JP2019508885A - 高電圧デバイス - Google Patents

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Abstract

本開示は、電流エネルギー貯蔵技術の欠点を回避することができるスーパーキャパシタを提供する。本明細書では、スーパーキャパシタ電極及びデバイスの平面及び積層アレイを形成するための、集電体上の活性材料の製造もしくは合成、及び／またはスーパーキャパシタ電極の製造を含む、スーパーキャパシタデバイス及びその作製方法が提供される。本明細書に開示された試作スーパーキャパシタは、市販スーパーキャパシタと比較して改善された性能を呈することができる。加えて、本開示は、単純であるが、用途の広い、マスキング及びエッチングによるスーパーキャパシタの作製技術を提供する。【選択図】図５

Description

[0001]高性能エネルギー貯蔵デバイスの発展は、広範囲の用途において大きな注目を集めている。通常の電子デバイスは、ムーアの法則に従って急速に進展しているが、主として現在の材料のエネルギー密度及び容量に制限があるため、電池の進歩はわずかであった。
[0002]本発明者らは、充電時間を短縮し、かつ電荷密度を高めた電池が、携帯型電子機器及び再生可能エネルギーデバイスの設計及び使用において重大な影響を有することを認識していた。本明細書では、スーパーキャパシタの方法、デバイス及びシステムが提供される。方法は、集電体上の活性材料の製造（もしくは合成）及び／またはスーパーキャパシタ電極の製造を含んでもよい。いくつかの実施形態は、電極の平面及び積層アレイの製造（もしくは合成）のための方法、デバイス及びシステム、ならびに／またはスーパーキャパシタの製造（もしくは合成）のための方法、デバイス及びシステムを提供する。
[0003]本明細書で提供される開示の第１の態様は、電極のアレイであって、各電極が集電体を含む電極のアレイと、集電体の第１の表面の一部に設けられた活性材料とを備えるスーパーキャパシタデバイスである。
[0004]いくつかの実施形態では、第１の態様のスーパーキャパシタは、集電体の第２の表面の一部に設けられた活性材料を更に含む。
[0005]いくつかの実施形態では、アレイ内の各電極は、後続の電極から間隙で離間されている。いくつかの実施形態では、集電体は、金属フィルムもしくはポリマーフィルム、またはこれらの任意の組み合わせを含み、金属フィルムは、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、タングステン、黄銅、青銅、ニッケル、リチウム、鉄、プラチナ、スズ、炭素鋼、鉛、チタン、ステンレス鋼、水銀、クロム、ガリウム砒素またはこれらの任意の組み合わせを含み、ポリマーフィルムは、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレン、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、硫化ポリｐ−フェニレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレンまたはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0006]いくつかの実施形態では、活性材料は、離間かつ相互接続された２つ以上の層を含む。いくつかの実施形態では、活性材料は、炭素、活性炭、グラフェン、ポリアニリン、ポリチオフェン、相互接続された波状炭素系網状体（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ−ｂａｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ、ＩＣＣＮ）またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、活性材料は、約２５０平方メートル毎グラム〜約３，５００平方メートル毎グラムの表面密度を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、約７５０ジーメンス／メートル〜約３，０００ジーメンス／メートルの導電率を有する。
[0007]いくつかの実施形態では、電極のアレイは、電極の平面アレイである。更なるこのような実施形態では、電解質は水性であり、電極の数は約５個であり、電極のアレイ全体にわたって生成される電位は約２．５Ｖ〜約１０Ｖである。更なるこのような実施形態では、電解質は、アセトニトリル中にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を含み、電極の数は約５個であり、電極のアレイ全体にわたって生成される電位は約６Ｖ〜約２４Ｖである。更なるこのような実施形態では、電解質は水性であり、電極の数は約１８０個であり、電極のアレイ全体にわたって生成される電位は約１００Ｖ〜約３６０Ｖである。更なるこのような実施形態では、電解質はアセトニトリル中にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を含み、電極の数は約７２個であり、電極のアレイ全体にわたって生成される電位は約１００Ｖ〜約３６０Ｖである。
[0008]いくつかの実施形態では、電極のアレイは、電極の積層アレイである。
[0009]いくつかの実施形態では、第１の態様のスーパーキャパシタデバイスは、セパレータ及び支持体の少なくとも１つ以上を更に備え、セパレータ及び支持体の少なくとも１つ以上は、隣接する一対の電極の間に位置する。
[0010]いくつかの実施形態では、第１の態様のスーパーキャパシタデバイスは、電解質を更に備え、電解質は、ポリマー、シリカ、ヒュームドシリカ、ヒュームドシリカナノ粉末、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、水酸化カリウム、ポリビニルアルコールまたはこれらの任意の組み合わせを含む、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである。
[0011]本明細書で提供される開示の第２の態様は、集電体の第１の表面の一部に活性材料を塗布することと；集電体上の活性材料を乾燥させることとを含む、電極のアレイを作製することを含み、各電極が後続の電極から間隙で離間されている、スーパーキャパシタの作製方法である。
[0012]いくつかの実施形態では、第２の態様の方法は、集電体の第２の表面に活性材料を塗布することと；集電体上の活性材料を乾燥させることとを更に含む。
[0013]いくつかの実施形態では、テープ及びマスクの少なくとも１つ以上は、基材の一部を保護し、それにより基材の保護された一部に活性材料が塗布されるのを防止する。
[0014]いくつかの実施形態では、活性材料は、スラリーの形態である。いくつかの実施形態では、スラリーは、ドクターブレードによって基材に塗布される。いくつかの実施形態では、集電体の第１の表面に活性材料を塗布するプロセスと集電体の第２の表面に活性材料を塗布するプロセスとは同時に実行される。
[0015]いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、約４０℃〜約１６０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、約６時間〜約２４時間の期間にわたって行われる。
[0016]いくつかの実施形態では、電極アレイは平面電極アレイを含む。いくつかの実施形態では、平面電極アレイは、活性材料及び集電体をエッチングまたは切断することによって作製される。
[0017]いくつかの実施形態では、電極アレイは積層電極アレイを含む。
[0018]いくつかの実施形態では、第２の態様の方法は、セパレータ及び支持体の少なくとも１つ以上を、連続する一対の電極の間に位置付けることを更に含む。
[0019]いくつかの実施形態では、第２の態様の方法は、電極のアレイ上に電解質を分散させることと；電極のアレイをシース内に収容することと；収容された電極のアレイをハウジング内に挿入することとを更に含む。
[0020]いくつかの実施形態では、電解質は、ポリマー、シリカ、ヒュームドシリカ、ヒュームドシリカナノ粉末、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、水酸化カリウム、ポリビニルアルコールまたはこれらの任意の組み合わせを含む、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである。
[0021]本開示の新規の特徴について、添付された特許請求の範囲で具体的に記載する。本開示の利点及び特徴のより良好な理解は、本開示の原理が利用される例示的な実施形態、及び添付図面または図（ｆｉｇｕｒｅｓ）（本明細書では「ＦＩＧ．」及び「ＦＩＧｓ．」とも）について記載する以下の詳細な説明を参照することによって得られる。
[0022]図１Ａ〜Ｄは、多数の電極を有するスーパーキャパシタの例示的な図を示す。 [0023]図２は、１８０個のセルを有するスーパーキャパシタの例示的な図を示す。 [0024]図３Ａ〜Ｂは、片面電極及び両面電極の例示的な図を示す。 [0025]図４Ａ〜Ｂは、組み立て後のスーパーキャパシタの例示的な正面及び上面断面図を示す。 [0026]図５Ａ〜Ｂは、支持体を有する組み立て後のスーパーキャパシタの例示的な正面断面図、及び支持された両面電極の例示的な図を示す。 [0027]図６Ａ〜Ｃは、パッケージされた単一セルスーパーキャパシタの例示的な分解図、斜視図及び上面図を示す。 [0028]図７は、集電体への活性材料の塗布の例示的な画像を示す。 [0029]図８は、集電体に塗布された活性材料の例示的な画像を示す。 [0030]図９Ａ〜Ｂは、乾燥及びテープ除去後の電極の例示的な画像を示す。 [0031]図１０は、パターン化された平面電極の作製の例示的な画像を示す。 [0032]図１１は、電気化学的試験中の高電圧スーパーキャパシタの例示的な画像を示す。 [0033]図１２Ａ〜Ｅは、種々の走査速度における例示的なスーパーキャパシタデバイスのサイクリックボルタンメトリー（ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ、ＣＶ）グラフを示す。 [0034]図１３は、種々の走査速度における例示的なスーパーキャパシタデバイスのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）グラフの重ね合わせを示す。 [0035]図１４は、定電流下での例示的なスーパーキャパシタの充電及び放電性能を示す。 [0036]図１５は、例示的なスーパーキャパシタのワールブルグ（Ｗａｒｂｕｒｇ）インピーダンスを示す。
[0037]本発明者らは、マイクロメータ分離による３Ｄ微小電極のマイクロ素子の微細加工を簡単にするために、マイクロスーパーキャパシタの設計を改良すること、及びマイクロスーパーキャパシタにハイブリッド材料を組み込むことの必要性を認識していた。
[0038]本開示は、単純であるが、用途の広い、スーパーキャパシタの作製技術を提供する。本開示は、高電圧用途のためのスーパーキャパシタの調製及び／または一体化の方法を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、高電圧用途のためのスーパーキャパシタの直接的な調製及び一体化の方法を提供する。スーパーキャパシタは、個別の電気化学セルのアレイを含んでもよい。いくつかの実施形態では、個別の電気化学電極のアレイは、同一平面内に一工程で直接作製されてもよい。この構成は、電圧及び電流出力に対して非常に良好な制御を提供することができる。いくつかの実施形態では、アレイは、太陽エネルギーを効率的に採取及び貯蔵できるように太陽電極と一体化されてもよい。いくつかの実施形態では、デバイスは、高電圧用途のための一体型スーパーキャパシタである。
[0039]本開示の態様は、電極のアレイであって、各電極が集電体を含む電極のアレイと、集電体の第１の表面の一部に設けられた活性材料とを備えるスーパーキャパシタデバイスを提供する。いくつかの実施形態では、集電体は、集電体の第２の表面の一部に設けられた活性材料を含む。いくつかの実施形態では、アレイ内の電極は、後続の電極から間隙で離間されている。
[0040]いくつかの実施形態では、活性材料は、炭素、活性炭、グラフェン、ポリアニリン、ポリチオフェン、相互接続された波状炭素系網状体（ＩＣＣＮ）またはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0041]いくつかの実施形態では、集電体は、金属フィルムもしくはポリマーフィルム、またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、金属フィルムは、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、タングステン、黄銅、青銅、ニッケル、リチウム、鉄、プラチナ、スズ、炭素鋼、鉛、チタン、ステンレス鋼、水銀、クロム、ガリウム砒素またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーフィルムは、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレン、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、硫化ポリｐ−フェニレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレンまたはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0042]いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、約５０ナノメートル〜約２００ナノメートルである。いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、少なくとも約５０ナノメートルである。いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、最大でも約２００ナノメートルである。いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、約５０ナノメートル〜約７５ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１２５ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１５０ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１７５ナノメートル、約５０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約１００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約１２５ナノメートル、約７５ナノメートル〜約１５０ナノメートル、約７５ナノメートル〜約１７５ナノメートル、約７５ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約１２５ナノメートル、約１００ナノメートル〜約１５０ナノメートル、約１００ナノメートル〜約１７５ナノメートル、約１００ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１２５ナノメートル〜約１５０ナノメートル、約１２５ナノメートル〜約１７５ナノメートル、約１２５ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１５０ナノメートル〜約１７５ナノメートル、約１５０ナノメートル〜約２００ナノメートルまたは約１７５ナノメートル〜約２００ナノメートルである。
[0043]いくつかの実施形態では、活性材料は、離間かつ相互接続された２つ以上の層を含む。いくつかの実施形態では、層は波状である。いくつかの実施形態では、層は一原子厚である。
[0044]いくつかの実施形態では、層の一部は、少なくとも約１ナノメートル（ｎｍ）の距離で離間されている。いくつかの実施形態では、層の一部は、最大でも約１５０ｎｍの距離で離間されている。いくつかの実施形態では、層の一部は、約１ｎｍ〜約１５０ｎｍの距離で離間されている。いくつかの実施形態では、層の一部は、約１ｎｍ〜約５ｎｍ、約１ｎｍ〜約１０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２５ｎｍ、約１ｎｍ〜約５０ｎｍ、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約５ｎｍ〜約１０ｎｍ、約５ｎｍ〜約２５ｎｍ、約５ｎｍ〜約５０ｎｍ、約５ｎｍ〜約１００ｎｍ、約５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約２５ｎｍ、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１０ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約２５ｎｍ〜約５０ｎｍ、約２５ｎｍ〜約１００ｎｍ、約２５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍまたは約１００ｎｍ〜約１５０ｎｍの距離で離間されている。
[0045]いくつかの実施形態では、活性材料は、少なくとも約２５０平方メートル毎グラム（ｍ２／ｇ）の表面密度を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、最大でも約３，５００ｍ２／ｇの表面密度を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、約２５０ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇの表面密度を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、約２５０ｍ２／ｇ〜約５００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約７５０ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約１，０００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約１，５００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約２，０００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約７５０ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約１，０００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約１，５００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約２，０００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ〜約１，０００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ〜約１，５００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ〜約２，０００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ〜約１，５００ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ〜約２，０００ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇ、約１，５００ｍ２／ｇ〜約２，０００ｍ２／ｇ、約１，５００ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、約１，５００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約１，５００ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇ、約２，０００ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、約２，０００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約２，０００ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇ、約２，５００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、約２，５００ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇまたは約３，０００ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇの表面密度を有する。
[0046]いくつかの実施形態では、活性材料は、少なくとも約７５０ジーメンス／メートル（Ｓ／ｍ）の導電率を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、最大でも約３，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、約７５０Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、活性材料は、約７５０Ｓ／ｍ〜約１，０００Ｓ／ｍ、約７５０Ｓ／ｍ〜約１，５００Ｓ／ｍ、約７５０Ｓ／ｍ〜約２，０００Ｓ／ｍ、約７５０Ｓ／ｍ〜約２，５００Ｓ／ｍ、約７５０Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍ、約１，０００Ｓ／ｍ〜約１，５００Ｓ／ｍ、約１，０００Ｓ／ｍ〜約２，０００Ｓ／ｍ、約１，０００Ｓ／ｍ〜約２，５００Ｓ／ｍ、約１，０００Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍ、約１，５００Ｓ／ｍ〜約２，０００Ｓ／ｍ、約１，５００Ｓ／ｍ〜約２，５００Ｓ／ｍ、約１，５００Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍ、約２，０００Ｓ／ｍ〜約２，５００Ｓ／ｍ、約２，０００Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍまたは約２，５００Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。
[0047]いくつかの実施形態では、２つ以上の電極がアレイ内に配列される。いくつかの実施形態では、アレイ内の各電極は、後続の電極から間隙で離間されている。
[0048]いくつかの実施形態では、アレイは平面アレイである。いくつかの実施形態では、電極の数は少なくとも約２つである。
[0049]いくつかの実施形態では、間隙の幅は、少なくとも約１０μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、最大でも約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、約１０μｍ〜約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、約１０μｍ〜約２５μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約１００μｍ、約１０μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約１，０００μｍ、約１０μｍ〜約１，５００μｍ、約１０μｍ〜約２，０００μｍ、約２５μｍ〜約５０μｍ、約２５μｍ〜約１００μｍ、約２５μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約１，０００μｍ、約２５μｍ〜約１，５００μｍ、約２５μｍ〜約２，０００μｍ、約５０μｍ〜約１００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約５０μｍ〜約１，０００μｍ、約５０μｍ〜約１，５００μｍ、約５０μｍ〜約２，０００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約１，０００μｍ、約１００μｍ〜約１，５００μｍ、約１００μｍ〜約２，０００μｍ、約５００μｍ〜約１，０００μｍ、約５００μｍ〜約１，５００μｍ、約５００μｍ〜約２，０００μｍ、約１，０００μｍ〜約１，５００μｍ、約１，０００μｍ〜約２，０００μｍまたは約１，５００μｍ〜約２，０００μｍである。
[0050]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタデバイスは電解質を更に備える。いくつかの実施形態では、電解質は、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、電解質は、ポリマー、シリカ、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、水酸化カリウム、ポリビニルアルコールまたはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、シリカはヒュームドシリカである。いくつかの実施形態では、シリカは、ヒュームドシリカであり、かつ／またはナノ粉末の形態である。
[0051]いくつかの実施形態では、電解質は水性であり、電極の数は約５個である。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、少なくとも約２．５ボルト（Ｖ）である。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、最大でも約１０Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約２．５Ｖ〜約１０Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約２．５Ｖ〜約３Ｖ、約２．５Ｖ〜約４Ｖ、約２．５Ｖ〜約５Ｖ、約２．５Ｖ〜約６Ｖ、約２．５Ｖ〜約８Ｖ、約２．５Ｖ〜約１０Ｖ、約３Ｖ〜約４Ｖ、約３Ｖ〜約５Ｖ、約３Ｖ〜約６Ｖ、約３Ｖ〜約８Ｖ、約３Ｖ〜約１０Ｖ、約４Ｖ〜約５Ｖ、約４Ｖ〜約６Ｖ、約４Ｖ〜約８Ｖ、約４Ｖ〜約１０Ｖ、約５Ｖ〜約６Ｖ、約５Ｖ〜約８Ｖ、約５Ｖ〜約１０Ｖ、約６Ｖ〜約８Ｖ、約６Ｖ〜約１０Ｖまたは約８Ｖ〜約１０Ｖである。
[0052]いくつかの実施形態では、電解質は、アセトニトリル中にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を含み、電極の数は約５個である。この実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、少なくとも約６Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、最大でも約２４Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約６Ｖ〜約２４Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約６Ｖ〜約８Ｖ、約６Ｖ〜約１０Ｖ、約６Ｖ〜約１２Ｖ、約６Ｖ〜約１４Ｖ、約６Ｖ〜約１６Ｖ、約６Ｖ〜約１８Ｖ、約６Ｖ〜約２０Ｖ、約６Ｖ〜約２２Ｖ、約６Ｖ〜約２４Ｖ、約８Ｖ〜約１０Ｖ、約８Ｖ〜約１２Ｖ、約８Ｖ〜約１４Ｖ、約８Ｖ〜約１６Ｖ、約８Ｖ〜約１８Ｖ、約８Ｖ〜約２０Ｖ、約８Ｖ〜約２２Ｖ、約８Ｖ〜約２４Ｖ、約１０Ｖ〜約１２Ｖ、約１０Ｖ〜約１４Ｖ、約１０Ｖ〜約１６Ｖ、約１０Ｖ〜約１８Ｖ、約１０Ｖ〜約２０Ｖ、約１０Ｖ〜約２２Ｖ、約１０Ｖ〜約２４Ｖ、約１２Ｖ〜約１４Ｖ、約１２Ｖ〜約１６Ｖ、約１２Ｖ〜約１８Ｖ、約１２Ｖ〜約２０Ｖ、約１２Ｖ〜約２２Ｖ、約１２Ｖ〜約２４Ｖ、約１４Ｖ〜約１６Ｖ、約１４Ｖ〜約１８Ｖ、約１４Ｖ〜約２０Ｖ、約１４Ｖ〜約２２Ｖ、約１４Ｖ〜約２４Ｖ、約１６Ｖ〜約１８Ｖ、約１６Ｖ〜約２０Ｖ、約１６Ｖ〜約２２Ｖ、約１６Ｖ〜約２４Ｖ、約１８Ｖ〜約２０Ｖ、約１８Ｖ〜約２２Ｖ、約１８Ｖ〜約２４Ｖ、約２０Ｖ〜約２２Ｖ、約２０Ｖ〜約２４Ｖまたは約２２Ｖ〜約２４Ｖである。
[0053]いくつかの実施形態では、電解質は水性であり、電極の数は約１８０個である。この実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、少なくとも約１００Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、最大でも約３６０Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約１００Ｖ〜約３６０Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約１００Ｖ〜約１５０Ｖ、約１００Ｖ〜約２００Ｖ、約１００Ｖ〜約２５０Ｖ、約１００Ｖ〜約３００Ｖ、約１００Ｖ〜約３６０Ｖ、約１５０Ｖ〜約２００Ｖ、約１５０Ｖ〜約２５０Ｖ、約１５０Ｖ〜約３００Ｖ、約１５０Ｖ〜約３６０Ｖ、約２００Ｖ〜約２５０Ｖ、約２００Ｖ〜約３００Ｖ、約２００Ｖ〜約３６０Ｖ、約２５０Ｖ〜約３００Ｖ、約２５０Ｖ〜約３６０Ｖまたは約３００Ｖ〜約３６０Ｖである。
[0054]いくつかの実施形態では、電解質は、アセトニトリル中にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を含み、電極の数は約７２個である。この実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、少なくとも約１００Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、最大でも約３６０Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約１００Ｖ〜約３６０Ｖである。いくつかの実施形態では、電極のアレイ全体にわたって生成される電圧は、約１００Ｖ〜約１５０Ｖ、約１００Ｖ〜約２００Ｖ、約１００Ｖ〜約２５０Ｖ、約１００Ｖ〜約３００Ｖ、約１００Ｖ〜約３６０Ｖ、約１５０Ｖ〜約２００Ｖ、約１５０Ｖ〜約２５０Ｖ、約１５０Ｖ〜約３００Ｖ、約１５０Ｖ〜約３６０Ｖ、約２００Ｖ〜約２５０Ｖ、約２００Ｖ〜約３００Ｖ、約２００Ｖ〜約３６０Ｖ、約２５０Ｖ〜約３００Ｖ、約２５０Ｖ〜約３６０Ｖまたは約３００Ｖ〜約３６０Ｖである。
[0055]いくつかの実施形態では、電極のアレイは、電極の積層アレイである。いくつかの実施形態では、電極の積層アレイは複数の電極を含む。
[0056]いくつかの実施形態では、電極は片面電極であり、集電体の第１の表面は活性材料を含む。いくつかの実施形態では、電極は両面電極であり、集電体の第１の表面及び対向する第２の表面は活性材料を含む。
[0057]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、集電体の第２の表面に設けられた活性材料を含む。いくつかの実施形態では、集電体の第１の表面の一部は、活性材料によって被覆されていない。いくつかの実施形態では、集電体の第２の表面の一部は、活性材料によって被覆されていない。
[0058]いくつかの実施形態では、積層アレイ内の遠位電極は片面電極を含む。いくつかの実施形態では、遠位電極の集電体の第１の表面は内側を向いている。いくつかの実施形態では、両面電極は、２つの片面電極の間に配置される。いくつかの実施形態では、積層アレイ内の両面活性電極の数は少なくとも約１つである。
[0059]いくつかの実施形態では、隣接する電極の各対の間にセパレータが位置する。いくつかの実施形態では、セパレータは、綿、セルロース、ナイロン、ポリエステル、ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、プラスチック、セラミック、ゴム、アスベスト、木またはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
[0060]いくつかの実施形態では、積層アレイは、隣接する一対の片面活性電極の第１の表面の間に位置し得る支持体を更に備える。いくつかの実施形態では、支持体は、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、木、ガラス、プラスチック、炭素繊維、ガラス繊維、金属またはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
[0061]本明細書で提供される第２の態様は、集電体の第１の表面の一部を被覆することと；集電体の第１の表面に活性材料を塗布することと；集電体上の活性材料を乾燥させることとを含む電極のアレイを作製すること、を含むスーパーキャパシタの作製方法である。
[0062]いくつかの実施形態では、第２の態様は、集電体の第２の表面の一部を被覆することと；集電体の第２の表面に活性材料を塗布することと；集電体上の活性材料を乾燥させることとを更に含む。
[0063]いくつかの実施形態では、テープ及びマスクの少なくとも１つ以上は、基材の一部を保護し、それにより基材の保護された一部に活性材料が塗布されるのを防止する。
[0064]いくつかの実施形態では、集電体は、金属フィルムもしくはポリマーフィルム、またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、金属フィルムは、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、黄銅、青銅、ニッケル、リチウム、鉄、プラチナ、スズ、炭素鋼、鉛、チタン、ステンレス鋼、水銀、クロム、ガリウム砒素またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーフィルムは、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレン、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、硫化ポリｐ−フェニレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレンまたはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0065]いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、少なくとも約５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、最大でも約２００ｎｍである。いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、約５０ｎｍ〜約２００ｎｍである。いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、約５０ｎｍ〜約７５ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１２５ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１７５ｎｍ、約５０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約７５ｎｍ〜約１００ｎｍ、約７５ｎｍ〜約１２５ｎｍ、約７５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約７５ｎｍ〜約１７５ｎｍ、約７５ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１２５ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１７５ｎｍ、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１２５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１２５ｎｍ〜約１７５ｎｍ、約１２５ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１５０ｎｍ〜約１７５ｎｍ、約１５０ｎｍ〜約２００ｎｍまたは約１７５ｎｍ〜約２００ｎｍである。
[0066]いくつかの実施形態は、集電体を基材に付着させる工程を更に含む。いくつかの実施形態では、基材は、木、ガラス、プラスチック、炭素繊維、ガラス繊維、金属またはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0067]いくつかの実施形態では、集電体は、テープまたはマスクによって部分的に被覆される。いくつかの実施形態では、テープは、カプトン（登録商標）テープ、両面活性電極テープ、ダクトテープ、絶縁テープ、フィラメントテープ、ガッファーテープ、ゴリラテープ（登録商標）、マスキングテープ、スコッチ（登録商標）テープ、外科テープ、テフロン（登録商標）テープまたはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0068]いくつかの実施形態では、活性材料は、スラリーの形態である。いくつかの実施形態では、スラリーは、ドクターブレードによって基材に塗布される。いくつかの実施形態では、集電体の第１の表面に活性材料を塗布するプロセスと集電体の第２の表面に活性材料を塗布するプロセスとは同時に実行される。
[0069]いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、少なくとも約４０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、最大でも約１６０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、約４０℃〜約１６０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、約４０℃〜約６０℃、約４０℃〜約８０℃、約４０℃〜約１００℃、約４０℃〜約１２０℃、約４０℃〜約１４０℃、約４０℃〜約１６０℃、約６０℃〜約８０℃、約６０℃〜約１００℃、約６０℃〜約１２０℃、約６０℃〜約１４０℃、約６０℃〜約１６０℃、約８０℃〜約１００℃、約８０℃〜約１２０℃、約８０℃〜約１４０℃、約８０℃〜約１６０℃、約１００℃〜約１２０℃、約１００℃〜約１４０℃、約１００℃〜約１６０℃、約１２０℃〜約１４０℃、約１２０℃〜約１６０℃または約１４０℃〜約１６０℃の温度で行われる。
[0070]いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させること、少なくとも約６時間の期間にわたって行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、最大でも約２４時間の期間にわたって行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、約６時間〜約２４時間の期間にわたって行われる。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料を乾燥させることは、約６時間〜約８時間、約６時間〜約１０時間、約６時間〜約１２時間、約６時間〜約１６時間、約６時間〜約２０時間、約６時間〜約２４時間、約８時間〜約１０時間、約８時間〜約１２時間、約８時間〜約１６時間、約８時間〜約２０時間、約８時間〜約２４時間、約１０時間〜約１２時間、約１０時間〜約１６時間、約１０時間〜約２０時間、約１０時間〜約２４時間、約１２時間〜約１６時間、約１２時間〜約２０時間、約１２時間〜約２４時間、約１６時間〜約２０時間、約１６時間〜約２４時間または約２０時間〜約２４時間の期間にわたって行われる。
[0071]いくつかの実施形態では、第２の態様は、２つ以上の電極のアレイを形成する工程を更に含み、各電極は、後続の電極から間隙で離間されている。いくつかの実施形態では、アレイは平面アレイであり、平面アレイは、片面活性電極、両面活性電極またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、平面アレイは、活性材料及び集電体をエッチングまたは切断することによって作製される。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料及び集電体をエッチングまたは切断するプロセスは、レーザー、ナイフ、ブレード、はさみまたはこれらの任意の組み合わせによって実行される。
[0072]いくつかの実施形態では、間隙の幅は、少なくとも約１０μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、最大でも約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、約１０μｍ〜約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、約１０μｍ〜約２５μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約１００μｍ、約１０μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約１，０００μｍ、約１０μｍ〜約１，５００μｍ、約１０μｍ〜約２，０００μｍ、約２５μｍ〜約５０μｍ、約２５μｍ〜約１００μｍ、約２５μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約１，０００μｍ、約２５μｍ〜約１，５００μｍ、約２５μｍ〜約２，０００μｍ、約５０μｍ〜約１００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約５０μｍ〜約１，０００μｍ、約５０μｍ〜約１，５００μｍ、約５０μｍ〜約２，０００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約１，０００μｍ、約１００μｍ〜約１，５００μｍ、約１００μｍ〜約２，０００μｍ、約５００μｍ〜約１，０００μｍ、約５００μｍ〜約１，５００μｍ、約５００μｍ〜約２，０００μｍ、約１，０００μｍ〜約１，５００μｍ、約１，０００μｍ〜約２，０００μｍまたは約１，５００μｍ〜約２，０００μｍである。
[0073]いくつかの実施形態では、第２の態様は、電極上に電解質を分散させることを更に含む。いくつかの実施形態では、電解質は、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、電解質は、ポリマー、シリカ、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼンまたはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、シリカはヒュームドである。いくつかの実施形態では、シリカは、ヒュームドであり、かつ／またはナノ粉末の形態である。
[0074]いくつかの実施形態では、アレイは積層アレイである。いくつかの実施形態では、積層アレイは、複数の電極を含む。いくつかの実施形態では、積層アレイ内の遠位電極は、集電体の第１の表面にのみ活性材料を有し、集電体の第１の表面は内側を向いている。いくつかの実施形態では、積層アレイは、集電体の第１の表面と第２の表面との両方に活性材料を有する１つ以上の電極を含み、集電体の第１の表面と第２の表面との両方に活性材料を有する１つ以上の電極は、片面活性電極の間に位置してもよい。
[0075]いくつかの実施形態では、連続する電極の各対の間にセパレータが位置する。いくつかの実施形態では、セパレータは、綿、セルロース、ナイロン、ポリエステル、ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、プラスチック、セラミック、ゴム、アスベスト、木またはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
[0076]いくつかの実施形態では、積層アレイは、電極と後続の電極との間に位置する支持体を更に備える。いくつかの実施形態では、支持体は、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、木、ガラス、プラスチック、炭素繊維、ガラス繊維、金属またはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
[0077]いくつかの実施形態では、第２の態様は、積層アレイ上に電解質を分散させること；積層アレイをシース内に収容すること；収容された積層アレイをハウジング内に挿入すること；またはこれらの任意の組み合わせを更に含む。
[0078]いくつかの実施形態では、電解質は、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、電解質は、ポリマー、シリカ、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼンまたはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、シリカはヒュームドである。いくつかの実施形態では、シリカは、ヒュームドであり、かつ／またはナノ粉末の形態である。
[0079]いくつかの実施形態では、ハウジングは、２つ以上の端子；ガスケット；容器；またはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0080]本開示の他の目的及び利点は、以下の説明及び添付図面と共に検討されるときに更に認識及び理解されよう。以下の説明は本開示の特定の実施形態を記載している具体的な詳細事項を含み得るが、これは、本開示の範囲に対する制限としてではなく、むしろ好適な実施形態の実例として解釈されるべきである。本開示の各態様について、当業者にとって既知である多くの変形が、本明細書において示されるように可能である。様々な変更及び修正が、本開示の思想から逸脱することなく本開示の範囲内でなされ得る。
スーパーキャパシタ
[0081]スーパーキャパシタ（「ウルトラキャパシタ」としても知られている）は、通常のキャパシタより非常に高い容量を有する高電力密度エネルギー貯蔵デバイスである。このデバイスは、近年かなりの注目を浴びており、近年の技術的向上により、携帯型電子デバイス、医療デバイス及びハイブリッド電気自動車における高電力密度エネルギー貯蔵源としてますます利用されている。
[0082]スーパーキャパシタは、従来の電池の場合の時間と比較して秒のオーダーで超急速の充電及び放電時間を呈し得るため、エネルギー貯蔵の魅力的な手段である。加えて、スーパーキャパシタは、ハイブリッド自動車及び電気自動車、家庭電化製品ならびに軍及び宇宙用途の進展において重要な役割を果たし得る。しかしながら、現在のスーパーキャパシタは、携帯型電子機器のエネルギー及び電力要件を満たすために、直列、並列またはこれらの組み合わせのいずれかでパッケージされた多数のセルを必要とすることが多い。
[0083]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタまたは電気化学キャパシタは、イオン浸透膜（セパレータ）によって離間された２つ以上の電極と、電極をイオン的に接続している電解質とで構成されているが、電解質中のイオンは、電極が印加電圧によって分極されるときに電極の極性に対して反極性の電気二重層を形成する。
[0084]スーパーキャパシタは、その電荷貯蔵機構に応じて、電気二重層キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ、ＥＤＬＣ）またはレドックススーパーキャパシタとして分類され得る。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、二重層スーパーキャパシタ、擬似キャパシタまたはハイブリッドスーパーキャパシタであってもよい。
[0085]本開示の高電圧デバイス（「デバイス」）は、相互接続されたセルを備えてもよいが、各セルは間隙距離で離間された２つ以上の電極を含む。いくつかの実施形態では、セルは、電気化学セル（例えば、個々のスーパーキャパシタセル）であってもよい。例えば、高電圧を得るために（かつ／または他の目的のために）、２つ以上のセルが相互接続されてもよい。
[0086]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、積層（またはサンドイッチ）構造で形成されていてもよい。いくつかの実施形態では、積層構造は、対面して組み立てられた２つ以上の薄膜電極で構成されており、これらの電極は、電気的短絡を防止するセパレータによって離間されている。
[0087]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、平面構造で形成されていてもよい。いくつかの実施形態では、平面スーパーキャパシタは、平面構成で設計された電極で構成されている。平面スーパーキャパシタは、積層設計と比較していくつかの利点を有し得る。第一に、電極が同一平面内にあるスーパーキャパシタは、オンチップ集積化に適合し得る。第二に、スーパーキャパシタにおける主な性能要因である電解質中のイオンの進行距離を、積層スーパーキャパシタに必要とされるセパレータの必要性を排除しつつ良好に制御し、短縮することができる。第三に、構造を三次元に拡張して、平均イオン拡散経路を維持しつつその密度を増加させることができる。従って、このアーキテクチャは、高電力密度かつ高エネルギー密度を実現する可能性を有し得る。加えて、いくつかの実施形態では、平面内デバイスは、一工程で組み立てることができるいくつかのセルの単純構造を呈し得る。いくつかの実施形態では、作製されたセルの平面アレイは、１つのパッケージを使用してパッケージされてもよい。
電極
[0088]いくつかの実施形態では、電気化学セル内の電極は、集電体及び活性材料を含み、電子がセル内に活性材料を残し、酸化が発生する陽極、または電子がセル内の活性材料に入り、還元が発生する陰極のいずれかとして呼ばれる。各電極は、セルを流れる電流の方向に応じて、陽極または陰極のいずれかになり得る。
[0089]いくつかの実施形態では、片面電極は、集電体及び活性材料で構成されているが、活性材料は、集電体の一面にのみ配置されている。
[0090]いくつかの実施形態では、両面電極は、集電体及び活性材料で構成されているが、活性材料は、集電体の対向する両面に配置されている。
[0091]いくつかの実施形態では、活性材料が内側を向いている２つの片面電極の間に配置され、かつ間隙で離間された両面電極は、２セルスーパーキャパシタを形成する。
[0092]スーパーキャパシタ電極において一般的に利用される材料は、遷移金属酸化物、導電性ポリマー及び高表面炭素を含む。
集電体
[0093]いくつかの実施形態では、集電体は、電極をコンデンサの端子に接続する。いくつかの実施形態では、集電体は、導電性であり、化学的に安定であり、かつ耐食性である箔またはコーティングである。いくつかの実施形態では、集電体は、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、タングステン、黄銅、青銅、ニッケル、リチウム、鉄、プラチナ、スズ、炭素鋼、鉛、チタン、ステンレス鋼、水銀、クロム、ガリウム砒素、ポリイミド、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレン、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、硫化ポリｐ−フェニレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレンまたはこれらの任意の組み合わせで構成されてもよい。
[0094]いくつかの実施形態では、集電体の厚さは、約５０ナノメートル〜約２００ナノメートルである。
活性材料
[0095]いくつかの実施形態では、活性材料は、電気化学的な充電及び放電反応に関わる電極内の構成要素であり、炭素質の、かつ／または他の好適な材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、活性材料は、炭素、活性炭、炭素布、炭素繊維、無定形炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エアロゲル、グラフェン、ポリアニリン、ポリチオフェン、相互接続された波状炭素系網状体（ＩＣＣＮ）またはこれらの任意の組み合わせを含む。
[0096]いくつかの実施形態では、ＩＣＣＮは、拡張かつ相互接続された複数の炭素層を含む。いくつかの実施形態では、各炭素層は、二次元の、炭素の一原子厚シートである。いくつかの実施形態では、拡張かつ相互接続された炭素層の１つ以上は、一原子厚の波状炭素シートを含む。ＩＣＣＮは、高表面積かつ高導電率を呈し得る。
[0097]ある実施形態では、用語「拡張された」は、互いに離れて拡張されている複数の炭素層を指すが、隣接する炭素層の一部は、少なくとも約２ナノメートル（ｎｍ）で離間されている。いくつかの実施形態では、隣接する炭素層の少なくとも一部は、約１ｎｍ以上の間隙で離間されている。
[0098]いくつかの実施形態では、複数の炭素層は、少なくとも約７５０ジーメンス／メートル（ｓ／ｍ）の導電率を有する。いくつかの実施形態では、複数の炭素層は、最大でも約３，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、複数の炭素層は、約７５０Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。
[0099]いくつかの実施形態では、複数の炭素層は、少なくとも約２５０平方メートル毎グラム（ｍ２／ｇ）の表面密度を有する。いくつかの実施形態では、複数の炭素層は、最大でも約３，５００ｍ２／ｇの表面密度を有する。いくつかの実施形態では、複数の炭素層は、約２５０ｍ２／ｇ〜約３，５００ｍ２／ｇの表面密度を有する。
電解質
[00100]いくつかの実施形態では、電解質は、極性溶媒中に溶解されるときに導電性溶液を生成する物質である。いくつかの実施形態では、このような溶液に電位が印加された場合、溶液のカチオンは、電子が豊富である電極に引き寄せられ、他方、アニオンは、電子が不足している電極に引き寄せられる。溶液内でアニオンとカチオンが逆方向に移動することによって電流が流れる。
[00101]いくつかの実施形態では、電解質は、水性電解質、有機電解質、イオン性液体状電解質またはこれらの任意の組み合わせで構成されてもよい。いくつかの実施形態では、電解質は、液体、固体またはゲル（イオノゲル）であってもよい。いくつかの実施形態では、例えば、ポリマー、シリカまたはヒュームドシリカなどの別の固体構成要素とイオン性液体を混合してゲル状電解質を形成してもよい。いくつかの実施形態では、水性電解質を、例えば、ポリマーと混合して、ゲル状電解質（「ヒドロゲル」または「ヒドロゲルポリマー」とも）を形成してもよい。いくつかの実施形態では、有機電解質を、例えば、ポリマーと混合して、ゲル状電解質を形成してもよい。いくつかの実施形態では、電解質は、水性水酸化カリウム、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）−Ｈ２ＳＯ４またはＰＶＡ−Ｈ３ＰＯ４を含むヒドロゲル、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）の水溶液、アセトニトリル中に溶解させたテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、（ＥＭＩＭＢＦ４）、イオン性液体（例えば、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩＭＮＴｆ２））と混合させたヒュームドシリカ（例えば、ヒュームドシリカナノ粉末）を含むイオノゲル、またはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
セパレータ
[00102]いくつかの実施形態では、セパレータは、電池の、またはスーパーキャパシタの陽極電極と陰極電極との間に配置された浸透膜である。いくつかの実施形態では、セパレータは、２つの隣接する電極の間の間隙距離を維持して短絡を防止すると共に、電気化学セル内に電流が通過している間、回路を閉じるのに必要とされるイオン電荷キャリアの輸送も許容する。いくつかの実施形態では、セパレータは電解質を吸収して、電極間の導電率を高める。
[00103]セパレータは、その構造及び性質が、エネルギー及び電力密度、サイクル寿命ならびに安全性など、エネルギー貯蔵デバイスの性能特性にかなりの影響を及ぼすため、液体電解質エネルギー貯蔵デバイスにおける重要な構成要素となり得る。いくつかの実施形態では、セパレータは、電解質及び電極材料に関して化学的かつ電気化学的に安定な細孔層を形成し、電池の構築及び使用に耐える充分な機械的強度を呈するポリマー膜内で構成されている。いくつかの実施形態では、セパレータは、材料の単層／シートまたは多層／シートを含む。いくつかの実施形態では、セパレータは、一方向に、もしくはランダムに配向された繊維のウェブもしくはマット、細孔構造内に固体及び液体材料を含む支持された液体膜、ポリマーまたはこれらの任意の組み合わせを含む不織布繊維を含む。
[00104]いくつかの実施形態では、セパレータは、２つの電極の活性材料面の間に配置されている。
[00105]いくつかの実施形態では、ポリマー電解質は、アルカリ金属塩との錯体を形成する。これにより、固体電解質として作用するイオン導電体が生じる。いくつかの実施形態では、固体のイオン導電体は、セパレータと電解質の両方として作用し得る。
[00106]いくつかの実施形態では、セパレータは、綿、セルロース、ナイロン、ポリエステル、ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、プラスチック、セラミック、ゴム、アスベスト、木またはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
支持体
[00107]いくつかの実施形態では、支持体は、スーパーキャパシタ電極の間に配置され、スーパーキャパシタデバイスの剛性を高める導電材料である。いくつかの実施形態では、支持体は、活性材料コーティングのない集電体の表面のそれぞれと接触する２つの電極の間に配置されている。
[00108]いくつかの実施形態では、支持体は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ、金、水銀またはこれらの任意の組み合わせを含む任意の導電材料で構成されている。
封止材
[00109]いくつかの実施形態では、電解質がスーパーキャパシタセルの外に漏れ、潜在的に短絡を生じさせるのを防止するために封止材が使用される。加えて、封止材は、スーパーキャパシタのセルの１つ以上を束縛することにより、積層スーパーキャパシタデバイスの剛性及び耐久性を高めることができる。いくつかの実施形態では、封止材は、電解質と接触したときに劣化しない耐化学性かつ耐水性材料で形成されてもよい。いくつかの実施形態では、封止材は、接着剤、エポキシ、樹脂、管、プラスチック、ガラス繊維、ガラスまたはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
ハウジング
[00110]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタデバイスの構成要素は、耐久性を高め、かつ電解質の漏れを防止するために、ハウジング内に格納されている。いくつかの実施形態では、ハウジングは、予備形成された構成要素、スーパーキャパシタ構成要素の周囲に形成された構成要素、またはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、ハウジングは、負端子または正端子として機能する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタデバイスのハウジングは、金属、プラスチック、木、炭素繊維、ガラス繊維、ガラスまたはこれらの任意の組み合わせで構成されている。
[00111]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタデバイスのハウジングは、タブ、端子、ガスケットまたはこれらの任意の組み合わせを追加的に含む。いくつかの実施形態では、タブは、封止された電極から正端子または負端子に電気を送る。いくつかの実施形態では、正端子または負端子は、封止された電極を、内部に貯蔵されたエネルギーを消費する電子デバイスに接続する。いくつかの実施形態では、タブ及び端子は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ、金、水銀またはこれらの任意の組み合わせを含む任意の導電材料で構成されてもよい。いくつかの実施形態では、タブ及び端子は、微量の導電材料を含むポリマーで構成されてもよい。いくつかの実施形態では、ガスケットは、プラスチック、金属、樹脂またはこれらの任意の組み合わせを含む耐水性材料で構成されている。
図の参照
[00112]高電圧スーパーキャパシタデバイスの例示的な図を図１Ａ〜１Ｄに示す。例示的な単一セル線状スーパーキャパシタデバイス１００は、図１Ａにつき、２本の線１０３と、２つの電極１１０のアレイとを備えているが、各電極１１０は、集電体１０１と活性材料１０２とを含む。単一スーパーキャパシタセルは、誘電体間隙で離間された一対の電極１１０によって定められる。
[00113]図１Ｂは、１つの左右同一（ｉｓｏｂｉｌａｔｅｒａｌ）電極１２０と２つの左右不同（ａｎｉｓｏｂｉｌａｔｅｒａｌ）電極１１０との線状アレイを含む例示的な２セル線状スーパーキャパシタデバイス１５０を示しているが、左右同一電極１２０は、活性材料１０２によって被覆されている当該電極の集電体の一部を含み、左右不同電極１１０は、活性材料１０２によって被覆されている当該電極の集電体の２つの遠位部を含む。いくつかの実施形態では、左右不同電極１１０は、活性材料によって被覆されている当該電極の側面がアレイ内で遠位に配置されるように配列されている。いくつかの実施形態では、２セル線状スーパーキャパシタデバイス１５０は、単一セルスーパーキャパシタデバイス１００の２倍の電圧を生成することができる。図１Ｃは、４つの左右同一電極１２０と２つの左右不同電極１１０との線状アレイを含む例示的な５セル線状スーパーキャパシタデバイス１６０を示す。いくつかの実施形態では、５セル線状スーパーキャパシタデバイス１６０は、単一セルスーパーキャパシタデバイス１００の５倍の電圧を生成することができる。
[00114]図１Ｂ及び１Ｃにつき、アレイ内の遠位電極は左右不同電極１１０を含むが、１つ、または４つの近位電極は左右同一電極１２０をそれぞれ含む。加えて、連続する電極の各対は、絶縁層（または誘電体セパレータ）として機能する設定済みの間隙距離で離間されている。
[00115]図から理解できるように、図１Ｂ〜１Ｄにおいて、遠位の左右不同電極１１０の集電体１０１の一部は、線１０３の接着を可能にするために、活性材料１０２によって被覆されておらず、他のデバイス、または端子などのデバイス構成要素との電気的接続が可能になっている。加えて、図１Ｂ〜１Ｄにつき、近位の左右同一電極１２０の集電体１０１の一部は、セルの間に境界を形成するために、活性材料１０２によって被覆されていない。
[00116]図１Ａ〜Ｃに示した単一セルスーパーキャパシタデバイス１００及び線状スーパーキャパシタデバイス１５０、１６０に加えて、例示的な平面スーパーキャパシタデバイス２００は、図２に示すように、一連の１８０個の電極の二次元アレイを備えてもよく、一連の電極内の最初と最後の電極は左右不同電極２１０であり、一連の電極内の最初の電極でも最後の電極でもない遠位電極は、電極の二次元アレイの各行においてＣ型左右同一電極２３０を含み、電極の二次元アレイの各行内の近位電極は左右同一電極２２０を含む。いくつかの実施形態では、１８０セル線状スーパーキャパシタデバイス２００は、単一セルスーパーキャパシタデバイスの１８０倍の電圧を生成することができる。
[00117]原則として、二次元平面に直列に配列され得るセルの数は制限されなくてもよい。ユニットの動作に必要とされる電圧のみにより、ユニットに必要とされる電極の合計数が定められ得る。
[00118]図３Ａ及び３Ｂは、片面電極３００及び両面電極３１０の例示的な図をそれぞれ示す。片面電極３００は、集電体３０１の第１の表面に活性材料３０２を堆積させた集電体３０１で構成され、両面電極３１０は、集電体３０１の第１の表面と、対向する第２の表面との両方に活性材料３０２を堆積させた集電体３０１で構成されている。
[00119]いくつかの実施形態では、図１〜２の例示的なスーパーキャパシタデバイス１００、２００に示した、左右不同電極１１０、２１０、左右同一電極１２０、２２０またはＣ型左右同一電極２３０は、片面電極３００もしくは両面電極３１０、またはこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。
[00120]いくつかの実施形態では、セルの積層アレイは、単一のパッケージで組み立てられてもよい。図４Ａ〜Ｂは、電極スタック４５０と、ハウジング４０３と、タブ４０４と、正端子４０５と、負端子４０６と、ガスケット４０７とを備える積層スーパーキャパシタデバイスアセンブリ４００の第１の好適なモードの例示的な正面及び上面断面図を示す。電極スタック４５０は、２つの片面電極４１０と、１つ以上の両面電極４２０と、１つ以上のセパレータ４０１と、封止材４０２とを含む。いくつかの実施形態では、電極スタック４５０内の遠位電極は片面電極４１０であり、活性材料のない各片面電極４１０の表面は外側を向いている。
[00121]いくつかの実施形態では、絶縁層を設け、短絡を防止するために、各電極の間にセパレータ４０１が挿入されている。いくつかの実施形態では、各片面電極４１０及び両面電極４２０の上に電解質が堆積され、封止材４０２は、電解質の漏れ及び短絡の可能性を防止する。いくつかの実施形態では、電極スタック４５０は、ハウジング４０３によって保護されている。いくつかの実施形態では、ハウジング４０３は、電極スタック４５０から正端子４０５もしくは負端子４０６に電気を送る２つのタブ４０４、及び／またはハウジング４０３の中身を封止するガスケット４０７を含む。
[00122]図４Ａ〜Ｂに示した例示的な積層スーパーキャパシタデバイスアセンブリ４００は、２つの片面電極４１０及び１つの両面電極４２０を有する電極スタック４５０を備えているが、代替的なスーパーキャパシタデバイスアセンブリは、任意の数の両面電極４２０を備えてもよい。
[00123]図５Ａは、スーパーキャパシタデバイスアセンブリ５００の第２の好適なモードの例示的な断面図を示す。電極スタック５５０は、１つ以上の片面電極５１０を含む。図に示すように、電極スタック５５０内の各遠位片面電極５１０（活性材料なし）の第１の表面は外側を向いている。いくつかの実施形態では、各片面電極５１０の第１の表面の間にセパレータ５０１が挿入されており、各片面電極５１０の第２の表面の間に支持体５０２が挿入されている。
[00124]いくつかの実施形態では、図５Ｂにつき、各集電体上に活性材料を配置する前に２つの集電体の第１の表面の間に支持体５０２を接着して、支持された両面電極５６０を形成してもよい。
[00125]図６Ａ〜Ｃは、ハウジング６０３と、２つの片面電極６１０と、セパレータ６２０と、正端子６０５と、ガスケット６０７とを備える、例示的なパッケージされた単一セルスーパーキャパシタ６００の図を示す。いくつかの実施形態では、パッケージされた単一セルスーパーキャパシタ６００は、片面電極６１０上に配置された電解質を追加的に含む。
[00126]いくつかの実施形態では、例示的なパッケージされた単一セルスーパーキャパシタ６００は、活性材料を上向きにして第１の片面電極６１０をハウジング６０３内に挿入すること、セパレータ６２０を第１の片面電極６１０上に配置すること、活性材料を下向きにして第２の片面電極６１０をセパレータ６２０上に配置すること、正端子６０５及びガスケット６０７を挿入すること、ハウジング６０３を圧接して中身を固定すること、またはこれらの任意の組み合わせによって作製される。
[00127]いくつかの実施形態では、支持体は、ステンレス鋼、プラスチック、金属、ガラスまたはこれらの任意の組み合わせなどの、任意の剛性、導電性かつ耐化学性材料で構成されている。
[00128]いくつかの実施形態では、片面スーパーキャパシタ電極は、集電体の第１の表面を部分的に被覆し、集電体の第１の表面に活性材料を塗布し、集電体上の活性材料を乾燥させて片面電極を形成することによって作製される。
[00129]いくつかの実施形態では、両面スーパーキャパシタ電極は、片面電極の集電体の第２の表面を部分的に被覆し、片面電極の集電体の第２の表面に活性材料を塗布し、集電体上の活性材料を乾燥させて両面電極を形成することによって作製される。更なる実施形態では、両面電極は、集電体の第１の表面と第２の表面とを同時にコーティングし、集電体上の活性材料を乾燥させることによって作製されてもよい。
[00130]集電体の第１の表面または第２の表面に活性材料を塗布する例示的な方法の画像を図７に示すが、集電体上に均一な厚さの活性材料スラリー７０１を塗布するためにドクターブレード７０２が用いられ、他方、集電体の第１の表面及び／または第２の表面の一部を被覆し、活性材料スラリー７０１がそこに塗布されるのを防止するためにテープ７０３が使用される。いくつかの実施形態では、ドクターブレードは、液体またはスラリーを表面に均一に広げるデバイスである。他の実施形態では、輪転グラビアを用いて活性材料の均一な厚さを維持する。他の実施形態では、マスクを使用して、集電体の第１の表面及び／または第２の表面の一部を被覆し、活性材料スラリー７０１がそこに塗布されるのを防止する。得られた電極を図８に示す。
[00131]いくつかの実施形態では、集電体を基材７０４に接着して、集電体を安定させ、平坦にする。例示的な方法では、図７につき、テープ７０３は、集電体の第１の表面の一部を被覆すると共に集電体を基材７０４に接着するために使用される。いくつかの実施形態では、テープ７０３は、カプトンテープ、ポリイミド、両面テープ、ダクトテープ、絶縁テープ、フィラメントテープ、ガッファーテープ、ゴリラテープ、マスキングテープ、スコッチテープ、外科テープ、テフロンテープまたはこれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、基材７０４は、ガラス、木、発泡体、炭素繊維、ガラス繊維、プラスチック、金属またはこれらの任意の組み合わせを含む。
[00132]集電体８０１上に塗布された活性材料の例示的な画像を図８に示す。
[00133]いくつかの実施形態では、活性材料は、集電体への塗布後に乾燥される。いくつかの実施形態では、活性材料及び集電体は、オーブン内で乾燥される。いくつかの実施形態では、活性材料及び集電体は、約４０℃〜約１６０℃の温度で乾燥される。いくつかの実施形態では、活性材料及び集電体は、約６時間〜約２４時間の期間にわたって乾燥される。図９Ａ〜Ｂは、テープ及びテープ上の余分な活性材料が除去された後の、乾燥済みの電極９００及び短冊状電極９１０の例示的な画像を示す。
[00134]いくつかの実施形態では、電極の平面アレイは、乾燥済みの活性材料及び集電体をエッチングまたは切断することによって形成される。いくつかの実施形態では、集電体上の活性材料及び集電体をエッチングまたは切断するプロセスは、レーザー、ナイフ、ブレード、はさみまたはこれらの任意の組み合わせによって実行される。いくつかの実施形態では、それによって間隙が作られる。
[00135]いくつかの実施形態では、間隙の幅は少なくとも約１０μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、最大でも約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、約１０μｍ〜約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、間隙の幅は、約１０μｍ〜約２５μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約１００μｍ、約１０μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約１，０００μｍ、約１０μｍ〜約１，５００μｍ、約１０μｍ〜約２，０００μｍ、約２５μｍ〜約５０μｍ、約２５μｍ〜約１００μｍ、約２５μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約１，０００μｍ、約２５μｍ〜約１，５００μｍ、約２５μｍ〜約２，０００μｍ、約５０μｍ〜約１００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約５０μｍ〜約１，０００μｍ、約５０μｍ〜約１，５００μｍ、約５０μｍ〜約２，０００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約１，０００μｍ、約１００μｍ〜約１，５００μｍ、約１００μｍ〜約２，０００μｍ、約５００μｍ〜約１，０００μｍ、約５００μｍ〜約１，５００μｍ、約５００μｍ〜約２，０００μｍ、約１，０００μｍ〜約１，５００μｍ、約１，０００μｍ〜約２，０００μｍまたは約１，５００μｍ〜約２，０００μｍである。いくつかの実施形態では、セルの数は少なくとも２つである。
[00136]図１０は、集電体及び活性材料をレーザー切断してパターン化された電極のアレイにすることによって形成された１８０セルスーパーキャパシタデバイス９００の例示的な画像を示す。いくつかの実施形態では、１８０セルスーパーキャパシタデバイス１０００は、片面電極、両面電極またはこれらの任意の組み合わせを備える。
[00137]図１１は、電気化学的試験中の１８０セルスーパーキャパシタデバイス１１００の例示的な画像を示すが、電解質は、セルの電極の１つ以上の上に配置されてもよい。
[00138]図１２Ａ〜Ｅは、それぞれ、５００ｍＶ／ｓ、１００ｍＶ／ｓ、５０ｍＶ／ｓ、３０ｍＶ／ｓ及び１０ｍＶ／ｓの走査速度における例示的なサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）グラフを示す。いくつかの実施形態では、サイクリックボルタンメトリーは、印加電圧下で電気化学セルにおいて生じる電流を測定する電気化学的技術である。ＣＶ試験のいくつかの実施形態では、電極電位が、周期的な相で時間に対して線形に傾斜するが、これらの相のそれぞれの間の経時的な電圧変化率は走査速度として知られている。
[00139]図１３は、種々の走査速度における例示的なＣＶグラフの重ね合わせを示すのに対し、図１４は、定電流での充電及び放電波形ＣＶグラフを示す。
[00140]図１５は、実用的な高電圧に対する唯一のインピーダンス要素としてワールブルグインピーダンスを示す。いくつかの実施形態では、ワールブルグ拡散要素は、誘電分光法の拡散プロセスをモデル化する等価な電気回路構成要素である。いくつかの実施形態では、等価回路は、所与の回路の電気的特性の全てを保持する理論回路を指す
[00141]いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約２つのセルで構成されてもよい。
[00142]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつ水性電解質を有する例示的な単一セルスーパーキャパシタデバイスは、約１Ｖの電位を生成することができる。
[00143]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつ水性電解質を有する例示的な５セルスーパーキャパシタデバイスは、約２．５Ｖ〜約１０Ｖの電位を生成することができる。
[00144]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつ水性電解質を有する例示的な７２セルスーパーキャパシタデバイスは、約６Ｖ〜約２４Ｖの電位を生成することができる。
[00145]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつ水性電解質を有する例示的な１８０セルスーパーキャパシタデバイスは、約１００Ｖ〜約３６０Ｖの電位を生成することができる。
[00146]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつアセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を有する例示的な単一セルスーパーキャパシタデバイスは、約２．５Ｖ〜約１０Ｖの電位を生成することができる。
[00147]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつアセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を有する例示的な５セルスーパーキャパシタデバイスは、約６Ｖ〜約２４Ｖの電位を生成することができる。
[00148]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつアセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を有する例示的な７２セルスーパーキャパシタデバイスは、約１００Ｖ〜約３６０Ｖの電位を生成することができる。
[00149]いくつかの実施形態では、本明細書に記載された方法によって製作された、かつアセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を有する例示的な１８０セルスーパーキャパシタデバイスは、約１００Ｖ〜約３６０Ｖの電位を生成することができる。
[00150]本明細書に記載された開示の各態様は、組み合わせて使用されてもよい。加えて、本開示のシステム及び方法は、他の活性材料に適用されてもよい。例えば、（例えば、電極をマスキング、コーティング、乾燥及びパターン化することによって）セルの平面アレイを作製している間、２つの工程の電極コーティング（及び、例えば、マスキングなどの他の作製工程）を利用して、異なる（または非対称の）活性材料を含む隣接する電極を作製してもよい。このような実施形態により、例えば、相互接続された複数の電池セルを含む電池、または異なる（もしくは非対称な）電極を有するセルを含む他のデバイス（例えば、太陽電池、熱電電池もしくは燃料電池）の作製が可能となり得る。
用語及び定義
[00151]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「波状」は、一連の平行な畝及び溝を有する構造を指す。
[00152]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「比表面積」または「表面密度」は、単位質量当たりの材料の合計表面積として定義される固体の性質を指す。
[00153]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「導電率」または「比コンダクタンス」は、特定の材料が電気を伝導する程度を指し、電流の流れを生じさせる電界に対する材料内の電流密度の比として算出される。
[00154]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「平面」は、主として単一平面上にある２次元要素を指す。
[00155]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「積層アレイ」は、列、行またはサンドイッチの要素を指す。
[00156]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「水性」は、溶媒及び／または溶質の溶液を意味し、溶媒または溶質は形態上液体である。
[00157]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「ゲル」は、柔らかくて弱い性質から硬くて丈夫な性質にまで及び得る固体ゼリー状材料を指す。ゲル類は、定常状態にあるときに流れを呈しない実質的に低濃度の架橋系として定義されてもよい。
[00158]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「ヒュームドシリカ」または「発熱性シリカ」は、火炎で生成されるシリカを指す。このシリカは、枝分れした鎖状の三次元二次粒子中に溶解させた非晶質シリカの微小液滴からなってもよく、この二次粒子は、次いで凝集して三次粒子を形成することができる。
[00159]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「左右同一電極」は、垂直中央平面について幾何学的対称性を有する電極を指す。
[00160]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「左右不同電極」は、垂直中央平面について幾何学的対称性を有しない電極を指す。
[00161]他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語は、本開示が属する技術分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書及び添付された特許請求の範囲に使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈においてそれ以外の場合が明確に定められていない限り、複数の意味を含む。本明細書における「または」に対するあらゆる言及は、他に明記されない限り、「及び／または」を含むように意図される。
[00162]本明細書で使用される場合、かつ他に定義されない限り、用語「約」は、指定された値のプラスまたはマイナス１０％の値の範囲を指す。
[00163]本開示の好適な実施形態について本明細書で図示及び説明してきたが、このような実施形態はあくまで例として与えられたものであることは当業者にとって明らかであろう。本開示から逸脱することなく、多くの変形、変更、及び置き換えが当業者にとって直ちに想起されるであろう。本明細書に記載された開示の実施形態に対する様々な代替例が、本開示を実施する際に用いられ得ることを理解すべきである。以下の請求項は本開示の範囲を定め、これらの請求項及びその均等物の範囲内の方法及び構造はそれによって包含されることが意図される。
非限定的な実施形態
[00164]本明細書におけるデバイスの更なる非限定的な実施形態を以下に列挙する。
[00165]本開示は、例えば、高電圧スーパーキャパシタなどの高電圧デバイスを直接調製するための簡単な技術に関する。高電圧デバイスは、単一の工程で作製されてもよい。高電圧デバイスは、１つのパッケージを使用して調製されてもよい。高電圧デバイスは、単一の工程で、かつ１つのパッケージを使用して調製されてもよい。１つのパッケージは、複数のパッケージの代わりに（例えば、従来のモジュール内の何百個の代わりに）有利に使用され得る。いくつかの実施形態では、本明細書における高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、約１８０Ｖ超（及び最大約５４０Ｖ）の電圧を有してもよい。しかしながら、なお一層高い電圧が、化学反応、直列の電極の合計数及び物理寸法に応じて実現可能であることを理解すべきである。例には、単一の工程で、かつ（複数個の代わりに（例えば、従来のモジュール内の何百個の代わりなどに））１つのパッケージを使用して、（例えば、約１８０Ｖ超（及び最大約５４０Ｖ））の高電圧スーパーキャパシタを直接調製することが含まれる。
[00166]本開示の高電圧デバイス（「デバイス」）は、相互接続されたセルを備えてもよい。いくつかの実施形態では、電極は、電気化学電極（例えば、個々のスーパーキャパシタセル）であってもよい。例えば、高電圧を得るために（かつ／または他の目的のために）、電極が相互接続されてもよい。
[00167]例えば、スーパーキャパシタ（例えば、二重層スーパーキャパシタ、擬似キャパシタまたはハイブリッドスーパーキャパシタ）などのデバイスは、（例えば、所与の構成または構造を有する）所与の種類であってもよい。例えば、主な２種類のスーパーキャパシタは、２つの薄膜電極がポリマープラスチックセパレータと対面して組み合わされているサンドイッチ構造や、平面構成で設計された微小電極からなる別の構造といった構造によって異なってもよい。平面スーパーキャパシタは、積層設計と比較していくつかの利点を有し得る。第一に、同一平面内に両方の電極を有することは、オンチップ集積化に適合する。第二に、スーパーキャパシタにおける主な性能要因である電解質中のイオンの進行距離を、（電気的短絡を防止するためにサンドイッチ型スーパーキャパシタにおいて使用される）セパレータの必要性を排除しつつ良好に制御し、短縮することができる。第三に、構造は、三次元に潜在的に拡張されてもよい。それにより、平均イオン拡散経路に影響を及ぼさないようにしつつより多くの材料を単位面積当たりに充填することができる。従って、このアーキテクチャは、狭い占有面積内で高電力密度かつ高エネルギー密度を実現する可能性を有する。
[00168]ある実施形態では、平面電極が提供される。平面デバイスは単純構造であるため、後述するように、いくつかの電極が、１つの工程で組み合わされ、組み立てられてもよい。作製された電極の平面アレイは、１つのパッケージを使用してパッケージされてもよい。
[00169]平面スーパーキャパシタは、２つの炭素電極からなり、それらのうちの一方が正極として、他方が負極として使用される。電極は、金属シートに活性材料をコーティングすることによって作られる。間の間隔は、誘電体セパレータとして機能する。このデバイスの断面図を線図で示す。ここで、金属箔の一部は、金属パッドとして使用し、かつこの電極と他のものを接続するために被覆されずに残る。この例では、平面スーパーキャパシタ電極の電圧窓は、セルのアセンブリにおいて使用される電解質の種類に応じて約１Ｖ〜２．５Ｖの間で変化する。水性電解質では、約１Ｖを有する電極となることが多いが、アセトニトリル中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を使用するときには約２．５Ｖと同程度の電圧が得られる場合がある。
[00170]本明細書における電解質は、例えば、水性電解質、有機電解質及びイオン性液体状電解質を含んでもよい。電解質は、液体、固体またはゲルであってもよい。例えば、ポリマーまたはシリカ（例えば、ヒュームドシリカ）などの別の固体構成要素とイオン性液体を混合してゲル状電解質（本明細書では「イオノゲル」とも）を形成してもよい。水性電解質を、例えば、ポリマーと混合して、ゲル状電解質（本明細書では「ヒドロゲル」及び「ヒドロゲルポリマー」とも）を形成してもよい。有機電解質を、例えば、ポリマーと混合して、ゲル状電解質を形成してもよい。電解質の例には、水性水酸化カリウム、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）−Ｈ２ＳＯ４またはＰＶＡ−Ｈ３ＰＯ４を含むヒドロゲル、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）の水性電解質、アセトニトリル中に溶解させたテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、（ＥＭＩＭＢＦ４）、イオン性液体（例えば、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩＭＮＴｆ２））と混合させたヒュームドシリカ（例えば、ヒュームドシリカナノ粉末）を含むイオノゲルなどが含まれ得るが、これらに限定されることはない。このような電解質は、一定範囲の電圧窓（例えば、少なくとも約０．５Ｖ、１Ｖ、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖまたはそれ以上）を提供し得る。例えば、いくつかのイオンゲル（例えば、イオン性液体ＢＭＩＭＮＴｆ２を有するヒュームドシリカナノ粉末）は、約２．５Ｖの電圧窓を提供し得、いくつかのヒドロゲルポリマー電解質は約１Ｖの電圧窓を提供し得る。
[00171]電極内の活性材料は、炭素質の、かつ／または他の好適な材料を含んでもよい。例えば、電極内の活性材料は炭素であってもよく、この炭素は、活性炭、グラフェン、相互接続された波状炭素系網状体（ＩＣＣＮ）またはこれらの任意の組み合わせであってもよい。
[00172]ＩＣＣＮは、拡張かつ相互接続された複数の炭素層を含んでもよい。この開示では、ある実施形態において、用語「拡張された」は、互いに離れて拡張されている複数の炭素層を指すとき、炭素層のうちの隣接するいくつかの層の一部が少なくとも約２ナノメートル（ｎｍ）で離間されていることを意味する。いくつかの実施形態では、隣接する炭素層の少なくとも一部は、約２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍ、６５ｎｍ、７０ｎｍ、７５ｎｍ、８０ｎｍ、８５ｎｍ、９０ｎｍ、９５ｎｍまたは１００ｎｍ以上で離間されている。いくつかの実施形態では、隣接する炭素層の少なくとも一部は、約３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍ、６５ｎｍ、７０ｎｍ、７５ｎｍ、８０ｎｍ、８５ｎｍ、９０ｎｍ、９５ｎｍまたは１００ｎｍ未満で離間されている。いくつかの実施形態では、隣接する炭素層の少なくとも一部は、約２ｎｍ〜１０ｎｍ、２ｎｍ〜２５ｎｍ、２ｎｍ〜５０ｎｍまたは２ｎｍ〜１００ｎｍの間で離間されている。更に、この開示では、ある実施形態において、複数の炭素層は、約０．１ジーメンス／メートル（Ｓ／ｍ）より大きい導電率を有するようにも定められている。いくつかの実施形態では、複数の炭素層のそれぞれは、１炭素原子厚に過ぎない二次元材料である。いくつかの実施形態では、拡張かつ相互接続された炭素層のそれぞれは、それぞれ一原子厚である少なくとも１つの、または複数の波状炭素シートを含んでもよい。
[00173]ＩＣＣＮは、例えば、炭素層の拡張・相互接続された網状体において高表面積及び高導電率を含む性質の組み合わせを有する。いくつかの実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約５００平方メートル毎グラム（ｍ２／ｇ）または１０００ｍ２／ｇ以上の表面積を有する。一実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１４００ｍ２／ｇ以上の表面積を有する。他の実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１５００ｍ２／ｇ、１７５０ｍ２／ｇまたは２０００ｍ２／ｇ以上の表面積を有する。更に別の実施形態では、表面積は約１５２０ｍ２／ｇである。いくつかの実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１００ｍ２／ｇ〜１５００ｍ２／ｇ、５００ｍ２／ｇ〜２０００ｍ２／ｇ、１０００ｍ２／ｇ〜２５００ｍ２／ｇまたは１５００ｍ２／ｇ〜２０００ｍ２／ｇの間の表面積を有する。拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、１以上の導電率（例えば、本明細書で提供される１以上の導電率）と組み合わせてこのような表面積を有してもよい。このような組み合わせの例は、本明細書の他の箇所で提供される。
[00174]一実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１５００Ｓ／ｍ以上である導電率を与える。別の実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１６００Ｓ／ｍ以上である導電率を与える。更に別の実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１６５０Ｓ／ｍの導電率を与える。なお別の実施形態では、複数の拡張かつ相互接続された炭素層は、約１７００Ｓ／ｍ以上である導電率を与える。更に１つ以上の実施形態では、複数の拡張かつ相互接続された炭素層は、約１７３８Ｓ／ｍの導電率を与える。いくつかの実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１８００Ｓ／ｍ、１９００Ｓ／ｍまたは２０００Ｓ／ｍ以上の導電率を与える。
[00175]更に、一実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１７００Ｓ／ｍより大きい導電率、及び約１５００ｍ２／ｇより大きい表面積を与える。別の実施形態では、拡張かつ相互接続された複数の炭素層は、約１６５０Ｓ／ｍの導電率、及び約１５２０ｍ２／ｇの表面積を与える。
[00176]２つの電極は、接点として機能している２つの電極の中間で未被覆の金属部と共に直列に接続されてもよい。このアセンブリは、個々のセルの２倍の電圧を生成し得る。電圧を更に上げるために、より多くの電極が共に直列に接続されてもよい。その場合、水性電解質を使用するときには約５Ｖと同程度の電圧、及びアセトニトリル中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を使用するときには約１２．５Ｖと同程度の電圧（例えば、水性電解質を使用するときには最大約５Ｖ、及び／またはアセトニトリル中のＴＥＡＢＦ４を使用するときには最大約１２．５Ｖ）を得るために５個の電極が使用される。
[00177]原則として、直列に組み合わされ得る電極の数は制限されなくてもよい。ユニットの動作に必要とされる電圧のみにより、ユニットに必要とされる電極の合計数が定められ得る。例えば、約１８０Ｖの電圧を有するユニットは、水性電解質を使用するときには、目標電圧に到達するために共に接続された１８０個の電極が必要となり得るが、アセトニトリル中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を使用するときには７２個の電極が必要となり得るに過ぎない。
[00178]多くの数の電極からなるユニットは、それぞれが所与の数の電極（例えば、１２個のセル）からなる連なりに分けられてもよく、更なる金属接触が縁周辺でなされてもよい。
[00179]１枚のポリイミド（カプトン）にコーティングされた極薄層の金（１００ｎｍ）のロールが、セル内の集電体のためのモデル例として使用される。代替の集電体には、アルミニウム、銅、ニッケル及びステンレス鋼が含まれる。好適な集電体は、各種の導電性（例えば、金属）箔、及び／または（例えば、ポリマーもしくは他の好適なシート材料への）導電性コーティングを含んでもよい。挿入の際、箔は、例えば、ガラス板などの平坦な基材に付着され、カプトンテープによって部分的に被覆される。次いで、電極スラリーが、標準的なドクターブレード技術を利用して金属箔にコーティングされる。
[00180]いくつかの実施形態では、選択した基材上に（例えば、転写されずに）フィルムが直接作られてもよい。基材は、絶縁性であり、レーザーカッターによって容易にエッチングされ得る。この場合、木片が使用されたが、アクリルなどの他の基材も首尾よく使用された。電極材料は、黒色材料であり、シート上で容易に識別され得る。線は、カプトンテープが除去された後に得られた未被覆の金属部である。
[00181]レーザーカッターは、個々のセルをエッチングする（またはパターン化する）ために使用される。最終的なユニットを図示する。電極のサイズ及びそれらの間の間隔（すなわち、誘電体のサイズ）は、レーザーテーブルによって制御されてもよい。
[00182]ゲル状電解質の液滴を個々の各電極に加えることにより、電極が電荷を貯蔵することが可能になる。次いで、ユニットを、その動作電圧、容量評価、内部抵抗、サイクル及び貯蔵寿命について試験してもよい。
[00183]ある実施形態では、積層電極が提供される。作製された電極の積層アレイは、１つのパッケージを使用してパッケージされてもよい。
[00184]スーパーキャパシタ電極は、多孔性炭素（例えば、活性炭）の層で被覆されたアルミニウム箔を含んでもよい。このような電極は、平坦な構造内で平面的に拡張する代わりに、個々の電極を垂直方向に積み重ねることにより、高電圧スーパーキャパシタのアセンブリにおいて使用されてもよい。
[00185]電荷貯蔵を可能にするために２つの薄膜電極がポリマープラスチックセパレータ及び電解質の少数の液滴と対面して組み合わされるサンドイッチ構造が使用される。この例では、個々の電極は、それらが液体電解質を漏らさないように、かつ他のセルとの短絡を防止するために側面から封止される。内部化学抵抗を有する熱収縮チューブは、いくつかの電極の組み立てを垂直方向において可能にするために使用される接合材である。
[00186]片面コーティング電極及び両面コーティング電極は、単にアルミニウム箔上の炭素の層をコーティングすることによって作られる。両面電極は、箔を片側からコーティングし、乾燥させた後、他の側からコーティングする２つの工程で作られてもよい。いくつかの実施形態では、箔は、両側に対して同時にコーティングされてもよい。
[00187]この構造では、電極は、互いに重ね合わせて積み重ねられる。電極の合計数は、必要とされる電圧に応じて変わる。金属タブを底部及び上部電極に取り付けることにより、正端子及び負端子との内部接続が可能になる。プラスチックガスケット１８は、正端子と負端子の間の短絡を防止するために使用される。
[00188]ユニットの物理的堅牢性を与えるために（例えば、組み立て中に熱収縮チューブによって加えられる圧力に耐えるために）、ステンレス鋼（または他の好適な材料）シム（ディスク）を有する完全に組み立てられた高電圧スーパーキャパシタが使用される。電極は、この例では、例えば、本明細書の他の箇所に記載されているように片面コーティング電極または両面コーティング電極であってもよい。
[00189]電極は、正（電極）端子と接触する高密度ポリエチレン（ｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＨＤＰＥ）絶縁体を含んでもよい。更に、正端子は正極（電極）板と接触する。正極板は、例えば、グラフェンなどの、１種以上の活性電極材料を含んでもよい。活性電極材料は、正極板の片側に提供されてもよい。正極板は、グラフェン（または本明細書における他の任意の活性材料）を含む板の側が（例えば、下向きに（「面を下にして」））紙層を向くように配置されてもよい。紙層の他の側では、負極（電極）板６が紙層と接触している。負極板は、例えば、グラフェンなどの、１種以上の活性電極材料を含んでもよい。活性電極材料は、負極板の片側に提供されてもよい。負極板６は、グラフェン（または本明細書における他の任意の活性材料）を含む板の側が（例えば、上向きに（「面を上にして」））紙層を向くように配置されてもよい。正極板及び／または負極板の活性材料は、例えば、本明細書の他の箇所に記載されているように（例えば、コーティングによって）提供または作製されてもよい。負極板の他の側は、被覆され、または電極ハウジング内に収容される。電極ハウジングは、予備形成されてもよい。電極の各層の少なくとも一部は、電極で飽和されてもよい。例えば、電解質飽和が、全ての層の間に存在してもよい。
[00190]いくつかの実施形態では、単一の電極は、約２０ミリメートル（ｍｍ）の外径を有してもよい。電極ハウジングは、電極上部から電極底部の（すなわち、全ての層全体にわたる）縁を収容してもよい。電極ハウジングは形成されてもよい。セルの上端にて、電極ハウジングは、ＨＤＰＥ絶縁体の縁上にフランジを形成してもよい。セルの下端にて、電極ハウジングは、電極ハウジングの縁上にフランジを形成してもよい。
[00191]電極積層体は、例えば、複数のセルを含んでもよい。個々の電極の突出した電極端子により、電極が電気的に相互接続することができる。
[00192]本開示の各態様は、組み合わせて使用されてもよい。例えば、２つ以上の平面拡張体が、前述の積層体の１つ以上の特徴を適用させる構成において積み重ねられてもよい。別の例では、前述の積層体の１つ以上の構成要素（例えば、紙層、セパレータまたはハウジング構成要素）が、別の積層構成において使用されてもよい。
[00193]本開示のシステム及び方法は、他の活性材料に適用されてもよい。例えば、（例えば、電極をマスキング、コーティング、乾燥及びパターン化することによって）電極の平面アレイを作製している間、２つの工程の電極コーティング（及び、例えば、マスキングなどの他の作製工程）を利用して、異なる（または非対称の）活性材料を含む隣接する電極を作製してもよい。このような実施形態により、例えば、相互接続された複数の電池セルを含む電池、または異なる（もしくは非対称な）電極を有する電極を含む他のデバイス（例えば、太陽電池、熱電電池もしくは燃料電池）の作製が可能となり得る。
[00194]複数の電極を相互接続して、スーパーキャパシタ及び／または他のデバイス（例えば、電池、様々な種類のキャパシタなど）を形成してもよい。例えば、少なくとも約２個、５個、１０個、２０個、３０個、４０個、５０個、７５個、１００個、１２５個、１５０個、２００個、２５０個、３００個、３５０個、４００個、５００個、６００個、７００個、８００個、９００個、１０００個、１５００個、２０００個またはより多くの電極を（例えば、直列に）相互接続してもよい。いくつかの実施形態では、約５０個〜３００個の間で、電極を相互接続してもよい。
[00195]高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、約５Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、７０Ｖ、８０Ｖ、９０Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２０Ｖ、１３０Ｖ、１４０Ｖ、１５０Ｖ、１６０Ｖ、１７０Ｖ、１８０Ｖ、１９０Ｖ、２００Ｖ、２１０Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖ、２５０Ｖ、２６０Ｖ、２７０Ｖ、２８０Ｖ、２９０Ｖ、３００Ｖ、３１０Ｖ、３２０Ｖ、３３０Ｖ、３４０Ｖ、３５０Ｖ、３６０Ｖ、３７０Ｖ、３８０Ｖ、３９０Ｖ、４００Ｖ、４１０Ｖ、４２０Ｖ、４３０Ｖ、４４０Ｖ、４５０Ｖ、４６０Ｖ、４７０Ｖ、４８０Ｖ、４９０Ｖ、５００Ｖ、５１０Ｖ、５２０Ｖ、５３０Ｖ、５４０Ｖ、５５０Ｖ、５６０Ｖ、５７０Ｖ、５８０Ｖ、５９０Ｖ、６００Ｖ、６５０Ｖ、７００Ｖ、７５０Ｖ、８００Ｖ、８５０Ｖ、９００Ｖ、９５０Ｖまたは１０００Ｖ以上の電圧を有してもよい。高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、約１０Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、７０Ｖ、８０Ｖ、９０Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２０Ｖ、１３０Ｖ、１４０Ｖ、１５０Ｖ、１６０Ｖ、１７０Ｖ、１８０Ｖ、１９０Ｖ、２００Ｖ、２１０Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖ、２５０Ｖ、２６０Ｖ、２７０Ｖ、２８０Ｖ、２９０Ｖ、３００Ｖ、３１０Ｖ、３２０Ｖ、３３０Ｖ、３４０Ｖ、３５０Ｖ、３６０Ｖ、３７０Ｖ、３８０Ｖ、３９０Ｖ、４００Ｖ、４１０Ｖ、４２０Ｖ、４３０Ｖ、４４０Ｖ、４５０Ｖ、４６０Ｖ、４７０Ｖ、４８０Ｖ、４９０Ｖ、５００Ｖ、５１０Ｖ、５２０Ｖ、５３０Ｖ、５４０Ｖ、５５０Ｖ、５６０Ｖ、５７０Ｖ、５８０Ｖ、５９０Ｖ、６００Ｖ、６５０Ｖ、７００Ｖ、７５０Ｖ、８００Ｖ、８５０Ｖ、９００Ｖ、９５０Ｖまたは１０００Ｖ未満の電圧を有してもよい。いくつかの実施形態では、高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、少なくとも約１００Ｖの電圧を有してもよい。いくつかの実施形態では、高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、少なくとも約１８０Ｖの電圧を有してもよい。いくつかの実施形態では、高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、最大約５４０Ｖの電圧を有してもよい。いくつかの実施形態では、高電圧デバイス（例えば、高電圧スーパーキャパシタ）は、約１００Ｖ〜５４０Ｖ、１８０〜５４０Ｖ、１００Ｖ〜２００Ｖ、１００Ｖ〜３００Ｖ、１８０Ｖ〜３００Ｖ、１００Ｖ〜４００Ｖ、１８０Ｖ〜４００Ｖ、１００Ｖ〜５００Ｖ、１８０Ｖ〜５００Ｖ、１００Ｖ〜６００Ｖ、１８０Ｖ〜６００Ｖ、１００Ｖ〜７００Ｖまたは１８０Ｖ〜７００Ｖの間の電圧を有してもよい。
[00196]当業者は、本開示に対する改良及び変更を認めるであろう。このような全ての改良及び変更は、本明細書に開示された概念の範囲内にあるとみなされる。

Claims (30)

  1. スーパーキャパシタデバイスであって、
    各電極が、
    集電体と、
    前記集電体の第１の表面の一部に設けられた活性材料と
    を含む、電極のアレイ
    を備える、前記スーパーキャパシタデバイス。
  2. 前記集電体の第２の表面の一部に設けられた活性材料を更に含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  3. 電極の前記アレイ内の各電極が、後続の電極から間隙で離間されている、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  4. 前記集電体が、金属フィルムもしくはポリマーフィルム、またはこれらの組み合わせを含み、前記金属フィルムが、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、タングステン、黄銅、青銅、ニッケル、リチウム、鉄、プラチナ、スズ、炭素鋼、鉛、チタン、ステンレス鋼、水銀、クロム、ガリウム砒素またはこれらの任意の組み合わせを含み、前記ポリマーフィルムが、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレン、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、硫化ポリｐ−フェニレン、ポリアセチレン、ポリｐ−フェニレンビニレンまたはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  5. 前記活性材料が、離間かつ相互接続された２つ以上の層を含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  6. 前記活性材料が、炭素、活性炭、グラフェン、ポリアニリン、ポリチオフェン、相互接続された波状炭素系網状体（ＩＣＣＮ）またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  7. 前記活性材料が、約２５０平方メートル毎グラム〜約３，５００平方メートル毎グラムの比表面積を有する、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  8. 前記活性材料が、約７５０ジーメンス／メートル〜約３，０００ジーメンス／メートルの導電率を有する、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  9. 電極の前記アレイが電極の平面アレイである、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  10. 水性電解質を更に備え、前記電極の数が約５個であり、電極の前記アレイ全体にわたって生成される電位が約２．５Ｖ〜約１０Ｖである、請求項９に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  11. アセトニトリル中にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を含む電解質を更に備え、電極の数が約５個であり、電極の前記アレイ全体にわたって生成される電位が約６Ｖ〜約２４Ｖである、請求項９に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  12. 水性電解質を更に備え、電極の数が約１８０個であり、電極の前記アレイ全体にわたって生成される電位が約１００Ｖ〜約３６０Ｖである、請求項９に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  13. アセトニトリル中にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）を含む電解質を更に備え、電極の数が約７２個であり、電極の前記アレイ全体にわたって生成される電位が約１００Ｖ〜約３６０Ｖである、請求項９に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  14. 電極の前記アレイが電極の積層アレイである、請求項２に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  15. セパレータ及び支持体の少なくとも１つ以上を更に備え、セパレータ及び支持体の前記少なくとも１つ以上が、隣接する一対の電極の間に位置する、請求項１４に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  16. 電解質を更に備え、前記電解質が、ポリマー、シリカ、ヒュームドシリカ、ヒュームドシリカナノ粉末、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、水酸化カリウム、ポリビニルアルコールまたはこれらの任意の組み合わせを含む、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである、請求項１に記載のスーパーキャパシタデバイス。
  17. 電極のアレイの作製方法であって、
    ａ）集電体の第１の表面の一部に活性材料を塗布することと、
    ｂ）前記集電体上の前記活性材料を乾燥させることと
    を含み、
    各電極が、後続の電極から間隙で離間されている、前記方法。
  18. ｃ）前記集電体の第２の表面の一部に活性材料を塗布することと、
    ｄ）前記集電体上の前記活性材料を乾燥させることと
    を更に含む、請求項１７に記載の方法。
  19. テープ及びマスクの少なくとも１つ以上が、前記集電体の前記第２の表面の一部を保護し、それにより前記集電体の前記第２の表面の前記保護された一部に活性材料が塗布されるのを防止する、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記活性材料がスラリーの形態で塗布される、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記スラリーが、ドクターブレードによって前記集電体の前記第２の表面に塗布される、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記集電体の前記第１の表面に活性材料を前記塗布することと、前記集電体の前記第２の表面に活性材料を前記塗布することとが同時に実行される、請求項１８に記載の方法。
  23. 前記集電体上の前記活性材料を前記乾燥させることが約４０℃〜約１６０℃の温度で行われる、請求項１８に記載の方法。
  24. 前記集電体上の前記活性材料を前記乾燥させることが約６時間〜約２４時間の期間にわたって行われる、請求項１８に記載の方法。
  25. 電極の前記アレイが電極の平面アレイを含む、請求項１８に記載の方法。
  26. 電極の前記平面アレイが、前記活性材料及び前記集電体をエッチングまたは切断することによって作製される、請求項２５に記載の方法。
  27. 電極の前記アレイが電極の積層アレイを含む、請求項１８に記載の方法。
  28. セパレータ及び支持体の少なくとも１つ以上を、連続する一対の電極の間に位置付けることを更に含む、請求項２７に記載の方法。
  29. ｅ）電極の前記アレイ上に電解質を分散させることと、
    ｆ）電極の前記アレイをシース内に収容することと、
    ｇ）前記収容された電極のアレイをハウジング内に挿入することと
    を更に含む、請求項１８に記載の方法。
  30. 前記電解質が、ポリマー、シリカ、ヒュームドシリカ、ヒュームドシリカナノ粉末、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、リン酸、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＡＢＦ４）、アセトニトリル、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、硝酸エタノールアンモニウム、ジカルボキシレート、プロスタグランジン、アデノシン一リン酸、グアノシン一リン酸、ｐ−アミノ馬尿酸、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、水酸化カリウム、ポリビニルアルコールまたはこれらの任意の組み合わせを含む、液体、固体、ゲルまたはこれらの任意の組み合わせである、請求項２９に記載の方法。
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