JP2017527112A - 高細孔容積利用炭素及び電気二重層コンデンサ - Google Patents
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Abstract
約200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE)、ここで、PVUEは活性炭の細孔容積(cm3/g)に対する活性炭重量比容量(F/g)の比である;0.1〜5%の低い非直線性の値;及び0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、を有する活性炭を含む、電気二重層コンデンサ電極。ここに定められる、電気二重層コンデンサ電極の作製方法、及び、電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における、活性炭の性能を特徴付けする方法及び電極も開示される。
Description
本出願は、その内容が依拠され、その全体がここに参照することによって本願に援用される、2014年8月8日出願の米国仮特許出願第62/035,045号の米国法典第35編第特許法119条に基づく優先権の利益を主張する。
本明細書に記載される各公報又は特許文献の開示全体が、参照することによって援用される。
本開示は、概して、エネルギー貯蔵装置の分野に関する。
実施形態において、本開示は、200〜290F/cm3の優れた細孔容積利用効率(PVUE)、5%未満の非直線性、及び、例えば、より高い寿命初期(BOL)容量及びより良好な経年変化特性などの優れた性能特性を有する活性炭を含む、電気二重層コンデンサ電極を提供する。
本開示のさまざまな実施形態が、存在する場合には図面を参照して、詳細に説明される。さまざまな実施形態についての言及は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。また、本明細書に記載される実施例はいずれも制限的ではなく、単に特許請求の範囲の多くの可能な実施形態の一部を記載するものである。
実施形態において、開示される組成物、構成要素、及び装置、並びに開示される作製及び使用方法は、例えば以下に論じられるものを含む1つ以上の有利な特徴又は態様を提供する。請求項のいずれかに記載される特徴又は態様は、概して、本発明のすべての様相に適用することができる。ある1つの請求項に記載される単一又は複数の特徴又は態様は、任意の他の請求項に記載される任意の他の特徴又は態様と組み合わせるか又はこれらと順序を変えることができる。
定義
「細孔容積利用効率」、「PVUE」、「λ」などの表現又は記号は、(F/cc又はF/cm3)単位での活性炭細孔容積(cm3/g)に対する活性炭重量比容量(F/g)の比(又は商)のことを指す。
「細孔容積利用効率」、「PVUE」、「λ」などの表現又は記号は、(F/cc又はF/cm3)単位での活性炭細孔容積(cm3/g)に対する活性炭重量比容量(F/g)の比(又は商)のことを指す。
「EDLC」などの表現は、本明細書に定義されるような、電気化学又は電気二重層コンデンサのことを指す。
「寿命初期」、「BOL」などの表現は、耐久寿命の開始時(t=0)における、構成要素又は装置の容量又は等価直列抵抗(ESR)などの特定及び測定された測定基準のことを指す。
「非直線性」、「NL%」などの表現は、定電流放電試験の際のエネルギー法計算とスロープ法計算との間のパーセントにおけるセル容量の差異のことを指す。理論に束縛されるものではないが、非直線性は、電解質イオンに対する細孔のアクセシビリティの定性的又は半定量的な指標である。例えば5〜20%の高い非直線性は、不十分に活性化された炭素を示し、例えば0〜0.1%の低い非直線性は、過度に活性化された炭素を示し、例えば0.1〜5%の中程度の非直線性は、適切に活性化された炭素を示す。不十分な活性化及び過度な活性化はいずれも、EDLC装置における炭素性能を低下させる。
「含む(include、includes)」などの用語は、包含する、すなわち包括的であって排他的ではないことを意味するが、これに限定されない。
例えば、本開示の実施形態の記載に用いられる、組成物中の成分の量、濃度、容積、処理温度、処理時間、収率、流量、圧力、粘度などの値、及びそれらの範囲、又は構成要素のサイズなどの値、及びそれらの範囲を修飾する「約」とは、例えば、以下のことを通じて生じうる、数量における変動のことを指す:材料、組成物、複合材料、濃縮物、構成要素の部品、製品、又は使用配合物を調製するために使用される典型的な測定及び取扱手順;これらの手順における不注意による誤り;上記方法を行うために使用される出発材料又は成分の製造、供給源、又は純度における差異;などの事項。「約」なる用語はまた、特定の初期濃度又は混合物を有する組成物又は配合物の経年劣化に起因して異なる量、及び特定の初期濃度又は混合物を有する組成物又は配合物の混合又は処理に起因して異なる量も包含する。
「随意的な」又は「随意的に」とは、その後に記載される事象又は環境が生じても生じなくてもよいこと、及び、その記載に事象又は環境が生じる場合及び生じない場合が含まれることを意味する。
本明細書で用いられる不定冠詞「a」又は「an」及びその対応する定冠詞「the」は、他に明記されない限り、少なくとも1つ、又は1つ以上を意味する。
当業者に周知の略語が使用される場合がある(例えば、時間についての「h」又は「hrs」、グラムについての「g」又は「gm」、ミリメートルについての「mL」、室温についての「rt」、及びナノメートルについての「nm」などの略語)。
構成要素、成分、添加剤、サイズ、条件、時間などの態様、及びそれらの範囲について開示される特定の及び好ましい値は単に例証のためであり、他の定められた値又は定められた範囲内の他の値を除外しない。本開示の組成物及び方法は、明示的な又は暗示された中間の値及び範囲を含めた、本明細書に記載の値、特定の値、さらに具体的な値、及び好ましい値のいずれかの値又はいずれかの組合せを含みうる。
炭素及びスーパーキャパシタにおけるそれらの使用が検討されている(A.G. Pandolfo, et al., Carbon properties and their role in supercapacitors, J. Power Sources, 157 (2006) 11-27を参照)。
ウルトラキャパシタとしても知られる電気二重層コンデンサ(EDLC)は、従来の電解コンデンサと比較して高い出力密度及び比較的高いエネルギー密度を有する装置である。EDLCは、従来のコンデンサに比べて桁違いに大きい容量を達成するために、高表面積の電極材料及び薄い電解絶縁体を利用する。これにより、汎用回路構成要素というよりはエネルギー貯蔵のための使用が可能になる。典型的な用途としては、マイクロハイブリッド、マイルドハイブリッド、フルハイブリッドなどの自動車エネルギー貯蔵システムが挙げられる。
典型的なEDLC装置は、アルミニウム集電体箔上に積層された陽極及び陰極を含む。2つの電極は、電極間に設置された多孔質のセパレータ紙によって分離され、巻かれてジェリーロール構造を形成し、このロールは有機電解質を含む筐体内にパッケージされる。理論によって限定されるものではないが、陽極と陰極との間の多孔質のセパレータ紙は、イオン電荷の流れを可能にすると同時に、電極−電極間の接触を防ぐ。自動車部門における潜在的な用途では、より高いエネルギー密度、より高い出力密度、及びより低いコストへの志向が存在する。これらの要求は、容量の増大、電解質操作窓の拡張、及び等価直列抵抗(ESR)の低下を推進する。
EDLCのエネルギー密度(E)は次式:
によって与えられ、ここで、Cは容量であり、Vは装置の電圧である。より高い容量を達成するためには、高表面(例えば、500〜2500m2/g)を有する活性炭が使用されている。最近になって、より高い比容量を達成するために改変された炭素が開発されているが、これらの材料コストは市販の製品に使用するには依然として高すぎる。
炭素の活性化は、通常、例えば、蒸気又はアルカリを用いて達成することができる。蒸気活性炭は、炭化された炭素前駆体(例えば、ココナツの殻、小麦粉、コークス等)に水蒸気賦活法を使用して生成されるが、このプロセスは深刻な制御及び品質の問題を有する。実施形態において、本開示は、優れた二酸化炭素(CO2)活性炭及び優れた性能特性を有する、電極などのEDLC構成要素及び電極を備えた装置を提供する。本開示の選択されたCO2活性炭は、他の活性炭と比較して優れたコンデンサ特性を有することが分かった。
エネルギー密度を増大させるための別のアプローチは、コンデンサ動作電圧を改善することである。典型的には、水性電解質はより低い電圧(例えば1V未満)に用いられており、有機電解質は、その幅広い動作電圧により、高電圧の装置(例えば、2.3〜2.7V)における利用が見出されている。しかしながら、より高いエネルギー密度を達成するためには、動作範囲を現在の2.7Vから3.0V以上へと押し上げる必要がある。2.7Vから3.0Vへ移動させることにより、エネルギー密度が約23%増加しうる。より高い電圧での動作は、EDLC構成要素を幾つかの異なる種類の応力に供することとなり、ひいては、より早い劣化につながる。例えば:活性炭ナノ細孔内への荷電イオンの前後の移動に起因する電極への機械的応力、ガスの生成に起因する化学的応力、及びより高い電圧での化学的劣化。化学的応力は、主に、セルにおけるファラデー的電荷移動プロセスに起因する。これらのファラデー的電荷移動プロセスは、それぞれ、EDLCの陽極及び陰極における酸化反応及び還元反応として示される。さらには、これらの反応は、セル内における、炭素ナノ細孔、電解質、又はセパレータ材料に関連しうる水の存在によって促進されうる。典型的には炭素において、水は炭素ナノ細孔に吸着されうるが、この水は、製造に用いられる通常の乾燥によっては取り除くことが困難である。したがって、より高いエネルギー密度を達成するためには、まず、セルにおける炭素性能を増強することが重要であり、これは、材料及び装置にストレスを与えないアプローチである。
本開示は、優れた細孔容積利用効率(PVUE)特性を有する高容量の炭素を提供する。細孔容積利用効率は、電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における活性炭の性能を特定するのに有用である。開示される活性炭細孔容積利用効率(PVUE)は、活性炭細孔容積(cm3/g)に対する活性炭重量比容量(F/g)の比である。当技術分野で知られた、評価かつ比較された活性炭については、より低いPVUEは、装置におけるより低い容量をもたらす。より高いPVUE値は、カチオンの捕捉、イオン抵抗の増加、又はその両方をもたらす。本開示の活性炭は、より高い装置容量を有し、かつ、カチオンの捕捉又はイオン抵抗の増加がほとんど又は全くない、中間のPVUE値を有した。
カチオンの捕捉は、測定表面積に寄与する活性炭中の開放細孔によって生じるが、これらの細孔のすべてが電気化学的にアクセス可能なわけではない。最終的には、細孔サイズは二重層のサイズに近づき、その結果、電解質の移動が制限される。加えて、電解質に由来する分解生成物の劣化に関連する堆積は、イオンの移動を抑制するか、又はイオンの捕捉を生じるかもしれず、この抑制は、経時によるウルトラキャパシタの容量の望ましくない減衰、循環、又はその両方を生じかねない。イオン抵抗の増加は、炭素細孔におけるイオンの流れによって生じ、これは、最終的にはセルにおける熱応力を引き起こし、早期劣化につながる。カチオンの捕捉又はイオン抵抗の増加のいずれかは、例えば65℃及び3Vにおける、装置の寿命性能に悪影響を与えかねない。
実施形態において、本開示は、優れた細孔容積利用効率(PVUE)を有する活性炭を含む電気二重層コンデンサ(EDLC)電極を提供する。
実施形態において、本開示は、約200〜290F/cm3のPVUEを有する活性炭を有する電気二重層コンデンサ(EDLC)装置を提供する。このような炭素は、カチオンを捕捉しない、イオン抵抗を増大させない、又はその両方である、高容量のセルをもたらす。これらの活性炭は、例えば0.55cm3/g未満のより小さい細孔容積とともに、例えば130F/g未満の比較的小さい重量比容量を有する。活性炭は、約1nm未満のサイズを有する細孔において0.20cm3/gを超える細孔容積を有する。これらの活性炭の特質の組合せにより、EDLC装置の高い容量及び高い寿命性能特性がもたらされる。
実施形態において、本開示は、例えば、以下をもたらすことによって幾つかの態様において有利となる:
200〜290F/cm3の細孔容積利用効率を有する活性炭を含むEDLCは、高い容量、及び高い寿命性能(すなわち、カチオンの捕捉、イオン抵抗の増加、又はその両方がほとんど又は全くない)を有する;
例えば0.5cm3/g未満の比較的小さい細孔容積を有する活性化されていない炭素;
比較的小さい細孔容積を有する活性炭は、電解質−炭素表面の界面をより良好に利用することにより、必要とする電解質がより少ない;
比較的小さい細孔容積を有する活性炭は、より小さい表面積を有し、その結果として、ファラデー的反応を低減する可能性を有する;及び
比較的小さい細孔容積を有する活性炭は、より小さい表面積を有し、その結果として、より小さい水分吸収を有する。
200〜290F/cm3の細孔容積利用効率を有する活性炭を含むEDLCは、高い容量、及び高い寿命性能(すなわち、カチオンの捕捉、イオン抵抗の増加、又はその両方がほとんど又は全くない)を有する;
例えば0.5cm3/g未満の比較的小さい細孔容積を有する活性化されていない炭素;
比較的小さい細孔容積を有する活性炭は、電解質−炭素表面の界面をより良好に利用することにより、必要とする電解質がより少ない;
比較的小さい細孔容積を有する活性炭は、より小さい表面積を有し、その結果として、ファラデー的反応を低減する可能性を有する;及び
比較的小さい細孔容積を有する活性炭は、より小さい表面積を有し、その結果として、より小さい水分吸収を有する。
実施形態において、本開示は、以下を含む電気二重層コンデンサ電極を提供する:
約200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE)(炭素の「固有の体積比容量」としても知られ、電極の通常の「体積比容量」とは区別される)、ここで、PVUEは、活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で割った比率又は商である;
0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、
を有する活性炭。
約200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE)(炭素の「固有の体積比容量」としても知られ、電極の通常の「体積比容量」とは区別される)、ここで、PVUEは、活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で割った比率又は商である;
0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、
を有する活性炭。
実施形態において、電極は、90〜130F/gの重量比容量を有する、少なくとも1つの高容量のセルを有してもよく、該セルはカチオンを捕捉しない、イオン抵抗を増加させない、又はその両方である。
実施形態において、活性炭は、105F/g又は110F/gなどの中間の値及び範囲を含む、例えば、50〜130F/g、90〜130F/gの重量比容量;0.4cm3/gなどの中間の値及び範囲を含む、0.32〜0.56cm3/g、0.35〜0.45cm3/gの細孔容積;及び、262F/cm3などの中間の値及び範囲を含む、例えば、200〜290F/cm3、230〜270F/cm3の細孔容積利用効率を有しうる。
実施形態において、活性炭は、0.01〜1nmなど、1nm以下の直径を有する細孔において、0.25cm3/gなどの中間の値及び範囲を含む、例えば、0.25〜0.4cm3/gの細孔容積を有しうる。
実施形態において、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにおける電極では、セルは、0.56ミリオーム(mΩ)など、0.35〜7ミリオーム(mΩ)のESRを有しうる。実施形態において、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにおける二酸化炭素活性炭電極は、3.0Vのストレス試験において、50時間の時点で、約6〜7%、例えば6.4%の容量劣化を有する。
実施形態において、本開示は、以下を含む電気二重層コンデンサ電極の作製方法を提供する:
例えば、1.5rpmにおいて850℃で4.25時間など、0.5〜5rpmにおいて700〜1000℃で2〜6時間、加熱炉内でチャーを加熱することによって炭素を活性化して二酸化炭素活性炭を形成する工程であって、該加熱炉が、加熱炉負荷のkgあたり約10〜20リットル/分、例えば0.1kgの炭素負荷量に対して1リットル/分のCO2体積流量を有する工程;及び
二酸化炭素活性炭で電極を形成する工程。
例えば、1.5rpmにおいて850℃で4.25時間など、0.5〜5rpmにおいて700〜1000℃で2〜6時間、加熱炉内でチャーを加熱することによって炭素を活性化して二酸化炭素活性炭を形成する工程であって、該加熱炉が、加熱炉負荷のkgあたり約10〜20リットル/分、例えば0.1kgの炭素負荷量に対して1リットル/分のCO2体積流量を有する工程;及び
二酸化炭素活性炭で電極を形成する工程。
実施形態において、活性炭は、例えば、105F/gなど、90〜130F/gの重量比容量を有し、細孔容積は、0.4cm3/gなど、0.32〜0.56cm3/gであり、炭素の細孔容積利用効率(PVUE)は、262F/cm3など、200〜290F/cm3である。
実施形態において、活性炭は、1nm以下、例えば0.01〜1nmの直径を有する細孔において、0.2〜0.4cm3/g、例えば0.25cm3/gの細孔容積を有する。
実施形態において、本開示は、以下を含む、電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における活性炭の性能レベルを特徴付けする方法を提供する:
活性炭の重量比容量(F/g)を測定し;
活性炭の細孔容積(cm3/g)を測定し;
測定された重量比容量を測定された細孔容積で除算することにより活性炭のPVUEを算出する、
ことによって、EDLC装置における活性炭の細孔容積利用効率(PVUE)を特定する工程。
活性炭の重量比容量(F/g)を測定し;
活性炭の細孔容積(cm3/g)を測定し;
測定された重量比容量を測定された細孔容積で除算することにより活性炭のPVUEを算出する、
ことによって、EDLC装置における活性炭の細孔容積利用効率(PVUE)を特定する工程。
実施形態において、EDLC装置の性能レベルは:
活性炭が、
約200〜290F/cm3のPVUE;
0.1〜5%の対称なセルにおける低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、
のうち少なくとも1つ又はそれらの組合せを有する場合に優れており、
活性炭が、
約290〜400F/cm3のPVUE;
5〜8%の対称なセルにおける非直線性の値;及び
0.2〜0.32cm3/gの全細孔容積;
を有する場合に中程度であり、又は
活性炭が、
約100〜200F/cm3のPVUE;
8%を超える非直線性の値;及び
0.2cm3/g未満の全細孔容積
を有する場合に、劣っており、
ここで、PVUEは活性炭の重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である。
活性炭が、
約200〜290F/cm3のPVUE;
0.1〜5%の対称なセルにおける低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、
のうち少なくとも1つ又はそれらの組合せを有する場合に優れており、
活性炭が、
約290〜400F/cm3のPVUE;
5〜8%の対称なセルにおける非直線性の値;及び
0.2〜0.32cm3/gの全細孔容積;
を有する場合に中程度であり、又は
活性炭が、
約100〜200F/cm3のPVUE;
8%を超える非直線性の値;及び
0.2cm3/g未満の全細孔容積
を有する場合に、劣っており、
ここで、PVUEは活性炭の重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である。
実施形態において、本開示は、電気二重層コンデンサ電極、及び該電極を組み込んだ、顕著な劣化なしに、より高い電圧(例えば、2.7〜3.3V)で動作することができる、高容量の電気二重層コンデンサ装置を提供する。
EDLC装置は、例えば200〜290F/cm3の優れた細孔容積利用効率を有する炭素の使用によって特徴付けることができる。
これらの炭素の特質の組合せにより、EDLC装置の高容量及び高い寿命性能特性が可能になる。
先行技術では、細孔容積及び細孔容積分布は、炭素細孔における窒素吸着測定によって特定される。窒素分子は、一般に、EDLC装置に使用される電解質イオンと比較してより小さいサイズを有し、かつ電荷を持たない。よって、装置の充電の間に、すべての細孔容積、特に微細孔は、電解質イオンに対してアクセス可能ではない場合がある。したがって、窒素吸着測定は、細孔容積の特定に使用するには、かつ、炭素性能の指標としては、十分に正確ではないかもしれない。本開示のPVUEは、細孔容積の特定を電解質イオンについての細孔構造のアクセス可能部分と関連付け、これは、2つの基本的な測定に基づいた、より基本的かつ正確な測定である。
実施形態において、本開示は、炭素の細孔容積が比較的小さくても、高い容量性能を有する炭素を生じるという予期しない結果の実証をもたらす。本開示はまた、細孔容積測定方法の不備の実証ももたらす。本開示のPVUEのパラメータ及びその適用可能範囲の例は、高容量を有するEDLC装置、及び、カチオンを捕捉しない、イオン抵抗を増加させない、又はその両方であるEDLC装置を作製するための設計指針を提供する。
最先端のEDLCは、120F/gの重量比容量及び約0.59cm3/gの細孔容積を有する炭素を使用する。炭素重量比容量は、1MのTEA−TFB電解質を有するボタン電池及びGamry Instruments社のポテンショスタット(電位制御)/ガルバノスタット(電流制御)機器を使用して測定される。細孔容積は、Micrometrics ASAP 2420上のN2吸着を利用して決定され、スリット状細孔と仮定して密度汎関数理論(DFT)を使用して算出される。細孔容積利用効率は、細孔容積に対する重量比容量の比であり、203F/cm3であると算出された。
細孔容積利用効率(PVUE又はλ)は次式:
λ=GC/PV
によって算出することができ、ここで、GCは重量比容量(F/g)であり、PVは細孔容積(cm3/g)である。
λ=GC/PV
によって算出することができ、ここで、GCは重量比容量(F/g)であり、PVは細孔容積(cm3/g)である。
処理上、PVUEは以下によって求めることができる:
活性炭の重量比容量(F/g)を測定し;
活性炭の細孔容積(cm3/g)を測定し;
活性炭の測定重量比容量(F/g)を活性炭の測定細孔容積(cm3/g)で除算する。
活性炭の重量比容量(F/g)を測定し;
活性炭の細孔容積(cm3/g)を測定し;
活性炭の測定重量比容量(F/g)を活性炭の測定細孔容積(cm3/g)で除算する。
最先端のEDLC装置は、例えば、Maxwell社、Ioxus社、及びNesscap社から、幾つかの設計及びサイズ構成で市販されている。特に、Maxwell社のEDLC(BCAP2000 P270 K04)は、TEA−TFB電解質を含む、2000F定格2.7Vの装置であり、最高65℃で動作可能である。
実施形態において、本開示は、EDLC装置のエネルギー密度を向上させる高容量の炭素を提供する。通常、このアプローチは高い表面積の炭素の生成につながり、よって高い重量比容量を生じることとなる。しかしながら、大抵の場合、炭素細孔容積は著しく高くなり、より低い細孔容積利用効率を生じることとなる。
実施形態において、本開示は、例えば160F/gの高い重量比容量、及び例えば0.7cm3/gの高い細孔容積を有するKOHアルカリ活性炭を使用する比較例7を提供する。細孔容積利用効率は229F/cm3と算出された。細孔の大部分は、電気化学的にアクセス可能ではない。最終的には、細孔サイズは二重層のサイズに近づき、結果的に電解質の移動が制限される。加えて、電解質に由来する分解生成物の劣化に関連する堆積により、イオン移動が抑制されるか、又はイオンの捕捉が生じる場合があり、経時による容量の望ましくない減衰、EDLC装置の循環、又はその両方を生じかねない。
実施形態において、電解質は、典型的には、溶媒に溶解したイオン性塩を含んでおり、電解質は、多孔質の電極及び多孔質のセパレータに浸透するように適合されうる。このようなイオン性塩(例えば、TEA−TFB、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム)では、テトラエチルアンモニウム((Et)4N+)カチオンはテトラフルオロホウ酸(BF4 −)アニオンより大きい。(Et)4N+カチオンのサイズは約0.68nmであり、BF4 −アニオンのサイズは約0.48nmである。
共有され、かつ譲渡された米国特許第8,564,934号明細書には、炭素ベース電極における細孔サイズ及び細孔サイズ分布は、典型的には塩ベースの電解質に起きる異なるイオンサイズを構成するよう最適化できることが記載されている。特に、容量の損失(例えば、イオンの捕捉による)は、例えば、活性炭の細孔サイズ及び細孔サイズ分布を、選択又は化学的修飾などにより、特定の炭素ベース電極と相互作用するイオンサイズへと調整することによって最小化することができる。
上記米国特許第8,564,934号明細書にはまた、TEMA−TFBを有する調整されたセル構成が記載されている。調整されたセル構成は、特異的な細孔サイズ分布を有する第1及び第2の炭素材料を必要とし、ここで、第1の炭素材料の細孔容積比は第2の炭素材料の細孔容積比より大きく、細孔容積比RはR=V1/Vで定義され、式中、V1は1nm未満の細孔サイズを有する細孔の全容積であり、Vは1nmを超える細孔サイズを有する細孔の全容積である。この構成を有するEDLCは、対称なYP50F EDLCと比較してより高い寿命初期容量を有し、対称なアルカリ活性化微細孔性炭素EDLCと比較してより良好な初期劣化性能を有する。しかしながら、このような調整されたセル構成は、例えば、陽極及び陰極のための別々の電極プロセスを含む、複雑な製造方法を必要とし、装置への不必要なコストを計上しかねない。
したがって、本開示は、対称なEDLC構成及び200〜290F/cm3の細孔容積利用効率を有する炭素を提供する。この基準を満たす活性炭は、装置において高い容量及び寿命性能を提供する。例えば、0.32〜0.56cm3/gなど、0.6cm3/g未満の比較的小さい細孔容積を有する、これらの炭素は、さらなる装置コストの削減をもたらすためにEDLC装置においてより低レベルの電解質を要求する。また、より小さい細孔容積によって炭素中の水分がより低くなり、活性炭電極の作製のためのより単純かつより容易な乾燥プロセスが可能となる。
図を参照すると、図1は、電気化学二重層コンデンサ(EDLC)等級の活性炭の細孔容積利用効率(PVUE)及び細孔容積の好ましい領域(110)を特定するグラフである。好ましい領域(110)内にあり、かつ高い直線性を有しないデータ点が好ましい。データ点は、表1に記載の本発明及び比較例の炭素について、以下のように記号によって特徴付けられる:二酸化炭素活性炭試料は白抜きの四角又はダイヤモンド(「◇」)で指定される;蒸気活性炭試料はクロス(「X」)で指定される;KOH活性炭試料は白抜きの丸(「○」)で指定される;5%を超える高い非直線性を有する任意の活性炭試料は白抜きの破線の丸又はハロ(halo)(「
」)で指定される。5%を超える高い非直線性は、対称なセルにおいて高いESRを生じる。
以下の実施例は、開示される高容量の電気二重層コンデンサの製造、使用、及び特徴付け、並びに、本開示及び上記教示に従った作製及び使用の方法を実証する。以下の実施例はまた、一般的な手順、調製方法、及び特徴付けについても実証する。
調製例−二酸化炭素活性炭
例となる二酸化炭素活性化調製例では、粉砕したココナツチャーを、回転加熱炉内で、850℃で4.25時間、1.5rpm、かつ1リットル/分(lpm)のCO2体積流量で活性化した。炭素負荷量は20グラムであった。二酸化炭素活性炭は、ボタン電池試験において80.2F/gの容量性能を有していた。理論によって限定されるものではないが、高い容量は、高い細孔容積利用効率の結果であると考えられる。炭素の重量比容量は105F/gであり、細孔容積は0.4cm3/gであった。炭素は、1nm未満の細孔において0.25cm3/gの細孔容積を有していた。炭素の細孔容積利用効率は262F/cm3であった。炭素を、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにおいて試験した。電池のESRは0.56ミリオーム(mΩ)であった。電池を3.0Vのストレス試験に供し、50時間での容量劣化は約6.4%であった。
例となる二酸化炭素活性化調製例では、粉砕したココナツチャーを、回転加熱炉内で、850℃で4.25時間、1.5rpm、かつ1リットル/分(lpm)のCO2体積流量で活性化した。炭素負荷量は20グラムであった。二酸化炭素活性炭は、ボタン電池試験において80.2F/gの容量性能を有していた。理論によって限定されるものではないが、高い容量は、高い細孔容積利用効率の結果であると考えられる。炭素の重量比容量は105F/gであり、細孔容積は0.4cm3/gであった。炭素は、1nm未満の細孔において0.25cm3/gの細孔容積を有していた。炭素の細孔容積利用効率は262F/cm3であった。炭素を、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにおいて試験した。電池のESRは0.56ミリオーム(mΩ)であった。電池を3.0Vのストレス試験に供し、50時間での容量劣化は約6.4%であった。
比較例1
YP50炭素(TEMA)−より低い細孔容積利用(λ=200F/cm3)、低い容量、及び低いESR。この実施例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置に用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素(YP50F)はクラレケミカル株式会社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、120F/g及び69F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素の細孔容積は0.60cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は200F/cm3と算出された。
YP50炭素(TEMA)−より低い細孔容積利用(λ=200F/cm3)、低い容量、及び低いESR。この実施例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置に用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素(YP50F)はクラレケミカル株式会社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、120F/g及び69F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素の細孔容積は0.60cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は200F/cm3と算出された。
対称な設計、すなわち、陽極及び陰極上にYP50炭素を有するEDLCを作製した。高強度のHenschel剪断ミキサー(二重螺旋状の鈍刃を装着したFML10)において、5℃で、活性炭を、PTFE(DuPont 601A)及びカーボンブラック(Cabot BP2000)と85:10:5の比で混合した。混合速度を2000rpmに設定し、混合時間は40分間であった。およそ5質量%のイソプロピルアルコール(IPA)を混合物に導入し、35分間の乾式混合の後、さらに5分間、湿式混合した。混合ステップの間に、フィブリル化を補助するためにIPAを加えた。電極構成物質が均一に分散及び分布した後にフィブリル化を行った。炭化タングステンでライニングされた約10cm(4インチ)マイクロナイザー・ジェット・ミルをフィブリル化に使用した。ジェット・ミル内に供給する前に、材料を10メッシュスクリーンに通して篩にかけて塊を砕いた。供給圧力を約483kPa(70psi)、粉砕圧力を約586kPa(85psi)、供給速度を1020g/時間に設定した。マイクロナイザーから得られた粉末を、ハンマーミル(Fitz Mill)を使用して解砕した(de-agglomerated)。次に、粉末混合物を、100℃で一連の加圧ローラに通すことによってカレンダ処理し、100マイクロメートル(μm)厚さの自由独立型のシートを形成した。これら2つの自立型の炭素ウェブを、導電性の炭素インクでコーティングした集電体の両側に積層して、電極を得た。集電体は、導電性の炭素インクの約5マイクロメートルの厚さのコーティングを有する25マイクロメートルの厚さのアルミニウム箔であった(以前はAcheson社であったHenkel社から市販されるDAG EB012)。このような2つの電極(YP50炭素を用いた陽極及び陰極)を、多孔質のセパレータ紙TF4030(ニッポン高度紙工業株式会社から入手)によって分離し、「ジェリーロール」状に巻き取り、アルミニウム缶内にパッケージ/封止して、EDLC装置を形成した。1.2MのTEMA−TFB電解質を充填する前に、装置を130℃で48時間、真空乾燥させた。電池を調整し、次いで、3.0Vの定電圧ストレス試験に供した。寿命初期(BOL)の等価直列抵抗(ESR)は0.41mΩであり、50時間での容量劣化はおおよそ6.0%であった。
比較例2
Haycarb HDLC 20B−より低い細孔容積利用(λ=203F/cm3)及び低い容量。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素は、Haycarb社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、124F/g及び70F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素の細孔容積は0.61cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は203F/cm3と算出された。
Haycarb HDLC 20B−より低い細孔容積利用(λ=203F/cm3)及び低い容量。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素は、Haycarb社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、124F/g及び70F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素の細孔容積は0.61cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は203F/cm3と算出された。
比較例3
Calgon ELITEC−高い細孔容積及び低い容量。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素はCalgon社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、140F/g及び79F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素の細孔容積は0.66cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は212F/cm3と算出された。
Calgon ELITEC−高い細孔容積及び低い容量。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素はCalgon社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、140F/g及び79F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素の細孔容積は0.66cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は212F/cm3と算出された。
比較例4
Boyce−低い容量及び高い非直線性。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素はBoyce社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、93F/g及び61F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素は、ボタン電池試験により測定して、9.3%の高い非直線性の値を有し、セルにおいて高いESRを生じる。6〜15などの高い非直線性の値は、炭素が部分的にしか活性化していないことを示しており、これは、0.38cm3/gの低い細孔容積値によって実証又は確認される。細孔容積利用効率は245F/cm3と算出された。
Boyce−低い容量及び高い非直線性。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素はBoyce社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、93F/g及び61F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素は、ボタン電池試験により測定して、9.3%の高い非直線性の値を有し、セルにおいて高いESRを生じる。6〜15などの高い非直線性の値は、炭素が部分的にしか活性化していないことを示しており、これは、0.38cm3/gの低い細孔容積値によって実証又は確認される。細孔容積利用効率は245F/cm3と算出された。
比較例5
Indo German−低い容量及び高い非直線性。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素は、Indo German社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、96F/g及び65F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素は、ボタン電池試験により測定して、7.3%の高い非直線性の値を有し、セルにおいて高いESRを生じる。高い非直線性は炭素が部分的にしか活性化していないことを示しており、これは、0.42cm3/gの細孔容積値によって実証又は確認される。細孔容積利用効率は229F/cm3と算出された。
Indo German−低い容量及び高い非直線性。この例は、Maxwell社のBCAP P270 K04などの市販の装置で用いられるものと同様のココナツチャーに由来する蒸気活性炭を使用した。炭素は、Indo German社から市販されており、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、96F/g及び65F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。炭素は、ボタン電池試験により測定して、7.3%の高い非直線性の値を有し、セルにおいて高いESRを生じる。高い非直線性は炭素が部分的にしか活性化していないことを示しており、これは、0.42cm3/gの細孔容積値によって実証又は確認される。細孔容積利用効率は229F/cm3と算出された。
比較例6
小麦粉由来のKOH炭素−より低い細孔容積利用(λ=229F/cm3)及びより高い容量、カチオンの捕捉。より高い容量を達成するため、アルカリ活性化微細孔性炭素を使用した。炭素は、1nm以下の範囲の細孔において0.45cm3/gの細孔容積、1nmより大きく2nm以下の細孔において0.21cm3/gの細孔容積、及び2nmを超える細孔において0.02cm3/gの細孔容積を有する。この炭素は小麦粉などの非リグノセルロース系の炭素前駆体のKOHアルカリ活性化によって作製された。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、160F/g及び90F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.7cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は229F/cm3と算出された。
小麦粉由来のKOH炭素−より低い細孔容積利用(λ=229F/cm3)及びより高い容量、カチオンの捕捉。より高い容量を達成するため、アルカリ活性化微細孔性炭素を使用した。炭素は、1nm以下の範囲の細孔において0.45cm3/gの細孔容積、1nmより大きく2nm以下の細孔において0.21cm3/gの細孔容積、及び2nmを超える細孔において0.02cm3/gの細孔容積を有する。この炭素は小麦粉などの非リグノセルロース系の炭素前駆体のKOHアルカリ活性化によって作製された。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、160F/g及び90F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.7cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は229F/cm3と算出された。
例1と同様のプロセスを使用して、両方の電極にこの炭素を用いて、EDLCを作製した。寿命初期(BOL)のESRは0.51mΩであった。50時間での容量劣化はおおよそ9.2%であった。上述した通り、電解質に由来する分解生成物の劣化に関連する堆積は、イオン移動を阻害するかもしれず、又はイオンの捕捉を生じるかもしれず、これは、経時による容量の望ましくない減衰、ウルトラキャパシタの循環、又はその両方を生じかねない。
比較例7
生コークス由来のKOH炭素−より低い細孔容積利用(λ=178F/cm3)。この例は、活性炭を製造するために生コークス炭素前駆体及びKOH活性化処理を使用した。活性炭は、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFB電解質を使用)において、それぞれ、115F/g及び80F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。細孔容積利用効率は178F/cm3と算出された。
生コークス由来のKOH炭素−より低い細孔容積利用(λ=178F/cm3)。この例は、活性炭を製造するために生コークス炭素前駆体及びKOH活性化処理を使用した。活性炭は、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFB電解質を使用)において、それぞれ、115F/g及び80F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。細孔容積利用効率は178F/cm3と算出された。
比較例8
カンサイ・コークス−より低い細孔容積利用(λ=198F/cm3)。この例は市販のKansaiコークス活性炭を使用した。KOHアルカリ処理を使用して、炭素を活性化処理した。活性炭は、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、162F/g及び83F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。細孔容積利用効率は198F/cm3と算出された。
カンサイ・コークス−より低い細孔容積利用(λ=198F/cm3)。この例は市販のKansaiコークス活性炭を使用した。KOHアルカリ処理を使用して、炭素を活性化処理した。活性炭は、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、162F/g及び83F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。細孔容積利用効率は198F/cm3と算出された。
比較例9
クラレ・メソカーボンピッチ由来のKOH炭素−高い細孔容積(λ=178F/cm3)。この例は市販のクラレ・メソカーボンピッチを使用した。KOHアルカリ処理を使用して、炭素を活性化処理した。活性炭は、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、138F/g及び79F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。細孔容積利用効率は242F/cm3と算出された。
クラレ・メソカーボンピッチ由来のKOH炭素−高い細孔容積(λ=178F/cm3)。この例は市販のクラレ・メソカーボンピッチを使用した。KOHアルカリ処理を使用して、炭素を活性化処理した。活性炭は、ボタン電池の測定(1.5MのTEA−TFBを使用)において、それぞれ、138F/g及び79F/cm3の重量比容量及び体積比容量を有する。細孔容積利用効率は242F/cm3と算出された。
実施例10
CO2活性化ココナツ炭素−より高い容量、より低い劣化、及び高い細孔容積利用(λ=250F/cm3)。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で4.5時間、1.5rpm、かつ18lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は1,000gであった。ボタン電池の測定により測定したこの炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、105F/g及び72F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.42cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は250F/cm3と算出された。例1と同様のプロセスを使用して、両方の電極にこの炭素を用いて、EDLCを作製した。寿命初期(BOL)のESRは0.46mΩであり、50時間での容量劣化はおおよそ6.3%であった。炭素は高い容量及び低い初期容量劣化を示す。
CO2活性化ココナツ炭素−より高い容量、より低い劣化、及び高い細孔容積利用(λ=250F/cm3)。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で4.5時間、1.5rpm、かつ18lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は1,000gであった。ボタン電池の測定により測定したこの炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、105F/g及び72F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.42cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は250F/cm3と算出された。例1と同様のプロセスを使用して、両方の電極にこの炭素を用いて、EDLCを作製した。寿命初期(BOL)のESRは0.46mΩであり、50時間での容量劣化はおおよそ6.3%であった。炭素は高い容量及び低い初期容量劣化を示す。
実施例11
CO2活性化ココナツ炭素−より高い容量、より低い劣化、及び高い細孔容積利用(λ= 220F/cm3)。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で5時間、1.5rpm、かつ18lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は1,000gであった。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、112F/g及び84F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.51cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は220F/cm3と算出された。例1と同様のプロセスを使用して、両方の電極にこの炭素を用いて、EDLCを作製した。寿命初期(BOL)のESRは0.43mΩであり、50時間での容量劣化はおおよそ5.5%であった。炭素は高い容量及び低い初期容量劣化を示す。
CO2活性化ココナツ炭素−より高い容量、より低い劣化、及び高い細孔容積利用(λ= 220F/cm3)。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で5時間、1.5rpm、かつ18lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は1,000gであった。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、112F/g及び84F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.51cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は220F/cm3と算出された。例1と同様のプロセスを使用して、両方の電極にこの炭素を用いて、EDLCを作製した。寿命初期(BOL)のESRは0.43mΩであり、50時間での容量劣化はおおよそ5.5%であった。炭素は高い容量及び低い初期容量劣化を示す。
実施例12
CO2活性化ココナツ炭素−より高い容量、及び高い細孔容積利用(λ=260F/cm3)。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で4.25時間、1.5rpm、かつ1lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は20gであった。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、104F/g及び78F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.4cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は260F/cm3と算出された。
CO2活性化ココナツ炭素−より高い容量、及び高い細孔容積利用(λ=260F/cm3)。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で4.25時間、1.5rpm、かつ1lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は20gであった。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、104F/g及び78F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.4cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は260F/cm3と算出された。
実施例13
CO2活性化ココナツ炭素−高い細孔容積利用(λ=332F/cm3)及び高い非直線性。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で3.75時間、1.5rpmで、かつ18lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は20gであった。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、103F/g及び70F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.31cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は332F/cm3と算出された。ボタン電池の測定から測定される非直線性の値は7%であったことから、結果としてこの炭素を有する電池はより高いESRを生じるであろう(対称な構成において)。
CO2活性化ココナツ炭素−高い細孔容積利用(λ=332F/cm3)及び高い非直線性。この実施例では、粉砕したココナツチャーを、850℃で3.75時間、1.5rpmで、かつ18lpmのCO2流量で、回転加熱炉内で活性化することによって、炭素を製造した。炭素負荷量は20gであった。ボタン電池の測定により測定した炭素の重量比容量及び体積比容量は、それぞれ、103F/g及び70F/cm3であった。炭素の細孔容積は0.31cm3/gと測定された。細孔容積利用効率は332F/cm3と算出された。ボタン電池の測定から測定される非直線性の値は7%であったことから、結果としてこの炭素を有する電池はより高いESRを生じるであろう(対称な構成において)。
表1には、0.32〜0.56cm3/gの範囲の細孔容積及び200〜290F/cm3の範囲のPVUEを有する、より良好な性能(すなわち、より高いBOL容量及びより良好な劣化特性)を有する、実験及び発明に係る二酸化炭素活性炭試料が記載されている。活性炭は一般に、5%未満の非直線性を生じるはずであり、そうでないとしても、より高いESRカチオンの捕捉、又はその両方が、対称なセルに使用する場合に生じるであろう。
本開示は、さまざまな特定の実施形態及び技法に関して説明してきた。しかしながら、本開示の範囲内にとどまりつつ、多くの変更及び改変が可能であることが理解されるべきである。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE)、ここで、PVUEは活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である;
0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積
を有する活性炭
を含む電気二重層コンデンサ電極。
200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE)、ここで、PVUEは活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である;
0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積
を有する活性炭
を含む電気二重層コンデンサ電極。
実施形態2
前記活性炭が二酸化炭素活性炭である、実施形態1に記載の電極。
前記活性炭が二酸化炭素活性炭である、実施形態1に記載の電極。
実施形態3
前記電極が、90〜130F/gの重量比容量を有する少なくとも1つの高容量セルを有し、前記セルは、カチオンを捕捉しない、イオン抵抗を増加させない、又はその両方である、実施形態1又は2に記載の電極。
前記電極が、90〜130F/gの重量比容量を有する少なくとも1つの高容量セルを有し、前記セルは、カチオンを捕捉しない、イオン抵抗を増加させない、又はその両方である、実施形態1又は2に記載の電極。
実施形態4
前記活性炭が50〜130F/gの重量比容量を有する、実施形態1〜3のいずれかに記載の電極。
前記活性炭が50〜130F/gの重量比容量を有する、実施形態1〜3のいずれかに記載の電極。
実施形態5
前記活性炭が、90〜130F/gの重量比容量、0.35〜0.45cm3/gの細孔容積、及び230〜270F/cm3の細孔容積利用効率を有する、実施形態1〜4のいずれかに記載の電極。
前記活性炭が、90〜130F/gの重量比容量、0.35〜0.45cm3/gの細孔容積、及び230〜270F/cm3の細孔容積利用効率を有する、実施形態1〜4のいずれかに記載の電極。
実施形態6
前記活性炭が、0.01〜1nmの直径を有する細孔において、0.25〜0.4cm3/gの細孔容積を有する、実施形態1〜5のいずれかに記載の電極。
前記活性炭が、0.01〜1nmの直径を有する細孔において、0.25〜0.4cm3/gの細孔容積を有する、実施形態1〜5のいずれかに記載の電極。
実施形態7
前記電極が、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにあり、前記セルが、0.35〜7ミリオームのESRを有する、実施形態1〜6のいずれかに記載の電極。
前記電極が、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにあり、前記セルが、0.35〜7ミリオームのESRを有する、実施形態1〜6のいずれかに記載の電極。
実施形態8
前記電極が、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにあり、3.0Vのストレス試験において、50時間での6〜7%の容量劣化を有する、実施形態1〜7のいずれかに記載の電極。
前記電極が、TEMA−TFB電解質を有する大きいセルフォーマットにあり、3.0Vのストレス試験において、50時間での6〜7%の容量劣化を有する、実施形態1〜7のいずれかに記載の電極。
実施形態9
加熱炉負荷のkgあたり約10〜20リットル/分のCO2体積流量を有する加熱炉内で、700〜1,000℃で2〜6時間、0.5〜5rpmでチャーを加熱することによって炭素を活性化して、二酸化炭素活性炭を形成する工程;及び
前記二酸化炭素活性炭を使用して電極を形成する工程
を含む、実施形態1に記載の電気二重層コンデンサ電極の作製方法。
加熱炉負荷のkgあたり約10〜20リットル/分のCO2体積流量を有する加熱炉内で、700〜1,000℃で2〜6時間、0.5〜5rpmでチャーを加熱することによって炭素を活性化して、二酸化炭素活性炭を形成する工程;及び
前記二酸化炭素活性炭を使用して電極を形成する工程
を含む、実施形態1に記載の電気二重層コンデンサ電極の作製方法。
実施形態10
前記活性炭が、50〜130F/gの重量比容量、0.32〜0.56cm3/gの細孔容積、及び200〜290F/cm3の細孔容積利用効率を有する、実施形態9に記載の方法。
前記活性炭が、50〜130F/gの重量比容量、0.32〜0.56cm3/gの細孔容積、及び200〜290F/cm3の細孔容積利用効率を有する、実施形態9に記載の方法。
実施形態11
前記活性炭が、0.01〜1nmの直径を有する細孔において、0.25〜0.4cm3/gの細孔容積を有する、実施形態9に記載の方法。
前記活性炭が、0.01〜1nmの直径を有する細孔において、0.25〜0.4cm3/gの細孔容積を有する、実施形態9に記載の方法。
実施形態12
電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における活性炭の性能レベルを特徴付けする方法であって、
前記活性炭の重量比容量(F/g)を測定し;
前記活性炭の細孔容積(cm3/g)を測定し;次いで
前記測定された重量比容量を前記測定された細孔容積で除算する
ことによって、電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における前記活性炭の細孔容積利用効率(PVUE)を決定する工程
を含む、方法。
電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における活性炭の性能レベルを特徴付けする方法であって、
前記活性炭の重量比容量(F/g)を測定し;
前記活性炭の細孔容積(cm3/g)を測定し;次いで
前記測定された重量比容量を前記測定された細孔容積で除算する
ことによって、電気二重層コンデンサ(EDLC)装置における前記活性炭の細孔容積利用効率(PVUE)を決定する工程
を含む、方法。
実施形態13
前記電気二重層コンデンサ(EDLC)装置の性能レベルは、
前記活性炭が、
約200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE);
対称なセルにおける0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、
のうち少なくとも1つ又はそれらの組合せを有する場合に、優れており、
前記活性炭が、
約290〜400F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE);
5〜8%の非直線性の値;及び
0.2〜0.32cm3/gの全細孔容積;
を有する場合に、中程度であり、又は
前記活性炭が、
約100〜200F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE);
8%を超える非直線性の値;及び
0.2cm3/g未満の全細孔容積
を有する場合に、劣っており、
ここで、PVUEは活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である、
実施形態12に記載の方法。
前記電気二重層コンデンサ(EDLC)装置の性能レベルは、
前記活性炭が、
約200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE);
対称なセルにおける0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積、
のうち少なくとも1つ又はそれらの組合せを有する場合に、優れており、
前記活性炭が、
約290〜400F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE);
5〜8%の非直線性の値;及び
0.2〜0.32cm3/gの全細孔容積;
を有する場合に、中程度であり、又は
前記活性炭が、
約100〜200F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE);
8%を超える非直線性の値;及び
0.2cm3/g未満の全細孔容積
を有する場合に、劣っており、
ここで、PVUEは活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である、
実施形態12に記載の方法。
Claims (5)
- 200〜290F/cm3の細孔容積利用効率(PVUE)、ここで、PVUEは活性炭重量比容量(F/g)を活性炭の細孔容積(cm3/g)で除算した商である;
0.1〜5%の低い非直線性の値;及び
0.32〜0.56cm3/gの全細孔容積
を有する活性炭
を含む、電気二重層コンデンサ電極。 - 前記活性炭が、二酸化炭素活性炭であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記電極が、90〜130F/gの重量比容量を有する少なくとも1つの高容量セルを有し、前記セルは、カチオンを捕捉しない、イオン抵抗を増加させない、又はその両方であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記活性炭が、50〜130F/gの重量比容量を有することを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記活性炭が、90〜130F/gの重量比容量、0.35〜0.45cm3/gの細孔容積、及び230〜270F/cm3の細孔容積利用効率を有することを特徴とする、請求項1に記載の電極。
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