移動を減少させ得、よって、特により高い出力のアプリケーションにおいて装置の性能を低下させる。例えば装置内の電極／セパレータが完全に浸されていないような、不足した電解質を有するエネルギー貯蔵装置は、また、装置の性能を低下させ得る。加えて、電極およびセパレータを完全に浸すために必要な電解質の正確な量は、任意の既知のエネルギー貯蔵装置に対して概して知られていない。これらの問題に対処するために、従来の考えは、完全な飽和を促進するために、エネルギー貯蔵装置に高い電解質濃度（１．２Ｍ以上）を与え、かつエネルギー貯蔵装置を加圧下で過剰な量の電解質で満たすことだった。しかしながら、過剰な塩濃度は装置の電極における塩の析出をもたらし、それにより装置の電極の活物質内の孔をふさぎ得、性能を低下させる。同様の塩の析出は、エネルギー貯蔵装置が過剰な電解質で満たされている場合に生じ得る。加えて、（電解質の過充填または高モル濃度の電解質を通じて）高すぎる塩濃度を有するエネルギー貯蔵装置において二次反応が生じ得、その結果として装置内においてガスを放出し得、ガス放出、過度の圧力、および安全上の懸念をもたらす。本明細書に記載されるのは、完成したエネルギー貯蔵装置製品、および、塩濃度の範囲内の電解質を使用しかつこれらの相反する問題を調和させる電解質量を使用する関連する方法である。
最終的な製品のエネルギー貯蔵装置は、容器と、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間のセパレータとを備え、第１電極、第２電極、およびセパレータは、容器内にある。最終的なエネルギー貯蔵装置の容器内の電解質は、第１電極、第２電極、およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下である総質量を有していてもよい。
ある実施形態では、電解質の質量が、電解質の飽和量の１０２％以下である。ある実施形態では、電解質の質量が、電解質の飽和量の１０１％以下である。
ある実施形態では、最終的なエネルギー貯蔵装置がシールされている。ある実施形態では、最終的なエネルギー貯蔵装置は、３ボルト（Ｖ）の動作電圧で動作するように構成されている。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、ゼリーロールの構造を有している。ある実施形態では、電解質は、０．７５〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有している。
ある実施形態では、第１電解質および第２電極の少なくとも一方が、複数の孔を有している。
エネルギー貯蔵装置を製造する方法は、容器を提供することと、容器内に第１電極および第２電極を差し込むこととを含んでいてもよく、第１電極と第２電極との間にセパレータが配置される。方法は、容器に最終的な総質量の電解質を加えることを含んでいてもよく、総質量は、電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下である。
ある実施形態では、総質量の電解質を加えることが、電解質の飽和量の１０２％以下の質量の電解質を加えることを含んでいる。
ある実施形態では、方法は、エネルギー貯蔵装置をシールすることを含んでいる。
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、ウルトラキャパシタを含んでいる。
ある実施形態では、質量の電解質を加えることが、０．７〜０．９５Ｍの塩濃度を有する電解質を加えることを含み、塩は、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩およびスピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩の少なくとも一方を含んでいる。
ある実施形態では、総質量の電解質を加えることが、電解質の飽和量に加えて追加的な３グラム（ｇ）以下の電解質を加えることを含んでいる。
最終的な製品のエネルギー貯蔵装置は、容器と、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間のセパレータとを備え、第１電極、第２電極、およびセパレータは、容器内にある。最終的なエネルギー貯蔵装置は、容器内にあって０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有する電解質を備えている。
ある実施形態では、電解質が、第４級アンモニウム塩を含んでいる。ある実施形態では、第４級アンモニウム塩が、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラエチルメチルアンモニウム、およびテトラエチルアンモニウムからなる群から選択される陽イオンを含んでいる。ある実施形態では、テトラフルオロホウ酸塩からなる群から選択される陰イオンを含んでいる。
ある実施形態では、電解質が、アセトニトリルを含んでいる。
ある実施形態では、電解質が、０．８Ｍの塩濃度を有している。
ある実施形態では、電解質が、第１電極、第２電極、およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下となるように構成された質量の電解質を含んでいる。
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置が、３ボルト（Ｖ）の動作電圧で動作するように構成された電気二重層コンデンサを含んでいる。
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置が、シールされている。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置が、ゼリーロールの構造を有している。ある実施形態では、第１電極および第２電極の少なくとも一方が、複数の孔を有している。
エネルギー貯蔵装置を製造する方法は、容器を提供することと、容器内に第１電極および第２電極を差し込むこととを含んでいてもよく、第１電極と第２電極との間にセパレータが配置される。方法は、容器に電解質を加えることを含んでいてもよく、電解質は、０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有していてもよい。
ある実施形態では、電解質を加えることが、０．７〜０．９５Ｍの塩濃度を有する電解質を加えることを含んでいる。ある実施形態では、電解質を加えることが、０．８Ｍの塩濃度を有する電解質を加えることを含んでいる。
ある実施形態では、電解質を加えることが、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩、テトラエチルメチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩、およびテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩の少なくとも１つを加えることを含んでいる。
ある実施形態では、電解質を加えることが、第１電極、第２電極、およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下となるように構成された質量の電解質を加えることを含んでいる。
ある実施形態では、方法は、エネルギー貯蔵装置をシールすることを含んでいる。
エネルギー貯蔵装置を製造する方法は、容器を提供することと、容器内に第１電極および第２電極を差し込むこととを含んでいてもよく、第１電極と第２電極との間にセパレータが配置される。方法は、容器に電解質注入具によって最終的な総質量の電解質を加えることを含んでいてもよく、総質量は、電解質注入具の製造誤差に対応する追加的な質量の電解質を併せ持った電解質の飽和量に対応している。
本発明および先行技術を超えて達成された利点の概要を示す目的のために、特定の対象および利点を本明細書に記載する。もちろん、全てのそのような対象および利点が必ずしも何れかの特定の実施形態に従って実現される必要がないことを理解されたい。よって、例えば、当業者であれば、本発明が、必ずしも他の対象または利点を実現することなく１つまたは複数の利点を実現するかまたは最大活用する態様で具体化されまたは実行され得ることを認識するだろう。
これらの実施形態の全ては、本明細書で開示される発明の範囲に属するように意図されている。これらのおよび他の実施形態は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から当業者にとって容易に明らかになるだろうし、本発明は何れかの特定の開示される実施形態に制限されない。
特定の実施形態および例を以下に記載するが、当業者であれば、本発明が、明確に開示された実施形態および／または使用や明らかな変形例、およびそれらの等価物の範囲を超えて広がっていることを理解するだろう。したがって、本明細書で開示される発明の範囲は、以下に記載するいかなる特定の実施形態によっても制限されるべきではない。
実施形態は、向上したエネルギー密度を有するエネルギー貯蔵装置に関する。ある実施形態は、限られたモル濃度の電解質の使用により、向上したエネルギー密度および／または生涯性能を有するウルトラキャパシタに関する。本明細書に記載されるモル濃度の範囲は、例えば、３Ｖのウルトラキャパシタのような低出力のアプリケーションにおいて、向上したエネルギー密度およびサイクル寿命を提供するために発見された。当該範囲はそのような改善を提供する一方、より高いモル濃度の電解質濃度において生じ得る塩の局所的な析出を低減する。
ある実施形態は、限られた量の電解質の使用を通して、向上したエネルギー密度および／または生涯性能を有するウルトラキャパシタに関する。例えば、最終的なウルトラキャパシタ製品を形成するために使用される電解質の総質量は、装置の１つまたは複数の電極およびセパレータに完全に飽和するために十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって上限閾値よりも小さい。本明細書で使用する電解質の「飽和量」は、電極を有していて電極を完全に覆いかつまた電極が接触可能なスペースを飽和させるために必要とされる容器における電解質の最小量に対応している。例えば、飽和量は、室内温度および室内圧力において、定常状態に到達した後に、２つの電極膜の物質粒子の間に、およびまた各電極膜および任意のセパレータ膜の孔に配置された電解質の量を含むだろう。電解質の飽和量は、１つまたは複数のエネルギー貯蔵装置の特性に部分的に依存し得る。例えば、電極炭素材料の量および／または多孔率、セパレータ材料の量および／または密度、電解質の密度、電極における孔（もしあれば）、またはその他の特性の全てが、電解質の飽和量に影響し得る。ウルトラキャパシタは、電極の表面とウルトラキャパシタの電解質との間の界面におけるヘルムホルツ二重層での電荷の分離によって実現される電気エネルギーの静電貯蔵を提供するように構成された電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を含み得る。ある実施形態では、ウルトラキャパシタは、約３ボルト（Ｖ）の動作電圧で動作するように構成され得る。限られたモル濃度の電解質は、アセトニトリル・ベースの電解質であってもよい。電解質は、約１Ｍ以下のモル濃度を有していてもよい。電解質は、約０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）のモル濃度を有していてもよい。ある実施形態では、電解質のモル濃度は約０．８Ｍである。エネルギー貯蔵装置の電解質の限られた量は、キャパシタの電極およびセパレータを飽和させるための電解質の飽和量を超えるゼロまたは実質的にゼロの電解質の過充填を有すること、または、そのような飽和電解質量を上回る閾値パーセント値よりも低いかまたは等しい過充填を有することによりもたらされた。限られたモル濃度の電解質および／または限られた量の電解質を有するエネルギー貯蔵装置は、当該エネルギー貯蔵装置の耐用年数にわたって改良されたエネルギー密度性能を有することがわかった。ある実施形態では、特徴のこの組合せは、エネルギー貯蔵装置の耐用年数にわたって、これらの特徴を有しない似たような製品と比較して約２５％以上のエネルギー密度の向上を伴うエネルギー貯蔵装置を提供することがわかった。
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、１つまたは複数の孔を有する１つまたは複数の電極を備えていてもよい。孔を有する電極は、限られた量の電解質および／または低減された塩濃度を有する電解質がより容易に電極材料に浸透するのを促進する。限られたモル濃度の電解質、限られた量の電解質、および孔のあいた電極を有するエネルギー貯蔵装置は、当該エネルギー貯蔵装置の耐用年数にわたって改善されたエネルギー密度性能を有することがわかった。例えば、ウルトラキャパシタの耐用年数にわたる当該ウルトラキャパシタのエネルギー密度性能を求めることは、長時間にわたってウルトラキャパシタに電圧を印加しかつウルトラキャパシタに蓄えられたエネルギーの量を周期的に測定することを繰り返すこと、および／または、ウルトラキャパシタに一定電流を流して当該ウルトラキャパシタを繰り返し蓄電および放電させることを含み得る。ある実施形態では、例えば電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）のような装置の耐用年数にわたるウルトラキャパシタのエネルギー密度性能は、サイクリング電圧を周期的にウルトラキャパシタに印加した後、および／または、一定電流をウルトラキャパシタに流して当該ウルトラキャパシタを繰り返し充電および放電させた後における、ウルトラキャパシタの容量フェードの速度および／または等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増大の速度によって測定され得る。
図１は、実施形態に係るエネルギー貯蔵装置１００の一例の概略図を示している。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置１００は、例えば約３Ｖの動作電圧で動作するように構成されたＥＤＬＣのようなウルトラキャパシタであってもよく、改善されたエネルギー密度性能および／または生涯性能を有している。装置１００は、限られた量の電解質を備えていてもよい。エネルギー貯蔵装置１００は、１つまたは複数の電極が内部に設けられる容器１２０を備えていてもよい。例えば、装置１００は、第１電極１０２と、第２電極１０４と、第１電極１０２および第２電極１０４の間のセパレータ１０６と、少なくとも第１電極１０２、第２電極１０４、およびセパレータ１０６を完全に飽和させるのに十分な量の電解質１２０とを備える一方、第１電極１０２、第２電極１０４、およびセパレータ１０６を完全に飽和させるのに十分な量を超えるか、またはゼロもしくはほぼゼロの過飽和電解質の充填レベルを超える電解質１２０の大きな貯蔵槽は設けられていない。
電解質１２０は、イオンを含みかつエネルギー貯蔵装置１００における使用に適した任意の数の電解液を含んでいてもよい。例えば、電解質１２０は溶媒および塩を含んでいてもよく、当該塩は、例えば陰イオンおよび陽イオンのような移動するイオン種を提供する。電解質１２０は、望ましい電気的性能および／または生涯性能を促進するために、第１電極１０２と第２電極１０４との内部および／または間におけるイオン種の移動を可能とする。ある実施形態では、電解質１２０は、エネルギー貯蔵装置１００の動作状態下における化学的および／または電気化学的な安定性を呈し得、かつ、エネルギー貯蔵装置１００の繰り返される蓄放電サイクルに耐え得る。例えば、エネルギー貯蔵装置１００は、第１電極１０２、第２電極１０４、およびセパレータ１０６に内蔵された所定量の電解質１２０を備えていてもよく、そのため、第１電極と第２電極１０４との内部および間における所望のイオン移動を促進するために適当な量の電解質１２０が提供されており、一方、著しい量の過剰な電解質１２０は備えていない。
第１電極１０２は、第１電極電流コレクタ１０８に隣り合う第１電極膜１１２を有していてもよく、第２電極１０４は、第２電極電流コレクタ１１０に隣り合う第２電極膜１１４を有していてもよい。第１電極電流コレクタ１０８および第２電極電流コレクタ１１０は、例えば装置１００の端子１１６，１１８を通じた、各電極と外部回路との間の電気的結合を促進するように構成されていてもよい。ある実施形態では、両側性の二重電極を形成するために、膜１１２，１１４と反対側の電流コレクタ１０８，１１０の各々の側面に追加的な電極膜が配置されていてもよい。電流コレクタは、例えば金属材料を含む導電性材料から作られていてもよい。ある実施形態では、電流コレクタ１０８，１１０の一方または両方は、例えばアルミ箔のようなアルミニウムから作られていてもよい。ある実施形態では、電流コレクタ１０８，１１０の一方または両方は、銀、銅、金、白金、パラジウム、および／または当該金属の合金から作られていてもよい。他の適当な導電性材料もまた可能である。電流コレクタは、任意の適当な形状、および／または、例えば幅、長さ、および／または厚みのような寸法を有していてもよい。例えば、電流コレクタ１０８，１１０の一方または両方は、例えば矩形状のアルミ箔のように、矩形または実質的に矩形の形状を有していてもよい。電極膜およびセパレータは、同様に構成されていてもよい。ある実施形態では、電流コレクタ１０８，１１０は、各電極の外部回路との結合を促進するために、各電極膜の一部を越えて延びる部分を有していてもよい。ある実施形態では、電流コレクタは、約１０〜１００ミクロン、さらには約１５〜３０ミクロン、さらには例えば約２０ミクロンの厚みを有していてもよい。
ある実施形態では、セパレータ１０６は、第１電極１０２が第２電極１０４に直接的に接触するのを防止するように構成されていてもよい。例えば、セパレータ１０６は、第１電極１０２と第２電極１０４との間におけるイオン種の移動を許容する一方、第１電極１０２と第２電極１０４との間における電気的短絡を防止する。セパレータ１０６は、例えば電気的絶縁性高分子材料のような、多孔性のおよび／または孔のあいた電気的絶縁材料から作られていてもよい。セパレータ１０６に適した材料は、ポリプロピレン、ポリエチレン、パリレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、紙、セラミック材料、鉱物繊維、ガラス繊維、それらの組合せ等を含んでいてもよい。
第１電極膜１１２および／または第２電極膜１１４は、活物質要素、結合要素、および／または添加要素を含んでいてもよい。第１電極膜１１２および／または第２電極膜１１４は、追加的な結合剤または添加物を伴うことなく、活物質および例えばＰＴＦＥのような単一の結合剤を含んでいてもよい。第１電極膜１１２および／または第２電極膜１１４は、当業者によって知られているように、他の追加的な要素を含んでいてもよい。第１電極１０２および／または第２電極１０４は、第１電流コレクタ１０８または第２電流コレクタ１１０に隣り合う中間接着層を有していてもよい。中間接着層は、第１電流コレクタ１０８または第２電流コレクタ１１０に対する各電極膜のさらなる接着を提供し得る。例えば、中間接着層は電流コレクタの第１表面に隣接していてもよく、電流コレクタと対応する電極膜との間のさらなる接着を提供する。ある実施形態では、電極は中間接着層を有しておらず、そのため、電極膜は電流コレクタの表面に直接的に隣接し得る。
第２電極膜１１２および／または第２電極膜１１４は、多孔性材料から作られていてもよい。ある実施形態では、電極の活物質要素は多孔性材料を含んでいる。例えば、多孔性の活物質は、電極に対して大きな表面積を提供し得、エネルギー貯蔵装置１００の増大した貯蔵容量を提供するために電解質１２０と電極膜材料との間の接触のための増大した表面積を促進する。ある実施形態では、多孔性の活物質は、例えば活性炭の粒子のような多孔性炭素材料を含んでいてもよい。多孔性の活物質は、例えば所望のエネルギー密度性能のような所望のエネルギー貯蔵装置の性能を促進するように構成されたミクロ細孔、メソ細孔、および／またはマクロ細孔の分布のような、多孔性の程度および／または分布を有する活性炭を含んでいてもよい。
ある実施形態では、電極膜は、少なくとも１つの導電性添加要素を有していてもよい。導電性添加要素は、電極膜の導電率を向上させ得る。例えば、導電性添加要素は、カーボンブラック、グラファイト、および／またはグラフェンを含むがこれらに限定されない導電性カーボン粒子を含んでいてもよい。
ある実施形態では、電極膜の結合要素は、例えば活性電極材料および／または導電性添加要素を含む、電極膜の１つ以上の他の構成要素に対する構造的な支持を提供し得る。結合要素は、１つ以上の重合体を含んでいてもよく、当該重合体は、電極膜の活物質要素および／または導電性添加要素に対して重合体マトリクス支持構造体を提供する。ある実施形態では、結合要素は、フッ素重合体（例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、それらの共重合体、および／またはそれらのポリマーブレンドを含んでいてもよい。他の活物質要素、結合要素、および／または添加要素もまた適当であり得る。
電極膜の組成は、所望のエネルギー貯蔵性能を可能とするために最適化され得る。例えば、ウルトラキャパシタにおける電極膜の組成は、所望の装置の容量性能および／または抵抗性能を提供するように構成され得、例えば所望の装置のエネルギー密度性能および／または出力密度性能を提供する。ある実施形態では、電極膜は、例えば活性炭を重量比で約６０〜９０％含むように、重量比で約５０〜９９％の活物質要素を含んでいてもよい。ある実施形態では、電極膜は、重量比で約１〜５０％の結合要素を含んでいてもよい。ある実施形態では、電極膜は、重量比で約３０％までの添加要素を含んでいてもよく、当該添加要素は、例えば電極の導電率を促進するための導電性添加要素を含む。
引き続き図１を参照すると、ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置１００は、第１電極膜１１２、第２電極膜１１４、およびセパレータ１０６を完全に飽和させるのに十分な量の電解質１２０を備えていてもよく、当該量を超える大きな量の電解質１２０を備えていないかまたは実質的に備えていない。例えば、エネルギー貯蔵装置１００は、上述したように「飽和量」の電解質を備えていてもよい。
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置に加えられる電解質の質量は、製造プロセスおよび／または工具に存在する誤差を補償するために、飽和量および追加量を含んでいてもよい。例えば、選択された質量の電解質を容器内へ導入するために使用される製造工具は、当該工具から産出される電解質に関連する誤差の許容範囲を概して有している。よって、そのような工具からエネルギー貯蔵装置に加えられる電解質の質量は、これらの誤差を補償しかつ装置の電極およびセパレータが完全に飽和されるのを保証するために、飽和量を超える追加質量を含むように選択されてもよい。これらの誤差を補償することにより、最終的なエネルギー貯蔵装置において使用される電解質の最終的な質量は、飽和量を上回ることが保証される一方でまだ上限閾値を下回るように保たれ、よって飽和していない電極／セパレータによる負の性能影響と、過剰な電解質によって生じる塩の析出や過度の圧力といった負の影響を防止することとを調和させている。よって、エネルギー貯蔵装置に加えられる電解質の質量は、エネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータを完全に飽和させるために十分な電解質の量を超えた大きな電解質の貯蔵槽を設けることなく、１つ以上の電極およびセパレータが少なくとも完全に飽和するのを保証するように設定されていてもよい。
エネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の量は実験的に決定されてもよい。例えば、まず、エネルギー貯蔵装置の質量が、当該エネルギー貯蔵装置への電解質の注入に先立って測定されてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置の容器と、この容器内に設けられたエネルギー貯蔵装置の１つ以上の電極およびセパレータとの質量が、エネルギー貯蔵装置に何らかの電解質を加える前に測定されてもよい。その後、電解質がエネルギー貯蔵装置に加えられてもよい。例えば、容器、電極、およびセパレータを有するエネルギー貯蔵装置は、室温においてある時間にわたって、例えば電解質槽において、電解質に浸されてもよい。そのような浸漬は、エネルギー貯蔵装置の１つ以上の電極およびセパレータ内への電解質の吸収を促進する。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は約１０〜２０分間、例えば１５分間、室温（例えば、約２５℃の温度）において大気圧（例えば、１気圧（ａｔｍ））下で電解質槽に浸されてもよい。エネルギー貯蔵装置の１つ以上の電極およびセパレータに吸収されていない電解質は、エネルギー貯蔵装置の容器から除去されてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置は、吸収されていない電解質がエネルギー貯蔵装置の容器から排出されるように、振られてもよい。過剰な電解質の除去の後、エネルギー貯蔵装置の容器がシールされてもよい。
次に、シールされたエネルギー貯蔵装置は、温度制御環境に置かれてもよい。シールされたエネルギー貯蔵装置は、その後、ほぼ室温から高温まで、続いてエネルギー貯蔵装置を低温まで冷却し、そしてほぼ室温に戻すという温度サイクルにかけられてもよい。そのような温度サイクルは、例えば１つ以上のエネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータによる電解質の吸収を促進するために、繰り返されてもよい。温度サイクルを開始するために、まず、エネルギー貯蔵装置の温度が、室温（例えば、約２５℃の温度）から高温まで、例えば約８０〜９０℃の温度まで、例えば約８５℃まで徐々に高められてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置の温度は、ほぼ室温から約８５℃まで約３℃／分の速度で高められてもよい。エネルギー貯蔵装置は、ある時間にわたって、高温に保たれてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置は、約１．５〜３時間にわたって、またはある例では約２時間にわたって８５℃に保たれてもよい。続いて、エネルギー貯蔵装置の温度が、ある時間にわたって低温まで、例えば約−３０〜−５０℃まで、例えば約−４０℃まで、徐々に低められてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置の温度は、−４０℃まで約３℃／分の速度で低められてもよい。エネルギー貯蔵装置は、ある時間にわたって、低温に保たれてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置は、約１．５〜３時間にわたって、またはある例では約２時間にわたって約−４０℃に保たれてもよい。エネルギー貯蔵装置は、そして、当該エネルギー貯蔵装置の温度を低温からほぼ室温まで高めるために加熱されてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置の温度は、当該エネルギー貯蔵装置の温度がほぼ室温に到達するまで約３℃／分の速度で高められてもよい。この温度サイクルは一度実行されてもよく、または１回または複数回繰り返されてもよい。
温度サイクルに続いて、エネルギー貯蔵装置は、ある時間、例えば約１５分間にわたって、例えば電解質槽において、電解質への２度目の浸漬に供されてもよい。エネルギー貯蔵装置の１つ以上の電極およびセパレータによって吸収されない電解質は除去されてもよく、例えばエネルギー貯蔵装置の容器から過剰な電解質を排出し、エネルギー貯蔵装置の容器内において１つ以上のエネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータが電解質により完全に飽和されたままにする。電解質で飽和した電極およびセパレータを含むエネルギー貯蔵装置の質量は、過剰な電解質の除去の後に測定されてもよい。電解質飽和プロセスの前のエネルギー貯蔵装置の質量と、電解質により飽和した１つ以上の電極およびセパレータを含むエネルギー貯蔵装置の質量との間の差は、エネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータを完全に飽和させるために使用される電解質の量を実験的に決定するために用いられてもよい。
飽和量を上回って追加される電解質の追加質量は、飽和量のパーセント値によって表現されてもよい。例えば、ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置を製造するプロセスは、電解質の飽和量の１００〜約１０４％の総質量の電解質をエネルギー貯蔵装置に加えることを含んでいる。例えば、飽和量の１００％にあたる質量の電解質が加えられ、そして別個のまたは同時進行のステップにおいて、追加質量の電解質が飽和質量の約４％まで加えられてもよい。結果として得られる最終的なエネルギー貯蔵装置製品は、第１電極、第２電極、およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の質量の少なくとも１００％であって１０４％以下の質量を有する電解質を含んでいてもよい。図４を参照して後述するように、他の範囲を伴う最終的なエネルギー貯蔵装置製品が未然に防がれる。
飽和量を上回って追加される電解質の追加質量は、異なる大きさのエネルギー貯蔵装置に基づいて、実際の質量によって表現されてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置に電解質を加えるための製造プロセスおよび／または工具が約３グラム（ｇ）の誤差を含んでいる場合、例えばプロセスおよび／または工具の公差が約±３ｇである場合、余分な３ｇの電解質が、電解質添加プロセスにおいて工具によりエネルギー貯蔵装置へ導入されるために準備される電解質の量に含まれていてもよい。この余分な量の電解質（例えば、３ｇ）は、装置の製造プロセスの間において、装置の１つ以上の電極およびセパレータを飽和させるのに十分なように決定された（例えば、本明細書に記載する１つ以上のプロセスにしたがって）量に加えて提供される。もちろん、例えば１ｇ、２ｇ、４ｇ、およびさらに５ｇのような、他の製造プロセスの誤差値に対応する飽和量を上回る追加質量の提供がまた可能である。
図１または他の図面に関して本明細書に記載される実施形態が、さまざまなタイプのエネルギー貯蔵装置、例えばキャパシタ、電池、燃料電池、および組み合わされた電池／キャパシタのようなハイブリッド素子、および／または他のエネルギー貯蔵装置に適用され得ることが理解されるだろう。加えて、本明細書に記載される実施形態は、上記エネルギー貯蔵装置内の異なるタイプの電極、例えば平坦なまたは積層された電極、巻かれた電極、単層、複層、二重層、二重電極、および／または他のタイプの電極に適用され得る。
図２は、ゼリーロールの構造を有するエネルギー貯蔵装置２００の一例を示している。エネルギー貯蔵装置２００は、図１に示す装置１００と類似していてもよい。装置２００は容器２０４を備えていてもよく、当該容器内にはエネルギー貯蔵装置２００の１つ以上の電極およびセパレータが巻かれた構成で設けられており、ゼリーロール２０２を形成し、これは電解質２０９に浸されている。エネルギー貯蔵装置２０４の容器２０４は、円筒形状を有していてもよく、エネルギー貯蔵装置２００と外部電気回路との間の電気的結合を容易にするように構成された第１端子２０６および第２端子２０８を有していてもよい。例えば、第１端子２０６は、第１端部に配置されかつ正に帯電した端子を含んでいてもよく、第２端子２０８は、第２対向端部に配置されかつ負に帯電した端子を含んでいてもよい。
図３は、図２のゼリーロール２００の上面図を示している。ゼリーロール２００は、巻かれた構成において１つ以上の電極およびセパレータを有していてもよい。例えば、ゼリーロール２００は、第１電極２１０、第２電極２１２、および第１電極２１０と第２電極２１２との間のセパレータ２１４を有していてもよい。ある実施形態では、ゼリーロール２００は、第１電極２１０または第２電極２１２に隣接する追加セパレータ２１４を有していてもよい。ある実施形態では、追加セパレータ２１４の配置は、電極およびセパレータが巻かれる方向によって決められてもよい。ゼリーロールの構造を有するエネルギー貯蔵装置は、巻かれていない構造を有するエネルギー貯蔵装置と比較して、低減されたエネルギー貯蔵装置の容積、および／または、低減されたエネルギー貯蔵の重量を容易にし得る。例えば図２および図３に示すようなゼリーロールの構造を有するエネルギー貯蔵装置は、本明細書中の別の箇所に記載するように、限られた量の電解質、もしくは追加的な大きな電解質槽なしでエネルギー貯蔵装置の１つ以上のセパレータおよび電極の望ましい飽和を提供するのに十分な量の電解質を含んでいてもよく、または望ましいモル濃度の電解質を有していてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置２００は、図１のエネルギー貯蔵装置１００に関連して本明細書に記載された電解質の量と同様に、ゼリーロール２０２のセパレータおよび電極の飽和に関する限られた量の電解質２０９を含んでいてもよい。
図４は、限られた量の電解質を有するエネルギー貯蔵装置の製造のためのプロセス５２０の一例を示している。ブロック５２２では、容器が提供されてもよい。ブロック５２４では、第１電極および第２電極が容器内へ差し込まれてもよく、セパレータが第１電極と第２電極との間に配置されてもよい。本明細書に記載するように、電極は、１つ以上の電極膜および／または電流コレクタを含んでいてもよい。ブロック５２６では、最終的な総質量の電解質が容器に加えられ、当該質量は、第１電極、第２電極、およびセパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の質量の少なくとも１００％であって１０４％以下である。ある実施形態では、加えられる電解質の質量は、飽和量のそれの約１００〜１０３％であってもよい。ある実施形態では、加えられる電解質の質量は、飽和量のそれの約１００〜１０２％であってもよい。ある実施形態では、電解質の質量は、飽和量の約１００〜１０１％、さらには約１００〜１００．７５％であってもよい。ある実施形態では、電解質の質量は、飽和量の約１００〜１０．５％、さらには約１００〜１００．４％、約１００〜１００．３％、約１００〜１００．２％、または約１００〜１００．１％であってもよい。
ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、通常用いられる濃度よりも低い塩濃度を有する電解質をそれらに提供することにより、改善されたエネルギー密度性能および／または生涯性能を有し得る。例えば、図１を再び参照すると、電解質１２０が含浸された、エネルギー貯蔵装置１００の第１電極１０２、第２電極１０４、およびセパレータ１０６は、限られたモル濃度を有していてもよい。例えば、電解質１２０は、低減された塩濃度を有する一方、所望のエネルギー貯蔵装置の性能を促進するために十分な量の移動するイオン種を提供する。電解質１２０は、電解液中における所望の溶解度を有する塩を含んでいてもよく、そのため、電解質１２０は、低減された濃度を有する一方、エネルギー貯蔵装置１００の第１電極１０２と第２電極１０４との間の所望のイオン伝導率を維持するかまたは実質的に維持する。図２のエネルギー貯蔵装置２００内の電解質２０９の塩濃度は、同様に限られていてもよい。
ある実施形態では、向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、溶媒がアセトニトリルを含む電解質を有していてもよい。ある実施形態では、向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、塩がアセトニトリル溶媒における所望の溶解度を有する第４級アンモニウム塩を含む電解質を有していてもよい。ある実施形態では、電解質塩の陽イオンは、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラエチルメチルアンモニウム、および／またはテトラエチルアンモニウムを含んでいる。ある実施形態では、電解質塩の陰イオンは、テトラフルオロホウ酸塩を含んでいる。例えば、電解質は、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩（ＳＢＰＴＦＢ）、テトラエチルメチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩（ＴＥＡＭＴＦＢ）、および／またはテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩（ＴＥＡＴＦＢ）を含む塩を有していてもよい。例えば、アセトニトリルを含む溶媒と、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩、テトラエチルメチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩、および／またはテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩を含む塩とを有する電解質は、低減された塩濃度を有する電解質を提供すると同時に、化学的および／または電気化学的な所望の電解質の安定性を提供する。
ある実施形態では、電解質は、１．０ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）よりも低い塩濃度を有していてもよい。例えば、電解質は、約０．９５Ｍの濃度を有していてもよい。例えば、電解質は、約０．７５Ｍの濃度を有していてもよい。ある実施形態では、電解質は、約０．５０〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）、さらには約０．６０〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）、さらには約０．７０〜０．９５Ｍの塩濃度を有していてもよい。例えば、電解質は、アセトニトリルを溶媒とする、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩、テトラエチルメチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩、および／またはスピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩の０．８Ｍの溶液を含んでいてもよい。
ある実施形態では、電解質における低減された塩濃度は、電解質が、不均一な電解質濃度、典型的には不均一な電流密度の下で作り出される不均一な電解質濃度を有することを可能とし得る。電解質濃度の不均一性は、１つ以上の電極の表面における塩の析出を促進し得、例えばエネルギー貯蔵装置の性能に負の影響を与えるように１つ以上の電気的活性部位を塞ぐ。低減された塩濃度を有する電解質は、高められた電圧、例えば高電流での充電および放電サイクルにおいてエネルギー貯蔵が動作しているときに、電解質濃度の不均一性を防止するかまたは実質的に防止し得る。低減された塩濃度を有する電解質は、電解質とエネルギー貯蔵装置の１つ以上の他の構成要素との間における化学的相互作用を低減し得る。低減された化学的相互作用は、例えば副生成物の発生の比率を低減することを可能とし、したがって向上したエネルギー貯蔵装置の性能を提供する。
図５は、限られたモル濃度の電解質を有する最終的なエネルギー貯蔵装置の製品を製造するためのプロセス５４０の一例を示している。ブロック５４２では、容器が提供されてもよい。ブロック５４４では、第１電極および第２電極が容器内へ差し込まれてもよく、セパレータが第１電極と第２電極との間に配置されてもよい。ブロック５４６では、電解質が容器へ加えられてもよく、電解質は０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有している。例えば、限られたモル濃度の電解質が、余分な電解質槽を設けることなくまたは実質的になく電極およびセパレータを完全に飽和させるために、エネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータに加えられてもよい。ある実施形態では、電解質濃度は、約０．７〜０．９５Ｍ、さらには約０．８Ｍ、または上述した他の範囲のものであってもよい。
本明細書に記載するように、向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、１つ以上のエネルギー貯蔵装置の電極に１つ以上の孔を有していてもよい。ある実施形態では、１つ以上の電極の電流コレクタが１つ以上の孔を有している。孔のあいた電流コレクタは、当該電流コレクタの厚みを通って延びる１つ以上の開口を有していてもよい。ある実施形態では、電流コレクタは、当該電流コレクタの第１表面から第２表面まで、例えば第１電極膜に隣接する第１表面から第２電極膜に隣接する第２表面まで延びる複数の孔を有していてもよい。ある実施形態では、電流コレクタと電流コレクタに隣接する１つ以上の電極膜との両方が１つ以上の孔を有している。電流コレクタにおける１つ以上の孔は、電極膜における１つ以上の孔と一致していてもよいし一致していなくてもよい。例えば電流コレクタの１つ以上の孔は、電極膜の１つ以上の孔の位置と異なる位置にあってもよい。ある実施形態では、電流コレクタの１つ以上の孔は、電極膜の１つ以上の孔とは異なる形状、寸法、向き、および／または分布パターンを有していてもよい。ある実施形態では、電極膜における１つ以上の孔は、電極膜の全厚みにわたって延びていてもよいし延びていなくてもよい。
図６は、孔のあいた電極６０２を有するゼリーロール６０８を備えたエネルギー貯蔵装置６００の一例を示している。装置６００はウルトラキャパシタであってもよく、少なくとも部分的に電極６０２における１つ以上の孔６０４を通じて提供される向上したエネルギー密度性能を有している。孔のあいた電極６０２は、電極６０２内の活物質へのエネルギー貯蔵装置の電解質の向上したアクセスを提供し得、電極６０２内における電解質の拡散を促進する。電極６０２内における電解質の改善された拡散は、電極６０２内における電解質の分布の向上した均一性を促進し得る。ある実施形態では、電極６０２内における電解質の分布の改善された均一性は、電極６０２の初期濡れまたは含浸を促進し得る。ある実施形態では、電極６０２内における電解質の改善された拡散は、装置の性能（例えば、エネルギー貯蔵装置のエネルギー密度性能）を向上させ、および／または、装置の信頼性を増大させ得る。例えば、電極６０２内における改善された電解質の分布は、電極内における局所的な電解質の枯渇、ホットスポット、および／または塩の析出、エネルギー貯蔵装置の容量フェード、および／または、装置の性能を劣化させ得る、電極内の領域への損なわれた電解質のアクセスに起因する他の何らかの現象の発生を低減し得る。
例えば、エネルギー貯蔵装置６００は、セパレータおよび電極を飽和させるのに必要な電解質の量を超える電解質の大きな槽を設けることなく、エネルギー貯蔵装置６００の１つ以上のセパレータおよび電極を少なくとも飽和させるのに、例えば所望の程度のセパレータおよび／または電極の飽和を提供するのに十分な量の限られたモル濃度の電解質を有していてもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置６００は、本明細書における他の実施形態に関して記載したのと同様に、ゼロもしくはほぼゼロの過飽和電解質の充填レベル６０６、または他の電解質量、および／または電解質の塩濃度を有していてもよい。
図７は、一例の孔のあいた電極６２０の一部の断面図を示している。図７を参照すると、孔のあいた電極６２０は、電流コレクタ６２６の第１表面上の第１電極膜６２２と、電流コレクタ６２６の第２表面上の第２電極膜６２４とを有していてもよい。電極６２０は、電流コレクタ６２６における１つ以上の孔６３０に対応する１つ以上の孔６２８を有していてもよい。第１電極膜６２２および／または第２電極膜６２４は、電流コレクタ６２６の１つ以上の孔６３０をいくらか塞いでいてもよいし全く塞いでいなくてもよい。
ある実施形態では、第１電極膜６２２および第２電極膜６２４が１つ以上の電流コレクタの孔６３０内で互いに接触していてもよく、電極膜６２２，６２４における１つ以上の孔６２８の輪郭が電流コレクタ６２６における１つ以上の孔６３０の輪郭と異なるように、１つ以上の電流コレクタの孔６３０内で界面６３２を形成している。図７に示す実施形態では、電極膜の孔６２８は、電流コレクタの孔６３０の寸法よりも小さい寸法を有している。第１電極膜６２２と第２電極膜６２４との接触は、電流コレクタ６２６に対する第２電極膜６２２および／または第２電極膜６２４の結合を強め得る。例えば、１つ以上の電流コレクタの孔６３０を通した電極膜同士の結合は、電流コレクタ６２６に対する電極膜の結合を強め得る。ある実施形態では、第１電極膜６２２および第２電極膜６２４は、１つ以上の電流コレクタの孔６３０内において互いに接触していなくてもよい。
図８は、孔のあいた電流コレクタ６４６の第１表面に隣接する第１電極膜６４２と、孔のあいた電流コレクタ６４６の第２表面に隣接する第２電極膜６４４とを有する一例の電極６４０の一部の断面図を示しており、第１電極膜６４２および／または第２電極膜６４４は電流コレクタ６４６の孔６５０の１つ以上を塞ぐかまたは実質的に塞いでいてもよい。例えば、電流コレクタ６４６に形成された１つ以上の孔６５０は、第１電極膜６４２および第２電極膜６４４には形成されていない。第１電極膜６４２および／または第２電極膜６４４は、第１電極膜６４２が界面６５２において第２電極膜６４４と接触しかつ電極膜６４２，６４４が電流コレクタ６４６の孔６５０に対応する孔を有しないように、電流コレクタ６４６の複数の孔６５０の各々を塞ぐかまたは実質的に塞いでいてもよい。
ある実施形態では、電流コレクタおよび／または電極膜の複数の孔は、電極内における電解質の拡散を促進するために最適化された輪郭を有していてもよい。ある実施形態では、電流コレクタおよび／または電極膜の複数の孔は、向上した装置の性能（例えば、エネルギー密度性能）のために最適化された形状、寸法（例えば、長さおよび／または直径）、向き、および／または分布パターンを有していてもよい。例えば、電流コレクタおよび／または電極膜は、電極内における電解質の拡散を改善すると同時に、電極と外部回路との間の所望の程度の電気的結合、および／または所望の程度の構造的堅牢性を提供するように構成された形状、寸法、向き、および／または分布パターンを有する複数の孔を有していてもよい。
ある実施形態では、電流コレクタおよび／または電極膜における複数の孔は、同一のまたは実質的に同一の形状、寸法、および／または向きを有していてもよい。例えば、電流コレクタおよび／または電極膜は、同一のまたは実質的に同一の楕円形のまたは実質的に楕円形の形状、矩形状のまたは実質的に矩形状の形状、および／または円形のまたは実質的に円形の形状を有する複数の孔を有していてもよい。その他の形状もまた適当であり得る。孔は全て同じ向きを有していてもよく、例えば電流コレクタおよび／または電極膜における孔は、電流コレクタおよび／または電極膜の各端部に一列に並んでいてもよい。電流コレクタおよび／または電極膜の端部に沿った孔は、電流コレクタまたは電極膜の各端部から同じだけまたは実質的に同じだけ離れていてもよい。ある実施形態では、複数の孔は、電流コレクタおよび／または電極膜の各々の幅および／または各々の長さを横切って均一に分布していてもよい。電流コレクタおよび／または電極膜における複数の孔は、電流コレクタおよび／または電極膜の１つ以上の各々の端部、対角部分、および／または中心部に沿って分布していてもよい。孔の分布のその他のパターンもまた適当であり得る。
電流コレクタは、電流コレクタの表面を横切って均一にまたは実質的に均一に分布された複数の楕円形の孔を有していてもよい。電流コレクタは、電流コレクタの長さおよび／または幅に沿って、さらには電流コレクタの全長および／または全幅に沿って均一に分布した複数の矩形状の孔を有していてもよい。例えば、電流コレクタは、電流コレクタの寸法（例えば、幅および／または長さ）を横切る２列の矩形状の孔を有していてもよく、当該矩形状の孔は、同じ向きおよび大きさを有していて、電流コレクタの寸法に沿って均一に分布している。電流コレクタの表面に隣接する１つ以上の電極膜は、電流コレクタにおける孔に対応する孔を有していてもよいし有していなくてもよい。
ある実施形態では、電流コレクタおよび／または電極膜における複数の孔は、同一でない形状、寸法、向き、および／または分布パターンを有していてもよい。例えば、電流コレクタにおける孔は、電流コレクタにおける別の孔のものとは異なる形状、寸法、および／または向きを有していてもよい。電極膜における孔は、電極膜における別の孔のものとは異なる形状、寸法、および／または向きを有していてもよい。電流コレクタにおける孔の形状、寸法、向き、および／または分布パターンは、電極膜における孔のそれらとは異なっていてもよい。例えば、電流コレクタおよび／または電極膜の端部に沿った孔は、電流コレクタおよび／または電極膜の各端部から均一に離間していなくてもよい。
ある実施形態では、電流コレクタは、各々が約１００〜３００ミクロン（μｍ）の範囲内の最長寸法を有する複数の孔を有していてもよい。例えば、電流コレクタは、円形のまたは実質的に円形の形状を有する複数の孔を有していてもよく、各孔は、約１００〜３００ミクロン（μｍ）の範囲内の直径を有している。ある実施形態では、電流コレクタの複数の孔は、電流コレクタが１平方インチ当たり約５０〜１７０個の孔を有するような分布パターンを有していてもよい。例えば、電流コレクタは、各々が約１００〜３００ミクロン（μｍ）の直径を有する複数の円形のまたは実質的に円形の孔を、１平方インチ当たり約５０〜１７０個だけ有していてもよく、そのため、孔の全断面積は電流コレクタの表面積の約１〜３％になり得る。本明細書に記載するように、電流コレクタの表面を覆う１つ以上の電極膜は、電流コレクタにおける孔に対応する電極膜の孔を有していてもよいし有していなくてもよい。
ある実施形態では、向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、孔のあいた電流コレクタおよび／または孔のあいた電極膜を有していてもよく、電流コレクタおよび／または電極膜における孔あけの程度は、エネルギー貯蔵装置の電解質とエネルギー貯蔵装置の電極の活物質との間の接触を促進するように設定されている。ある実施形態では、孔のあいた電流コレクタおよび／または孔のあいた電極膜は、電極内における電解質の拡散を促進すると同時に、所望の程度の構造的堅牢性および／または電解質と外部電気回路との間の十分な電気的接続を提供するように構成されている。例えば、電流コレクタは、電流コレクタの表面積の約１〜５０％の全断面積を孔が有するような形状、寸法、および／または電流コレクタを横切る分布パターンを有する複数の孔を有していてもよい。ある実施形態では、孔の全断面積は、電流コレクタの表面積の約１０％よりも小さくてもよい。ある実施形態では、孔の全断面積は、電流コレクタの表面積の約１〜５％であってもよい。例えば、孔の全断面積は、電流コレクタの表面積の約３％であってもよい。電流コレクタの１つ以上の表面上の１つ以上の電極膜は、電流コレクタにおける孔に対応する電極膜の孔を有していてもよいし有していなくてもよい。電流コレクタおよび／または電極膜における孔の他の適当なパーセント値が、また、電解質の拡散を促進するように構成された電解質を提供すると同時に、所望の程度の構造的堅牢性および／または電極と外部電気回路との間の電気的接続を提供するために適当であり得る。ある実施形態では、電流コレクタは、電流コレクタの表面積の約４０％、約３０％、または約２０％の全孔断面積を有していてもよい。
電流コレクタおよび／または電極膜の１つ以上の孔は、機械的手段（例えば、機械的孔あけプロセス）および／または非機械的手段を通じて形成されてもよい。電流コレクタおよび／または電極膜における１つ以上の孔は、電極膜が電流コレクタの表面に取り付けられる（例えば、カレンダリング（calendared））前および／または後に形成されてもよい。例えば、１つ以上の電流コレクタの孔がまず電流コレクタに形成され、そして電極膜が電流コレクタの表面にカレンダリングされた後に１つ以上の電極膜の孔が電極膜に形成されてもよい。ある実施形態では、電流コレクタおよび電極膜における孔の両方が、電極膜が電流コレクタ上にカレンダリングされた後に形成される。
限られた電解質の量、電解質の塩濃度の範囲、および孔のあいた電極に関して本明細書に記載された実施形態に係るエネルギー貯蔵装置が、個別に、または相互の任意の組合せにおいて、さまざまな程度の向上したエネルギー密度性能を提供するために使用され得ることが理解されるだろう。ある実施形態では、向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、アセトニトリルと約０．８Ｍの濃度のテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩との溶液を含む、その量を上回る大きな電解質槽を設けることなくエネルギー貯蔵装置の電極およびセパレータを十分に飽和させる量の電解質を有していてもよい。低減された塩濃度の電解質を有するエネルギー貯蔵装置、およびほぼゼロの過飽和電解質の充填レベルは、電極活物質（例えば、活性炭）の増大された利用を伴うエネルギー貯蔵装置を促進し得、増大した作動電圧を促進しそれゆえに増大したエネルギー密度を提供し、同時に、エネルギー貯蔵装置の性能を劣化させる副生成物を発生させ得る二次反応に利用される塩の量を低減する。ある実施形態では、電解質塩はテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩であってもよい。ある実施形態では、電解質溶媒はアセトニトリルであってもよい。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、約０．８Ｍの電解質塩濃度を有している。ある実施形態では、向上したエネルギー密度性能を有するエネルギー貯蔵装置は、孔のあいた電流コレクタを備えた第１電極と、約０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有する電解質と、その量を超えた大量の電解質槽を設けることなく電極およびセパレータを完全に飽和させる量の電解質とを有していてもよい。ある実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、第１の孔のあいた電流コレクタを有する第１電極と、第２の孔のあいた電流コレクタを有する第２電極とを備えていてもよい。電極は、電流コレクタの第１表面上の第１電極膜と電流コレクタの第２表面上の第２電極膜とを有していてもよく、第１および第２電極膜は、電流コレクタにおける１つ以上の孔に対応する孔を有していてもよいし有していなくてもよい。
本発明は特定の実施形態および例の文脈において開示されたが、本発明が、明確に開示された実施形態を超えて発明の他の代替的な実施形態および／または使用、およびそれらの明らかな変形物および等価物にまで及ぶことが当業者によって理解されるだろう。加えて、本発明の実施形態の複数の変形例が詳細に示されかつ説明されてきた一方、本発明の範囲内にある他の変形物が本明細書に基づいて当業者に容易に認められるだろう。実施形態の特定の特徴や側面のさまざまなコンビネーションまたはサブコンビネーションが構成され得、かつそれらがなお本発明の範囲内に含まれることがまた考えられる。開示された実施形態のさまざまな特徴および側面が、開示された発明の実施形態のさまざまな態様を形成するために、互いに組み合わせられまたは置換され得ることを理解されたい。よって、本明細書で開示された発明の範囲が上述した特定の実施形態によって制限されないことが意図されている。
本明細書で提供された表題は、もしあれば、ただ便宜的なものであって、本明細書で開示される装置および方法の範囲または意味に必ずしも影響しない。
Claims (32)
- 最終的な製品のエネルギー貯蔵装置であって、
容器と、
第１電極と、
第２電極と、
上記第１電極と上記第２電極との間のセパレータとを備え、
上記第１電極、上記第２電極、および上記セパレータは、上記容器内にあり、
上記容器内にある電解質をさらに備え、
上記電解質は、上記第１電極、上記第２電極、および上記セパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下である総質量を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１において、
上記電解質の質量が、電解質の飽和量の１０２％以下である
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項２において、
上記電解質の質量が、電解質の飽和量の１０１％以下である
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１において、
上記エネルギー貯蔵装置が、シールされている
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１において、
上記エネルギー貯蔵装置が、３ボルト（Ｖ）の動作電圧で動作するように構成されている
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１において、
上記エネルギー貯蔵装置が、ゼリーロールの構造を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１において、
上記電解質が、０．７５〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１において、
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも一方が、複数の孔を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - エネルギー貯蔵装置を製造する方法であって、
容器を提供することと、
上記容器内に第１電極および第２電極を差し込むこと
とを含み、上記第１電極と上記第２電極との間にセパレータを配置し、
上記容器に最終的な総質量の電解質を加えること
をさらに含み、上記総質量は、電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下である
ことを特徴とする方法。 - 請求項９において、
上記総質量の電解質を加えることが、電解質の飽和量の１０２％以下の質量の上記電解質を加えることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項９において、
上記エネルギー貯蔵装置をシールすることをさらに含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項９において、
上記エネルギー貯蔵装置が、ウルトラキャパシタを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項９において、
上記総質量の電解質を加えることが、０．７〜０．９５Ｍの塩濃度を有する電解質を加えることを含み、
上記塩は、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩およびスピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩の少なくとも一方を含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項９において、
上記総質量の電解質を加えることが、電解質の飽和量に加えて追加的な３グラム（ｇ）以下の電解質を加えることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 最終的な製品のエネルギー貯蔵装置であって、
容器と、
第１電極と、
第２電極と、
上記第１電極と上記第２電極との間のセパレータとを備え、
上記第１電極、上記第２電極、および上記セパレータは、上記容器内にあり、
上記容器内にあって０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有する電解質をさらに備えている
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記電解質が、第４級アンモニウム塩を含んでいる
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１６において、
上記第４級アンモニウム塩が、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラエチルメチルアンモニウム、およびテトラエチルアンモニウムからなる群から選択される陽イオンを含んでいる
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１６において、
上記第４級アンモニウム塩が、テトラフルオロホウ酸塩からなる群から選択される陰イオンを含んでいる
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記電解質が、アセトニトリルをさらに含んでいる
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記電解質が、０．８Ｍの塩濃度を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記電解質が、上記第１電極、上記第２電極、および上記セパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下となるように構成された質量の電解質を含んでいる
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記エネルギー貯蔵装置が、３ボルト（Ｖ）の動作電圧で動作するように構成された電気二重層コンデンサを含んでいる
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記エネルギー貯蔵装置が、シールされている
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記エネルギー貯蔵装置が、ゼリーロールの構造を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - 請求項１５において、
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも一方が、複数の孔を有している
ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 - エネルギー貯蔵装置を製造する方法であって、
容器を提供することと、
上記容器内に第１電極および第２電極を差し込むこと
とを含み、上記第１電極と上記第２電極との間にセパレータを配置し、
上記容器に電解質を加えることをさらに含み、上記電解質は、０．６〜０．９５ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の塩濃度を有している
ことを特徴とする方法。 - 請求項２６において、
上記電解質を加えることが、０．７〜０．９５Ｍの塩濃度を有する電解質を加えることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項２７において、
上記電解質を加えることが、０．８Ｍの塩濃度を有する電解質を加えることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項２６において、
上記電解質を加えることが、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム・テトラフルオロホウ酸塩、テトラエチルメチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩、およびテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩の少なくとも１つを加えることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項２６において、
上記電解質を加えることが、上記第１電極、上記第２電極、および上記セパレータを完全に飽和させるのに十分な電解質の飽和量の少なくとも１００％であって１０４％以下となるように構成された質量の電解質を加えることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項２６において、
上記エネルギー貯蔵装置をシールすることをさらに含んでいる
ことを特徴とする方法。 - エネルギー貯蔵装置を製造する方法であって、
容器を提供することと、
上記容器内に第１電極および第２電極を差し込むこと
とを含み、上記第１電極と上記第２電極との間にセパレータを配置し、
上記容器に電解質注入具によって最終的な総質量の電解質を加えることをさらに含み、
上記総質量は、上記電解質注入具の製造誤差に対応する追加的な質量の電解質を併せ持った電解質の飽和量に対応している
ことを特徴とする方法。
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