JP2019057700A - Capacitive energy storage device and method for manufacturing the device - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]本発明は、容量性エネルギー貯蔵デバイス、容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製する方法、及び積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製するための多孔質フィルムの使用に関する。詳しくは、容量性エネルギー貯蔵デバイスは、電解質で浸潤された少なくとも1枚の多孔質フィルムを、フィルム表面に形成されていてフィルムの内部孔隙内の電解質とイオン連通している容量性電極の1つ又はそれ以上の対と共に備えている。 [0001] The present invention relates to capacitive energy storage devices, methods of making capacitive energy storage devices, and the use of porous films to make stacked capacitive energy storage devices. Specifically, the capacitive energy storage device is one of capacitive electrodes formed on the film surface and in ion communication with the electrolyte in the internal pores of the film, with at least one porous film infiltrated with the electrolyte. Or with more pairs.
[0002]今日の暮らしにおける小型化された電子デバイスの影響力の強大化が、増々多くの研究を小型化されたエネルギー貯蔵システムの開発へと駆り立てている。パワー供給システムはデバイスの体積又は重量の50%より多量を占めていることが多く、典型的に小型化の大きな足枷になっている。バッテリは伝統的に比較的高いエネルギー密度を利点としてきたが、バッテリの低いパワーと限られたサイクル寿命そして電気化学的性能を維持しながらのスケール縮小化における課題が、バッテリ代替品としての高性能スーパーキャパシタへの関心をかき立てるに至った。これらのデバイスは、バランスの取れたエネルギーとパワー密度、急速充電/放電能力(ファラデー素子の何桁も高い)、長い寿命、整備不要の作動、及び低い環境的影響を提供する。したがってスーパーキャパシタは、単独にしてもバッテリシステムと一体化された場合にしても、多くの用途にとって魅力的なエネルギー源である。 [0002] Increasing influence of miniaturized electronic devices in today's life is driving more and more research into the development of miniaturized energy storage systems. Power supply systems often occupy more than 50% of the volume or weight of the device and are typically a large footprint. Batteries have traditionally benefited from relatively high energy densities, but the challenges in scaling down while maintaining low battery power, limited cycle life, and electrochemical performance are high performance as battery replacements. It has led to interest in supercapacitors. These devices offer balanced energy and power density, fast charge / discharge capability (tens of orders of magnitude higher for Faraday elements), long life, maintenance-free operation, and low environmental impact. Supercapacitors are therefore an attractive energy source for many applications, whether alone or integrated with a battery system.
[0003]伝統的なスーパーキャパシタは、典型的には100ミクロンの厚さを有する金属製電流コレクタ箔を多孔質炭素電極材料で被覆することによって製作されている。次いでその様な電極2つが、図1に描かれている様に電気的絶縁を提供するがイオン連通は許容する多孔質セパレータを間に挟んで向かい合わせに組み立てられる。電解質がセパレータ及び電極を飽和させ、更にデバイスは外部回路へ電流コレクタを介して電気的に接続される。多孔質電極は高表面積炭素電極材料の電気二重層に主に位置付けられたイオンの形態で電荷を貯蔵する。故にその様なデバイスは電気二重層(EDL)スーパーキャパシタとして知られている。 [0003] Traditional supercapacitors are typically fabricated by coating a metallic current collector foil having a thickness of 100 microns with a porous carbon electrode material. Two such electrodes are then assembled face-to-face with a porous separator in between that provides electrical insulation but allows ionic communication as depicted in FIG. The electrolyte saturates the separator and electrodes, and the device is electrically connected to the external circuit via a current collector. The porous electrode stores charge in the form of ions that are primarily located in the electric double layer of high surface area carbon electrode material. Such devices are therefore known as electric double layer (EDL) supercapacitors.
[0004]その様なEDLスーパーキャパシタでは、電極離隔距離はセパレータの厚さによって支配され、したがって電極は少なくとも50−100ミクロンは離間されている。充電中及び放電中にイオンに横断される比較的長い距離がデバイスのパワー密度を制限する。また、電極の広い表面積、つまりスーパーキャパシタデバイスの断面積に亘って広がりしたがってmm2乃至cm2の範囲に及ぶのが典型的とされる表面積が、それら電極と外部回路の間の効率的電子輸送のための金属製電流コレクタの使用を余儀なくする。かくして電流コレクタ、セパレータ、そして構成要素間接合部が、デバイスのデッドボリューム、重量増加、及び可撓性減少の一因となっている。 [0004] In such EDL supercapacitors, the electrode separation is governed by the thickness of the separator, and thus the electrodes are separated by at least 50-100 microns. The relatively long distance traversed by the ions during charging and discharging limits the power density of the device. Further, the surface area of large surface area of the electrode, i.e. the range from spreading across the cross-sectional area therefore mm 2 or cm 2 of supercapacitor devices are typically, efficient electron transport between the electrodes and an external circuit Force the use of a metal current collector for. Thus, current collectors, separators, and inter-component junctions contribute to device dead volume, increased weight, and reduced flexibility.
[0005]これらの不都合の解決に取り組もうとして、伝統的なスーパーキャパシタに対比して向上したエネルギー密度を有するマイクロスーパーキャパシタを提供するべく平面内電極幾何学形状が開発されてきた。これらのデバイスでは、典型的には、絶縁基板が、要求される電極幾何学形状の伝導性金属製パッドでパターン化され、パッドの上に電極材料が電気化学的堆積法又は他の技法によって堆積される。基板上に堆積させた電解質層が電極間のイオン連通を表面を横切って提供し、方や金属製パッドは電流コレクタの役目を果たす。その様な手法は伝統的な電極−セパレータ−電極型構成の制限事項の幾らかを回避しはするものの、到達できる電極解像度は1−50ミクロン範囲の電極離隔距離を製作するには概して不十分であり、製作には複雑な多段階プロセスが必要となる。 [0005] In an attempt to address these disadvantages, in-plane electrode geometries have been developed to provide micro supercapacitors with improved energy density compared to traditional supercapacitors. In these devices, the insulating substrate is typically patterned with a conductive metal pad of the required electrode geometry, and electrode material is deposited on the pad by electrochemical deposition or other techniques. Is done. An electrolyte layer deposited on the substrate provides ionic communication between the electrodes across the surface, and the metal pads serve as current collectors. While such an approach avoids some of the limitations of traditional electrode-separator-electrode type configurations, the electrode resolution that can be reached is generally insufficient to produce electrode separations in the 1-50 micron range. Therefore, a complicated multi-step process is required for production.
[0006]近年になって、直接「書き込み」手法が、平面内構成を有する真にミクロンスケールの電極の製作を可能にした。この技法では、絶縁酸化グラフェン層を基板の上へ被覆し、集束させたビームを用いて酸化グラフェンを伝導性の高表面積グラフェンへ選択的に還元させることで層へ電極を「書き込む」ようにしている。その結果得られるグラフェン電極は、電極間のイオン連通にとって必要な電解質溜りを保持できる中間の酸化グラフェンによって離隔される。こうして、El Kady et al, Nature Communications 2013, 4, 1475及びLobo et al, Advanced Energy Materials 2015, 19, 1500665に記載されている様に、レーザーと集束イオンビームの両方が、櫛型電極を高分解能で転写するのに使用されてきた。 [0006] In recent years, direct "write" techniques have allowed the fabrication of truly micron scale electrodes with in-plane configurations. In this technique, an insulating graphene oxide layer is coated onto a substrate and a focused beam is used to “write” the electrode to the layer by selectively reducing the graphene oxide to conductive high surface area graphene. Yes. The resulting graphene electrodes are separated by intermediate graphene oxide that can hold the electrolyte reservoir necessary for ionic communication between the electrodes. Thus, both the laser and focused ion beam provide high resolution to the comb electrode as described in El Kady et al, Nature Communications 2013, 4, 1475 and Lobo et al, Advanced Energy Materials 2015, 19, 1500665. Has been used for transcription.
[0007]後者の研究では、1ミクロンほどに小さい電極間離隔距離を有する電極が製作されており、その結果、100mFcm−2を上回る面積あたり静電容量と超高速サイクリング応答が得られた。この優れた性能は、電極のミクロンスケール解像度に因るものであり、具体的には、50ミクロンより下であると確信されるところの限界電極寸法より下で起こる、動態制御における直線状拡散から放射状拡散へのイオン輸送メカニズムの転換に因る。 [0007] In the latter study, electrodes with electrode separations as small as 1 micron were fabricated, resulting in capacitance per area greater than 100 mFcm -2 and ultrafast cycling response. This superior performance is due to the micron-scale resolution of the electrodes, specifically from the linear diffusion in dynamic control that occurs below the critical electrode dimensions that are believed to be below 50 microns. Due to the switch of ion transport mechanism to radial diffusion.
[0008]この研究は、薄膜リチウムイオンバッテリにも勝って高いエネルギー密度を有し、しかも極めて優れたパワー密度とサイクル性を兼ね備えたマイクロスーパーキャパシタを実証したが、直接書き込み手法は、ビーム還元技法への依存のせいで、工業的生産にまでスケールアップするには課題がある。そのうえ、直接書き込み技法は、低速なプロセスであり、また多孔質GO層が電極先駆物質(その後に還元されて電極を形成する)と還元された電極間の絶縁スペーサの両方を兼ねることから高価な電極材料を比較的非効率に使用していることになる。また、ビーム還元技法の結果として、基板はシリコンウェーハの様な非多孔質材料に限定される。結果として、マイクロスーパーキャパシタは望ましくないほど剛性となり、可撓性の電子デバイスへのそれらの適用可能性が制限されてしまう。そのうえ、電解質の溜りは基板表面の平面より上にしか存在せず、つまり典型的には基板の上にゲル電解質の層として存在するので、デバイスに厚さが加増され、故に体積的なパワー密度及びエネルギー密度が小さくなる。 [0008] Although this research demonstrated a micro supercapacitor that has a higher energy density than thin-film lithium-ion batteries and combines extremely good power density and cycleability, the direct write technique is a beam reduction technique. There is a challenge to scale up to industrial production because of dependence on. In addition, the direct write technique is a slow process and expensive because the porous GO layer doubles as both an electrode precursor (which is subsequently reduced to form an electrode) and an insulating spacer between the reduced electrodes. The electrode material is used relatively inefficiently. Also, as a result of beam reduction techniques, the substrate is limited to non-porous materials such as silicon wafers. As a result, micro supercapacitors become undesirably stiff and limit their applicability to flexible electronic devices. In addition, electrolyte pools exist only above the plane of the substrate surface, that is, typically as a layer of gel electrolyte on the substrate, increasing the thickness of the device and hence the volumetric power density. And the energy density becomes small.
[0009]したがって、上述の欠点の1つ又はそれ以上に対処する優れたエネルギー密度及び/又はパワー密度を有する改善された容量性エネルギー貯蔵デバイス及びその様なデバイスを作製する方法に対する要望が継続して存在する。 [0009] Accordingly, there continues to be a need for improved capacitive energy storage devices and methods of making such devices that have superior energy density and / or power density that address one or more of the above-mentioned drawbacks. Exist.
[0010] 先行技術として与えられている本明細書での特許文献又は他の資料への言及は、当該文献又は資料が既知であったとの是認又はそれが保有する情報が特許請求の範囲の何れかの請求項の優先日の時点で周知の一般知識の一部であったとの是認であると受け取られてはならない。 [0010] A reference to a patent document or other material in this specification given as prior art refers to the admission that the document or material is known or the information it holds is in any of the claims It must not be accepted as an admission that it was part of a well-known general knowledge as of the priority date of the claim.
[0011]発明者らは、この度、多孔質フィルムへ塗布された容量性電極材料がフィルムの表面の上に離隔電極の複数対を形成するという容量性エネルギー貯蔵デバイス及び同デバイスを作製するための方法を開発した。フィルムは、概して従来のスーパーキャパシタでのセパレータに類似する性質を有しているフィルムであって、使用時は離隔電極間にフィルムの内部孔隙を介したイオン連通が提供されるように電解質のための溜りの役目を果たすうえで十分に多孔質である。フィルムの内部を通るイオン伝導性経路―フィルム表面を横断する更なるイオン伝導性経路によって及び/又は複層積重体では上に重ねられた多孔質フィルムを貫く更なるイオン伝導性経路によって随意に増補される―は、マイクロ電極への複数方向からの電解質到達容易性が電解質拡散に関連する抵抗を低減するので、デバイスの電気化学的性能を強化するものと確信される。追加的又は代替的に、電解質の溜りとしての多孔質基板の活用は、基板の上の電解質の重積層の厚さを最小化させることを可能にし、又はその様な層を完全に不在にさせることを可能にする。こうして、電極間の満足できるイオン伝導性を維持しながらにデバイスの体積が縮小される。また、フィルムの孔隙は高解像度の電極の製作を容易にすると考えられ、それについては後段でより詳細に説明してゆく。 [0011] The inventors now have a capacitive energy storage device and a device for making the same, wherein the capacitive electrode material applied to the porous film forms multiple pairs of spaced electrodes on the surface of the film Developed a method. The film is generally a film having properties similar to those of a separator in a conventional supercapacitor, and in use for the electrolyte so as to provide ionic communication between the spaced electrodes through the internal pores of the film. It is sufficiently porous to serve as a pool of water. Ion-conducting pathways through the interior of the film-optionally augmented by additional ion-conducting pathways across the film surface and / or by further ion-conducting pathways through the overlying porous film in multilayer stacks Is believed to enhance the electrochemical performance of the device because the ease of electrolyte access to the microelectrode from multiple directions reduces the resistance associated with electrolyte diffusion. Additionally or alternatively, the use of a porous substrate as an electrolyte reservoir allows the thickness of the electrolyte stack on the substrate to be minimized or makes such layers completely absent Make it possible. Thus, the volume of the device is reduced while maintaining satisfactory ionic conductivity between the electrodes. Also, film pores are believed to facilitate the production of high resolution electrodes, which will be described in more detail later.
[0012]したがって、発明は、第1の態様によれば、容量性エネルギー貯蔵デバイスであって:電解質で浸潤された少なくとも1枚の多孔質フィルム;および、多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対であって、下層の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を各電極が備える離隔電極の対、を備えていて、電解質が多孔質フィルムの内部孔隙を介して離隔電極間のイオン連通を提供する、容量性エネルギー貯蔵デバイス、を提供している。 [0012] Thus, the invention, according to a first aspect, is a capacitive energy storage device: at least one porous film infiltrated with electrolyte; and on the first surface of the porous film One or more pairs of spaced apart electrodes disposed, each electrode comprising a capacitive electrode material in ionic communication with the underlying porous film, wherein the electrolyte is porous A capacitive energy storage device is provided that provides ionic communication between the separation electrodes through the internal pores of the film.
[0013]多孔質フィルムは、概して、フィルムの互いに反対側の2つの表面を有している。ここでの使用に際し、多孔質フィルムの「第1表面」及び「裏表面」は、これらの互いに反対側の表面を指し、表面同士を差別化するのに使用されている用語であり、それ自体は表面同士の何らかの相違を暗示するものではない。 [0013] A porous film generally has two opposite surfaces of the film. As used herein, “first surface” and “back surface” of a porous film refer to these opposite surfaces, and are terms used to differentiate between surfaces, Does not imply any difference between the surfaces.
[0014]多孔質フィルムは、少なくとも第1表面と連通する、典型的には第1表面と裏表面のどちらとも連通する内部孔隙を有している。多孔質材料の内部孔隙とは、固体基質を通して分散されている内部のボイド又は孔をいう。多孔質フィルムの孔は相互接続されており、よって多孔質フィルムは液体に透過性であり、従って電解質で浸潤させることができる。当業者には理解される様に、多孔質フィルムの内部孔隙は、孔サイズ、孔隙率(ボイド率、即ち総体積中の孔によって占められる割合、としても知られている)、及び表面積の様なパラメータによって特徴付けることができる。 [0014] The porous film has internal pores that are in communication with at least the first surface, typically in communication with either the first surface or the back surface. The internal pores of the porous material refer to internal voids or pores that are dispersed through the solid substrate. The pores of the porous film are interconnected so that the porous film is permeable to liquid and can therefore be infiltrated with electrolyte. As will be appreciated by those skilled in the art, the internal pores of a porous film are such as pore size, porosity (also known as void fraction, ie the proportion occupied by pores in the total volume), and surface area. Can be characterized by various parameters.
[0015]一部の実施形態では、総電解質の少なくとも80%、望ましくは少なくとも90%、又は実質的に全部が、容量性エネルギー貯蔵デバイス内の多孔質フィルムの内部孔隙内に浸潤されている。従って、デバイス内の、電解質の離散層によって占められる空間は、最小限に留められる。 [0015] In some embodiments, at least 80%, desirably at least 90%, or substantially all of the total electrolyte is infiltrated into the internal pores of the porous film in the capacitive energy storage device. Thus, the space occupied by the discrete layers of electrolyte in the device is kept to a minimum.
[0016]ここでの使用に際し、「多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の対」とは、少なくとも部分的には下層の多孔質フィルムの連続した表面より上に形成されひいては当該表面から突き出る3次元の物理的構造を有する電気的に孤立化された電極の対を指し、電極同士はそれらの中間にある多孔質フィルム表面の部分によって離隔されている。電極は下層の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を備えている。容量性電極材料は、電解質イオンが、電極と、下層の多孔質フィルム部分の内部孔隙と、の間で多孔質フィルム表面を介して動くことができる場合に、下層の多孔質フィルムとイオン連通にある、ということを理解されたい。容量性電極材料は、好適な実施形態では第1の多孔質フィルムの表面と直接接触していても及び/又は接着又は結合されていてもよいが、「イオン連通」のための要件は、非接着性当接係合、容量性電極材料のフィルム内部孔隙内への部分的浸透又はイオン連通が適切に提供される他の係合モードを除外しない、ということを理解されたい。 [0016] For use herein, "a pair of spaced electrodes disposed on a first surface of a porous film" is at least partially formed above the continuous surface of the underlying porous film. Thus, it refers to a pair of electrically isolated electrodes having a three-dimensional physical structure protruding from the surface, the electrodes being separated by a portion of the porous film surface in between them. The electrode includes a capacitive electrode material that is in ion communication with the underlying porous film. Capacitive electrode materials are in ionic communication with the underlying porous film when electrolyte ions can move through the porous film surface between the electrode and the internal pores of the underlying porous film portion. Please understand that there is. Although the capacitive electrode material may be in direct contact with and / or bonded or bonded to the surface of the first porous film in a preferred embodiment, the requirement for “ion communication” is non- It should be understood that adhesive abutment engagement, partial penetration of capacitive electrode material into the film internal pores, or other modes of engagement in which ionic communication is suitably provided are not excluded.
[0017]一部の実施形態では、離隔電極の対は、約50ミクロン未満、望ましくは30ミクロン未満の電極間離隔距離を有している。ここでの使用に際し、電極間離隔距離は離隔電極同士の中間にある多孔質フィルムの第1表面の部分を横切る最小距離であって、確実に電極同士を互いから電気的に孤立化させる最小距離である。狭い電極間離隔距離は、イオンにとっての拡散長さスケールを縮小し、それにより改善された時間及び周波数応答及び/又は改善されたパワー密度を提供する。一部の実施形態では、離隔電極の対は、多孔質フィルムの厚さより小さい電極間離隔距離を有している。その様な離隔距離は、本質的に、電極を多孔質セパレータフィルムのどちらの側にも配置させる従来のスーパーキャパシタ設計では手に入れることができない。 [0017] In some embodiments, the pair of spaced electrodes has an interelectrode separation of less than about 50 microns, desirably less than 30 microns. In this case, the interelectrode separation distance is the minimum distance across the first surface portion of the porous film in the middle of the separation electrodes, and the minimum distance for reliably isolating the electrodes from each other reliably. It is. A narrow interelectrode separation reduces the diffusion length scale for the ions, thereby providing improved time and frequency response and / or improved power density. In some embodiments, the pair of spaced electrodes has an interelectrode separation that is less than the thickness of the porous film. Such a separation is essentially not available in conventional supercapacitor designs where electrodes are placed on either side of the porous separator film.
[0018]一部の実施形態では、電極自体と電極間離隔区域の両方を含む離隔電極の各対は、多孔質フィルム上の約1mm2未満の表面積、例えば0.5mm2未満という様な表面積、を覆っている。ここでの使用に際し、電極間離隔区域とは、離隔電極同士の中間にある多孔質フィルムの第1表面の区域であって、確実に電極同士を互いから電気的に孤立化させる区域である。好都合にも、その様な小さい電極では、電荷輸送動態は放射状拡散メカニズムによって制御され、結果的に改善された静電容量及びエネルギー密度がもたらされるものと考えられる。加えて、その様な電極は、十分な電気伝導性を保有し、追加の電流コレクタ、即ち電極の平面内区域を覆う箔又は他の金属製の層、を必要としない。したがって、一部の実施形態では、容量性エネルギー貯蔵デバイスの電極は隣接する電極へ及び/又は外部回路へ金属製電流コレクタ無しに電気的に接続される。 [0018] In some embodiments, each pair of spaced electrodes, including both the electrodes themselves and the inter-electrode separation zone, the porous about 1 mm 2 less than the surface area on the film, for example surface area, such as that 0.5mm less than 2 , Covering. In the use here, the interelectrode separation area is an area of the first surface of the porous film in the middle of the separation electrodes, and is an area where the electrodes are surely electrically isolated from each other. Conveniently, with such small electrodes, it is believed that charge transport kinetics are controlled by a radial diffusion mechanism, resulting in improved capacitance and energy density. In addition, such electrodes possess sufficient electrical conductivity and do not require an additional current collector, i.e., a foil or other metal layer covering the in-plane area of the electrode. Thus, in some embodiments, the electrodes of the capacitive energy storage device are electrically connected to adjacent electrodes and / or to external circuitry without a metal current collector.
[0019]一部の実施形態では、離隔電極の対は、各電極が2本から6本のフィンガ、望ましくは3本から5本のフィンガ、例えば4本という様なフィンガ、を有する櫛型電極を備えている。各フィンガは約50ミクロン未満の幅と約250ミクロン未満の長さを有することができる。 [0019] In some embodiments, the pair of spaced electrodes is a comb electrode with each electrode having 2 to 6 fingers, preferably 3 to 5 fingers, such as 4 fingers, for example. It has. Each finger can have a width of less than about 50 microns and a length of less than about 250 microns.
[0020]一部の実施形態では、電極は約25nmから約1ミクロンの間の平面外厚さを有している。ここでの使用に際し、平面外厚さとは、電極が多孔質フィルムの第1表面から突き出ている距離をいう。 [0020] In some embodiments, the electrode has an out-of-plane thickness between about 25 nm and about 1 micron. In the use here, the out-of-plane thickness refers to the distance at which the electrode protrudes from the first surface of the porous film.
[0021]一部の実施形態では、多孔質フィルムの第1表面の上に離隔電極の複数対が直列及び/又は並列に電気的に接続されて配置されている。何れかの特定の用途にとってのエネルギー及びパワーの要件に依っては、並列の複数の電極対、直列の複数の電極対、並列接続の電極対を直列に接続したブロック、などを含め、広範に様々な電極対構成を多孔質フィルム上に提供することができる。当業者には理解される様に、並列の電極対の総静電容量は、個々の電極対の静電容量の合計として増加する。対照的に、電極対の直列式組合せは総静電容量を減少させるが、印加電圧は電極対の数と共に直線的に増加する。キャパシタのエネルギー密度は印加電圧の2乗に正比例するので、デバイスのエネルギー密度は、直列に接続される電極対の数の増加と共に直線的に増加する。 [0021] In some embodiments, multiple pairs of spaced electrodes are disposed in electrical connection in series and / or in parallel on the first surface of the porous film. Depending on the energy and power requirements for any particular application, it can vary widely, including multiple parallel electrode pairs, multiple electrode pairs in series, a block of parallel connected electrode pairs, etc. Various electrode pair configurations can be provided on the porous film. As will be appreciated by those skilled in the art, the total capacitance of the parallel electrode pairs increases as the sum of the capacitances of the individual electrode pairs. In contrast, a series combination of electrode pairs reduces the total capacitance, but the applied voltage increases linearly with the number of electrode pairs. Since the energy density of the capacitor is directly proportional to the square of the applied voltage, the energy density of the device increases linearly with an increase in the number of electrode pairs connected in series.
[0022]また、多孔質基板の表面区域の効率的活用は、基板の第1表面の所与の面積内の離隔電極対の数を最大化し、それにより電極対間の未活用空間を最小化することによって提供されることが理解されるであろう。一部の実施形態では、多孔質フィルムの第1表面の上に、表面1cm2当たり10より多い電極対、望ましくは50より多い電極対、例えば80より多いという様な電極対、が配置される。この方式では、デバイス内のデッドボリュームは小さくなり、単位デバイス体積当たりのエネルギー密度及びパワー密度は最大化される。 [0022] Also, efficient utilization of the surface area of the porous substrate maximizes the number of spaced electrode pairs within a given area of the first surface of the substrate, thereby minimizing unused space between the electrode pairs. It will be understood that this is provided by In some embodiments, more than 10 electrode pairs per cm 2 surface, desirably more than 50 electrode pairs, such as more than 80 electrode pairs, are disposed on the first surface of the porous film. . In this scheme, the dead volume in the device is reduced and the energy density and power density per unit device volume is maximized.
[0023]一部の実施形態では、離隔電極の複数対は多孔質フィルムの第1表面上の伝導性リンケージによって電気的に接続されており、伝導性リンケージも容量性電極材料を備えている。これら及び他の実施形態では、離隔電極の対又は電気的に接続されている離隔電極の複数対には、外部回路への電気的接続のための電気接点が提供されており、電気接点も容量性電極材料を備えている。その様な実施形態は、好都合にも、外部回路へ接続するための構成の、電気的に接続されている電極対の拡張型ネットワークを、典型的には単一の印刷工程で、単一の伝導性材料(又はその還元可能な先駆物質)を塗布することによって、多孔質フィルム上に作製することができるようになることで、デバイスの製作を単純化する。電極対間の伝導性リンケージの長さはリンケージをまたぐ電圧の落ち込みを最小限に抑えるために最小に留められ、デバイスのパワー性能が危うくならないようにするのが望ましい。これに関連して、他の実施形態では、同じ多孔質フィルム上の電極の対間の伝導性リンケージ又は外部回路への接続のための電気接点は、金属を含め他の伝導性材料を備えることもできる、ものと理解されたい。これは、例えば、エネルギー貯蔵デバイスの内部抵抗を小さくするには好適であろう。 [0023] In some embodiments, multiple pairs of spaced electrodes are electrically connected by a conductive linkage on the first surface of the porous film, the conductive linkage also comprising a capacitive electrode material. In these and other embodiments, pairs of remote electrodes or multiple pairs of electrically connected remote electrodes are provided with electrical contacts for electrical connection to an external circuit, and the electrical contacts are also capacitive. Electrode material. Such an embodiment advantageously provides an expanded network of electrically connected electrode pairs configured for connection to external circuitry, typically in a single printing step, with a single Application of a conductive material (or its reducible precursor) simplifies device fabrication by allowing it to be fabricated on a porous film. The length of the conductive linkage between the electrode pairs should be kept to a minimum to minimize voltage drops across the linkage so that the power performance of the device is not compromised. In this regard, in other embodiments, the conductive linkage between a pair of electrodes on the same porous film or an electrical contact for connection to an external circuit comprises other conductive materials, including metals. It should be understood that it is possible. This may be suitable, for example, to reduce the internal resistance of the energy storage device.
[0024]一部の実施形態では、複数の多孔質フィルムが積重されていて、第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対が第1の多孔質フィルムより上に積重されている第2の多孔質フィルムの裏表面と接触するように、例えば当接係合するように積重されている。接触が、電極と裏表面の間にイオン連通を提供するのが好適である。複数の多孔質フィルムがこの方式で積重されている場合、第1のフィルムの離隔電極は、それぞれが電解質で浸潤された2枚の多孔質フィルムの間に挟まれ2枚の多孔質フィルムとイオン連通する。したがって電解質は離隔電極間に第1の多孔質フィルムと第2の多孔質フィルムの両方の内部孔隙を介してイオン連通経路を提供することができる。電極は全ての面を第1及び第2の多孔質フィルム内に含まれる電解質の溜りによって有効に取り囲まれているので、容量性エネルギー貯蔵デバイスのデッドボリュームを最小化しつつも電気化学的性能は更に強化される。そのうえ、特に多孔質フィルムが可撓性の膜である場合、隣接する多孔質フィルムは間に挟まれた電極の周りに密接に馴染むので、フィルム同士の間に実質的に隙間無しにフィルムを積重させることができる。したがって、デバイス内の総電解質の少なくとも90%、望ましくは実質的に全部を、積重された多孔質フィルムの内部孔隙内に浸潤させることができる。デバイスの体積的なエネルギー密度及びパワー密度はこうして増加される。 [0024] In some embodiments, a plurality of porous films are stacked and one or more pairs of spaced apart electrodes disposed on a first surface of the first porous film are For example, they are stacked so as to abut and engage with the back surface of the second porous film stacked above the first porous film. It is preferred that the contact provide ionic communication between the electrode and the back surface. When a plurality of porous films are stacked in this manner, the separation electrode of the first film is sandwiched between two porous films each infiltrated with an electrolyte, and the two porous films Ion communication. Therefore, the electrolyte can provide an ion communication path between the separated electrodes through the internal pores of both the first porous film and the second porous film. The electrode is effectively surrounded on all sides by a reservoir of electrolyte contained within the first and second porous films, so that the electrochemical performance is further reduced while minimizing the dead volume of the capacitive energy storage device. Strengthened. In addition, especially when the porous film is a flexible membrane, adjacent porous films are intimately fitted around the sandwiched electrodes so that the films can be stacked with substantially no gap between the films. Can be weighted. Thus, at least 90%, desirably substantially all of the total electrolyte in the device can be infiltrated into the internal pores of the stacked porous film. The volumetric energy density and power density of the device is thus increased.
[0025]2枚又はそれより多い多孔質フィルムが積重されてもよい。当業者には自明であろうが、2枚より多い多孔質フィルムが積重される場合、積重体内で上下両方の隣り合うフィルムを有する各多孔質フィルムは、それの第1表面上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対がその上側の隣り合うフィルムの裏表面と接触している、という点で第1の多孔質フィルムと定義されることもあれば、それの裏表面がその下側の隣り合うフィルムの離隔電極の1つ又はそれ以上の対と接触している、という点で第2の多孔質フィルムと定義されることもある。 [0025] Two or more porous films may be stacked. Those skilled in the art will appreciate that when more than two porous films are stacked, each porous film having both upper and lower adjacent films in the stack is placed on its first surface. One or more pairs of spaced apart electrodes may be defined as the first porous film in that it is in contact with the upper surface of the adjacent film on its upper side. It may also be defined as a second porous film in that the surface is in contact with one or more pairs of adjacent electrodes of the underlying film below it.
[0026]複数の多孔質フィルムが積重される一部の実施形態では、第1の多孔質フィルムの第1表面上に配置されている離隔電極の少なくとも1つは、伝導性経路を介して、第2の多孔質フィルムの第1表面上に配置されている離隔電極の少なくとも1つと電気的に接続されている。この方式では、エネルギー貯蔵デバイスは、直列に及び/又は並列に接続されている電極対の、積重体の厚さに亘る3次元拡張ネットワークを備えることができるわけである。 [0026] In some embodiments in which a plurality of porous films are stacked, at least one of the separation electrodes disposed on the first surface of the first porous film is via a conductive path. , Electrically connected to at least one of the separation electrodes disposed on the first surface of the second porous film. In this manner, the energy storage device can comprise a three-dimensional extension network spanning the stack thickness of electrode pairs connected in series and / or in parallel.
[0027]一部の実施形態では、伝導性経路は、第2の多孔質フィルムの厚さを貫いて延びている開口部内に伝導性材料を備えている。伝導性材料は、それにより、第2の多孔質フィルムを通って浸透し、典型的には第1及び第2の多孔質フィルム上の接続されている電極の電気接点と電気的に連通する。伝導性材料は、分散金属を備える硬化型樹脂、好ましくは銀充填エポキシ、を備えていてもよい。 [0027] In some embodiments, the conductive path comprises a conductive material in an opening that extends through the thickness of the second porous film. The conductive material thereby penetrates through the second porous film and is typically in electrical communication with the electrical contacts of the connected electrodes on the first and second porous films. The conductive material may comprise a curable resin comprising a dispersed metal, preferably a silver filled epoxy.
[0028]少なくとも1枚の多孔質フィルムは、典型的には、高分子多孔質フィルムであり、望ましくは可撓性高分子膜であり、したがって容量性エネルギー貯蔵デバイスの可撓性エレクトロニクス用途での使用の可能性が開ける。多孔質フィルムの厚さは、100ミクロン未満、望ましくは50ミクロン未満、最も望ましくは30ミクロン未満、とすることができる。概して、デバイスの体積的なエネルギー密度及びパワー密度はフィルムの厚さを小さくすることによって増加される。 [0028] The at least one porous film is typically a polymeric porous film, desirably a flexible polymeric membrane, and thus in flexible electronics applications for capacitive energy storage devices. Open up the possibility of use. The thickness of the porous film can be less than 100 microns, desirably less than 50 microns, and most desirably less than 30 microns. In general, the volumetric energy density and power density of the device is increased by reducing the film thickness.
[0029]一部の実施形態では、可撓性高分子膜は、従来のスーパーキャパシタ又はリチウムイオンバッテリの様な電気化学的デバイスでのセパレータとしての使用に適する多孔質材料を備えている。孔隙に加え、その様な材料は、概して、酸電解質又はアルカリ電解質の存在下での劣化を回避するうえで充分に化学的に安定していて、作動中の温度の突発的上昇に耐えるうえで充分に熱的に安定している。可撓性高分子膜は、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレートから成る群より選択される少なくとも1つを備えていてもよい。或る好適な実施形態では、可撓性高分子膜はポリフッ化ビニリデンを備えている。 [0029] In some embodiments, the flexible polymer membrane comprises a porous material suitable for use as a separator in an electrochemical device such as a conventional supercapacitor or lithium ion battery. In addition to pores, such materials are generally sufficiently chemically stable to avoid degradation in the presence of acid or alkaline electrolytes and are able to withstand sudden increases in temperature during operation. It is sufficiently thermally stable. The flexible polymer film may include at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, nylon, and polyethylene terephthalate. In certain preferred embodiments, the flexible polymer membrane comprises polyvinylidene fluoride.
[0030]一部の実施形態では、容量性電極材料は、炭素系電極材料又は疑似容量性電極材料から成る群より選択される少なくとも1つを備えている。一部の実施形態では、容量性電極材料は、還元された酸化グラフェン、グラフェン、剥離グラファイト、多孔質炭素、及び活性炭の様な炭素系電極材料を備えている。還元された酸化グラフェンを容量性電極材料として備えている電極、好都合には酸化グラフェンから形成させてその後に多孔質フィルム表面上で還元させることができる、は、特に好適である。後段により詳細に説明されている様に、容量性電極材料は概して多孔質フィルム上に印刷される。 [0030] In some embodiments, the capacitive electrode material comprises at least one selected from the group consisting of a carbon-based electrode material or a pseudo-capacitive electrode material. In some embodiments, the capacitive electrode material comprises a carbon-based electrode material such as reduced graphene oxide, graphene, exfoliated graphite, porous carbon, and activated carbon. It is particularly preferred that the electrode comprises reduced graphene oxide as a capacitive electrode material, advantageously formed from graphene oxide and subsequently reduced on the porous film surface. As described in more detail later, the capacitive electrode material is generally printed on a porous film.
[0031]一部の実施形態では、電解質はゲル電解質であり、随意に架橋型ポリビニルアルコール、典型的には、KOH、H2SO4、又はH3PO4の様な強酸性又は強塩基性電解質塩と組み合わせで、を備える。別の例では、ポリエチレンオキシド系ゲル電解質も適しているであろう。ゲル電解質は、全体に固体であるが可撓性であるエネルギー貯蔵デバイスを提供する能力及びフィルム面を横切って電極間に増補的イオン伝導性経路を提供する潜在能力が理由で目下のところ好適とされているが、水性、非水性、及びイオン液体性の電解質を含め、多孔質フィルムの孔隙内に少なくとも部分的に保持される液体電解質を使用することも構想される。 [0031] In some embodiments, the electrolyte is a gel electrolyte and is optionally strongly acidic or strongly basic such as cross-linked polyvinyl alcohol, typically KOH, H 2 SO 4 , or H 3 PO 4 . In combination with an electrolyte salt. In another example, a polyethylene oxide based gel electrolyte may be suitable. Gel electrolytes are currently preferred because of their ability to provide an energy storage device that is entirely solid but flexible and the potential to provide a supplemental ion-conducting pathway between electrodes across the film surface. However, it is also envisioned to use liquid electrolytes that are at least partially retained within the pores of the porous film, including aqueous, non-aqueous, and ionic liquid electrolytes.
[0032]ここに説明されている様に、発明による容量性エネルギー貯蔵デバイスの特に好都合な実施形態は積重型構成を有している。その様なデバイスは、電極対のマイクロスケールサイズ、上層及び下層の多孔質フィルムの内部孔隙を介しての電極間の多重的イオン伝導性経路の利用可能性、直列及び/又は並列に接続された電極対の積重体の厚さに亘る広範に様々な3次元拡張ネットワークを作製するための実現性、及び電流コレクタ又は電極の上に重なる厚い電解質層の様な体積充満構成要素の不在、に因る、高エネルギー密度と高パワー密度と高速サイクリング応答のうちの1つ又はそれ以上を有することができる。 [0032] As described herein, a particularly advantageous embodiment of a capacitive energy storage device according to the invention has a stacked configuration. Such devices were connected in series and / or in parallel, the microscale size of the electrode pair, the availability of multiple ion-conducting pathways between the electrodes through the internal pores of the upper and lower porous films Due to the feasibility to create a wide variety of three-dimensional extended networks across the thickness of the stack of electrode pairs and the absence of volume-filling components such as a thick electrolyte layer overlying the current collector or electrode Can have one or more of a high energy density, a high power density, and a fast cycling response.
[0033]従って、更なる態様によれば、発明は、積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスであって:第1の多孔質フィルム;第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つそれ以上の対であって、各電極が下層の第1の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を備えている、離隔電極の対;第1の多孔質フィルムより上に積重されている第2の多孔質フィルムであって、第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対が第2の多孔質フィルムの裏表面と接触するように積重されている第2の多孔質フィルム;および、第1及び第2の多孔質フィルムの内部孔隙内の電解質、を備えている積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスを提供している。 [0033] Thus, according to a further aspect, the invention is a stacked capacitive energy storage device comprising: a first porous film; disposed on a first surface of a first porous film One or more pairs of spaced electrodes, each electrode comprising a capacitive electrode material in ionic communication with the underlying first porous film; above the first porous film; A second porous film stacked on the first porous film, wherein one or more pairs of spaced apart electrodes disposed on the first surface of the first porous film are the second porous film A stacked capacitive energy storage device comprising: a second porous film stacked to contact the back surface of the first electrode; and an electrolyte in the internal pores of the first and second porous films. providing.
[0034]第1及び第2の多孔質フィルムのそれぞれは第1表面と裏表面を有している。積重されたとき、第2の多孔質フィルムの裏表面は第1の多孔質フィルムの第1表面に対向していて典型的には当該第1表面と直接接触している。 [0034] Each of the first and second porous films has a first surface and a back surface. When stacked, the back surface of the second porous film faces the first surface of the first porous film and is typically in direct contact with the first surface.
[0035]一部の実施形態では、容量性電極材料は第2の多孔質フィルムの裏表面とイオン連通している。したがって、使用時、電解質は離隔電極間に第1の多孔質フィルムと第2の多孔質フィルムの両方の内部孔隙を介してイオン連通を提供する。 [0035] In some embodiments, the capacitive electrode material is in ionic communication with the back surface of the second porous film. Thus, in use, the electrolyte provides ionic communication between the separation electrodes through the internal pores of both the first porous film and the second porous film.
[0036]一部の実施形態では、積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスは、更に、第2の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対であって、各電極が下層の第2の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を備えている、離隔電極の対を備えている。 [0036] In some embodiments, the stacked capacitive energy storage device is further one or more pairs of spaced electrodes disposed on the first surface of the second porous film. Each electrode includes a pair of spaced apart electrodes, each of which includes a capacitive electrode material in ionic communication with the underlying second porous film.
[0037]一部のその様な実施形態では、第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の少なくとも1つは、伝導性経路を介して、第2の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の少なくとも1つと電気的に接続されている。 [0037] In some such embodiments, at least one of the separation electrodes disposed on the first surface of the first porous film has a second porous path through the conductive path. It is electrically connected to at least one of the spaced electrodes disposed on the first surface of the film.
[0038]発明の容量性エネルギー貯蔵デバイスの実施形態についてここに説明されている他の随意的又は好都合な特徴は、同じく、積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスの実施形態の特性となり得るものと理解されたい。その様な特徴には、多孔質フィルムの性質、フィルムの第1表面上の電極対の組成及び幾何学形状、電解質の組成、及び同じ表面上の又は隣接して積重されているフィルムの表面上の電極対間の電気的接続が含められる。 [0038] It is understood that other optional or advantageous features described herein for the capacitive energy storage device embodiments of the invention may also be characteristic of the stacked capacitive energy storage device embodiments. I want. Such features include the nature of the porous film, the composition and geometry of the electrode pair on the first surface of the film, the composition of the electrolyte, and the surface of the film stacked on or adjacent to the same surface. An electrical connection between the upper electrode pair is included.
[0039]本発明の容量性エネルギー貯蔵デバイスは、発明者らによって開発された方法であってデバイスを作製するための方法によって提供される。発明の方法は、高解像度での形成を含め、離隔電極を多孔質フィルムの表面上に電極間のイオン連通が少なくとも部分的に多孔質フィルムの内部孔隙を介して提供されるようにして形成することを提供する。 [0039] The capacitive energy storage device of the present invention is provided by a method developed by the inventors for making a device. Inventive methods, including formation at high resolution, form spaced electrodes on the surface of the porous film such that ionic communication between the electrodes is provided at least partially through the internal pores of the porous film. To provide that.
[0040]従って、更なる態様によれば、発明は容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製する方法を提供しており、方法は:容量性電極材料又は先駆物質を多孔質フィルムの第1表面へ塗布して第1表面の上に配置される離隔電極の1つ又はそれ以上の対を形成する段階;および、多孔質フィルムを電解質で浸潤させる段階、を備えており、電解質が離隔電極間に多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通を提供する。 [0040] Thus, according to a further aspect, the invention provides a method of making a capacitive energy storage device, the method comprising: applying a capacitive electrode material or precursor to a first surface of a porous film. Forming one or more pairs of spaced electrodes disposed on the first surface; and infiltrating the porous film with an electrolyte, wherein the electrolyte is porous between the spaced electrodes Ionic communication is provided through the internal pores of the film.
[0041]一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質を備えるインクが第1表面上へ印刷される。フィルムの孔隙は、これらの好適な実施形態でのマイクロスケール電極の製作をやり易くするものと考えられる。何れかの理論によって縛られたいわけではないが、塗布された際にインクの連続した相がフィルムの孔の中へ急速に吸い込まれてゆき、それにより、非常に小さい寸法と狭い電極間距離を有する電極が印刷される場合でさえもインクの拡散と合体が防止されるであろうと考えられている。 [0041] In some embodiments, an ink comprising a capacitive electrode material or precursor is printed onto the first surface. Film pores are believed to facilitate the fabrication of microscale electrodes in these preferred embodiments. While not wishing to be bound by any theory, when applied, a continuous phase of ink is rapidly drawn into the pores of the film, thereby reducing very small dimensions and narrow interelectrode distances. It is believed that ink diffusion and coalescence will be prevented even when the electrodes they have are printed.
[0042]一部の実施形態では、インクは第1表面上へグラビア印刷又はフレキソグラビア印刷により印刷され、グラビア印刷が望ましい。発明者らは、驚くべきことに、その様な印刷技法を使用して、ミクロンスケールの特徴を有する電極を、セパレータとして従来使用されている多孔質フィルムの表面上へ印刷できることを発見した。それにより、分散した電極材料又は先駆物質を備える適切な粘度のインクを採用した場合に優れた解像度と再現性を得ることができる。さらに、何れかの理論に縛られたいわけではないが、グラビア印刷は電極を形成する電極材料又は先駆物質のせん断誘導整列を生じさせ、それによりエネルギー貯蔵デバイスのサイクル中の電極内部への好ましいイオン伝導性が提供されるであろうと考えられている。 [0042] In some embodiments, the ink is printed onto the first surface by gravure printing or flexographic gravure printing, preferably gravure printing. The inventors have surprisingly discovered that using such printing techniques, electrodes having micron scale features can be printed onto the surface of porous films conventionally used as separators. Thereby, excellent resolution and reproducibility can be obtained when an ink of suitable viscosity with dispersed electrode material or precursor is employed. Furthermore, without wishing to be bound by any theory, gravure printing causes shear-induced alignment of the electrode material or precursor that forms the electrode, thereby favoring ions within the electrode during the cycle of the energy storage device. It is believed that conductivity will be provided.
[0043]インクの粘度は、グラビア印刷又はフレキソグラビア印刷を許容し且つ容量性電極材料又は先駆物質の多孔質フィルムの内部への浸透を制限又は回避させるのに適切な範囲に入っていなくてはならない。したがって、インクは、第1表面へ印刷されるときには、約25Pa sから約100Pa sの間の粘度を有することができる。発明の電極を印刷するためのインク中の容量性電極材料又は先駆物質の適切な濃度は、材料及び担体流体の性質に依存することになるものと理解されたい。1つの実施形態では、インクは、容量性電極材料又は先駆物質の約1重量%から5質量%の間の濃度、例えば大凡3質量%という様な濃度、を有していた。 [0043] The viscosity of the ink must be in an appropriate range to allow gravure or flexographic gravure printing and to limit or avoid penetration of capacitive electrode materials or precursors into the porous film. Don't be. Thus, the ink can have a viscosity between about 25 Pas and about 100 Pas when printed on the first surface. It should be understood that the appropriate concentration of capacitive electrode material or precursor in the ink for printing the electrode of the invention will depend on the nature of the material and the carrier fluid. In one embodiment, the ink had a concentration between about 1% and 5% by weight of the capacitive electrode material or precursor, such as a concentration of approximately 3% by weight.
[0044]一部の実施形態では、発明の方法は、更に、第1表面上へ印刷するためのインクを提供する段階を備えている。インクを提供する段階は、容量性電極材料又は先駆物質の分散体を濃縮してその粘度を高める段階を備えていてもよい。或る好適な方法では、容量性電極材料又は先駆物質は分散体の水性連続相中に分散されており、分散体は:i)水性連続相から吸水性固体の中へ水を吸収させるために、分散体を超吸収性高分子のビードの様な吸水性固体と接触させる段階;および、ii)その後、分散体を吸水性固体から分離する段階、によって分散体が濃縮される。発明者らは、グラビア印刷のための適切な粘度を有する濃縮酸化グラフェンインクを好都合にもこの方式で調製することができ、それにより濃縮酸化グラフェン分散体を直接調製するという課題又は希釈分散体を水性相の揮発によって濃縮させるという課題を回避できることを発見した。 [0044] In some embodiments, the inventive method further comprises providing an ink for printing on the first surface. Providing the ink may comprise concentrating the capacitive electrode material or the precursor dispersion to increase its viscosity. In a preferred method, the capacitive electrode material or precursor is dispersed in the aqueous continuous phase of the dispersion, the dispersion being: i) to absorb water from the aqueous continuous phase into the water-absorbing solid. Contacting the dispersion with a water-absorbing solid, such as a bead of superabsorbent polymer; and ii) subsequently separating the dispersion from the water-absorbing solid. The inventors can conveniently prepare concentrated graphene oxide inks with the appropriate viscosity for gravure printing in this manner, thereby reducing the problem of directly preparing concentrated graphene oxide dispersions or diluted dispersions. It has been discovered that the problem of concentration by volatilization of the aqueous phase can be avoided.
[0045]一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質を発明の方法により塗布することによって形成される離隔電極は、約50ミクロン未満、望ましくは30ミクロン未満の電極間離隔距離を有する。しかも、こうして形成された、電極自体と電極間離隔区域の両方を含む離隔電極の各対は、多孔質フィルム上の1mm2未満の表面積を覆うことになる。 [0045] In some embodiments, the separation electrode formed by applying a capacitive electrode material or precursor according to the method of the invention has an electrode separation distance of less than about 50 microns, desirably less than 30 microns. . Moreover, each pair of spaced electrodes thus formed, including both the electrodes themselves and the interelectrode distance areas, will cover a surface area of less than 1 mm 2 on the porous film.
[0046]一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質を塗布する段階は、多孔質フィルムの第1表面の上に配置される離隔電極の複数対を形成する段階を備えており、離隔電極の複数対は容量性電極材料又は先駆物質を備えるリンケージによって直列及び/又は並列に接続される。一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質を塗布する段階は、更に、外部回路への電気的接続のための電気接点を形成する段階を備えており、電気接点もまた容量性電極材料を備えている。電極、リンケージ、及び電気接点は、同じ印刷段階にて第1表面へ印刷することができる。 [0046] In some embodiments, applying the capacitive electrode material or precursor comprises forming multiple pairs of spaced apart electrodes disposed on the first surface of the porous film; Multiple pairs of remote electrodes are connected in series and / or in parallel by a linkage comprising capacitive electrode material or precursor. In some embodiments, applying the capacitive electrode material or precursor further comprises forming an electrical contact for electrical connection to an external circuit, the electrical contact also being a capacitive electrode. With materials. The electrode, linkage, and electrical contact can be printed on the first surface in the same printing step.
[0047]例えば、酸化グラフェンの様な電極先駆物質材料が電極を形成するために塗布される一部の実施形態では、方法は、更に、多孔質フィルムの第1表面上の容量性電極材料又は先駆物質を還元してその伝導性を高める段階を備えている。容量性電極材料又は先駆物質は、任意の適切な技法、化学的、熱的、光熱的、及びビームによる還元技法を含む、によって還元されてもよい。一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質は、ヨウ化水素酸の様な化学的還元剤への暴露によって還元される。 [0047] In some embodiments where an electrode precursor material, such as, for example, graphene oxide, is applied to form an electrode, the method further includes a capacitive electrode material on the first surface of the porous film or It has a step to reduce the precursor and increase its conductivity. The capacitive electrode material or precursor may be reduced by any suitable technique, including chemical, thermal, photothermal, and beam reduction techniques. In some embodiments, the capacitive electrode material or precursor is reduced by exposure to a chemical reducing agent such as hydroiodic acid.
[0048]一部の実施形態では、方法は、更に、複数の多孔質フィルムを積重する段階であって、第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対が、第1の多孔質フィルムより上に積重される第2の多孔質フィルムの裏表面と、例えば当接係合によって、接触するように積重する段階を備えている。接触が電極と裏表面の間のイオン連通を提供するのが好適である。 [0048] In some embodiments, the method further comprises stacking a plurality of porous films, wherein one of the separation electrodes disposed on the first surface of the first porous film. Including one or more pairs stacked to contact a back surface of a second porous film stacked above the first porous film, for example, by abutting engagement. Yes. It is preferred that the contact provide ionic communication between the electrode and the back surface.
[0049]一部のその様な実施形態では、方法は、更に、伝導性経路を介して、第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の少なくとも1つを、第2の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の少なくとも1つと電気的に接続する段階を備えている。電極同士を電気的に接続する段階は、例えば第2の多孔質フィルムの厚さを貫いて延びる開口部の中へ伝導性材料を設置することによって、第2の多孔質フィルムを貫いて伝導性経路を作製する段階を備えている。伝導性材料は、第2のフィルムの第1表面上へ及び/又は第2のフィルムの開口部の中へ、印刷され、ドロップキャストされ、又は注入されてもよい。一部の実施形態では、伝導性材料は、分散金属を備える硬化性樹脂、望ましくは室温で硬化できる樹脂で、望ましくは銀充填エポキシを備えている。硬化性樹脂を第2多孔質フィルムの厚さを貫いて浸透させたら、第1の多孔質フィルムを第2の多孔質フィルムへ接着させるよう樹脂は硬化されてよい。 [0049] In some such embodiments, the method further comprises at least one of the spaced electrodes disposed on the first surface of the first porous film via a conductive path, Electrically connecting to at least one of the spaced electrodes disposed on the first surface of the second porous film. The step of electrically connecting the electrodes is conducted through the second porous film, for example, by placing a conductive material into an opening extending through the thickness of the second porous film. Creating a path. The conductive material may be printed, drop cast, or injected onto the first surface of the second film and / or into the opening of the second film. In some embodiments, the conductive material is a curable resin comprising a dispersed metal, preferably a resin that can be cured at room temperature, and preferably comprises a silver-filled epoxy. Once the curable resin has penetrated through the thickness of the second porous film, the resin may be cured to adhere the first porous film to the second porous film.
[0050]したがって、発明の方法は、容易に利用できるマイクロ製作技法を使用する積重型複層エネルギー貯蔵デバイスを作製するための工業的にスケール可能な段階的方法を提供している。具体的には、デバイスは、第1の多孔質フィルムより上に第2の多孔質フィルムを積重することによって製作することができ、第2の多孔質フィルム上に配置されている離隔電極のうちの少なくとも1つの電極の電気接点は、第1の多孔質フィルム上に配置されている離隔電極のうちの少なくとも1つの電極の電気接点との適切な垂直方向整列に置かれる。次いで、分散金属を備える硬化性樹脂が、第2の多孔質フィルム上の電極の電気接点を貫通するか又は電気接点に隣接する第2の多孔質フィルムの開口部の中へ設置される。十分に伝導性の接続が電気接点相手に作られることを確約するために、硬化性樹脂を更に開口部に隣接する第2の多孔質フィルムの区域上へ設置するのは随意である。1mm未満の直径、例えば約0.8mm、の穴であってもよいとされる開口部は、電極及びその上の電気接点を形成する段階の前か後のどちらでも第2の多孔質フィルムに作製することができるが、望ましくは後である。伝導性樹脂は開口部を通って浸透し第1の多孔質フィルム上の電極の電気接点に接触する。次いで、積重体の隣接する層同士の電極間に永久的な電気接続を生じさせ、層同士を一体に接着させるために樹脂が硬化される。第1の多孔質フィルムの電極と第2の多孔質フィルムの電極の間の全ての必要な電気接続がこの方式で作製されたら、第3の多孔質フィルムを、ここに説明されている様に、第2の多孔質フィルムより上に積重し、電気的に接続させることができる。この方式では、2層、3層、4層、5層、又はそれよりなお多い層を備える複層積重体を作製することができる。 [0050] Thus, the inventive method provides an industrially scalable step-by-step method for making stacked multi-layer energy storage devices using readily available microfabrication techniques. Specifically, the device can be fabricated by stacking a second porous film on top of the first porous film, and a separate electrode disposed on the second porous film. The electrical contact of at least one of the electrodes is placed in proper vertical alignment with the electrical contact of at least one of the spaced electrodes disposed on the first porous film. A curable resin comprising a dispersed metal is then placed into the opening of the second porous film that passes through or is adjacent to the electrical contact of the electrode on the second porous film. In order to ensure that a sufficiently conductive connection is made to the electrical contact partner, it is optional to place a curable resin further on the area of the second porous film adjacent to the opening. The opening, which may be a hole of less than 1 mm in diameter, for example about 0.8 mm, is formed in the second porous film either before or after the step of forming the electrode and electrical contacts thereon. It can be made, but preferably later. The conductive resin penetrates through the openings and contacts the electrical contacts of the electrodes on the first porous film. The resin is then cured to create a permanent electrical connection between the electrodes of adjacent layers of the stack and to bond the layers together. Once all the necessary electrical connections between the first porous film electrode and the second porous film electrode have been made in this manner, the third porous film can be attached as described herein. The second porous film can be stacked and electrically connected. In this manner, multi-layer stacks with two, three, four, five, or more layers can be made.
[0051]積重する段階の前に多孔質フィルムは随意に電解質で飽和させられるが、一部の好適な実施形態では、複数の多孔質フィルムは多孔質フィルムを積重する段階の後になって、一般的には更に、ここに説明されている様に積重体内の層間の電気接続を確立する段階の後になって初めて電解質で浸潤される。積重体のフィルムの透過性の性質の結果として、積重され電気的に接続された容量性エネルギー貯蔵デバイスを、製作後に、電解質で浸潤させることができる、というのが本発明の利点であると考えられる。 [0051] Prior to the stacking step, the porous film is optionally saturated with electrolyte, but in some preferred embodiments, the plurality of porous films are after the stacking step of the porous film. In general, it is further infiltrated with electrolyte only after the step of establishing electrical connections between layers within the stack as described herein. It is an advantage of the present invention that, as a result of the permeable nature of the stack film, the stacked and electrically connected capacitive energy storage device can be infiltrated with electrolyte after fabrication. Conceivable.
[0052]一部の実施形態では、多孔質フィルム又は複数の積重された多孔質フィルムは、デバイスの中への浸透が許されるように、低粘度硬化性電解質で浸潤される。硬化性電解質は、フィルムの中へ浸潤されるときは約10Pa sより下、望ましくは約1Pa sより下の粘度を有することができる。その様な実施形態では、方法は、更に、単数又は複数のフィルムが適切に浸潤され次第、ゲル電解質を生成するために低粘度硬化性電解質を硬化させる段階を備えている。一部の実施形態では、低粘度硬化性電解質は、架橋性ポリビニルアルコールを、典型的にはKOH、H2SO4、又はH3PO4の様な強酸性又は強塩基性電解質塩と組み合わせて備えている。その様な硬化性電解質は、熱処理により、又は室温にて、ゲル化させることができる。 [0052] In some embodiments, a porous film or a plurality of stacked porous films are infiltrated with a low viscosity curable electrolyte to allow penetration into the device. The curable electrolyte can have a viscosity below about 10 Pas, desirably below about 1 Pas when infiltrated into the film. In such embodiments, the method further comprises curing the low viscosity curable electrolyte to produce a gel electrolyte once the film or films are properly infiltrated. In some embodiments, the low viscosity curable electrolyte is a combination of crosslinkable polyvinyl alcohol, typically with a strongly acidic or strongly basic electrolyte salt such as KOH, H 2 SO 4 , or H 3 PO 4 . I have. Such a curable electrolyte can be gelled by heat treatment or at room temperature.
[0053]一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質が塗布される多孔質フィルムは、高分子多孔質フィルムであり、望ましくは可撓性高分子膜である。可撓性高分子膜は、従来のスーパーキャパシタ又はリチウムイオンバッテリの様な電気化学的デバイスでのセパレータとしての使用に適した多孔質フィルムを備えていてもよい。可撓性高分子膜は、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレートから成る群より選択される少なくとも1つを備えていてもよい。或る好適な実施形態では、可撓性高分子膜はポリフッ化ビニリデンを備えている。 [0053] In some embodiments, the porous film to which the capacitive electrode material or precursor is applied is a polymeric porous film, preferably a flexible polymeric membrane. The flexible polymer membrane may comprise a porous film suitable for use as a separator in an electrochemical device such as a conventional supercapacitor or lithium ion battery. The flexible polymer film may include at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, nylon, and polyethylene terephthalate. In certain preferred embodiments, the flexible polymer membrane comprises polyvinylidene fluoride.
[0054]一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質は、炭素系電極材料、疑似容量性電極材料、又はこれらのうちのどちらかの先駆物質から成る群より選択される少なくとも1つを備えている。一部の実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質は酸化グラフェンを備えている。 [0054] In some embodiments, the capacitive electrode material or precursor is at least one selected from the group consisting of a carbon-based electrode material, a pseudo-capacitive electrode material, or a precursor of either of these. It has. In some embodiments, the capacitive electrode material or precursor comprises graphene oxide.
[0055]その様な実施形態では、方法は、その伝導性を高めるために多孔質フィルムの第1表面上の容量性電極材料又は先駆物質を還元する段階を備えている。電極を形成するため酸化グラフェンを多孔質フィルムの第1表面へ塗布する実施形態では、酸化グラフェンは、例えば化学的還元によって還元されて、伝導性の還元された酸化グラフェンを生成する。 [0055] In such embodiments, the method comprises reducing the capacitive electrode material or precursor on the first surface of the porous film to increase its conductivity. In embodiments where graphene oxide is applied to the first surface of the porous film to form an electrode, the graphene oxide is reduced, for example, by chemical reduction to produce conductive reduced graphene oxide.
[0056]更なる態様によれば、発明は、ここに開示されている実施形態の何れかの方法により作製された容量性エネルギー貯蔵デバイスを提供する。
[0057]ここに開示されている様に、発明の電極官能化型多孔質フィルムの特に好都合な用途は、積重型複層エネルギー貯蔵デバイスの作製である。
[0056] According to a further aspect, the invention provides a capacitive energy storage device made by the method of any of the embodiments disclosed herein.
[0057] As disclosed herein, a particularly advantageous application of the inventive electrode-functionalized porous film is the fabrication of stacked multi-layer energy storage devices.
[0058]したがって、更なる態様によれば、発明は、複数の多孔質フィルムの使用であって、各多孔質フィルムは、多孔質フィルムの第1表面の上に配置されていて第1表面とイオン連通する容量性電極材料を備えている離隔電極の1つ又はそれ以上の対、を備えている、容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製するための複数の多孔質フィルムの使用を提供しており、当該使用は、次を備える:第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対が第1の多孔質フィルムより上に積重される第2の多孔質フィルムの裏表面と接触するように複数の多孔質フィルムを積重する段階;および、多孔質フィルムを電解質で浸潤させる段階。こうして作製された容量性エネルギー貯蔵デバイスの充電時及び放電時に、電解質は離隔電極間に多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通を提供する。 [0058] Thus, according to a further aspect, the invention is the use of a plurality of porous films, each porous film being disposed on a first surface of the porous film, Providing the use of a plurality of porous films to make a capacitive energy storage device comprising one or more pairs of spaced electrodes comprising a capacitive electrode material in ionic communication; The use comprises the following: one or more pairs of spaced apart electrodes disposed on a first surface of a first porous film are stacked above the first porous film. Stacking a plurality of porous films in contact with the back surface of two porous films; and infiltrating the porous films with an electrolyte. During charging and discharging of the capacitive energy storage device thus produced, the electrolyte provides ionic communication between the spaced electrodes via the internal pores of the porous film.
[0059]接触は、例えば、当接係合を介してであってもよい。接触が第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている電極と第2の多孔質フィルムの裏表面との間にイオン連通を提供するのが好適である。こうして作製された容量性エネルギー貯蔵デバイスの充電時及び放電時に、電解質は離隔電極間に第1及び第2の多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通を提供する。 [0059] Contact may be, for example, via abutting engagement. It is preferred that the contact provide ionic communication between the electrode disposed on the first surface of the first porous film and the back surface of the second porous film. During charging and discharging of the capacitive energy storage device thus fabricated, the electrolyte provides ionic communication between the spaced electrodes through the internal pores of the first and second porous films.
[0060]一部の実施形態では、使用は、更に、伝導性経路を介して、第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の少なくとも1つを、第2の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の少なくとも1つと電気的に接続する段階を備えている。一部のその様な実施形態では、電極同士を電気的に接続する段階は、伝導性経路を作製するために第2の多孔質フィルムの厚さを貫いて延びる開口部の中へ伝導性材料を設置する段階を備えている。一部の実施形態では、多孔質フィルムを積重し電極同士を電気的に接続する段階の後、多孔質フィルムは電解質で浸潤される。 [0060] In some embodiments, the use further comprises connecting at least one of the separation electrodes disposed on the first surface of the first porous film via the conductive path to the second Electrically connecting to at least one of the spaced electrodes disposed on the first surface of the porous film. In some such embodiments, electrically connecting the electrodes to each other comprises conducting material into an opening that extends through the thickness of the second porous film to create a conductive path. The stage of installing. In some embodiments, after the steps of stacking the porous films and electrically connecting the electrodes together, the porous films are infiltrated with an electrolyte.
[0061]「comprise」、「comprises」、及び「comprising」という用語(訳注:翻訳文では「備える」(「備えている」などの変形も含む))が明細書(特許請求の範囲を含む)の中で使用されている場合、それらは記載の特徴、個別の存在物、段階、又は構成要素を指定してはいるものの1つ又はそれ以上の他の特徴、個別の存在物、段階、又は構成要素、又はそれらから成る群の存在を排除しない、と解釈されるべきである。 [0061] The terms “comprise”, “comprises”, and “comprising” are described in the specification (including claims). Are used to describe one or more other features, individual entities, steps, or specified features, individual entities, steps, or components. It should be construed as not excluding the existence of components or groups of them.
[0062]ここでの使用に際し、開示されている実施形態の様々な特徴に関連する「第1」、「第2」、「第3」などの用語は、任意に割り当てられており、様々な実施形態に組み入れられ得る2つ又はそれ以上のその様な特徴同士を区別することを意図しているにすぎない。それらの用語自体が何れかの特定の配置向き又は配列順を指示するものではない。また、「第1」の特徴の存在は「第2」の特徴が存在していることを暗示するものではなく、「第2」の特徴の存在は「第1」の特徴が存在していることを暗示するものではないこと、などなど、を理解されたい。 [0062] As used herein, the terms "first", "second", "third", etc. related to various features of the disclosed embodiments are arbitrarily assigned and It is merely intended to distinguish between two or more such features that may be incorporated into embodiments. The terms themselves do not dictate any particular orientation or sequence order. In addition, the presence of the “first” feature does not imply that the “second” feature exists, and the presence of the “second” feature has the “first” feature. Please understand that it is not implied.
[0063]発明の更なる態様は、以下の発明の詳細な説明に出ている。
[0064]ここでは発明の実施形態を添付図面に関連付けて単に一例として説明してゆく。
[0063] Further aspects of the invention appear in the detailed description of the invention that follows.
[0064] Embodiments of the invention will now be described by way of example only in connection with the accompanying drawings.
[0092]本発明は、容量性エネルギー貯蔵デバイス、容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製する方法、及び積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製するための多孔質フィルムの使用に関する。発明の容量性エネルギー貯蔵デバイスは、電解質で浸潤された少なくとも1枚の多孔質フィルムと、多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対と、を備えている。各電極は、下層の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を備えている。外部回路を介してデバイスを充電したり放電したりするときの様な使用時に、電解質は離隔電極間に多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通を提供する。 [0092] The present invention relates to capacitive energy storage devices, methods of making capacitive energy storage devices, and the use of porous films to make stacked capacitive energy storage devices. The capacitive energy storage device of the invention comprises at least one porous film infiltrated with an electrolyte and one or more pairs of spaced apart electrodes disposed on a first surface of the porous film. I have. Each electrode includes a capacitive electrode material that is in ion communication with the underlying porous film. In use, such as when charging or discharging a device through an external circuit, the electrolyte provides ionic communication between the spaced electrodes through the internal pores of the porous film.
多孔質フィルム
[0093]容量性エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも1枚の多孔質フィルムを備えている。多孔質フィルムの厚さは、100ミクロン未満、望ましくは50ミクロン未満、最も望ましくは30ミクロン未満とすることができる。
Porous film
[0093] The capacitive energy storage device comprises at least one porous film. The thickness of the porous film can be less than 100 microns, desirably less than 50 microns, and most desirably less than 30 microns.
[0094]多孔質フィルムは、典型的には、高分子多孔質フィルムであり、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレートから成る群より選択される少なくとも1つを備えることができる。或る好適な実施形態では、可撓性高分子膜は、ポリフッ化ビニリデンを備えているか又は本質的にポリフッ化ビニリデンから成っている。 [0094] The porous film is typically a polymeric porous film and can comprise at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, nylon, and polyethylene terephthalate. In certain preferred embodiments, the flexible polymeric membrane comprises or consists essentially of polyvinylidene fluoride.
[0095]多孔質フィルムの孔サイズは、0.1ミクロンから0.5ミクロンの間、望ましくは0.1ミクロンから0.3ミクロンの間、例えば大凡0.2ミクロンなど、とすることができる。多孔質フィルムの孔サイズは、米国材料試験協会(ASTM)D−2873によるといった様に、液体又は気体吸収法を使用して測定することができる。 [0095] The pore size of the porous film can be between 0.1 microns and 0.5 microns, desirably between 0.1 microns and 0.3 microns, such as approximately 0.2 microns. . The pore size of the porous film can be measured using liquid or gas absorption methods, such as according to American Society for Testing and Materials (ASTM) D-2873.
容量性電極材料
[0096]多孔質フィルム表面上の離隔電極は容量性電極材料を備えている。容量性電極材料は、炭素系電極材料と疑似容量性電極材料のどちらか又は両方を含むことができる。理解されたいこととして、典型的に高表面積(例えば約100m2/gから2500m2/gの間など)と高伝導性の両方を有する炭素系電極材料は、エネルギー貯蔵が主として伝導性電極材料の表面と電解質の間の界面でのヘルムホルツ二重層内での電荷の分離によって起こる電気二重層キャパシタ(electric double-layer capacitors, EDLCデバイス)にとりわけ適している。比べて疑似容量性材料は、エネルギーを、電極材料の表面にて起こる電解質イオンを伴う急速可逆的酸化還元又はインターカレーションのプロセスを介して貯蔵する。
Capacitive electrode material
[0096] The remote electrode on the surface of the porous film comprises a capacitive electrode material. The capacitive electrode material can include either or both of a carbon-based electrode material and a pseudo-capacitive electrode material. It should be understood that carbon-based electrode materials that typically have both a high surface area (eg, between about 100 m 2 / g and 2500 m 2 / g) and high conductivity are energy storages that are primarily conductive electrode materials. It is particularly suitable for electric double-layer capacitors (EDLC devices) caused by charge separation in a Helmholtz double layer at the interface between the surface and the electrolyte. In comparison, pseudocapacitive materials store energy through a process of rapid reversible redox or intercalation with electrolyte ions occurring at the surface of the electrode material.
[0097]容量性電極材料は、還元された酸化グラフェン、グラフェン、剥離グラファイト、多孔質炭素、及び/又は活性炭の様な、炭素系電極材料を備えることができる。還元された酸化グラフェンを容量性電極材料として備える電極は、好都合なことに酸化グラフェンから形成されること、続いて多孔質フィルム表面上で還元されることができることから、特に好適である。適した疑似容量性電極材料には、伝導性高分子、遷移金属酸化物、及び金属ナノ粒子が含められる。発明の離隔電極は還元された酸化グラフェンの様な炭素系電極材料と疑似容量性材料の両方を含むことができるものと構想している。 [0097] The capacitive electrode material can comprise a carbon-based electrode material, such as reduced graphene oxide, graphene, exfoliated graphite, porous carbon, and / or activated carbon. Electrodes comprising reduced graphene oxide as a capacitive electrode material are particularly suitable because they can be conveniently formed from graphene oxide and subsequently reduced on the porous film surface. Suitable pseudocapacitive electrode materials include conductive polymers, transition metal oxides, and metal nanoparticles. It is envisioned that the isolated electrode of the invention can include both a carbon-based electrode material such as reduced graphene oxide and a pseudocapacitive material.
電解質
[0098]容量性エネルギー貯蔵デバイスは、多孔質フィルムの内部孔隙の中へ浸潤させた電解質を含んでいる。電解質は、イオン液体を含む液体電解質であってもよいし、又は有機溶剤と適した可溶性の塩とを備える電解質であってもよい。
Electrolytes
[0098] A capacitive energy storage device includes an electrolyte infiltrated into the internal pores of the porous film. The electrolyte may be a liquid electrolyte containing an ionic liquid or an electrolyte comprising an organic solvent and a suitable soluble salt.
[0099]電解質は、ゲル電解質、例えば架橋型ポリビニルアルコール又はポリエチレンオキシドの様な基本高分子を備える電解質、とすることができる。その様な電解質は、可撓性の容量性エネルギー貯蔵デバイス向けにとりわけ好適であろう。ゲル電解質は、KOH、H2SO4、又はH3PO4の様な、強酸性又は強塩基性電解質塩を備えていてもよい。 [0099] The electrolyte can be a gel electrolyte, for example, an electrolyte comprising a basic polymer such as cross-linked polyvinyl alcohol or polyethylene oxide. Such an electrolyte would be particularly suitable for flexible capacitive energy storage devices. The gel electrolyte may comprise a strongly acidic or strongly basic electrolyte salt, such as KOH, H 2 SO 4 , or H 3 PO 4 .
[0100]発明は、容量性エネルギー貯蔵デバイスを作製するための方法にも関する。方法は、容量性電極材料又は先駆物質を多孔質フィルムの第1表面へ塗布して第1表面の上に配置される離隔電極の1つ又はそれ以上の対を形成する段階を備えている。多孔質フィルムは、離隔電極間に多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通が提供されるように、電解質で浸潤される。 [0100] The invention also relates to a method for making a capacitive energy storage device. The method comprises applying a capacitive electrode material or precursor to the first surface of the porous film to form one or more pairs of spaced electrodes disposed on the first surface. The porous film is infiltrated with an electrolyte so that ionic communication is provided between the spaced electrodes through the internal pores of the porous film.
電極を印刷する
[0101]容量性電極材料又は先駆物質は、電極を形成することのできる何れの適切な方法によって第1表面へ塗布されてもよい。好適な実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質は、容量性電極材料又は先駆物質を備えるインクを多孔質フィルム表面上へ印刷することによって塗布される。
Print electrodes
[0101] The capacitive electrode material or precursor may be applied to the first surface by any suitable method capable of forming an electrode. In a preferred embodiment, the capacitive electrode material or precursor is applied by printing an ink comprising the capacitive electrode material or precursor onto the porous film surface.
[0102]インクは、グラビア印刷の様な凹版印刷技法により第1表面上へ印刷されてもよい。当業者には理解される様に、グラビア(又は輪転グラビア)印刷とは、彫刻された印刷面、エッチングされた印刷面、又はそれ以外のやり方で微細構造化された印刷面、例えば印刷シート、グラビアシリンダ、又はローラー取り付け型シムなど、へインクが塗布される印刷方法をいう。余剰インクは概して印刷面から拭い去られ、次いで印刷面が基板と接触させられる。これは、典型的には、可撓性基板を塗布ローラーの周りに送り、ひいてはそれを印刷面と転がり接触させることによって実現される。印刷面陥凹部内のインクはそのとき基板へ移される。 [0102] The ink may be printed onto the first surface by an intaglio printing technique such as gravure printing. As will be appreciated by those skilled in the art, gravure (or rotogravure) printing refers to engraved printed surfaces, etched printed surfaces, or otherwise finely structured printed surfaces such as printed sheets, A printing method in which ink is applied to a gravure cylinder or a roller-mounted shim. Excess ink is generally wiped from the printing surface, which is then contacted with the substrate. This is typically accomplished by feeding a flexible substrate around the applicator roller and thus rolling it into contact with the printing surface. The ink in the printing surface recess is then transferred to the substrate.
[0103]グラビア印刷、及びフレキソグラビアの様な関連技法は、多孔質フィルム表面上で容易に合体しない粘性インクを使用できるようになるので、微細構造を高解像度で印刷するにはとりわけ好適である。対照的に、低粘度噴射可能インクを使用するインクジェット印刷の様な技法は、より大型の電極を本発明に従って作製するには適している可能性もあるが、放射状拡散イオン輸送メカニズムが有利に支配する精細解像電極構造を作製するにはあまり適さないか又は不適であるだろう。また、何れかの理論によって縛られたいわけではないが、グラビア印刷は電極構造での電極材料又は先駆物質の好ましいせん断誘導整列を生じさせると考えられている。 [0103] Gravure printing, and related techniques such as flexographic gravure, are particularly suitable for printing microstructures at high resolution because they allow the use of viscous inks that do not easily coalesce on the porous film surface. . In contrast, techniques such as ink jet printing using low viscosity jettable inks may be suitable for making larger electrodes in accordance with the present invention, but the radial diffusive ion transport mechanism is favorably dominated. It would be less suitable or unsuitable for making a fine resolution electrode structure. Also, without wishing to be bound by any theory, it is believed that gravure printing produces a favorable shear-induced alignment of the electrode material or precursor in the electrode structure.
[0104]インクの粘度は、グラビア印刷による高解像度電極構造の形成を可能にするのに適切で尚且つ容量性電極材料又は先駆物質の多孔質フィルムの内部への浸透を制限又は回避するのに適切な範囲に入っていなくてはならない。適切なインク粘度は、約25Pa sから約100Pa sの間の粘度を含む。 [0104] The viscosity of the ink is suitable to allow the formation of a high resolution electrode structure by gravure printing and to limit or avoid penetration of capacitive electrode materials or precursors into the porous film. It must be in the proper range. Suitable ink viscosities include viscosities between about 25 Pa s and about 100 Pa s.
[0105]その様な粘度を有するインクは、場合によっては、単に適した容量性電極材料又は先駆物質を担体流体中に要求される濃度で分散させるだけでは、又は担体流体を希釈分散体から蒸発させるだけでは、簡単に手に入らないこともある。発明者らは、容量性電極材料又は先駆物質の希釈水性分散体を超吸水性高分子ビードの様な吸水性固体と接触させることによって、マイクロ電極のグラビア印刷向けの十分に粘性のある水性インクを提供することができる、ということを発見した。吸水性固体は、水性連続相から水を吸収したうえで、残留する濃縮された粘性分散体から分離されることができる。 [0105] Inks with such viscosities may in some cases simply disperse a suitable capacitive electrode material or precursor in the carrier fluid at the required concentration, or evaporate the carrier fluid from the diluted dispersion. It may not be easy to get by simply doing it. The inventors have made a sufficiently viscous aqueous ink for gravure printing of microelectrodes by contacting a diluted aqueous dispersion of capacitive electrode material or precursor with a water-absorbing solid such as a super-absorbent polymer bead. I found out that I can offer. The water-absorbing solid can absorb water from the aqueous continuous phase and be separated from the remaining concentrated viscous dispersion.
[0106]この方式で調製された適した粘度の酸化グラフェン含有インクで電極をグラビア印刷することによって、大凡50ミクロンのライン幅を有する電極、及び30ミクロン未満の電極間離隔距離を有し多孔質フィルム上の1mm2未満の表面積を覆う電極対、を作製することができる。 [0106] Gravure printing of electrodes with a suitable viscosity graphene oxide-containing ink prepared in this manner allows electrodes having a line width of approximately 50 microns and porous with an electrode separation of less than 30 microns. An electrode pair covering a surface area of less than 1 mm 2 on the film can be made.
[0107]広範に様々な幾何学形状を有する電極を発明に従って印刷することができる。適する電極対幾何学形状には、図27に描かれている様に、櫛型、パッド(矩形)、同心円、ジグザグ、L字形、及び迷路型の幾何学形状が含められる。 [0107] Electrodes having a wide variety of geometries can be printed according to the invention. Suitable electrode pair geometries include comb, pad (rectangular), concentric, zigzag, L-shaped, and maze-type geometries, as depicted in FIG.
[0108]理解されたいこととして、発明によるマイクロ電極のグラビア印刷は、ウェブ加工を介して、つまり可撓性多孔質フィルムの連続したウェブを給送ロールから印刷ステーション経由でその先へ更なる加工のために及び/又は巻き取りロール上へと給送することにより、スケールアップするよう修正できるのが好都合である。 [0108] It is to be understood that gravure printing of microelectrodes according to the invention involves further processing via web processing, ie a continuous web of flexible porous film from a feed roll to a further via a printing station. Conveniently it can be modified to scale up for and / or by feeding onto a take-up roll.
電極を還元する
[0109]発明の方法では、容量性電極材料又はその先駆物質のどちらかを第1表面へ塗布して電極を形成させることができ、随意的には更に電極対と電気接点の間のリンケージを形成させることができる。ここでの使用に際し、容量性電極材料の先駆物質とは、適切な化学的変換によって多孔質フィルム基板上の伝導性容量性電極材料へ変換され得る物質である。従って、先駆物質が多孔質フィルム表面へ、例えば先駆物質を備えるインクを多孔質フィルム表面上へ印刷することによって塗布される場合、発明の方法は多孔質フィルム表面上の先駆物質材料を容量性電極材料へ変換する段階を含んでいる。
Reduce electrode
[0109] In the method of the invention, either the capacitive electrode material or its precursor can be applied to the first surface to form an electrode, optionally further providing a linkage between the electrode pair and the electrical contact. Can be formed. For use herein, a precursor of a capacitive electrode material is a substance that can be converted to a conductive capacitive electrode material on a porous film substrate by appropriate chemical conversion. Thus, when the precursor is applied to the porous film surface, for example, by printing an ink with the precursor on the porous film surface, the method of the invention applies the precursor material on the porous film surface to a capacitive electrode. Including converting to material.
[0110]好適な実施形態では、先駆物質材料は還元されて容量性電極材料を形成する。先駆物質は、化学的、熱的、光熱的、又はビームによる方法を含め、何れの適切な技法によって還元されてもよい。様々な容量性電極材料をそれらの先駆物質から作製するための適した還元方法が報告されており、当業者にとって利用可能である。 [0110] In a preferred embodiment, the precursor material is reduced to form a capacitive electrode material. The precursor may be reduced by any suitable technique, including chemical, thermal, photothermal, or beam methods. Suitable reduction methods for making various capacitive electrode materials from their precursors have been reported and are available to those skilled in the art.
[0111]酸化グラフェンは、グラフェンの様な還元された高表面積炭素材料よりも簡単に水性インク中に分散させることができると考えられるので、特に好適な容量性電極材料先駆物質である。従って、発明の離隔電極を酸化グラフェン系インクを使用して印刷し、その後に、印刷された酸化グラフェンを印刷された電極内で還元させて還元された酸化グラフェンを形成することができる。還元された酸化グラフェンは、高表面積と、本発明による容量性エネルギー貯蔵デバイスでの使用にとって適した電気伝導性と、を有している。酸化グラフェンは、化学的、熱的、光熱的、及びビームによる還元技法を含む方法によって多孔質フィルムの表面上で還元させることができる。例えば、酸化グラフェン印刷電極は、ヒドラジン又はヨウ化水素酸の様な化学的還元剤への暴露によって還元させることができる。 [0111] Graphene oxide is a particularly preferred capacitive electrode material precursor because it is believed that it can be more easily dispersed in aqueous inks than reduced high surface area carbon materials such as graphene. Therefore, it is possible to print the isolated electrode of the invention using graphene oxide-based ink, and then reduce the printed graphene oxide in the printed electrode to form reduced graphene oxide. Reduced graphene oxide has a high surface area and electrical conductivity suitable for use in capacitive energy storage devices according to the present invention. Graphene oxide can be reduced on the surface of the porous film by methods including chemical, thermal, photothermal, and beam reduction techniques. For example, graphene oxide printed electrodes can be reduced by exposure to a chemical reducing agent such as hydrazine or hydroiodic acid.
フィルムを電解質で浸潤させる
[0112]発明の方法では、多孔質フィルムは電解質で浸潤される。好適な実施形態では、容量性電極材料又は先駆物質を塗布して多孔質フィルム上に電極を形成した後、多孔質フィルムは電解質で湿潤される。但し、電解質又はそれの1つ又はそれ以上の成分又はその先駆物質で既に湿潤されている多孔質フィルム上に電極を形成することもできる、ということを除外するものではない。
Infiltrate the film with electrolyte
[0112] In the method of the invention, the porous film is infiltrated with an electrolyte. In a preferred embodiment, after applying a capacitive electrode material or precursor to form an electrode on the porous film, the porous film is wetted with an electrolyte. However, it is not excluded that the electrode can also be formed on a porous film that is already wetted with an electrolyte or one or more components thereof or precursors thereof.
[0113]電解質は、単数又は複数の多孔質フィルムの内部孔隙の中へ少なくとも部分的に浸潤される。そういうものとして、低粘度液体電解質又は先駆物質混合体を多孔質フィルムの中へ浸潤させ、それによりフィルム内部への透過を可能にさせる、というのが概して好適である。こうして、イオン液体の電解質又は有機溶剤系電解質の様な液相電解質を直接に多孔質フィルムの中へ、例えば電解質を多孔質フィルム表面へ塗布することによって、浸潤させることができる。ゲル電解質が好適とされる場合、低粘度電解質前駆物質がフィルムの内部孔隙の中への浸潤を有効化するために使用され、その後に先駆物質をゲル化させて電解質を生成するようにしてもよい。低粘度電解質先駆物質は、電解質イオンも含有する水性混合体中にポリビニルアルコールの様な架橋性高分子を備えていてもよい。その場合、ゲル電解質は高分子を架橋することによって生成される。 [0113] The electrolyte is at least partially infiltrated into the internal pores of the porous film or films. As such, it is generally preferred that a low viscosity liquid electrolyte or precursor mixture be infiltrated into the porous film, thereby allowing permeation into the film. Thus, infiltration can be achieved by applying a liquid phase electrolyte such as an ionic liquid electrolyte or an organic solvent electrolyte directly into the porous film, for example, by applying the electrolyte to the surface of the porous film. Where gel electrolytes are preferred, low viscosity electrolyte precursors may be used to enable infiltration into the internal pores of the film, followed by gelling the precursor to produce the electrolyte. Good. The low viscosity electrolyte precursor may comprise a crosslinkable polymer such as polyvinyl alcohol in an aqueous mixture that also contains electrolyte ions. In that case, the gel electrolyte is produced by crosslinking the polymer.
例示としての実施形態
[0114]図1は、外部回路へ接続されている金属製電流コレクタ箔101及び102を備える先行技術スーパーキャパシタ100を概略的に描いている。電流コレクタ箔101及び102は、高表面積伝導性炭素電極103及び104で被覆されている。間に置かれた多孔質セパレータ105が電極間の電気絶縁を提供する一方で、セパレータ105並びに電極103及び104を飽和状態にしている電解質106が充電中及び放電中に電極間のイオン連通を提供する。電極間の離隔距離(図1にdsと表示)は、セパレータの厚さより大きく、したがって典型的には50ミクロンより大きい。そのうえ、電極は、デバイスの充電中及び放電中は単一方向からしか到達できず、即ち直接的に電極103と104の間をセパレータ106を通って延びているイオン伝導性経路(矢印106で指示)を介してしか到達できない。加えて、電極103及び104の比較的大きいサイズが、受容できない内部電極抵抗を回避するために電流コレクタ箔101及び102の使用を余儀なくしている。
Exemplary embodiments
[0114] FIG. 1 schematically depicts a prior art supercapacitor 100 comprising metal current collector foils 101 and 102 connected to an external circuit. Current collector foils 101 and 102 are covered with high surface area conductive carbon electrodes 103 and 104. An intervening porous separator 105 provides electrical insulation between the electrodes, while an electrolyte 106 saturating the separator 105 and electrodes 103 and 104 provides ionic communication between the electrodes during charging and discharging. To do. The separation between the electrodes (denoted as d s in FIG. 1) is greater than the thickness of the separator and is therefore typically greater than 50 microns. In addition, the electrode can only be reached from a single direction during device charging and discharging, i.e., an ion-conducting path (indicated by arrow 106) extending directly between electrodes 103 and 104 through separator 106. ) Can only be reached through. In addition, the relatively large size of the electrodes 103 and 104 forces the use of current collector foils 101 and 102 to avoid unacceptable internal electrode resistance.
[0115]これより本発明の或る実施形態を特に図2から図4を参照して説明してゆく。図2は、多孔質PVDFフィルム201と、離隔電極202と203の対と、を備える容量性エネルギー貯蔵デバイス200の破断面を平面図で概略的に描いている。電極202及び203は、形状が矩形であり、30ミクロン未満の離隔距離(図2にdsと表示)を有している。電極202及び203は電気接点パッド204及び205へリンケージ206及び207を介してそれぞれ接続されており、接点パッドは例えば付着されたワイヤを介する外部回路への電気的接続に利用可能である。電極、リンケージ、及び接点パッドは、後段に更に詳細に説明されている様に、酸化グラフェンを備えるインクを多孔質フィルム201上へ印刷し次いで酸化グラフェンを化学的に還元させることによって生成される還元された酸化グラフェンを備えている。 [0115] Certain embodiments of the present invention will now be described with particular reference to FIGS. FIG. 2 schematically depicts in plan view a fracture surface of a capacitive energy storage device 200 comprising a porous PVDF film 201 and a pair of spaced apart electrodes 202 and 203. Electrodes 202 and 203, the shape is rectangular, and has a distance of less than 30 microns (labeled d s in Figure 2). Electrodes 202 and 203 are connected to electrical contact pads 204 and 205 via linkages 206 and 207, respectively, which can be used for electrical connection to external circuitry, for example, via attached wires. The electrodes, linkages, and contact pads are generated by printing an ink comprising graphene oxide onto the porous film 201 and then chemically reducing the graphene oxide, as described in more detail below. Graphene oxide.
[0116]図3は、図2に指示されるA−B断面を通って取られた容量性エネルギー貯蔵デバイス200を側面図で概略的に描いている。多孔質フィルム201は、第1表面208及び裏表面209を有していて、大凡50ミクロンの厚さ(図3にtsと表示)を有している。電極202及び203は、金属製電流コレクタ層を介在させることなく第1表面208の上に直接配置されていて、大凡50nmの平面外厚さ(teと表示)を有している。図3及び図4に描かれている様に、ポリビニルアルコール/KOH電解質210が低粘度水性混合体としてディスペンサ211から多孔質フィルム201へ塗布され、それにより多孔質フィルム201の内部孔隙212を充填し、随意的には更に多孔質フィルムの第1表面の上に重なる層213を形成する。次いで電解質210が熱処理によってゲル化されてゲル電解質をフィルム201の内部孔隙内及び層213内に提供する。 [0116] FIG. 3 schematically depicts a capacitive energy storage device 200 taken through the A-B cross section indicated in FIG. 2 in a side view. Porous film 201, have a first surface 208 and back surface 209, and has approximately 50 micron thickness (shown as t s in Figure 3). Electrodes 202 and 203 are disposed directly on the first surface 208 without interposing the metal current collector layer has out-of-plane thickness of approximately 50nm to (t e and display). As depicted in FIGS. 3 and 4, a polyvinyl alcohol / KOH electrolyte 210 is applied as a low viscosity aqueous mixture from the dispenser 211 to the porous film 201, thereby filling the internal pores 212 of the porous film 201. , Optionally further forming a layer 213 overlying the first surface of the porous film. The electrolyte 210 is then gelled by heat treatment to provide the gel electrolyte in the internal pores of the film 201 and in the layer 213.
[0117]電極202及び203の高表面積の還元された酸化グラフェンは、多孔質フィルム201の第1表面208の下層の部分と直接接触にあり、ひいては第1表面208とイオン連通する。使用時、エネルギー貯蔵デバイスを充電するために離隔電極202及び203を横切って電位が印加されるとき、又は外部回路を介してデバイスが放電されるとき、内部孔隙内の電解質は図4の矢印214で描かれている様に電極間のイオン連通のための経路を提供する。随意的に、矢印215で描かれている様にイオン連通のための増補的経路もまた第1表面2018より上に層213を通って提供される。とはいえ、内部孔隙212が電解質210のための主たる溜りの役割を果たし、特に電極202及び203の容量性の還元された酸化グラフェン材料間に複数の方向を経由するイオン輸送経路を提供する。 [0117] The high surface area reduced graphene oxide of the electrodes 202 and 203 is in direct contact with the underlying portion of the first surface 208 of the porous film 201 and thus in ionic communication with the first surface 208. In use, when a potential is applied across the separation electrodes 202 and 203 to charge the energy storage device, or when the device is discharged through an external circuit, the electrolyte in the internal pores is shown by the arrow 214 in FIG. Provides a path for ion communication between the electrodes as depicted in FIG. Optionally, an augmented path for ionic communication is also provided through layer 213 above first surface 2018 as depicted by arrow 215. Nonetheless, the internal pore 212 serves as the primary reservoir for the electrolyte 210, and in particular provides an ion transport path through multiple directions between the capacitive reduced graphene oxide materials of the electrodes 202 and 203.
[0118]これより、電解質(図示せず)で浸潤された多孔質PVDFフィルム301と、離隔電極302と303の対と、を備える容量性エネルギー貯蔵デバイス300の破断面を平面図で概略的に描いている図5を参照しながら、発明の別の実施形態を説明してゆく。電極302及び303は、還元された酸化グラフェン、酸化グラフェンとして多孔質フィルム表面上へ直接印刷されそこで化学的に還元されたもの、を備えている。複数の電極は一体で1対の櫛型電極を形成しており、各電極は4本のフィンガを有している。フィンガは、100ミクロンの幅(図5にwfと表示)と900ミクロンの長さ(図5にLfと表示)を有している。電極間の離隔距離(図5にdsと表示)即ち隣接するフィンガ間の最短距離は大凡30−50ミクロンである。電極自体と電極間離隔区域とを含んでいる離隔電極302と303の対は、電極対幅と電極対長さ(図5にwe及びLeとしてそれぞれ表示)の積として計算されている約1mm2未満の多孔質フィルム上の表面積を覆っている。 [0118] From this, a schematic plan view of a fracture surface of a capacitive energy storage device 300 comprising a porous PVDF film 301 infiltrated with an electrolyte (not shown) and a pair of spaced electrodes 302 and 303 is shown. Another embodiment of the invention will be described with reference to FIG. The electrodes 302 and 303 include reduced graphene oxide, which is printed directly on the surface of the porous film as graphene oxide and chemically reduced there. The plurality of electrodes integrally form a pair of comb-shaped electrodes, and each electrode has four fingers. Fingers has a 100 microns wide (FIG. 5 on the display and w f) and 900 microns long (shown in Figure 5 and L f). The separation between the electrodes (designated as d s in FIG. 5), ie the shortest distance between adjacent fingers, is approximately 30-50 microns. Pair of spaced apart electrodes 302 and an electrode itself and the inter-electrode separation zone 303, about which is calculated as the product of (respectively shown in Figure 5 as w e and L e) electrode to width and the electrode-to-length covering the surface area on the porous film of less than 1 mm 2.
[0119]これより、容量性エネルギー貯蔵デバイス400を描いている図6を参照しながら発明の別の実施形態を説明してゆく。離隔電極402と403の複数の対(図6に402a/403aから402d/403dとして示す)が、多孔質PVDFフィルム401の第1表面408上に配置されている。フィルム401は電解質(図示せず)で浸潤されている。電極402及び403は、還元された酸化グラフェン、酸化グラフェンとして多孔質フィルム表面上へ直接印刷されそこで化学的に還元されたもの、であって表面408とイオン連通する、還元された酸化グラフェンを備えている。 [0119] Another embodiment of the invention will now be described with reference to FIG. 6 depicting a capacitive energy storage device 400. A plurality of pairs of spaced electrodes 402 and 403 (shown as 402a / 403a to 402d / 403d in FIG. 6) are disposed on the first surface 408 of the porous PVDF film 401. The film 401 is infiltrated with an electrolyte (not shown). Electrodes 402 and 403 comprise reduced graphene oxide, reduced graphene oxide printed directly on the surface of the porous film as graphene oxide and chemically reduced therein, in ionic communication with surface 408. ing.
[0120]容量性エネルギー貯蔵デバイス400は並列の電極対(即ち、402a/403aが402b/403bと並列、及び402c/403cが402d/403dと並列)を備えている。また、容量性エネルギー貯蔵デバイス400は、直列に接続された電極対(即ち、402a/403aと402b/403bの組み合わせが、402c/403cと402d/403dの組合せと直列に接続されている)を備えている。複数の電極対のアレイは、多孔質フィルム401の第1表面408上の印刷された還元された酸化グラフェンの伝導性リンケージ406によって電気的に接続されている。電気的に接続された電極対のアレイには、更に、同じく印刷され・還元された酸化グラフェンで構成される電気接点パッド404及び405がそれぞれ設けられている。電極のアレイは、接点パッド404及び405へ付着されているワイヤ416及び417を介してそれぞれ外部回路へ電気的に接続可能である。 [0120] Capacitive energy storage device 400 comprises parallel electrode pairs (ie, 402a / 403a in parallel with 402b / 403b and 402c / 403c in parallel with 402d / 403d). Capacitive energy storage device 400 also includes electrode pairs connected in series (ie, a combination of 402a / 403a and 402b / 403b is connected in series with a combination of 402c / 403c and 402d / 403d). ing. The array of electrode pairs is electrically connected by a printed linkage of reduced graphene oxide 406 on the first surface 408 of the porous film 401. The array of electrically connected electrode pairs is further provided with electrical contact pads 404 and 405, respectively, made of graphene oxide, which is also printed and reduced. The array of electrodes can be electrically connected to external circuitry via wires 416 and 417 attached to contact pads 404 and 405, respectively.
[0121]容量性エネルギー貯蔵デバイス400は、2つの並列接続電極対のブロック2つを直列に接続した場合が描かれているが、広範に様々な電極構成を同じく発明に従って提供することができる、ということが理解されるであろう。 [0121] Although the capacitive energy storage device 400 is depicted with two blocks of two parallel-connected electrode pairs connected in series, a wide variety of electrode configurations can also be provided according to the invention. It will be understood that.
[0122]これより、図7から図9を参照しながら発明の別の実施形態を説明してゆく。図7は、第1表面508aの上に直接配置された離隔電極502と503の対を有する第1の多孔質PVDFフィルム501aを側面図で描いている。電極502及び503は、付着されたワイヤを有する接点パッド(図示せず)を介して外部回路へ接続可能である。図7及び図8に描かれている様に、次いで第2の多孔質PVDFフィルム501bが第1の多孔質フィルム501aの上に、電極502及び503が第2の多孔質フィルム501bの裏表面509bと当接係合するように積重される。第1の多孔質フィルムと第2の多孔質フィルムはどちらも可撓性膜であるので、フィルム501a及び501bは、表面508aと509bが接触するように電極502及び503の周りに密接に馴染み、せいぜい電極の周囲に僅かな間隙519が残る程度である。 [0122] Another embodiment of the invention will now be described with reference to FIGS. FIG. 7 depicts in side view a first porous PVDF film 501a having a pair of spaced electrodes 502 and 503 disposed directly on the first surface 508a. Electrodes 502 and 503 can be connected to an external circuit via contact pads (not shown) having attached wires. As depicted in FIGS. 7 and 8, the second porous PVDF film 501b is then overlying the first porous film 501a, and the electrodes 502 and 503 are the back surface 509b of the second porous film 501b. Are stacked so as to abut and engage with each other. Since the first porous film and the second porous film are both flexible membranes, the films 501a and 501b fit closely around the electrodes 502 and 503 so that the surfaces 508a and 509b are in contact, At most, a slight gap 519 remains around the electrode.
[0123]図8及び図9に描かれている様に、次いで、積重させた多孔質フィルム501a及びフィルム501bへ、低粘度水性混合体としてポリビニルアルコール/KOH電解質510がディスペンサ511から塗布され、それにより多孔質フィルム501aの内部孔隙512a及び多孔質フィルム201bの内部孔隙512b(及び存在している場合には間隙519)を充填する。電解質210は次いで熱処理によってゲル化されて、ゲル電解質を両フィルム501a及び501bの内部孔隙内に提供する。かくして積重型容量性エネルギー貯蔵デバイス500が図9に描かれている。 [0123] As depicted in FIGS. 8 and 9, a polyvinyl alcohol / KOH electrolyte 510 is then applied as a low viscosity aqueous mixture from a dispenser 511 to the stacked porous film 501a and film 501b, This fills the internal pores 512a of the porous film 501a and the internal pores 512b (and the gap 519 if present) of the porous film 201b. The electrolyte 210 is then gelled by heat treatment to provide the gel electrolyte within the internal pores of both films 501a and 501b. Thus, a stacked capacitive energy storage device 500 is depicted in FIG.
[0124]電極502及び503の高表面積の還元された酸化グラフェンは、多孔質フィルム501aの第1表面208a及び第2の多孔質フィルム501bの裏表面509bと直接接触し、ひいてはイオン連通する。使用時、エネルギー貯蔵デバイスを充電するために離隔電極502と503を横切って電位が印加されるとき、又は外部回路を介してデバイスが放電されるとき、両フィルムの内部孔隙内の電解質は、図9に矢印514a及び514bで描かれている様に、電極間のイオン連通のための経路を提供する。電極502及び503は、第1の多孔質フィルム501a及び第2の多孔質フィルム501bの内部孔隙内に実質的に全体に亘って含有される電解質の溜りによって全ての面を有効に取り囲まれており、それにより、電極502及び503の容量性の還元された酸化グラフェン材料間に複数の方向を経由するイオン輸送経路が提供され、尚且つ電解質の層によって占められるデバイス内のデッドボリュームが回避される。 [0124] The high surface area reduced graphene oxide of the electrodes 502 and 503 is in direct contact with the first surface 208a of the porous film 501a and the back surface 509b of the second porous film 501b, and thus in ionic communication. In use, when a potential is applied across the separation electrodes 502 and 503 to charge the energy storage device, or when the device is discharged via an external circuit, the electrolyte in the internal pores of both films 9 provides a path for ion communication between the electrodes, as depicted by arrows 514a and 514b. Electrodes 502 and 503 are effectively surrounded on all sides by a reservoir of electrolyte contained substantially entirely within the internal pores of the first porous film 501a and the second porous film 501b. , Thereby providing an ion transport path through multiple directions between the capacitive reduced graphene oxide materials of electrodes 502 and 503, while avoiding dead volume in the device occupied by the electrolyte layer .
[0125]これより図10から図14を参照しながら発明の別の実施形態を説明してゆく。図10は、第1の多孔質PVDFフィルム601a及び第2の多孔質PVDFフィルム601bを描いており、フィルムの各々は、第1表面608a及び608b上に配置されている離隔電極602と603の複数対(602a/603a及び602b/603bをそれぞれ含む)を有している。電極602及び603は、ここで図6に関連して説明されている様に、還元された酸化グラフェンを備え、伝導性リンケージ606a及び606bを介して接続されていて、電気接点パッド604a及び605a並びに604b及び605bをそれぞれ提供されている。接点パッド604aは、付着されているワイヤ616を介して外部回路へ電気的に接続可能である。 [0125] Another embodiment of the invention will now be described with reference to FIGS. FIG. 10 depicts a first porous PVDF film 601a and a second porous PVDF film 601b, each of which is a plurality of spaced electrodes 602 and 603 disposed on the first surfaces 608a and 608b. A pair (including 602a / 603a and 602b / 603b, respectively). Electrodes 602 and 603 comprise reduced graphene oxide and are connected via conductive linkages 606a and 606b, as described herein with reference to FIG. 6, and electrical contact pads 604a and 605a and 604b and 605b are provided respectively. The contact pad 604a can be electrically connected to an external circuit through an attached wire 616.
[0126]図10及び図11に描かれている様に、第2の多孔質PVDFフィルム601bが第1の多孔質フィルム601aの上に、ここで図8に関連してより詳細に説明されている様に、電極602a及び603aが第2の多孔質フィルム601bの裏表面609bと当接係合するように積重される。フィルム同士は、接点パッド605bが接点パッド605aと垂直方向に整列するように積重される。次いで、ディスペンサ619から分注される伝導性銀粒子充填エポキシ樹脂618が、開口部620bの中へ及び接点パッド605bの隣接区域上へ設置される。開口部620bは接点パッド605b及び第2の多孔質フィルム601bの全厚さを貫通する穴である。フィルム同士を積重させた状態で、伝導性エポキシ618は開口部620bを通って浸透し、第1の多孔質フィルム601a上の接点パッド605aに接触する。エポキシ618は次いで硬化して、接点パッド605aと接点パッド605bの間に永久的な電気接続部621a−621bを作り出すとともに多孔質フィルム601aと601bを一体に永久的に接着させる。 [0126] As depicted in FIGS. 10 and 11, the second porous PVDF film 601b is described in more detail above the first porous film 601a, now in connection with FIG. As shown, the electrodes 602a and 603a are stacked so as to abut and engage with the back surface 609b of the second porous film 601b. The films are stacked so that the contact pads 605b are aligned vertically with the contact pads 605a. A conductive silver particle filled epoxy resin 618 dispensed from dispenser 619 is then placed into opening 620b and onto the adjacent area of contact pad 605b. The opening 620b is a hole that penetrates the entire thickness of the contact pad 605b and the second porous film 601b. With the films stacked, the conductive epoxy 618 penetrates through the openings 620b and contacts the contact pads 605a on the first porous film 601a. The epoxy 618 is then cured to create a permanent electrical connection 621a-621b between the contact pads 605a and 605b and permanently bond the porous films 601a and 601b together.
[0127]理解されたいこととして、開口部620bは、接点パッド605bを第1表面608b上に印刷する段階の前か又は後のどちらに形成されてもよく、更に、多孔質フィルム601bを多孔質フィルム601aの上に積重する段階の前か又は後のどちらに形成されてもよい。同じく、理解されたいこととして、開口部620bは、必ずしも接点パッド605bを直進的に貫通している必要はなく、例えば、エポキシ618が塗布されたときに表面608bの上を接点パッド605b上へ拡がってゆくように接点パッド605bに隣接して位置決めされていてもよい。また、接点パッド605bと605aは、同一のサイズである必要もなければ完全に垂直に整列している必要もない。当業者には理解される様に、接点パッド605a及び605b並びに開口部620bは、接点パッド間の適切な電気的接続が提供され得ることを条件に異なるやり方で構成されてもよい。 [0127] It should be understood that the openings 620b may be formed either before or after the step of printing the contact pads 605b on the first surface 608b, and further the porous film 601b is made porous. It may be formed either before or after the stage of stacking on the film 601a. Similarly, it should be understood that the opening 620b does not necessarily extend straight through the contact pad 605b, for example, it extends over the surface 608b onto the contact pad 605b when epoxy 618 is applied. It may be positioned adjacent to the contact pad 605b. Also, the contact pads 605b and 605a need not be the same size and need not be perfectly vertically aligned. As will be appreciated by those skilled in the art, contact pads 605a and 605b and opening 620b may be configured differently, provided that an appropriate electrical connection between the contact pads can be provided.
[0128]接点パッド605aと605bを電気的に接続する手段でフィルムに形成された開口部に頼らない他の手段も発明の内に入ると考えられる。例えば十分に低い粘度の伝導性材料が、接点パッド605bの上の及び/又は隣接する第1の表面608bへ塗布されてもよく、そして電気接続部を作製するために多孔質フィルム601bの内部孔隙を通って接点パッド605aと接触するように透過させられることが可能にされていてもよい。別の代替形として、電気的接続は、多孔質フィルム601bの縁の周りに延びる金属製ワイヤ又はクリップを介して提供されてもよい。 [0128] Other means that electrically connect contact pads 605a and 605b and do not rely on openings formed in the film are considered to be within the invention. For example, a sufficiently low viscosity conductive material may be applied to the first surface 608b on and / or adjacent to the contact pad 605b and the internal pores of the porous film 601b to make an electrical connection. May be allowed to pass through to contact the contact pad 605a. As another alternative, the electrical connection may be provided via a metal wire or clip that extends around the edge of the porous film 601b.
[0129]図11及び図12に描かれている様に、次いで、第1の表面608c上に配置させた602c/603cを含む電極の複数対を有する第3の多孔質PVDFフィルム601cが、第2の多孔質フィルム601bの上に、電極602b及び603bが第3の多孔質フィルム601cの裏表面609cと当接係合するように積重される。次いで、伝導性のエポキシ樹脂618を開口部620cを通して浸透させることによって接点パッド604cと604bの間の電気接続部621b−621cが作成される。接点パッド605cは付着されているワイヤ617を介して外部回路へ電気的に接続可能である。 [0129] As depicted in FIGS. 11 and 12, a third porous PVDF film 601c having a plurality of pairs of electrodes comprising 602c / 603c disposed on the first surface 608c is then The electrodes 602b and 603b are stacked on the second porous film 601b so as to abut and engage with the back surface 609c of the third porous film 601c. Then, conductive connections 621b-621c between contact pads 604c and 604b are made by infiltrating conductive epoxy resin 618 through openings 620c. The contact pad 605c can be electrically connected to an external circuit through an attached wire 617.
[0130]図12及び図13に描かれている様に、次いで、ポリビニルアルコール/KOH電解質610が低粘度水性混合体としてディスペンサ611から積重させた多孔質フィルム601a、601b、及び601cへ塗布され、それにより全3枚の多孔質フィルムの内部孔隙612を含む積重体全体を浸潤させる。次いで、電解質610が熱処理によってゲル化されてゲル電解質をフィルム601a、601b、及び601cの内部孔隙内に提供する。かくして積重型容量性エネルギー貯蔵デバイス600が図13に描かれている。 [0130] Polyvinyl alcohol / KOH electrolyte 610 is then applied to porous films 601a, 601b, and 601c stacked from dispenser 611 as a low viscosity aqueous mixture, as depicted in FIGS. , Thereby infiltrating the entire stack including the internal pores 612 of all three porous films. The electrolyte 610 is then gelled by heat treatment to provide the gel electrolyte within the internal pores of the films 601a, 601b, and 601c. Thus, a stacked capacitive energy storage device 600 is depicted in FIG.
[0131]図14は、積重させた多孔質フィルム601a、601b、及び601cと、各フィルム上の電極対602及び603と、を含む容量性エネルギー貯蔵デバイス600の側面透視図を描いており、電極対602a/603a及び602b/603bは、フィルム601aと601bの間及びフィルム601bと601cの間にそれぞれ挟まれている。硬化した伝導性エポキシ電気接続部621a−621bがフィルム601bの厚さを貫通し、かくしてここに説明されている様に接点パッド605bと605aを電気的に接続している。同様に、電気接続部621b−621cがフィルム601cの厚さを貫通し、かくして接点パッド604cと604bを電気体に接続している。ゲル化された電解質610が積重体全体を通って浸潤されていて、主として多孔質フィルム601a、601b、及び601cの各々の内部孔隙612内に位置付けられている。電気化学的貯蔵デバイス全体は、ワイヤ616及び617だけを外部回路への接続のために突き出させた状態でカプトンポリイミドパウチ621(訳注:カプトンは少なくとも日本国における登録商標)の中に隔離されている。積重型デバイス600は、可撓性高分子膜の複数の層から構築されていて可撓性パウチ内にすっぽり包まれているおかげで、デバイス全体が可撓性であることは注目に値する。 [0131] FIG. 14 depicts a side perspective view of a capacitive energy storage device 600 that includes stacked porous films 601a, 601b, and 601c and electrode pairs 602 and 603 on each film; The electrode pairs 602a / 603a and 602b / 603b are sandwiched between the films 601a and 601b and between the films 601b and 601c, respectively. Cured conductive epoxy electrical connections 621a-621b penetrate the thickness of film 601b, thus electrically connecting contact pads 605b and 605a as described herein. Similarly, electrical connections 621b-621c penetrate the thickness of film 601c, thus connecting contact pads 604c and 604b to the electrical body. Gelled electrolyte 610 is infiltrated throughout the stack and is primarily located within the internal pores 612 of each of the porous films 601a, 601b, and 601c. The entire electrochemical storage device is isolated in a Kapton polyimide pouch 621 with only wires 616 and 617 protruding for connection to external circuitry. . It is noteworthy that the stacked device 600 is flexible because it is constructed from multiple layers of flexible polymer membranes and wrapped entirely in a flexible pouch.
[0132]対になった電極602a/603aの高表面積の還元された酸化グラフェンは、多孔質フィルム601aと601bの間に挟まれ、ひいては両多孔質フィルムとイオン連通する一方、対になった電極602b/603bの還元された酸化グラフェンは、多孔質フィルム601bと601cの間に挟まれ、ひいては両多孔質フィルムとイオン連通する。使用時、デバイス600を充電するために積重体の全3層にまたがって延びる電極対の接続されたアレイを横切って電位が印加されるとき、又はデバイス600が(ワイヤ616及び617を介して)外部回路を通して放電されるとき、多孔質フィルムの内部孔隙内の電解質は電極の対間のイオン連通のための経路を提供する。 [0132] The high surface area reduced graphene oxide of the paired electrodes 602a / 603a is sandwiched between the porous films 601a and 601b and thus in ionic communication with both porous films, while the paired electrodes The reduced graphene oxide of 602b / 603b is sandwiched between the porous films 601b and 601c, and thus is in ionic communication with both porous films. In use, when a potential is applied across a connected array of electrode pairs extending across all three layers of the stack to charge device 600, or device 600 (via wires 616 and 617). When discharged through an external circuit, the electrolyte in the internal pores of the porous film provides a path for ionic communication between the electrode pair.
[0133]図13及び図14は、多孔質フィルム3層と電極とを有する積重型容量性エネルギー貯蔵デバイス600を描いているが、4層、5層、又は更にそれよりなお多い層を備える複層積重体を同じ方法論によって作製することができる、ということが理解されるであろう。また、デバイス600は隣接する層間の電気接続部が1つしかないとして描かれているが、複層積重体は同様に、隣接する層の電極間に複数の電気接続部を有する設計とすることもできる。例えば、隣接する層上の電極の対同士が、各対の一方の電極を隣接する層側の対応する電極へ電気的に接続することによって、並列に接続されてもよい。 [0133] FIGS. 13 and 14 depict a stacked capacitive energy storage device 600 having three layers of porous films and electrodes, but with multiple layers comprising four layers, five layers, or even more. It will be appreciated that the layer stack can be made by the same methodology. The device 600 is depicted as having only one electrical connection between adjacent layers, but the multi-layer stack is also designed to have multiple electrical connections between electrodes in adjacent layers. You can also. For example, pairs of electrodes on adjacent layers may be connected in parallel by electrically connecting one electrode of each pair to a corresponding electrode on the adjacent layer side.
[0134]本発明を以下の実施例に関連して説明する。実施例は、ここに説明されている発明を例示するものであり、ここに説明されている発明に限定しようとするものではないことを理解されたい。 [0134] The invention will now be described in connection with the following examples. It should be understood that the examples are illustrative of the invention described herein and are not intended to limit the invention described herein.
材料
[0135]大きな片状天然グラファイトを、Strategic Energy Resources Pty Ltd.社から得た。水酸化カリウム(KOH)、ポリビニルアルコール(PVA)、アセトニトリル、ヨウ化水素酸、酢酸、硫酸、過硫酸カリウム、五酸化リン、過マンガン酸カリウム、アンモニア(NH4OH)、及びヒドラジンを、Sigma Aldrich社から購入し、一切の更なる精製無しに使用した。自重の90倍にも上る水を吸収する能力を有する架橋型ポリアクリル酸共重合体ベースのヒドロゲルビードをDemi Co Ltd.社(中国)から得た。可撓性で多孔質のPVDF膜(〜50ミクロン厚さで0.2ミクロンの孔サイズ)をmdi Technologies Pty Ltd.社(インド)から購入した。非多孔質酢酸セルロースシート(Nobo Universalのトランスパレンシーシート)を事務用品小売店から得た。電気伝導性エポキシを日本のAgIC Inc.社(訳注:AGICは少なくとも日本における株式会社エージックの登録商標であり、AgICは少なくとも日本におけるエレファンテック株式会社(旧名:AgIC株式会社)の登録商標である。なお、株式会社エージックと旧AgIC株式会社は別法人であり、本記載は後者を指すものと思われる)から購入した。カプトンポリイミドシートをDupont社から購入した。
material
[0135] Large flake natural graphite was obtained from Strategic Energy Resources Pty Ltd. From the company. Potassium hydroxide (KOH), polyvinyl alcohol (PVA), acetonitrile, hydroiodic acid, acetic acid, sulfuric acid, potassium persulfate, phosphorous pentoxide, potassium permanganate, ammonia (NH 4 OH), and hydrazine were added to Sigma Aldrich. Purchased from the company and used without any further purification. A cross-linked polyacrylic acid copolymer-based hydrogel bead having the ability to absorb water up to 90 times its own weight is obtained from Demi Co Ltd. From China (China). Flexible and porous PVDF membranes (˜50 micron thick and 0.2 micron pore size) were obtained from mdi Technologies Pty Ltd. From India (India). A non-porous cellulose acetate sheet (Nobo Universal's transparency sheet) was obtained from an office supply retailer. Electrically conductive epoxies were made from Japanese AgIC Inc. AGIC is at least a registered trademark of AGIC Co., Ltd. in Japan, and AgIC is at least a registered trademark of Elephantec Co., Ltd. (former name: AgIC Co., Ltd.). Is a separate corporation, and this description seems to indicate the latter). A Kapton polyimide sheet was purchased from Dupont.
実施例1.単層容量性エネルギー貯蔵デバイスの調製
1a)酸化グラフェンの合成
[0136]修正ハマーズ法を使用して酸化グラフェン(GO)を合成した。合成には、大きな片状グラファイト、硫酸、過硫酸カリウム、五酸化リン、及び過マンガン酸カリウムを使用した。合成したGOを逆浸透精製水中に1時間の超音波処理(UP−100超音波処理装置)によって剥離させ、次に遠心分離を行ってGOの未剥離結晶を除去した。
Example 1. Preparation of single layer capacitive energy storage device 1a) Synthesis of graphene oxide
[0136] Graphene oxide (GO) was synthesized using a modified Hamers method. For synthesis, large flake graphite, sulfuric acid, potassium persulfate, phosphorus pentoxide, and potassium permanganate were used. The synthesized GO was exfoliated in reverse osmosis purified water by ultrasonic treatment for 1 hour (UP-100 ultrasonic treatment apparatus), and then centrifuged to remove unexfoliated crystals of GO.
1b)GOインクの調製
[0137]GOを水に0.25mg/mlのGO濃度で分散させた分散体を以上に説明されている様に調製した。1リットルの分散体試料に対し、10gの超吸収性高分子(SAP)ビードを添加した。1時間後、飽和したビードを残りの分散体から分離し、水で洗い、再使用のために50℃で乾燥させた。ビード除去後の濃縮分散体は30mg/mlのGO濃度で10mlの体積を有した。インクの粘度は25Pa sであった。
1b) Preparation of GO ink
[0137] A dispersion in which GO was dispersed in water at a GO concentration of 0.25 mg / ml was prepared as described above. To a 1 liter dispersion sample, 10 g of superabsorbent polymer (SAP) beads were added. After 1 hour, the saturated bead was separated from the remaining dispersion, washed with water and dried at 50 ° C. for reuse. The concentrated dispersion after bead removal had a volume of 10 ml with a GO concentration of 30 mg / ml. The viscosity of the ink was 25 Pas.
1c)酸化グラフェンマイクロ電極のグラビア印刷
[0138]グラビア印刷装置(スイスのnsm Norbert Schlafli Maschinen社から得たLabratester180)を使用してGOインクを可撓性多孔質ポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルム上に印刷した。様々なサイズの櫛型電極パターンを有していて直列構成及び並列構成の様々な組合せの相互接続された電極パターンのアレイを備えている版面を設計した。スイスのNorbert Schlafli AG社から調達したレーザーで版面をエッチングした。版面設計の実例が図15に描かれており、エッチングされた版面の写真が図16に描かれている。
1c) Gravure printing of graphene oxide microelectrodes
[0138] The GO ink was printed on flexible porous polyvinylidene fluoride (PVDF) film using a gravure printing device (Labratester 180 from nsm Norbert Schlafli Machinen, Switzerland). A plate was designed having comb electrodes of various sizes and comprising an array of interconnected electrode patterns in various combinations of series and parallel configurations. The plate surface was etched with a laser procured from Norbert Schlafli AG, Switzerland. An example of plate design is depicted in FIG. 15 and a photograph of the etched plate is depicted in FIG.
[0139]GOインクを版面へ塗布した。次いで、塗布ローラーの周りに巻かれた可撓性PVDFフィルムを平板状の版面と転がり接触させて、離隔電極をPVDFフィルムの表面上へ印刷した。印刷した電極を雰囲気条件下に数分内で乾燥させた。 [0139] GO ink was applied to the plate surface. Next, the flexible PVDF film wound around the coating roller was brought into rolling contact with the flat plate surface, and the separation electrode was printed on the surface of the PVDF film. The printed electrode was dried within a few minutes under atmospheric conditions.
[0140]表面の上に配置させた離隔櫛型GO電極を有する多孔質PVDFフィルムの実施例が図17及び図18に描かれている。図17では、並列の複数電極対、直列の複数電極対、及び並列接続の電極対を直列に接続したブロックを含め、直列及び/又は並列の電極対の広範に様々な組合せを印刷プロセスで作製したことが分かるだろう。アレイ内の離隔電極対はPVDFフィルムの表面上の酸化グラフェンのリンケージによって接続されており、離隔電極対の接続されたアレイそれぞれは、更に、2つの方形酸化グラフェン接点パッドを有している。 [0140] An example of a porous PVDF film having spaced comb GO electrodes disposed on the surface is depicted in FIGS. In FIG. 17, a wide variety of combinations of series and / or parallel electrode pairs are produced in the printing process, including parallel multiple electrode pairs, serial multiple electrode pairs, and blocks with parallel connected electrode pairs connected in series. You will see that. The spaced electrode pairs in the array are connected by graphene oxide linkages on the surface of the PVDF film, and each connected array of spaced electrode pairs further has two square graphene oxide contact pads.
[0141]図18(a)には、並列に接続された櫛型離隔電極4対から成るアレイの拡大図が見られ、図18(b)には、直列に接続された櫛型離隔電極4対から成るアレイの拡大図が見られる。電極の各対は2つの櫛型電極を有し、各電極は大凡90ミクロンの幅及び大凡890ミクロンの長さを持つ4本のフィンガを有している。電極の平面外厚さは大凡50nmであった。電極離隔距離、即ち櫛型電極のフィンガ間の離隔距離は、大凡100ミクロンである。電極と電極間離隔区域の両方を含む櫛型電極の各対は、多孔質PVDFフィルム表面上の大凡9mm2の表面積を覆っている。酸化グラフェン接点パッドは、外部回路への電気的接続を容易にするように2mm×2mm平方である。 [0141] FIG. 18 (a) shows an enlarged view of an array of four pairs of comb-shaped spaced apart electrodes 4 connected in parallel, and FIG. 18 (b) shows a comb-shaped spaced apart electrode 4 connected in series. An enlarged view of the paired array can be seen. Each pair of electrodes has two comb electrodes, each electrode having four fingers having a width of approximately 90 microns and a length of approximately 890 microns. The out-of-plane thickness of the electrode was approximately 50 nm. The electrode separation distance, that is, the separation distance between the fingers of the comb electrode, is approximately 100 microns. Each pair of comb electrodes, including both electrodes and interelectrode separation areas, covers a surface area of approximately 9 mm 2 on the porous PVDF film surface. The graphene oxide contact pads are 2 mm × 2 mm square to facilitate electrical connection to external circuitry.
[0142]こうして様々な異なる寸法を有する印刷電極対を作製した。図19には、PVDFフィルム上の印刷櫛型電極対の光学顕微鏡画像が描かれている。各電極のフィンガ幅は大凡100ミクロンであり、電極間離隔距離は大凡40ミクロンである。電極対は、多孔質PVDFフィルム表面の2mm2未満の表面積を覆っている。 [0142] Thus, printed electrode pairs with various different dimensions were made. FIG. 19 shows an optical microscope image of the printed comb electrode pair on the PVDF film. The finger width of each electrode is approximately 100 microns and the electrode separation is approximately 40 microns. The electrode pair covers a surface area of less than 2 mm 2 on the surface of the porous PVDF film.
[0143]図20には、PVDFフィルム上の印刷電極対の光学顕微鏡画像が描かれており、電極はジグザグ構成を有している。電極間離隔距離は大凡30ミクロンであり、更に電極対は多孔質PVDFフィルム表面の0.25mm2未満の表面積を覆っている。電極を電気接点パッドへ接続する印刷された電気的リンケージは大凡30ミクロンのライン幅を有している。したがって、例えば約30ミクロンより下のフィンガ幅と約30ミクロンより下の電極間離隔距離を有する櫛型電極を本方法により作製することができるものと考えられる。 [0143] FIG. 20 depicts an optical microscope image of a pair of printed electrodes on a PVDF film, where the electrodes have a zigzag configuration. The electrode separation is approximately 30 microns, and the electrode pair covers a surface area of less than 0.25 mm 2 on the surface of the porous PVDF film. The printed electrical linkage connecting the electrodes to the electrical contact pads has a line width of approximately 30 microns. Thus, for example, it is believed that a comb electrode having a finger width of less than about 30 microns and an electrode separation of less than about 30 microns can be made by the present method.
[0144]図17に描かれている電極対組合せの様々な異なるアレイは調査目的で基板上に作製したものであり、商業的実施形では、多孔質基板上の印刷電極の構成は、デバイスのエネルギー貯蔵要件に従って、またフィルム表面上の未活用空間を最小限に抑えるという視点に立って、作製されることになるだろう、ということが理解されるであろう。 [0144] Various different arrays of electrode pair combinations depicted in FIG. 17 were made on a substrate for research purposes, and in commercial implementations, the configuration of printed electrodes on a porous substrate is It will be understood that it will be made according to energy storage requirements and from the perspective of minimizing unused space on the film surface.
1d)マイクロ電極の還元
[0145]多孔質PVDFフィルム上の印刷GOマイクロ電極を、伝導性を最大化しそれにより印刷スーパーキャパシタでの抵抗関連損失を最小化することを目指して還元するにあたり、複数の化学的還元方法論を使用した。
1d) Reduction of the microelectrode
[0145] Use multiple chemical reduction methodologies to reduce printed GO microelectrodes on porous PVDF films with the aim of maximizing conductivity and thereby minimizing resistance-related losses in printed supercapacitors did.
[0146]第1の還元手続(ヒドラジン及びアンモニア溶液還元)では、印刷されたGOマイクロ電極を備えるPVDFフィルムを、0.15mlのヒドラジン(80重量%)と1.05mlのNH4OH(0.28重量%)と300mlの水との混合溶液中に浸漬し、水冷凝縮器の下に95℃で1時間加熱した。1時間後、フィルムを水及びメタノールで完全に洗い、145℃の真空オーブン内で1時間乾燥させた。 [0146] In a first reduction procedure (hydrazine and ammonia solution reduction), a PVDF film with printed GO microelectrodes was placed in 0.15 ml hydrazine (80 wt%) and 1.05 ml NH 4 OH (0. 28% by weight) and 300 ml of water and heated at 95 ° C. for 1 hour under a water-cooled condenser. After 1 hour, the film was thoroughly washed with water and methanol and dried in a vacuum oven at 145 ° C. for 1 hour.
[0147]第2の還元手続(ヒドラジン気相還元)では、印刷されたGOマイクロ電極を備えるPVDFフィルムを、カプトンテープを使用して100mlビーカーの壁に設置した。1mlのヒドラジン(80重量%)をビーカーに加え、続いてビーカーをパラフィルムで覆い、100℃で16時間加熱した。続いて、フィルムを水及びメタノールで完全に洗い、145℃の真空オーブン内で1時間乾燥させた。 [0147] In a second reduction procedure (hydrazine gas phase reduction), a PVDF film with printed GO microelectrodes was placed on the wall of a 100 ml beaker using Kapton tape. 1 ml of hydrazine (80% by weight) was added to the beaker, which was then covered with parafilm and heated at 100 ° C. for 16 hours. Subsequently, the film was thoroughly washed with water and methanol and dried in a vacuum oven at 145 ° C. for 1 hour.
[0148]第3の還元手続(熱的還元)では、印刷されたGOマイクロ電極を備えるPVDFフィルムを、150℃(PVDF基板の溶融温度170℃より下)で真空下に6時間加熱した。 [0148] In a third reduction procedure (thermal reduction), a PVDF film with a printed GO microelectrode was heated at 150 ° C. (below the melting temperature of the PVDF substrate 170 ° C.) for 6 hours under vacuum.
[0149]第4の還元手続(ヒドラジン溶液還元)では、印刷されたGOマイクロ電極を備えるPVDFフィルムを、1mlのヒドラジン(80重量%)と100mlの水との混合溶液中に浸漬し、水冷凝縮器の下に100℃で24時間加熱した。続いて、フィルムを水及びメタノールで完全に洗い、145℃の真空オーブン内で1時間乾燥させた。 [0149] In the fourth reduction procedure (hydrazine solution reduction), a PVDF film equipped with a printed GO microelectrode is immersed in a mixed solution of 1 ml of hydrazine (80% by weight) and 100 ml of water, followed by water-cooled condensation. Heated under a vessel at 100 ° C. for 24 hours. Subsequently, the film was thoroughly washed with water and methanol and dried in a vacuum oven at 145 ° C. for 1 hour.
[0150]第5の還元手続(ヨウ化水素酸還元)では、印刷されたGOマイクロ電極を備えるPVDFフィルムを、カプトンテープを使用して300mlビーカーの壁に設置した。2mlのヨウ化水素酸(55重量%)及び5mlの酢酸をビーカーへ加えた。ビーカーをパラフィルムで覆い、40℃で16時間加熱した。続いて、フィルムを水及びメタノールで完全に洗い、雰囲気条件下に乾燥させた。 [0150] In a fifth reduction procedure (hydroiodide reduction), a PVDF film with printed GO microelectrodes was placed on the wall of a 300 ml beaker using Kapton tape. 2 ml of hydroiodic acid (55 wt%) and 5 ml of acetic acid were added to the beaker. The beaker was covered with parafilm and heated at 40 ° C. for 16 hours. Subsequently, the film was washed thoroughly with water and methanol and dried under atmospheric conditions.
[0151]Agilent B2900シリーズ(訳注:Agilentは少なくとも日本における登録商標または少なくとも日本を指定した国際登録)のプレシジョン・ソース/メジャーユニットを、EmCal Genelyteプローブ・ステーションを通して5ミクロン先端のタングステンプローブと配線して使用し、2点伝導率測定を遂行した。プローブは電極の2mm×2mm接点パッド上に1mm離間させて設置した。印加電圧を0Vから1Vの間で変化させることによって測定値を取った。測定に使用した走査速度は0.8V/sで、0.008V毎に測定値を取った。 [0151] Wire the Precision B2900 series Precision Source / Major Unit with a 5 micron tip tungsten probe through the EmCal Genelyte probe station. Used to perform a two point conductivity measurement. The probe was placed 1 mm apart on a 2 mm × 2 mm contact pad of the electrode. Measurements were taken by changing the applied voltage between 0V and 1V. The scanning speed used for the measurement was 0.8 V / s, and the measured value was taken every 0.008 V.
[0152]第1から第5の還元手続の1つによる還元後の印刷酸化グラフェンの抵抗率が図21に示されている。最も高い抵抗率は、熱的に還元され・印刷されたGOの場合に観察されており(10kΩm)、それは印刷された時点でのGOの抵抗率と同等だった。最も低い抵抗率(大凡20Ωm)は、ヨウ化水素酸還元の場合に観察されており、それゆえにそれは以降の電気化学的特徴付け研究に使用された。 [0152] The resistivity of the printed graphene oxide after reduction according to one of the first to fifth reduction procedures is shown in FIG. The highest resistivity was observed in the case of thermally reduced and printed GO (10 kΩm), which was equivalent to the resistivity of GO at the time of printing. The lowest resistivity (approximately 20 Ωm) has been observed in the case of hydroiodic acid reduction and therefore it was used in subsequent electrochemical characterization studies.
[0153]図22は、櫛型の還元された酸化グラフェン電極の複数対をフィルム表面の上に配置させた多孔質PVDFフィルムを描いている。茶色(未還元)から黒色(還元済み)への酸化グラフェンの明瞭な色変化は歴然であった。還元プロセスは電極の印刷された構成を劣化させなかった。 [0153] FIG. 22 depicts a porous PVDF film with multiple pairs of comb-shaped reduced graphene oxide electrodes disposed on the film surface. The clear color change of graphene oxide from brown (unreduced) to black (reduced) was obvious. The reduction process did not degrade the printed configuration of the electrode.
1e)セル組み立て及び電解質浸潤
[0154]多孔質フィルム上の、印刷され・還元された電極と電極の接点パッドの間にワックスの細いライン(概して1mm−1.5mmの範囲の幅を有する)を堆積させた。これは、接点パッドを固化させる段階の前に局所的にフィルムの孔に侵入し孔を封鎖し、ひいては接点パッドを電解質から隔離した。ポリビニルアルコール(PVA、1g)を脱イオン化(DI)水(10ml)に加えることによって電解質混合体を調製し、混合体を常時撹拌しながら90℃で加熱した。PVA/水溶液が透明になったら、KOH(10mlの6M溶液)を均質溶液が実現されるまで滴下的に加えた。続いて、電解質混合体を室温まで冷ました。次いで多孔質フィルムを、定性的にはグリセリンと同じ粘度を有していてしたがって約1Pa sであると推定される低粘度PVA/KOH電解質混合体で浸潤させた。浸潤は、電解質を多孔質フィルムの上へ飽和に至るまでドロップキャストすることによって行われた;視認できる電解質層が表面上に形成されるまで、未硬化電解質混合体が可視的にフィルムの中に吸収された。フィルムを電解質事前混合体で浸潤させたら、電極/電解質組立体を室温にて24時間放置してフィルムの孔隙の内部での電解質のゲル化を促した。次いで、セルをカプトンシートのパウチの中に密封した。金属ワイヤの付着された小型ワニ口クリップを、多孔質PVDFフィルムの表面上の櫛型の還元された酸化グラフェン電極の対の又は電気的に接続された複数対のアレイの電気接点パッド側へ挟み付けて、様々なデバイスの電気化学的応答を測定した。
1e) Cell assembly and electrolyte infiltration
[0154] A thin line of wax (generally having a width in the range of 1 mm-1.5 mm) was deposited on the porous film between the printed and reduced electrode and the electrode contact pad. This locally penetrated the holes in the film and closed the holes prior to solidifying the contact pads, thus isolating the contact pads from the electrolyte. An electrolyte mixture was prepared by adding polyvinyl alcohol (PVA, 1 g) to deionized (DI) water (10 ml) and the mixture was heated at 90 ° C. with constant stirring. When the PVA / water solution became clear, KOH (10 ml of 6M solution) was added dropwise until a homogeneous solution was achieved. Subsequently, the electrolyte mixture was cooled to room temperature. The porous film was then infiltrated with a low viscosity PVA / KOH electrolyte mixture qualitatively having the same viscosity as glycerin and therefore estimated to be about 1 Pas. Infiltration was performed by drop casting the electrolyte onto the porous film until saturation; the uncured electrolyte mixture was visibly in the film until a visible electrolyte layer was formed on the surface. Absorbed. Once the film was infiltrated with the electrolyte premix, the electrode / electrolyte assembly was allowed to stand at room temperature for 24 hours to promote electrolyte gelation within the film pores. The cell was then sealed in a Kapton sheet pouch. A small alligator clip with metal wire attached is sandwiched between the pair of comb-like reduced graphene oxide electrodes on the surface of a porous PVDF film or the electrical contact pad side of a plurality of electrically connected arrays In addition, the electrochemical response of various devices was measured.
実施例2.単層容量性エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的評価
[0155]実施例1の方法により作製した容量性エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的応答は、サイクリックボルタンメトリー(CV)及びBiologic社のVSPポテンショスタットを使用する電気化学的インピーダンス分光法(EIS)によって特徴付けられた。
Example 2 Electrochemical evaluation of single layer capacitive energy storage devices
[0155] The electrochemical response of the capacitive energy storage device made by the method of Example 1 was characterized by cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using Biologic's VSP potentiostat. It was attached.
[0156]安定した電気化学的条件を確約するために、毎回の電気化学的試験の前に1時間に亘って開回路電位測定を遂行した。開回路電位の10mV未満の変動が1000秒の期間に亘って持続したら安定した電気化学的条件であると見なした。CV試験を0V−0.5Vの間で10mV/sの走査速度で行い、概ね100サイクルに亘って繰り返した。正弦電位波を開回路電位にて10mVの振幅で印加することによってEIS試験を実施した。1MHzから10mHzの間の周波数に亘ってインピーダンス応答を測定し、周波数の1ディケード当たり6ポイントを記録した。 [0156] In order to ensure stable electrochemical conditions, open circuit potential measurements were performed for 1 hour before each electrochemical test. A stable electrochemical condition was considered if a variation of less than 10 mV of open circuit potential persisted over a period of 1000 seconds. The CV test was performed at a scanning speed of 10 mV / s between 0 V and 0.5 V, and was repeated for approximately 100 cycles. The EIS test was performed by applying a sinusoidal potential wave at an open circuit potential with an amplitude of 10 mV. The impedance response was measured over a frequency between 1 MHz and 10 mHz and 6 points were recorded per decade of frequency.
[0157]印刷され還元された櫛型電極の単一対(4本フィンガ、フィンガ幅大凡90ミクロン、フィンガ長さ大凡890ミクロン、平面外厚さ大凡50nm、電極間離隔距離大凡100ミクロン)のCV応答は、図23に描かれている様に、理想的な容量性挙動及び低い内部抵抗率を示唆するおおよそ矩形である。デバイスのエネルギー貯蔵容量は、図24に描かれている様に、最初の20サイクルに亘って僅かに増加し、次いで追加の80サイクルに亘っては実質的に不変であった。単一電極対容量性エネルギー貯蔵デバイスの比静電容量は大凡3mF/cm2と計算され、更に10mV/sの高いサイクル性が実証された。 [0157] CV response of a single pair of printed and reduced comb electrodes (4 fingers, finger width approximately 90 microns, finger length approximately 890 microns, out-of-plane thickness approximately 50 nm, electrode separation distance approximately 100 microns) Is approximately rectangular, suggesting ideal capacitive behavior and low internal resistivity, as depicted in FIG. The energy storage capacity of the device increased slightly over the first 20 cycles, as depicted in FIG. 24, and then remained substantially unchanged over an additional 80 cycles. The specific capacitance of the single electrode to capacitive energy storage device was calculated to be approximately 3 mF / cm 2 and further demonstrated a high cyclability of 10 mV / s.
[0158]CV応答と一致して、単一電極対デバイスのナイキストプロットもまた、図25に示されている様に、優れた容量性挙動を示している。等価直列抵抗は8Ωcm2であると計算された。 [0158] Consistent with the CV response, the Nyquist plot of the single electrode pair device also shows excellent capacitive behavior, as shown in FIG. The equivalent series resistance was calculated to be 8 Ωcm 2 .
実施例3.比較例
[0159]実施例1a)−1b)の手続に従って調製された酸化グラフェンインクを、実施例1c)の手続による可撓性高分子フィルム上へ印刷した。実施例1で説明した様に、約30ミクロン未満の明確に画定された特徴を有する高解像度離隔電極対を多孔質PVDFフィルム上へ印刷することができた。対照的に、非多孔質酢酸セルロースフィルムでは櫛型電極の印刷は不成功だった。インクが表面上で合体し、印刷される描写の完全喪失を引き起こした。したがって、印刷中のPVDFフィルムの孔への水性相のインクの吸い上げが、実現される電極の諸特徴の高解像度に資すると判断されている。
Example 3 Comparative example
[0159] Graphene oxide ink prepared according to the procedure of Example 1a) -1b) was printed onto a flexible polymer film according to the procedure of Example 1c). As described in Example 1, a high resolution spaced electrode pair with well-defined features of less than about 30 microns could be printed onto the porous PVDF film. In contrast, non-porous cellulose acetate films were unsuccessfully printed on comb electrodes. The ink coalesces on the surface, causing a complete loss of the printed depiction. Accordingly, it has been determined that the uptake of aqueous phase ink into the pores of the PVDF film being printed contributes to the high resolution of the electrode features realized.
実施例4.積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスの調製
4a)複数層の積重及び電気的接続
[0160]櫛型の還元された酸化グラフェン電極の対を各々が有する3枚の多孔質PVDFフィルムを、実施例1a)−1d)の方法によって調製した。電極対は、大凡90ミクロンのフィンガ幅、大凡1800ミクロンのフィンガ長さ、大凡50nmの平面外厚さ、及び大凡200ミクロンの電極間離隔距離を有する4本フィンガ電極を備えた。各電極をフィルム表面上の還元された酸化グラフェン接点パッド(2mm×2mm)へ接続した。各電極と接点パッドの間に、実施例1e)に説明されている様に、ワックス被覆を堆積させた。次いで0.8mmの直径を有する精密穴パンチャーを使用して、各層の電気接点パッド及び下層のフィルムを貫いて0.8mmの直径を有する精密穴を作成した。
Example 4 Preparation of stacked capacitive energy storage devices 4a) Multi-layer stacking and electrical connection
[0160] Three porous PVDF films, each having a pair of comb-shaped reduced graphene oxide electrodes, were prepared by the method of Examples 1a) -1d). The electrode pair comprised four finger electrodes having a finger width of approximately 90 microns, a finger length of approximately 1800 microns, an out-of-plane thickness of approximately 50 nm, and an interelectrode separation of approximately 200 microns. Each electrode was connected to a reduced graphene oxide contact pad (2 mm × 2 mm) on the film surface. Between each electrode and contact pad, a wax coating was deposited as described in Example 1e). A precision hole puncher with a diameter of 0.8 mm was then used to create a precision hole with a diameter of 0.8 mm through each layer of electrical contact pads and the underlying film.
[0161]次いで、3つの層を、各層の穴が垂直に整列するようにして互いに直接重ねて積んだ。次に、銀ナノ粒子を含有しペースト様の粘稠度を有する高伝導性エポキシ接着剤を、0.5mm針開口部を有するシリンジを使用して、事前に積重させた電極の電気接点の穴を通して注入し、エポキシを各層の電気接点パッドと接触させた。堆積後、エポキシ接着剤を室温で24時間に亘って硬化させた。3つの基板層を通る電気接続部の確立を、デジタルマルチメータを使用して確証した。電気的接続の結果として、各層上の電極対は並列に電気的に接続された。 [0161] The three layers were then stacked directly on top of each other with the holes in each layer aligned vertically. Next, a highly conductive epoxy adhesive containing silver nanoparticles and having a paste-like consistency was used to pre-stack the electrical contacts of the electrode using a syringe with a 0.5 mm needle opening. Through the holes, the epoxy was brought into contact with the electrical contact pads of each layer. After deposition, the epoxy adhesive was cured at room temperature for 24 hours. The establishment of electrical connections through the three substrate layers was verified using a digital multimeter. As a result of the electrical connection, the electrode pairs on each layer were electrically connected in parallel.
4b)セル組み立て及び電解質浸潤
[0162]ポリビニルアルコール(PVA、3g)を脱イオン化水(30ml)中に混合し、H2SO4(98%、3g)を滴下的に加えることによって、電解質混合体を調製した。混合体(8.33重量%PVA)を、1時間に亘って積極的に撹拌しながら85℃へ加熱し、室温まで冷ました。次いで、低粘度電解質混合体を多孔質フィルムの積重体上へドロップキャストし、続いて雰囲気条件下で24時間乾燥させた。3層積重体の電解質の浸潤は、積重体全体が透明になったことで目視的に観察できた。次いで、セルをカプトンシートのパウチの中に密封した。次いで、金属ワイヤの付着された小型ワニ口クリップ2つを積重体側へ挟み付けて、積重型エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的応答を測定した。各クリップは各層上の1つの電極へ一番上の層の電気接点パッド及び層間の伝導性エポキシ接続部を介して電気的に接続された。
4b) Cell assembly and electrolyte infiltration
[0162] An electrolyte mixture was prepared by mixing polyvinyl alcohol (PVA, 3 g) in deionized water (30 ml) and adding H 2 SO 4 (98%, 3 g) dropwise. The mixture (8.33 wt% PVA) was heated to 85 ° C. with vigorous stirring for 1 hour and allowed to cool to room temperature. The low viscosity electrolyte mixture was then drop cast onto a stack of porous films and subsequently dried under atmospheric conditions for 24 hours. The infiltration of the electrolyte in the three-layer stack was visually observable because the entire stack became transparent. The cell was then sealed in a Kapton sheet pouch. Next, two small crocodile clips with metal wires attached were sandwiched between the stacks, and the electrochemical response of the stack type energy storage device was measured. Each clip was electrically connected to one electrode on each layer via a top layer electrical contact pad and a conductive epoxy connection between layers.
実施例5.(比較例)
[0163]3層積重型デバイスを実施例4aの方法に従って調製した。
[0164]ポリビニルアルコール(PVA、3g)を脱イオン化水(30ml)中に混合しH2SO4(98%、3g)を滴下的に加えることによって電解質混合体を調製した。混合体(8.33重量%PVA)を1時間に亘って積極的に撹拌しながら85℃へ加熱し、ペトリ皿へフィルムとして流し込み、80℃で8時間乾燥させた。ゲル化したフィルムを次いでペトリ皿から取り出し、手作業で積重体の一番上の層に被せて設置し、ポリイミドテープを介して積重体上へ押圧した。こうして、電解質層が上に重なってはいるが浸潤していない状態で、積重体の多孔質フィルムを積重体の上の電極対とイオン連通に置いた。セルを、実施例4b)に説明されている様にカプトンシートのポーチの中に密封しワニ口クリップを付着させた。
Example 5 FIG. (Comparative example)
[0163] A three-layer stacked device was prepared according to the method of Example 4a.
[0164] An electrolyte mixture was prepared by mixing polyvinyl alcohol (PVA, 3 g) in deionized water (30 ml) and adding H 2 SO 4 (98%, 3 g) dropwise. The mixture (8.33 wt% PVA) was heated to 85 ° C. with vigorous stirring for 1 hour, poured as a film into a petri dish and dried at 80 ° C. for 8 hours. The gelled film was then removed from the Petri dish, placed over the top layer of the stack manually and pressed onto the stack through polyimide tape. Thus, the porous film of the stack was placed in ionic communication with the electrode pair on the stack with the electrolyte layer overlying but not infiltrating. The cell was sealed in a kapton sheet pouch as described in Example 4b) and an alligator clip was attached.
実施例6.積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的評価
[0165]実施例4及び実施例5の方法に従って作製された積重型容量性エネルギー貯蔵デバイスの電気化学的応答が、サイクリックボルタンメトリー(CV)及びBiologic社のVSPポテンショスタットを使用する電気化学的インピーダンス分光法(EIS)によって特徴付けられた。
Example 6 Electrochemical evaluation of stacked capacitive energy storage devices
[0165] The electrochemical response of stacked capacitive energy storage devices made according to the methods of Example 4 and Example 5 is electrochemical impedance using cyclic voltammetry (CV) and Biologic's VSP potentiostat. Characterized by spectroscopy (EIS).
[0166]積重体内の3枚の多孔質フィルム層を通る電解質浸潤の効果を調べるため、実施例2に説明されている様に開回路電位測定を最初に遂行した。図26に明らかである様に、電解質が積重体全体の孔隙を通って浸潤した状態の積重型エネルギー貯蔵デバイス(実施例4で調製)は、非常に低い変動(最大30mV vs SHE)の安定した開回路電位を提供した。対照的に、電解質層を上に載せただけの積重型デバイス(実施例5で調製)の場合は大きな電圧変動(600mV−1.8V vs SHEの範囲)を得た。この結果は、発明による電気化学的貯蔵デバイスの多孔質フィルムの孔隙の中への電解質浸潤の重要性を実証している。 [0166] In order to investigate the effect of electrolyte infiltration through the three porous film layers in the stack, an open circuit potential measurement was first performed as described in Example 2. As evident in FIG. 26, the stacked energy storage device (prepared in Example 4) with electrolyte infiltrated through the pores of the entire stack was stable with very low fluctuations (up to 30 mV vs SHE). An open circuit potential was provided. In contrast, large voltage fluctuations (range 600 mV-1.8 V vs SHE) were obtained in the stacked device (prepared in Example 5) with only the electrolyte layer on top. This result demonstrates the importance of electrolyte infiltration into the pores of the porous film of the electrochemical storage device according to the invention.
[0167]実施例4の、積重され・電気的に接続され・電解質で浸潤されているエネルギー貯蔵デバイスの、100サイクル(10mV/sの走査速度で0Vから0.5V)に亘るCV応答が図27に示されている。デバイスのエネルギー貯蔵容量は、最初の20サイクルに亘って僅かに増加し、次いで追加の80サイクルに亘って実質的に不変であった。CVプロットは大凡矩形であり、積重型デバイス構成の容量性挙動を示唆している。 [0167] The CV response over 100 cycles (0 V to 0.5 V at a scan rate of 10 mV / s) of the stacked, electrically connected, and electrolyte infiltrated energy storage device of Example 4 It is shown in FIG. The energy storage capacity of the device increased slightly over the first 20 cycles and then remained substantially unchanged over an additional 80 cycles. The CV plot is roughly rectangular, suggesting the capacitive behavior of the stacked device configuration.
[0168]積重型エネルギー貯蔵デバイス(実施例4)のナイキストプロットが図28に示されている。相対的に高い抵抗(図25に描かれている単層デバイスのそれと比較)は、3つの層上の電気接点パッド間に確立されている伝導性エポキシ接続部に起因しているかもしれない。 [0168] A Nyquist plot for a stacked energy storage device (Example 4) is shown in FIG. The relatively high resistance (compared to that of the single layer device depicted in FIG. 25) may be due to a conductive epoxy connection established between the electrical contact pads on the three layers.
実施例7.電極構成
[0169]この実施例では、複数の異なる容量性マイクロ電極幾何学形状の電気化学的性能を調べる。マイクロ電極は本発明により作製したものではなかった;しかしながら、幾何学形状の電極性能に及ぼす効果に関する学習は、本発明による容量性エネルギー貯蔵デバイスの設計を指南するのに使用できると考える。
Example 7 Electrode configuration
[0169] In this example, the electrochemical performance of a plurality of different capacitive microelectrode geometries is examined. Microelectrodes were not made according to the present invention; however, it is believed that learning about the effect of geometry on electrode performance can be used to guide the design of capacitive energy storage devices according to the present invention.
[0170]連続した酸化グラフェン層(0.6ミクロン厚さで2.0nm±0.4nmのrms粗さを有する)をシリコンウェーハ上へスピンコートした。ウェーハを両面カーボンテープでSEMスタブへ取り付け、FEI Helios Nanolab 600 FIB−SEM(訳注:FEIは少なくとも日本における登録商標)のチャンバの中へ入れ、1×10−3Paより下の真空レベルまでポンプダウンした。次いで、還元された酸化グラフェンの異なる電極設計を、酸化グラフェン層に、1×10−4のFIBフルエンスの集束イオンビーム(FIB)直接書き込み手法を使用して作製した。図29は、この方式で作製された、(a)櫛型、(b)パッド、(c)同心円、(d)ジグザグ、(e)L字形、及び (f)迷路型、を含む電極対幾何学形状を概略的に描いている。電極の各対は、同じ電極間離隔距離を有し、シリコンチップ上の同じ表面積を覆った。 [0170] A continuous graphene oxide layer (0.6 micron thick and having an rms roughness of 2.0 nm ± 0.4 nm) was spin coated onto a silicon wafer. Attach wafer to SEM stub with double-sided carbon tape, put into FEI Helios Nanolab 600 FIB-SEM chamber and pump down to vacuum level below 1x10 -3 Pa did. Different electrode designs of reduced graphene oxide were then fabricated using a 1 × 10 −4 FIB fluence focused ion beam (FIB) direct writing technique on the graphene oxide layer. FIG. 29 shows electrode pair geometries made in this manner, including (a) comb, (b) pad, (c) concentric circles, (d) zigzag, (e) L-shaped, and (f) maze type. The outline is drawn schematically. Each pair of electrodes had the same interelectrode separation and covered the same surface area on the silicon chip.
[0171]1Mの硫酸ナトリウム中に、Biologic社のVSPポテンショスタット及びPtプローブ(5μmの直径)を有するプローブステーションを還元された電気接点へ使用して電気化学的特徴付けを遂行した。サイクリックボルタンメトリー(CV)を、0V−0.5V vs SHEの電位範囲に対して異なる走査速度で遂行した。電気化学的インピーダンス分光法(EIS)を、10mHz−1MHzの周波数範囲に対して、10mVの正弦波摂動を開回路電位で印加することによって遂行した。CV測定及びEIS測定を還元されたGOと接触しているPtプローブに対しても遂行して制御電流、静電容量、及び抵抗の値を得た。 [0171] Electrochemical characterization was performed using a probe station with Biologic's VSP potentiostat and Pt probe (5 μm diameter) in reduced sodium contacts in 1 M sodium sulfate. Cyclic voltammetry (CV) was performed at different scan rates for a potential range of 0V-0.5V vs SHE. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed by applying a 10 mV sinusoidal perturbation at an open circuit potential over a frequency range of 10 mHz-1 MHz. CV and EIS measurements were also performed on the Pt probe in contact with the reduced GO to obtain control current, capacitance, and resistance values.
[0172]表1は、異なる幾何学形状を有するFIB還元された酸化グラフェン電極について1mV/sの低走査速度で得られた静電容量(mF/cm2として計算)を、櫛型電極設計について得られた静電容量値に対して正規化したものを示している。幾何学形状が静電容量値に影響を与えることが表1から明白である。迷路型の幾何学形状が最も低い静電容量を示しているのに対し、ジグザグ設計は最も高い静電容量を示している。それら電極全てのESRは同等である、即ち実験誤差内であることが判明した。 [0172] Table 1 shows the capacitance (calculated as mF / cm 2 ) obtained at a low scan rate of 1 mV / s for FIB-reduced graphene oxide electrodes with different geometries for the comb electrode design The normalized value for the obtained capacitance value is shown. It is clear from Table 1 that the geometric shape affects the capacitance value. The maze-type geometry shows the lowest capacitance, whereas the zigzag design shows the highest capacitance. It has been found that the ESR of all these electrodes is equivalent, i.e. within experimental error.
Claims (52)
前記多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つ又はそれ以上の対であって、各電極が下層の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を備える、離隔電極の対と、
を備えていて、
前記電解質が前記離隔電極間に前記多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通を提供する、
容量性エネルギー貯蔵デバイス。 At least one porous film infiltrated with electrolyte;
One or more pairs of spaced electrodes disposed on the first surface of the porous film, each electrode comprising a capacitive electrode material in ion communication with the underlying porous film A pair of
With
The electrolyte provides ionic communication between the spaced electrodes through the internal pores of the porous film;
Capacitive energy storage device.
前記第1の多孔質フィルムの第1表面の上に配置されている離隔電極の1つそれ以上の対であって、各電極が前記下層の第1の多孔質フィルムとイオン連通する容量性電極材料を備えている、離隔電極の対と、
前記第1の多孔質フィルムより上に積重されている第2の多孔質フィルムであって、前記第1の多孔質フィルムの前記第1表面の上に配置されている前記離隔電極の前記1つ又はそれ以上の対が当該第2の多孔質フィルムの裏表面と接触するように積重されている、第2の多孔質フィルムと、
前記第1及び前記第2の多孔質フィルムの内部孔隙内の電解質と、
を備えている積重型容量性エネルギー貯蔵デバイス。 A first porous film;
One or more pairs of spaced apart electrodes disposed on a first surface of the first porous film, each electrode being in ion communication with the underlying first porous film A pair of spaced apart electrodes comprising a material;
A second porous film stacked above the first porous film, wherein the first electrode of the separation electrode disposed on the first surface of the first porous film; A second porous film, wherein one or more pairs are stacked in contact with the back surface of the second porous film;
An electrolyte in the internal pores of the first and second porous films;
A stacked capacitive energy storage device comprising:
前記第1表面の上に配置される離隔電極の1つ又はそれ以上の対を形成するために容量性電極材料又は先駆物質を多孔質フィルムの第1表面へ塗布する段階と、
前記多孔質フィルムを電解質で浸潤させる段階と、
を備えており、
前記電解質が前記離隔電極間に前記多孔質フィルムの内部孔隙を介してイオン連通を提供する、
方法。 A method of making a capacitive energy storage device comprising:
Applying a capacitive electrode material or precursor to the first surface of the porous film to form one or more pairs of spaced electrodes disposed on the first surface;
Infiltrating the porous film with an electrolyte; and
With
The electrolyte provides ionic communication between the spaced electrodes through the internal pores of the porous film;
Method.
前記多孔質フィルムを積重する段階であって、第1の多孔質フィルムの前記第1表面の上に配置されている前記離隔電極の前記1つ又はそれ以上の対が前記第1の多孔質フィルムより上に積重される第2の多孔質フィルムの裏表面と接触するように積重する段階と、
前記多孔質フィルムを電解質で浸潤させる段階と、
を備えている、使用。 A plurality of porous films, wherein each porous film is disposed on a first surface of the porous film and includes a capacitive electrode material that is in ion communication with the first surface. Use of a plurality of porous films comprising one or more pairs for making a capacitive energy storage device, the use comprising:
Stacking the porous films, wherein the one or more pairs of spaced electrodes disposed on the first surface of the first porous film are the first porous film; Stacking in contact with the back surface of a second porous film stacked above the film;
Infiltrating the porous film with an electrolyte; and
Equipped with, use.
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