JP2020502813A - マクロ多孔性電極を用いた活性炭スーパーキャパシタのための方法、装置及びシステム - Google Patents
マクロ多孔性電極を用いた活性炭スーパーキャパシタのための方法、装置及びシステム Download PDFInfo
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Abstract
炭素系電極及び／またはレドックス電解質を含むエネルギー貯蔵装置が本明細書に開示されている。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、１つ以上のマイクロチャネルを含むレーザースクライビングされた活性炭を含む。いくつかの実施形態では、レドックス電解質は、フェリシアン化物／フェロシアン化物レドックス対を含む。スーパーキャパシタなどの高エネルギー貯蔵装置に使用するためのマイクロチャネルを含む炭素系電極を製造するための、及びレドックス電解質を含む高エネルギー貯蔵装置を製造するためのプロセス、方法、プロトコルなども記載されている。【選択図】なし
Description
相互参照
本出願は、２０１６年１２月２２日に出願された米国仮出願第６２／４３８，３７７号の利益を主張し、その出願は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１６年１２月２２日に出願された米国仮出願第６２／４３８，３７７号の利益を主張し、その出願は参照により本明細書に組み込まれる。
電気化学スーパーキャパシタ（ＥＳＣ）は、それらの高い出力密度、優れた低温性能、及び本質的に無制限の数の充電／放電サイクルのために注目を集めている。ＥＳＣは優れた電気化学的性能を示すが、１ｋＷｈ当たりの高いコストはＥＳＣの広範な採用を制限する。リチウムイオン電池と比較して、いくつかの現在のスーパーキャパシタはｋＷｈ当たり１０倍高いコストを示す。ｋＷｈ当たりの高いコストは、静電容量的エネルギー貯蔵の主要な関心事であり、現在多くの用途において電池に置き換わるスーパーキャパシタの採用を妨げている。
本発明者らは、携帯型電子装置を含む多数の電子装置に電力を供給するためのより高いエネルギー密度の貯蔵装置の必要性を認識している。本明細書では、所定の実施形態では、改善された性能を有する高エネルギー密度貯蔵のための炭素系材料、構築及び製造方法及びプロセス、ならびにシステムが提供される。本明細書に記載の装置、方法、及びシステムは、多数の潜在的な商業的用途を有する。
一態様では、本開示は、集電体と活性炭基材とを含む電極を提供する。いくつかの実施形態では、集電体は炭素基材を含む。いくつかの実施形態では、炭素基材は非晶質炭素を含む。
いくつかの実施形態では、活性炭基材は、化学的に活性化されている、物理的に活性化されている、またはそ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、活性炭基材は、活性炭、活性チャコール、活性炭布、活性炭繊維、活性ガラス状炭素、活性炭ナノフォーム、活性炭エアロゲル、またはそ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、活性炭基材は活性炭布である。いくつかの実施形態では、活性炭基材は１つ以上のヤシ殻由来の炭素を含む。
いくつかの実施形態では、集電体は金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は非金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそ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、集電体はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態では、電極は１つ以上のチャネルを含む。
いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約０．０５マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、少なくとも約０．０５マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、最大で約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約０．０５マイクロメートル〜約０．１マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約０．５マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約１マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約５マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約０．５マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約１マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約１マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約５マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約０．５マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約５マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約１マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約１０マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約１０マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約１０マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約１０マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約１０マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約５０マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、約５０マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約５０マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約５０マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約５０マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約１００マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、約１００マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約１００マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約１００マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約２００マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約２００マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約２００マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、約３００マイクロメートル〜約４００マイクロメートル、約３００マイクロメートル〜約５００マイクロメートル、または約４００マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約０．０５マイクロメートル、約０．１マイクロメートル、約０．５マイクロメートル、約１マイクロメートル、約５マイクロメートル、約１０マイクロメートル、約５０マイクロメートル、約１００マイクロメートル、約２００マイクロメートル、約３００マイクロメートル、約４００マイクロメートル、または約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。
いくつかの実施形態では、電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、最大で約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約５００ｍＦ／ｃｍ２〜約６００ｍＦ／ｃｍ２、約５００ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約５００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、約６００ｍＦ／ｃｍ２〜約７００ｍＦ／ｃｍ２、約６００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２、または約７００ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２、約７５ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２、約５００ｍＦ／ｃｍ２、約６００ｍＦ／ｃｍ２、約７００ｍＦ／ｃｍ２、または約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、電極は、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも約８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、最大で約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約８０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１１０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１１０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１１０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、または約１４０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、電極は、約８０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ、または約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、最大で約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．２ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．３ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．３ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．８ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．８ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、または約０．９ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．９ｇ／ｃｍ３、または約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。
いくつかの実施形態では、電極は、約８０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ、または約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、最大で約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．２ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．３ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．３ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３〜約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、約０．８ｇ／ｃｍ３〜約０．９ｇ／ｃｍ３、約０．８ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、または約０．９ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３、約０．７ｇ／ｃｍ３、約０．８ｇ／ｃｍ３、約０．９ｇ／ｃｍ３、または約１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。
一態様では、本開示は、活性炭基材を受け取ること、炭素系コーティングを有する集電体上に活性炭系基材を設けること、活性炭基材内に１つ以上のチャネルを生成するための出力密度を有する光ビームを生成することによって、１つ以上のチャネルを含む活性炭系電極を作成することを含む方法を提供する。
いくつかの実施形態では、光ビームは、約３７５ナノメートル〜約１０，０００ナノメートルの波長を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、少なくとも約３７５ナノメートルの波長を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、最大で約１０，０００ナノメートルの波長を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、約３７５ナノメートル〜約４７０ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約５３０ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約６００ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約７８０ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約３７５ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約５３０ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約６００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約７８０ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約４７０ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約６００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約７８０ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約５３０ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約７８０ナノメートル、約６００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約７８０ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約７８０ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約７８０ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約７８０ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約７８０ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約７８０ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、または約７，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートルの波長を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、約３７５ナノメートル、約４７０ナノメートル、約５３０ナノメートル、約６００ナノメートル、約７８０ナノメートル、約１，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル、約７，０００ナノメートル、または約１０，０００ナノメートルの波長を有する。
いくつかの実施形態では、光ビームは、約０．０１Ｗ〜約１００Ｗの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、少なくとも約０．０１Ｗの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、最大で約１００Ｗの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、約０．０１Ｗ〜約０．０５Ｗ、約０．０１Ｗ〜約０．１Ｗ、約０．０１Ｗ〜約０．２Ｗ、約０．０１Ｗ〜約０．５Ｗ、約０．０１Ｗ〜約１Ｗ、約０．０１Ｗ〜約２Ｗ、約０．０１Ｗ〜約５Ｗ、約０．０１Ｗ〜約１０Ｗ、約０．０１Ｗ〜約２０Ｗ、約０．０１Ｗ〜約５０Ｗ、約０．０１Ｗ〜約１００Ｗ、約０．０５Ｗ〜約０．１Ｗ、約０．０５Ｗ〜約０．２Ｗ、約０．０５Ｗ〜約０．５Ｗ、約０．０５Ｗ〜約１Ｗ、約０．０５Ｗ〜約２Ｗ、約０．０５Ｗ〜約５Ｗ、約０．０５Ｗ〜約１０Ｗ、約０．０５Ｗ〜約２０Ｗ、約０．０５Ｗ〜約５０Ｗ、約０．０５Ｗ〜約１００Ｗ、約０．１Ｗ〜約０．２Ｗ、約０．１Ｗ〜約０．５Ｗ、約０．１Ｗ〜約１Ｗ、約０．１Ｗ〜約２Ｗ、約０．１Ｗ〜約５Ｗ、約０．１Ｗ〜約１０Ｗ、約０．１Ｗ〜約２０Ｗ、約０．１Ｗ〜約５０Ｗ、約０．１Ｗ〜約１００Ｗ、約０．２Ｗ〜約０．５Ｗ、約０．２Ｗ〜約１Ｗ、約０．２Ｗ〜約２Ｗ、約０．２Ｗ〜約５Ｗ、約０．２Ｗ〜約１０Ｗ、約０．２Ｗ〜約２０Ｗ、約０．２Ｗ〜約５０Ｗ、約０．２Ｗ〜約１００Ｗ、約０．５Ｗ〜約１Ｗ、約０．５Ｗ〜約２Ｗ、約０．５Ｗ〜約５Ｗ、約０．５Ｗ〜約１０Ｗ、約０．５Ｗ〜約２０Ｗ、約０．５Ｗ〜約５０Ｗ、約０．５Ｗ〜約１００Ｗ、約１Ｗ〜約２Ｗ、約１Ｗ〜約５Ｗ、約１Ｗ〜約１０Ｗ、約１Ｗ〜約２０Ｗ、約１Ｗ〜約５０Ｗ、約１Ｗ〜約１００Ｗ、約２Ｗ〜約５Ｗ、約２Ｗ〜約１０Ｗ、約２Ｗ〜約２０Ｗ、約２Ｗ〜約５０Ｗ、約２Ｗ〜約１００Ｗ、約５Ｗ〜約１０Ｗ、約５Ｗ〜約２０Ｗ、約５Ｗ〜約５０Ｗ、約５Ｗ〜約１００Ｗ、約１０Ｗ〜約２０Ｗ、約１０Ｗ〜約５０Ｗ、約１０Ｗ〜約１００Ｗ、約２０Ｗ〜約５０Ｗ、約２０Ｗ〜約１００Ｗ、または約５０Ｗ〜約１００Ｗの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、光ビームは、約０．０１Ｗ、約０．０５Ｗ、約０．１Ｗ、約０．２Ｗ、約０．５Ｗ、約１Ｗ、約２Ｗ、約５Ｗ、約１０Ｗ、約２０Ｗ、約５０Ｗ、または約１００Ｗの出力密度を有する。
いくつかの実施形態では、炭素系コーティングは非晶質炭素を含む。いくつかの実施形態では、活性炭基材は、化学的に活性化されている、物理的に活性化されている、またはそ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、活性炭基材は、活性炭、活性チャコール、活性炭布、活性炭繊維、活性ガラス状炭素、活性炭ナノフォーム、活性炭エアロゲル、またはそ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、活性炭基材は活性炭布である。いくつかの実施形態では、活性炭基材は１つ以上のヤシ殻由来の炭素を含む。
いくつかの実施形態では、集電体は金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は非金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、集電体はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、少なくとも約５０ナノメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、最大で約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。
いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、少なくとも約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、最大で約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、少なくとも約８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、最大で約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜１．０ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、最大で約１．０ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。いくつかの実施形態では、活性炭系電極は、約０．５ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する。
一態様では、本開示は、第１の電極、第２の電極、及び電解質を含むスーパーキャパシタであって、少なくとも第１の電極または第２の電極が集電体及び活性炭基材を含む、スーパーキャパシタを提供する。
いくつかの実施形態では、集電体は炭素基材を含む。いくつかの実施形態では、炭素基材は非晶質炭素を含む。いくつかの実施形態では、活性炭基材は、化学的に活性化されている、物理的に活性化されている、またはそ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、活性炭基材は、活性炭、活性チャコール、活性炭布、活性炭繊維、活性ガラス状炭素、活性炭ナノフォーム、活性炭エアロゲル、またはそ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、活性炭基材は活性炭布である。いくつかの実施形態では、活性炭基材は１つ以上のヤシ殻由来の炭素を含む。
いくつかの実施形態では、集電体は金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は非金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、集電体はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態では、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方は、１つ以上のチャネルを含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、少なくとも約５０ナノメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、最大で約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。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５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。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８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、電解質は水性である。いくつかの実施形態では、電解質は、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）を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、アセトニトリル中の約０．１Ｍ〜約１．５Ｍ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）を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、アセトニトリル中の約１Ｍ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）を含む。
いくつかの実施形態では、電解質は非水性である。いくつかの実施形態では、電解質は１つ以上のイオン液体を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のイオン液体は、純粋な形態であるか、または溶媒に溶解している。いくつかの実施形態では、溶媒はアセトニトリルである。いくつかの実施形態では、電解質は、１−アリル−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、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、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−ヘキシル−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、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム１，１，２，２−テトラフルオロエタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジエチルホスフェート、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
一態様では、本開示は、酸化剤、還元剤、及び水溶液を含む電解質を提供する。いくつかの実施形態では、酸化剤及び還元剤はレドックス対を含む。いくつかの実施形態では、レドックス対は、フッ素、マンガン、塩素、クロム、酸素、銀、鉄、ヨウ素、銅、スズ、キノン、臭素、ヨウ素、バナジウム、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、レドックス対は、フェロシアン化カリウム、ヒドロキノン、硫酸バナジル、ｐ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジイミン、ヨウ化カリウム、臭化カリウム、塩化銅、ヒドロキノン、硫酸銅、二臭化ヘプチルビオロゲン、臭化メチルビオロゲン、またはそ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、レドックス対は第二鉄カチオンを含む。いくつかの実施形態では、レドックス対はＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む。
いくつかの実施形態では、水溶液は硫酸イオンを含む。いくつかの実施形態では、水溶液はナトリウムイオンを含む。いくつかの実施形態では、水溶液はＮａ２ＳＯ４を含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及びＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約１ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０１Ｍ〜約１．０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０２５ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０５０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．１００ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．２００ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。
一態様では、本開示は、第１の電極、第２の電極、及び電解質を含むスーパーキャパシタを提供する。いくつかの実施形態では、電解質は、酸化剤、還元剤、及び水溶液を含む。いくつかの実施形態では、酸化剤及び還元剤はレドックス対を含む。いくつかの実施形態では、レドックス対は、フッ素、マンガン、塩素、クロム、酸素、銀、鉄、ヨウ素、銅、スズ、キノン、臭素、ヨウ素、バナジウム、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、レドックス対は、フェロシアン化カリウム、ヒドロキノン、硫酸バナジル、ｐ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジイミン、ヨウ化カリウム、臭化カリウム、塩化銅、ヒドロキノン、硫酸銅、二臭化ヘプチルビオロゲン、臭化メチルビオロゲン、またはそ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、レドックス対は第二鉄カチオンを含む。いくつかの実施形態では、レドックス対はＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む。
いくつかの実施形態では、水溶液は硫酸イオンを含む。いくつかの実施形態では、水溶液はナトリウムイオンを含む。いくつかの実施形態では、水溶液はＮａ２ＳＯ４を含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及びＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約１ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０１Ｍ〜約１．０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０２５ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０５０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．１００ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．２００ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。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１０５ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約３３５ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約１２５ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約１７５ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約２２５ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１０５ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約１７５ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２２５ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約１７５ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２２５ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２〜約２２５ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約２２５ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約２２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約２２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約２２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、約２７５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２７５ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２、または約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約３３５ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０５ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約１７５ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２、約２２５ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約２７５ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２、または約３３５ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５８％〜約９８％のクーロン効率を有する。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５８％のクーロン効率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約９８％のクーロン効率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５８％〜約６０％、約５８％〜約６５％、約５８％〜約７０％、約５８％〜約７５％、約５８％〜約８０％、約５８％〜約８５％、約５８％〜約９０％、約５８％〜約９５％、約５８％〜約９８％、約６０％〜約６５％、約６０％〜約７０％、約６０％〜約７５％、約６０％〜約８０％、約６０％〜約８５％、約６０％〜約９０％、約６０％〜約９５％、約６０％〜約９８％、約６５％〜約７０％、約６５％〜約７５％、約６５％〜約８０％、約６５％〜約８５％、約６５％〜約９０％、約６５％〜約９５％、約６５％〜約９８％、約７０％〜約７５％、約７０％〜約８０％、約７０％〜約８５％、約７０％〜約９０％、約７０％〜約９５％、約７０％〜約９８％、約７５％〜約８０％、約７５％〜約８５％、約７５％〜約９０％、約７５％〜約９５％、約７５％〜約９８％、約８０％〜約８５％、約８０％〜約９０％、約８０％〜約９５％、約８０％〜約９８％、約８５％〜約９０％、約８５％〜約９５％、約８５％〜約９８％、約９０％〜約９５％、約９０％〜約９８％、または約９５％〜約９８％のクーロン効率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５８％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、または約９８％のクーロン効率を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。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８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約８０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１１０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１１０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１１０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１３０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、または約１４０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約８０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ、約１１０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ、または１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
一態様では、本開示は、第１の電極、第２の電極、及び電解質を含むスーパーキャパシタであって、少なくとも第１の電極または第２の電極が集電体及び活性炭基材を含む、スーパーキャパシタを示す。いくつかの実施形態では、集電体は炭素基材を含む。いくつかの実施形態では、炭素基材は非晶質炭素を含む。
いくつかの実施形態では、活性炭基材は、化学的に活性化されている、物理的に活性化されている、またはそ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、活性炭基材は、活性炭、活性チャコール、活性炭布、活性炭繊維、活性ガラス状炭素、活性炭ナノフォーム、活性炭エアロゲル、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、活性炭基材は活性炭布である。いくつかの実施形態では、活性炭基材は１つ以上のヤシ殻由来の炭素を含む。
いくつかの実施形態では、集電体は金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は非金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、集電体はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも第１の電極または第２の電極は、１つ以上のチャネルを含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、少なくとも約５０ナノメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、最大で約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。
いくつかの実施形態では、電解質は、酸化剤、還元剤、及び水溶液を含む。いくつかの実施形態では、酸化剤及び還元剤はレドックス対を含む。いくつかの実施形態では、レドックス対は、フッ素、マンガン、塩素、クロム、酸素、銀、鉄、ヨウ素、銅、スズ、キノン、臭素、ヨウ素、バナジウム、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、レドックス対は、フェロシアン化カリウム、ヒドロキノン、硫酸バナジル、ｐ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジイミン、ヨウ化カリウム、臭化カリウム、塩化銅、ヒドロキノン、硫酸銅、二臭化ヘプチルビオロゲン、臭化メチルビオロゲン、またはそ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、レドックス対は第二鉄カチオンを含む。いくつかの実施形態では、レドックス対はＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む。
いくつかの実施形態では、水溶液は硫酸イオンを含む。いくつかの実施形態では、水溶液はナトリウムイオンを含む。いくつかの実施形態では、水溶液はＮａ２ＳＯ４を含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及びＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約１ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０１Ｍ〜約１．０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０２５ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．０５０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．１００ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．２００ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−及び約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３６０ｍＦ／ｃｍ２〜約３８０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３の体積エネルギー密度を有する。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０．５ｍＷｈ／ｃｍ３の体積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約６ｍＷｈ／ｃｍ３の体積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約１ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３〜約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約４ｍＷｈ／ｃｍ３〜約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約４ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約４ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約４ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、約５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３、または約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３〜約６ｍＷｈ／ｃｍ３の体積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約１ｍＷｈ／ｃｍ３、約１．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約２ｍＷｈ／ｃｍ３、約２．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約３ｍＷｈ／ｃｍ３、約３．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約４ｍＷｈ／ｃｍ３、約４．５ｍＷｈ／ｃｍ３、約５ｍＷｈ／ｃｍ３、約５．５ｍＷｈ／ｃｍ３、または約６ｍＷｈ／ｃｍ３の体積エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１Ｗ／ｃｍ３〜約６Ｗ／ｃｍ３の出力密度を有する。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１Ｗ／ｃｍ３の出力密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約６Ｗ／ｃｍ３の出力密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１Ｗ／ｃｍ３〜１．５Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜２Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜２．５Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜３Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜３．５Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜４Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約１Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜２Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜２．５Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜３Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜３．５Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜４Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜２．５Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜３Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜３．５Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜４Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜３Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜３．５Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜４Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３〜３．５Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３〜４Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約３．５Ｗ／ｃｍ３〜４Ｗ／ｃｍ３、約３．５Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約３．５Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約３．５Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約３．５Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約４Ｗ／ｃｍ３〜４．５Ｗ／ｃｍ３、約４Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約４Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約４Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約４．５Ｗ／ｃｍ３〜５Ｗ／ｃｍ３、約４．５Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約４．５Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、約５Ｗ／ｃｍ３〜５．５Ｗ／ｃｍ３、約５Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３、または約５．５Ｗ／ｃｍ３〜６Ｗ／ｃｍ３の出力密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１Ｗ／ｃｍ３、約１．５Ｗ／ｃｍ３、約２Ｗ／ｃｍ３、約２．５Ｗ／ｃｍ３、約３Ｗ／ｃｍ３、約３．５Ｗ／ｃｍ３、約４Ｗ／ｃｍ３、約４．５Ｗ／ｃｍ３、約５Ｗ／ｃｍ３、約５．５Ｗ／ｃｍ３、または約６Ｗ／ｃｍ３の出力密度を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。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１８Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約２１Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約１８．５Ｗｈ／ｋｇ、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約１９Ｗｈ／ｋｇ、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約１９．５Ｗｈ／ｋｇ、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約２０．５Ｗｈ／ｋｇ、約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇ、約１８．５Ｗｈ／ｋｇ〜約１９Ｗｈ／ｋｇ、約１８．５Ｗｈ／ｋｇ〜約１９．５Ｗｈ／ｋｇ、約１８．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１８．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２０．５Ｗｈ／ｋｇ、約１８．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇ、約１９Ｗｈ／ｋｇ〜約１９．５Ｗｈ／ｋｇ、約１９Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１９Ｗｈ／ｋｇ〜約２０．５Ｗｈ／ｋｇ、約１９Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇ、約１９．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１９．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２０．５Ｗｈ／ｋｇ、約１９．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約２０．５Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇ、または約２０．５Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１８．５Ｗｈ／ｋｇ、約１９Ｗｈ／ｋｇ、約１９．５Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ、約２０．５Ｗｈ／ｋｇ、または約２１Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇの出力密度を有する。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３，０００Ｗ／ｋｇの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１２，０００Ｗ／ｋｇの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約４，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約５，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約６，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約７，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約８，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約９，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約５，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約６，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約７，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約８，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約９，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約６，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約７，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約８，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約９，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ〜約７，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ〜約８，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ〜約９，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約７，０００Ｗ／ｋｇ〜約８，０００Ｗ／ｋｇ、約７，０００Ｗ／ｋｇ〜約９，０００Ｗ／ｋｇ、約７，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約７，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約７，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約８，０００Ｗ／ｋｇ〜約９，０００Ｗ／ｋｇ、約８，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約８，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約８，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約９，０００Ｗ／ｋｇ〜約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約９，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約９，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、約１０，０００Ｗ／ｋｇ〜約１１，０００Ｗ／ｋｇ、約１０，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇ、または約１１，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇの出力密度を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３，０００Ｗ／ｋｇ、約４，０００Ｗ／ｋｇ、約５，０００Ｗ／ｋｇ、約６，０００Ｗ／ｋｇ、約７，０００Ｗ／ｋｇ、約８，０００Ｗ／ｋｇ、約９，０００Ｗ／ｋｇ、約１０，０００Ｗ／ｋｇ、約１１，０００Ｗ／ｋｇ、または約１２，０００Ｗ／ｋｇの出力密度を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、７，０００サイクル後に約３０％〜約８０％の容量保持率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、７，０００サイクル後に少なくとも約３０％の容量保持率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、７，０００サイクル後に最大で約８０％の容量保持率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、７，０００サイクル後に約８０％〜約７５％、約８０％〜約７０％、約８０％〜約６５％、約８０％〜約６０％、約８０％〜約５５％、約８０％〜約５０％、約８０％〜約４５％、約８０％〜約４０％、約８０％〜約３５％、約８０％〜約３０％、約７５％〜約７０％、約７５％〜約６５％、約７５％〜約６０％、約７５％〜約５５％、約７５％〜約５０％、約７５％〜約４５％、約７５％〜約４０％、約７５％〜約３５％、約７５％〜約３０％、約７０％〜約６５％、約７０％〜約６０％、約７０％〜約５５％、約７０％〜約５０％、約７０％〜約４５％、約７０％〜約４０％、約７０％〜約３５％、約７０％〜約３０％、約６５％〜約６０％、約６５％〜約５５％、約６５％〜約５０％、約６５％〜約４５％、約６５％〜約４０％、約６５％〜約３５％、約６５％〜約３０％、約６０％〜約５５％、約６０％〜約５０％、約６０％〜約４５％、約６０％〜約４０％、約６０％〜約３５％、約６０％〜約３０％、約５５％〜約５０％、約５５％〜約４５％、約５５％〜約４０％、約５５％〜約３５％、約５５％〜約３０％、約５０％〜約４５％、約５０％〜約４０％、約５０％〜約３５％、約５０％〜約３０％、約４５％〜約４０％、約４５％〜約３５％、約４５％〜約３０％、約４０％〜約３５％、約４０％〜約３０％、または約３５％〜約３０％の容量保持率を有する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、７，０００サイクル後に約８０％、約７５％、約７０％、約６５％、約６０％、約５５％、約５０％、約４５％、約４０％、約３５％、または約３０％の容量保持率を有する。
別の態様では、本開示は、少なくとも１つのレーザースクライビングされた活性炭電極を含むスーパーキャパシタなどの高エネルギー貯蔵装置を製造するためのプロセス、方法、プロトコルなどを提供する。更なる実施形態では、スーパーキャパシタはレドックス活性電解質を含む。いくつかの実施形態では、レドックス活性電解質の使用は、高エネルギー貯蔵装置の静電容量を増加させる。所定の実施形態では、高エネルギー貯蔵装置の静電容量の増加は、高エネルギー貯蔵装置のコストを減少させる。
本発明の新規な特徴は、以下の添付の特許請求の範囲に詳細に記載されている。本発明の特徴及び利点のより良好な理解は、本発明の原理が利用される例示的な実施形態を説明する以下の詳細な説明、及び添付の図面または図（本明細書では「図（ＦＩＧ．）」及び「図（ＦＩＧｓ．）」ともいう）を参照することによって得られる。
詳細な説明
一態様では、本開示は炭素系電極を記載する。いくつかの実施形態では、電極は炭素でコーティングされた集電体を含む。いくつかの実施形態では、炭素でコーティングされた集電体は活性炭基材を含む。いくつかの実施形態では、炭素でコーティングされた集電体は、活性炭基材を形成するためにレーザー照射され得る。いくつかの実施形態では、集電体及び活性炭基材を含む炭素系電極は、１つ以上のマイクロチャネルを含み得る。いくつかの実施形態では、マイクロチャネルを含む炭素系電極は、高い静電容量を示し得る。いくつかの実施形態では、マイクロチャネルを含む炭素系電極は、低い内部抵抗を示し得る。
一態様では、本開示は炭素系電極を記載する。いくつかの実施形態では、電極は炭素でコーティングされた集電体を含む。いくつかの実施形態では、炭素でコーティングされた集電体は活性炭基材を含む。いくつかの実施形態では、炭素でコーティングされた集電体は、活性炭基材を形成するためにレーザー照射され得る。いくつかの実施形態では、集電体及び活性炭基材を含む炭素系電極は、１つ以上のマイクロチャネルを含み得る。いくつかの実施形態では、マイクロチャネルを含む炭素系電極は、高い静電容量を示し得る。いくつかの実施形態では、マイクロチャネルを含む炭素系電極は、低い内部抵抗を示し得る。
いくつかの実施形態では、活性炭基材は、化学的及び／または物理的活性炭、炭素布、炭素繊維、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エアロゲル、またはそれらの組み合わせを含む。所定の実施形態では、活性炭基材は活性炭布を含む。いくつかの実施形態では、活性炭基材はヤシ殻から誘導される。
いくつかの実施形態では、集電体は金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鋼、またはそれらの組み合わせを含む。所定の実施形態では、集電体はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態では、集電体は非金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、グラファイト紙、炭素布、またはそ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、炭素系電極は１つ以上のチャネルを含む。いくつかの実施形態では、実施形態は、１つ以上のチャネルが、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のマイクロチャネルは、約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。
いくつかの実施形態では、炭素系電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、少なくとも約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、最大で約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有し得る。
いくつかの実施形態では、炭素系電極は、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を示し得る。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、少なくとも約８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、最大で約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有し得る。
いくつかの実施形態では、炭素系電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１．０ｇ／ｃｍ３の充填密度を示し得る。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、約０．５ｇ／ｃｍ３の充填密度を示し得る。いくつかの実施形態では、炭素系電極は、約０．６ｇ／ｃｍ３の充填密度を示し得る。
図１は、レーザースクライビングされた活性炭（ＬＳＡＣ）電極の例示的な設計、構造、及び特性評価を提供する。この例示的な実施形態では、約０．６０ｇｃｍ−３の高い充填密度を有する活性炭電極が、標準的なドクターブレードコーティング技術を使用して炭素がコーティングされたアルミニウム集電体上に構築される。電極をＣＯ２レーザーに曝露すると、図１Ａに図示されるように、マイクロスケールサイズのトレンチが形成される。図１Ａは、レーザー改質活性炭（ＬＡＣ）電極の構築プロセスを示す概略図である。レーザー処理された電極は電解質リザーバとして機能するトレンチを含有し、電解質イオンと電極表面との間のより良好な相互作用を可能にする。図１Ｂ及び図１Ｃは、レーザー照射前後の電極の微細構造の変化を示している。図１Ｂは、レーザーへの曝露前の活性炭を示す概観ＳＥＭ画像である。図１Ｃは、７−Ｗレーザーへの曝露後の活性炭電極上の約１００μｍのパターンを示すＳＥＭ画像である。レーザー処理された電極を拡大すると、電極のマクロ多孔性特質が明らかになる（図１Ｄ）。図１Ｄは、活性炭粒子の一部がレーザーによってエッチングされてマクロ多孔性構造になることを図示する拡大図である。
図１Ａ〜Ｄによる結果は、図２Ａ〜Ｄのように、レーザー照射後の電極の構造中のマクロ細孔の出現を示す光学顕微鏡画像によって更に確認された。
図１Ａ〜Ｄによる結果は、図２Ａ〜Ｄのように、レーザー照射後の電極の構造中のマクロ細孔の出現を示す光学顕微鏡画像によって更に確認された。
ＰＶＤＦバインダーを有する有機系及びＣＭＣ／ＳＢＲバインダーを有する水系から電極を処理した場合にも同じ結果が得られる。この独特の電極構造は、大きな表面積及び多孔質構造を示し、電解質が活性化材料の全表面と相互作用することを可能にする。また、マイクロスケールのトレンチは、イオンの急速な輸送を可能にし得、活性炭粒子の内部細孔と外部電解質との間でイオン結合を提供し得る。これらのトレンチはまた、充電及び放電プロセス中にイオンが移動しなければならない距離を減少させ得る。この技術の追加的な利点は、例示的な電極がレーザー照射後にその高い充填密度（約０．５４ｇｃｍ−３）を維持し得ることである。そのため、この研究で提案されたレーザー照射技術は、それらの卓越した体積性能を犠牲にすることなく、高出力／高エネルギー活性炭電極の直接的構築を可能にし得る。また、マイクロスケールのトレンチは、充電及び放電中の粒子間の歪み及び応力を軽減するのに役立ち得、スーパーキャパシタのサイクル安定性を改善し得る。
一態様では、本開示は、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び水性電解質を含む、スーパーキャパシタなどの高エネルギー貯蔵装置を提供する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、図３によれば、ＣＲ２０３２コインセル装置内のレーザースクライビングされた活性炭（ＬＳＡＣ）電極及び電解質としてのアセトニトリル中の１Ｍ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）を含む。
図３Ａ〜Ｄは、アセトニトリル（ＡＣＮ）電解質中の従来の１．０Ｍ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）中のレーザー改質活性炭（ＬＡＣ）スーパーキャパシタの電気化学的性能の例示的な評価を提供する。図３Ａは、レーザー照射前後のＬＳＡＣ電極の例示的なサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）を示している。スクライビングされていない電極と比較して、例示的なＬＳＡＣは、５０ｍＶのＳ−１の走査速度で理想的な矩形のＣＶ曲線で向上した静電容量を示している。これは理想的な電気二重層静電容量挙動を示唆している。例示的なＬＳＡＣスーパーキャパシタのこの理想的な矩形のＣＶ形状は、図３Ｂに示されるように、最大で３００ｍＶｓ−１の高い走査速度で試験した場合であっても保持される。図３Ｂは、３０、５０、７０、１００、２００、及び３００ｍＶｓ−１の異なる走査速度でのＬＡＣスーパーキャパシタの例示的なＣＶプロファイルを提供する。また、図３Ｃは、例示的な装置が、増加する電流密度で非常に小さなＩＲ低下で理想的な三角形の充電／放電（ＣＣ）曲線を維持し得ることを示している。図３Ｃは、２．８、３．４、５．６、８．５、１１．３、及び１４．１ｍＡｃｍ−２の異なる電流密度での例示的な充電／放電（ＣＣ）曲線を提供する。これらの測定に基づいて、それぞれ図３Ｄ及び図３Ｅに示されるように、異なる電流密度での電極の面積静電容量及び重量静電容量を計算した。印加電流密度に応じたレーザー処理前後の、図３Ｄは面積静電容量保持率を示し、図３Ｅは重量静電容量保持率を提供する。全ての値はセル全体から測定され、電極に基づいて計算された。マイクロスケールのトレンチをレーザースクライビングしている間にいくつかの活物質が破壊されたが、ＬＳＡＣ電極は両方のスケールで、重量及び面積基準の両方からより良好な静電容量を示す。また、例示的なＬＳＡＣ電極は、例示的なＬＳＡＣ電極が、スクライビングされていない電極と比較して６倍大きな静電容量をもたらす２５Ａｇ−１までの電流密度の容量保持率で優れたレート能力を示す。例示的なＬＳＡＣ電極の優れたレート能力は、電気化学インピーダンス測定によって更に検証される。結果は、図３Ｆに示されるように、ナイキストプロットの実軸切片から得られ、ＬＳＡＣ電極がより低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）を示すことを示している。図３Ｆは、１ＭＨｚ〜０．１Ｈｚの周波数範囲にわたるＬＡＣスーパーキャパシタ及びスクライビングされていないスーパーキャパシタの例示的なナイキストプロットを提供する。また、例示的なＬＳＡＣ電極のナイキストプロットは、低周波数領域において直線的かつ垂直であり、これはおそらく理想的な静電容量挙動を示している。これらの結果は、電極／電解質界面における低い電荷移動抵抗を示唆している可能性があり、ＬＳＡＣ電極内での急速な電子及びイオン輸送を示唆している可能性がある。これは、電解質イオンに容易にアクセス可能である電極の大きなマクロ多孔質表面に起因し得る。
別の態様では、本開示はレドックス電解質を含むスーパーキャパシタを提供する。いくつかの実施形態では、レドックス電解質はフェリシアン化物／フェロシアン化物電解質を含み、これはセルにより大きな静電容量を加え、水性電解質において２．０Ｖの高電圧での動作を可能にする。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、スーパーキャパシタ及びリチウムイオン電池の製造に使用されるアルミニウム集電体を含む。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、アルミニウム上にコーティングされた活性炭電極と、いかなるレドックス添加剤も有しない水性の１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質とを含むスーパーキャパシタコインセルを含む。図４は、５０ｍＶｓ−１で測定され、６サイクル繰り返された１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中の（アルミニウム集電体上に用意された）活性炭電極の典型的なボルタンメトリー（ＣＶ）を示している。装置を組み立ててＣＲ２０３２コインセルで試験した。図は、各サイクル後のＥＳＲの増加に関連して急速に変化するＣＶプロファイルを示しており、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中のアルミニウムの腐食を示唆している可能性がある。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、アルミニウム上にコーティングされた活性炭電極と、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−］レドックス添加剤を有する水性の１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質とを含むスーパーキャパシタコインセルを含む。スーパーキャパシタは、２．０Ｖの高電圧でも非常に安定した電気化学的性能を示す。可能性のある説明は、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−］が溶液緩衝剤として機能し、充電及び放電中に中性のｐＨ（７．１）を維持することである。１．０ＭのＮａ２ＳＯ４はｐＨ６を有することに留意されたい。また、レドックス添加剤が犠牲アノードとして作用し、それ故、アルミニウムを腐食から保護することも可能である。
図５は、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中の、ｘＭ ＲＥ（ｘは添加剤のモル濃度である）と略記されている、異なる濃度のレドックス添加剤でのコインセル活性炭スーパーキャパシタの例示的な電気化学的性能を示している。図５Ａは、０．２Ｖの間隔及び５０ｍＶｓ−１の走査速度での１Ｖから２Ｖまで増加する電圧ウィンドウでの０．１ＭのＲＥで収集された例示的なＣＶプロファイルを示している。ＣＶプロファイルは、特に高電圧端では電流の有意な増加を示さず、これは電解質の分解がないことを意味し、２．０Ｖがこの電解質中で動作するスーパーキャパシタに安全に印加され得ることを示唆している。Ｎａ＋イオン及びＳＯ４ ２−イオンはどちらも強い溶媒和エネルギーを有し、これは硫酸イオンが１２〜１６個の水分子によって囲まれ得るという事実に起因する。そのため、従来の水性電解質中での水の分解を引き起こすエネルギーは、Ｎａ＋及びＳＯ４ ２−イオンの溶媒和殻中の結合を切断するために、または更にレドックス電解質のレドックス反応を促進するために今では使用されること想定することが可能である。フェロシアン化物／フェリシアン化物レドックス対と高い溶媒和エネルギーを有する電解質との組み合わせは、水分子が通常分解するであろう２．０Ｖで試験したときでさえ、スーパーキャパシタの電気化学的安定性を説明することができる。その上、図５Ａは、レドックス添加剤に起因し得る可逆的レドックス対（０．６Ｖ〜１．１Ｖ）を示している。この反応は以下の式で表される：
正極側では、電解質は、充電過程中にＦｅ（ＣＮ）６ ４−からＦｅ（ＣＮ）６ ３−への酸化プロセスを受ける一方で、放電プロセスはＦｅ（ＣＮ）６ ３−からＦｅ（ＣＮ）６ ４−への還元プロセスを誘導する。
図５Ｂ及び５Ｃは、５０ｍＶｓ−１の走査速度で、従来のアセトニトリル系電解質と比較して様々な濃度のレドックス電解質（ＲＥ）、すなわち、０．０２５Ｍ、０．０５Ｍ、及び０．１Ｍでレドックス電解質を含むスーパーキャパシタの例示的な電気化学的性能を提供する。ＲＥイオンの濃度が増加するにつれて、図５Ｂに示されるようにＣＶ曲線の下の面積、及び図５Ｃに示されるようにＣＣ曲線の放電時間が増加し、これは比静電容量の増加を示している。濃度を０．２Ｍまで増加させることによって、セルは、０．１Ｍと比較して１．２倍の静電容量増加を示したが、クーロン効率は、図７に示されるように５８％まで低下した。この高濃度での高い漏れ電流は、充電中に装置が２．０Ｖに達するのに必要な時間を増加させ得る。これらの結果によれば、スーパーキャパシタ全体の性能の更なる最適化のために低い０．１ＭのＲＥシステムが選択される。０．１ＭのＲＥシステムは最も高い静電容量を示すだけでなく、最も高いレート能力を有する。図５Ｄは、異なる濃度（０、０．０２５、０．０５０、及び０．１００Ｍ）のレドックス添加剤を含有する１ＭのＮａ２ＳＯ４中の活性炭電極についての面積対電流密度による例示的な比静電容量を提供する。例示的な０．１ＭのＲＥシステムは、８．５ｍＡｃｍ−２で３３５ｍＦｃｍ−２及び５６．５ｍＡｃｍ−２のより高い電流密度で３２５．２ｍＦｃｍ−２の極めて高い面積静電容量を示し、これは、図５Ｄに示されるようにＡＣＮ電解質中の標準的な１．０ＭのＴＥＡＢＦ４よりも１１．６倍高い。図５Ｅは、例示的な０．１ＭのＲＥ装置が、３０、５０、７０、１００、２００、及び３００ｍＶｓ−１の異なる走査速度で理想的なＣＶ形状を維持することを示している。より重要なことに、曲線は全ての走査速度において明確で可逆的なレドックスピークを示し、これは電極とレドックス電解質との間の急速な電荷移動を示している可能性がある。また、この例示的なレドックススーパーキャパシタは、図８Ａ及び８Ｂに示されるように、ＩＲの低下が小さく、高い放電電流を提供し続ける。これらの結果は、０．１ＭのＲＥ電解質が急速な電子移動及びレート能力の改善を促進することを意味している可能性がある。この急速な電子移動は、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＳＣシステムの図３Ｆによるナイキストプロットによって更に確認される一方で、ＥＳＲはＡＣＮ電解質（３．５２Ω）よりはるかに低い（１．６１Ω）。図３Ｆは、１ＭＨｚ〜０．１Ｈｚの周波数範囲にわたるＡＣＮスーパーキャパシタ中の０．１ＭのＲＥ水性電解質及び１．０ＭのＴＥＡＢＦ４の例示的なナイキストプロットを提供する。全ての電気化学実験は、ＣＲ２０３２コインセルで測定された。
図５Ｂ及び５Ｃは、５０ｍＶｓ−１の走査速度で、従来のアセトニトリル系電解質と比較して様々な濃度のレドックス電解質（ＲＥ）、すなわち、０．０２５Ｍ、０．０５Ｍ、及び０．１Ｍでレドックス電解質を含むスーパーキャパシタの例示的な電気化学的性能を提供する。ＲＥイオンの濃度が増加するにつれて、図５Ｂに示されるようにＣＶ曲線の下の面積、及び図５Ｃに示されるようにＣＣ曲線の放電時間が増加し、これは比静電容量の増加を示している。濃度を０．２Ｍまで増加させることによって、セルは、０．１Ｍと比較して１．２倍の静電容量増加を示したが、クーロン効率は、図７に示されるように５８％まで低下した。この高濃度での高い漏れ電流は、充電中に装置が２．０Ｖに達するのに必要な時間を増加させ得る。これらの結果によれば、スーパーキャパシタ全体の性能の更なる最適化のために低い０．１ＭのＲＥシステムが選択される。０．１ＭのＲＥシステムは最も高い静電容量を示すだけでなく、最も高いレート能力を有する。図５Ｄは、異なる濃度（０、０．０２５、０．０５０、及び０．１００Ｍ）のレドックス添加剤を含有する１ＭのＮａ２ＳＯ４中の活性炭電極についての面積対電流密度による例示的な比静電容量を提供する。例示的な０．１ＭのＲＥシステムは、８．５ｍＡｃｍ−２で３３５ｍＦｃｍ−２及び５６．５ｍＡｃｍ−２のより高い電流密度で３２５．２ｍＦｃｍ−２の極めて高い面積静電容量を示し、これは、図５Ｄに示されるようにＡＣＮ電解質中の標準的な１．０ＭのＴＥＡＢＦ４よりも１１．６倍高い。図５Ｅは、例示的な０．１ＭのＲＥ装置が、３０、５０、７０、１００、２００、及び３００ｍＶｓ−１の異なる走査速度で理想的なＣＶ形状を維持することを示している。より重要なことに、曲線は全ての走査速度において明確で可逆的なレドックスピークを示し、これは電極とレドックス電解質との間の急速な電荷移動を示している可能性がある。また、この例示的なレドックススーパーキャパシタは、図８Ａ及び８Ｂに示されるように、ＩＲの低下が小さく、高い放電電流を提供し続ける。これらの結果は、０．１ＭのＲＥ電解質が急速な電子移動及びレート能力の改善を促進することを意味している可能性がある。この急速な電子移動は、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＳＣシステムの図３Ｆによるナイキストプロットによって更に確認される一方で、ＥＳＲはＡＣＮ電解質（３．５２Ω）よりはるかに低い（１．６１Ω）。図３Ｆは、１ＭＨｚ〜０．１Ｈｚの周波数範囲にわたるＡＣＮスーパーキャパシタ中の０．１ＭのＲＥ水性電解質及び１．０ＭのＴＥＡＢＦ４の例示的なナイキストプロットを提供する。全ての電気化学実験は、ＣＲ２０３２コインセルで測定された。
ＲＥ電解質の添加は次の利点を有し得る：中性ｐＨを維持するための溶液緩衝剤として作用し、広く使用されているアルミニウム集電体で電解質の動作を可能にする；水性電解質中で動作する電圧ウィンドウを２Ｖまで拡張する；エネルギー密度を増加させる；迅速で可逆的なファラデー反応を介して装置の面積静電容量を増加させる；迅速な電子移動およびイオン伝導性の増加を提供する；より高いレート能力を可能にする；及びＥＳＲを低下させる。
一態様では、本開示は、少なくとも１つのレーザースクライビングされた活性化電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む、スーパーキャパシタなどの炭素系高エネルギー貯蔵装置を提供する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、レドックス電解質を有しない炭素系スーパーキャパシタよりも高い静電容量を有する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、２．０Ｖの高電圧で動作し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、高い面積静電容量、高い比出力、高い比エネルギー、低いＥＳＲ、またはそれらの任意の組み合わせを有し得る。
いくつかの実施形態では、レドックス電解質は、約０．１Ｍのフェリシアン化物／フェロシアン化物レドックス対を含む。いくつかの実施形態では、レドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、レドックス電解質を有しない炭素系スーパーキャパシタの静電容量の約８倍の静電容量を有し得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、約３７９ｍＦｃｍ−２の面積静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、少なくとも約３６０ｍＦｃｍ−２の面積静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、最大で約３９０ｍＦｃｍ−２の面積静電容量を有し得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、約５．２６Ｗｃｍ−３の比出力を有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、少なくとも約１．０Ｗｃｍ−３の比出力を有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、最大で約６．０Ｗｃｍ−３の比出力を有し得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、約９．０５ｍＷｈｃｍ−３の比エネルギーを有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、少なくとも約６ｍＷｈｃｍ−３の比エネルギーを有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、最大で約１０ｍＷｈｃｍ−３の比エネルギーを有し得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、約０．９ΩのＥＳＲを有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、少なくとも約０．５ΩのＥＳＲを有し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＳＡＣ電極及び少なくとも１つのレドックス電解質を含む炭素系スーパーキャパシタは、最大で約４ΩのＥＳＲを有し得る。
図６は、少なくとも１つのレーザースクライビングされた活性炭（ＬＳＡＣ）電極及び［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−］レドックス活性電解質（ＲＥ）の組み合わせを含むスーパーキャパシタの例示的な電気化学的性能を提供する。ＬＳＡＣのマクロ多孔性構造は、図６Ａに図示されるように、活性炭粒子の表面へＲＥイオンが容易にアクセスすることを可能にし、迅速で可逆的なレドックス反応ならびに迅速な吸収及び脱着を可能にし得る。図６Ａは、レドックス添加剤の（１）非存在下、及び（２）存在下で１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用してＬＳＡＣ電極における電荷貯蔵メカニズムを図示している。そのため、０．１ＭのＲＥ電解質とＬＳＡＣ電極との組み合わせは、エネルギー及び出力を増強するだけでなくサイクル寿命を安定させ、２．０Ｖの高電圧での装置の動作を可能にすることが期待され得る。図６Ｂに示されるように、例示的な０．１ＭのＲＥシステムは長方形の形状及び明確なレドックスピークを有する理想的なＣＶプロファイルを示す一方で、例示的なＡＣＮ電解質システムは、予想されたようにのみＥＤＬＣ特性を示すことに留意することも興味深いことである。図６Ｂは、５０ｍＶｓ−１の走査速度で収集されたデータである、アセトニトリル中の従来の１．０Ｍの電解質及び０．１Ｍのレドックス電解質で試験されたレーザースクライビング前後の活性炭電極の電気化学的性能を比較する例示的なＣＶプロファイルを提供する。更に、スクライビングされていない活性化電極を用いた例示的な０．１ＭのＲＥと比較して、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣシステムは、ＣＶの面積の約３０％の増加を示す。このことは、ＬＳＡＣ電極とＲＥとの組み合わせが、電極の多孔質構造を介して静電容量を増大させて、活物質がＲＥイオンにより良好にさらされることを可能にし得ることを示唆している可能性がある。この場合も、ＣＶ及びＣＣの測定はどちらも、図９Ａ及び９Ｂに示されるように、ＣＶ曲線については５０ｍＶｓ−１の走査速度で、ＣＣ曲線については１１．３ｍＡｃｍ−２の電流密度で２Ｖまで増加する電圧ウィンドウで収集される。
いくつかの実施形態では、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣのスーパーキャパシタハイブリッドは、図６Ｃ及び図９Ｃに示されるように、３０〜１０００ｍＶｓ−１の広範囲の走査速度、ならびに図６Ｄ及び図９Ｄに示されるように、８．５〜５６．５ｍＡｃｍ−２の広範囲の電流密度にわたって試験される。この例示的なハイブリッドシステムは、超高速レドックス反応を介して優れた電荷貯蔵を示し得る、１０００ｍＶｓ−１の高い走査速度までレドックスピークを示す。電流密度に応じた４つ全てのシステムの図６Ｅに示される面積静電容量の変化、及び図９Ｅに示される重量静電容量を比較のために計算した。スクライビングされていない電極システムを用いた例示的なＡＣＮはより低い静電容量を示しただけでなく、その静電容量はより高い充電−放電レートで急速に低下した。それにもかかわらず、高いレートにおいて例示的なハイブリッドシステムの静電容量に大きな変化を観察することができない。２つの場合の間の相違を垣間見るために、２つの例示的な装置の静電容量を、５６．５ｍＡｃｍ−２の比較的高い電流密度で比較した。例示的なハイブリッドシステムは、スクライビングされていない活性炭電極及びアセトニトリル系電解質を使用した従来のスーパーキャパシタの静電容量（２８ｍＦｃｍ−２）よりも１３倍大きい３６４．６ｍＦ／ｃｍ−２をもたらすことができる。この場合も、これは、レーザースクライビングされた電極内の改善されたイオン拡散速度論及びレドックス電解質の優れたファラデー静電容量寄与を確認し得る。
例示的なレーザースクライビングされたマクロ多孔質電極と０．１ＭのＲＥとの間の優れた相乗的相互作用は更に、電気化学的インピーダンス分光測定から確認され、それは、例示的なスクライビングされていないＡＣ電極及び０．１ＭのＲＥからなるスーパーキャパシタについての１．６１Ω及び３．３３ｓならびにレドックス添加剤を有しないレーザースクライビングされたＡＣ電極からなるスーパーキャパシタについての２．６Ω及び２．０７ｓ（図示せず）と比較して、図６Ｆに示されるように０．９Ωの低いＥＳＲ及び図９Ｆに示されるように１．９６ｓの短い応答時間を示す。明らかに、レーザースクライビングされた電極は、レドックス添加剤と共に、セルのＥＳＲ及び応答時間の両方を改善する方向に作用し、これは例示的なＣＶ及びＣＣの結果と一致する。
例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣシステムは、図６Ｇに示されるように、市販のエネルギー貯蔵装置と比較して、ラゴンプロットにおいて優れた性能を示す。このラゴンプロットは、活物質、集電体、セパレータ、及び電解質を含む装置全体の体積に基づいて正規化されている。例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣスーパーキャパシタは、６．２ｍＷｈｃｍ−３の体積エネルギー密度を実証することができ、これは、ＡＣＮ電解質を用いた市販の活性炭電気化学キャパシタよりも約９倍高い。更に、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣは、最大３．６Ｗｃｍ−３の超高出力密度をもたらすことができ、これはリチウム薄膜電池よりも約７００倍速い。そのため、０．１ＭのＲＥと組み合わせた例示的なＬＳＡＣ電極は、将来のエネルギー貯蔵用途のための完全な候補となり得る。
活物質（活性炭及びＲＥ電解質）の総質量に基づく別のラゴンプロットを作製して、図６Ｈに示されるように以前に公表されたＲＥ系電解質スーパーキャパシタと比較した。他の公表されたデータと比較すると、スーパーキャパシタはプロットの右上側にあり、出力及びエネルギー密度の両方が卓越していることを意味している。１１．５ｋＷｋｇ−１の非常に高い出力密度では、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣは、低いレート（１８．９Ｗｈｋｇ−１）におけるその元々のエネルギー密度の９５％を維持する。レドックス電解質は、活性電極材料と同様に電荷貯蔵に寄与し得るので、電解質の質量も計算に考慮される。ここで、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣスーパーキャパシタによって達成される比出力は１１，５１６Ｗｋｇ−１であり、これはＲＥ−ＥＣの以前の報告よりも７０倍大きい。
表１は、水性電解質を用いた、以前に公表されたレドックススーパーキャパシタについての電気化学データの要約を提供しており、データは、例示的なハイブリッドの０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣシステムが同様により高い電圧ウィンドウを示すことを示すことを示している。
表１：例示的なレーザースクライビングされた活性炭電極（ＬＳＡＣ）を用いた０．１Ｍのレドックス活性電解質（ＲＥ）の電圧ウィンドウと、水系レドックス活性電解質を使用する他の公表された論文との比較。
表１：例示的なレーザースクライビングされた活性炭電極（ＬＳＡＣ）を用いた０．１Ｍのレドックス活性電解質（ＲＥ）の電圧ウィンドウと、水系レドックス活性電解質を使用する他の公表された論文との比較。
良好なサイクル寿命はスーパーキャパシタの基本的な特性の一つである。図６Ｉは、７０００サイクルの間で３０ｍＡｃｍ−２の電流密度での充電及び放電中の例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣスーパーキャパシタのサイクル寿命を示している。最初の１０サイクルでその静電容量の大部分を失う１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を利用するスーパーキャパシタと比較して、例示的な０．１ＭのＲＥ−ＬＳＡＣスーパーキャパシタは、２．０Ｖにおいて７０００サイクル後にその元の容量の８０％を維持する。この卓越した電気化学的安定性は、セルにファラデー静電容量を付加するだけでなく、２．０Ｖの超高電圧でもセルのサイクル寿命を安定化させるレドックス電解質に起因し得る。これらの結果は、改善されたイオン移動及び迅速かつ可逆的なレドックス反応を介して、レーザースクライビングによって形成されたマクロ多孔性活性炭電極とレドックス電解質との間の相乗作用を確認する。マイクロスケールのチャネルは、電解質リザーバとして作用し得、内部抵抗を減少させると同時に静電容量を増加させる傾向があり得る。
一態様では、本開示は、スーパーキャパシタなどの高エネルギー貯蔵装置で使用するための炭素系電極を製造するためのプロセス、方法、プロトコルなどを提供する。いくつかの実施形態では、そのプロセス、方法、及び／またはプロトコルは、炭素電極の静電容量を増加させる。所定の実施形態では、炭素電極の静電容量の増加は、スーパーキャパシタなどの炭素電極を使用する高エネルギー装置においてエネルギーを貯蔵するコストを減少させる。
いくつかの実施形態では、炭素系電極は、炭素でコーティングされた集電体を含む。更なる実施形態では、方法は、炭素系電極のレーザー照射を含む。いくつかの実施形態では、炭素系電極のレーザー照射は、産業で広く利用されている標準的なレーザー切断ツールを使用して実施され得る。
いくつかの実施形態では、炭素でコーティングされた電極のレーザー照射は電極内にマイクロチャネルを形成する。マイクロチャネルは、効果的な充電及び放電のために電解質を貯蔵することができる。マイクロチャネルは、充電及び放電のプロセス中にイオンが移動しなければならない距離を短くし得る。
いくつかの実施形態では、方法は、活性炭基材を受け取ること、集電体上に炭素基材を設けること、炭素基材内に１つ以上のマイクロチャネルを生成するための出力密度を有する光ビームを生成すること、及び１つ以上のマイクロチャネルを有する活性炭系電極を作成することを含む。
他の実施形態では、方法は、約７Ｗの出力を有する光ビームを更に含む。いくつかの実施形態では、方法は、約４０Ｗ以下の出力を有する光ビームを含む。他の実施形態では、方法は、約１Ｗ以上の出力を有する光ビームを含む。
いくつかの実施形態では、炭素基材は、炭素布、炭素繊維、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エアロゲル、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、炭素基材は炭素布である。
いくつかの実施形態では、集電体は金属製である。いくつかの実施形態では、集電体は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鋼、またはそれらの組み合わせを含む。所定の実施形態では、集電体はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態では、１つ以上のマイクロチャネルは、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、細孔サイズは少なくとも約５０ナノメートルである。いくつかの実施形態では、細孔サイズは最大で約５００マイクロメートルである。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、少なくとも約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。いくつかの実施形態では、１つ以上のチャネルは、最大で約１００マイクロメートルの細孔サイズを有する。
いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、約８００ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有し得る。
いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、少なくとも約８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、最大で約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有し得る。
いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１．０ｇ／ｃｍ３の充填密度を有し得る。いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、少なくとも約０．５ｇ／ｃｍ３の充填密度を有し得る。いくつかの実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、約０．６ｇ／ｃｍ３の充填密度を有し得る。
例示的な実施形態では、活性炭電極は、それぞれ８０：１０：１０の重量比で、活性炭、バインダーとしての１：１の比のカルボキシメチルセルロース／スチレン−ブタジエンゴム、及び脱イオン水中のカーボンブラックの溶液からなるスラリーを作製することによって調製される。スラリーは次いで、ドクターブレード法を使用して炭素でコーティングされたアルミニウムホイル上に設けられ得る。この膜を次いで周囲条件下で１２時間乾燥させ得る。乾燥した膜を次いで７−ＷのＣＯ２レーザーに曝露して、レーザースクライビングされた活性炭（ＬＳＡＣ）膜を合成し得る。
例示的な実施形態では、ＬＳＡＣ電極は、直径約１５ｍｍの電極ディスク及びＣｅｌｇａｒｄ ３５０１ポリマーセパレータを使用して標準ＣＲ２０３２コインセルにおいて組み立てられる。コインセルは空気中で組み立てられ得る。スクライビング前後の例示的な活性炭膜の装填質量は、それぞれ３．９及び３．２ｍｇ／ｃｍ２である。
いくつかの例示的な実施形態では、ＬＳＡＣスーパーキャパシタは水性電解質を含む。いくつかの実施形態では、水性電解質は、アセトニトリル（ＡＣＮ）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）を含む。更なる実施形態では、水性電解質は、アセトニトリル（ＡＣＮ）中の１．０Ｍ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）を含む。他の実施形態では、水性電解質は［Ｆｅ（ＣＮ）６３−／Ｆｅ（ＣＮ）６４−］を含む。更なる実施形態では、水性電解質は、Ｎａ２ＳＯ４溶液中に［Ｆｅ（ＣＮ）６３−／Ｆｅ（ＣＮ）６４−］を含む。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、いかなる特別な乾燥室またはグローブボックスなしで組み立てられ得る。
別の態様では、本開示は、レドックス活性電解質を含むスーパーキャパシタなどの高エネルギー貯蔵装置を製造するためのプロセス、方法、プロトコルを提供する。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、表１に列挙されたレドックス活性電解質のうちの１つ以上を含む。いくつかの実施形態では、レドックス活性電解質の使用は、高エネルギー貯蔵装置の静電容量を増加させる。所定の実施形態では、高エネルギー貯蔵装置の静電容量の増加は、高エネルギー貯蔵装置のコストを減少させる。
本発明の好ましい実施形態を本明細書で示し、記載してきたが、そのような実施形態は例としてのみ提供されていることは当業者には明らかである。本発明から逸脱することなく、当業者は今では多数の変形、変更、及び置換を思いつく。本明細書に記載の本発明の実施形態に対する様々な代替が本発明を実施する際に用いられ得ることが理解されるべきである。以下の特許請求の範囲が本発明の範囲を定義し、これらの特許請求の範囲内の方法及び構造ならびにそれらの均等物がそれによって包含されることが意図される。
用語及び定義
本明細書で使用される場合、「約」または「およそ」という用語は、値がどのように測定または決定されるかに部分的に依存する、当業者によって決定されるような特定の値に対する許容可能な誤差を指す。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、１、２、３、または４標準偏差以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、または０．０５％以内を意味する。
本明細書で使用される場合、「約」または「およそ」という用語は、値がどのように測定または決定されるかに部分的に依存する、当業者によって決定されるような特定の値に対する許容可能な誤差を指す。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、１、２、３、または４標準偏差以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、または０．０５％以内を意味する。
本明細書で使用される場合、「チャネル」という用語は、溝（ｇｕｔｔｅｒ）、溝（ｇｒｏｏｖｅ）、または溝（ｆｕｒｒｏｗ）を指す。
Claims (30)
- 集電体と、活性炭布を含む活性炭基材とを含む電極であって、前記活性炭基材が１つ以上のチャネルを含む、前記電極。
- 前記集電体が、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の電極。
- 前記１つ以上のチャネルが、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する、請求項１または請求項２に記載の電極。
- 前記電極が、少なくとも約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極。
- 前記電極が、少なくとも８０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極。
- 前記電極が、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極。
- レーザースクライビングされた活性炭電極を形成する方法であって、
ａ）炭素系コーティングを有する集電体上に活性炭基材を設けて、活性炭系電極を形成すること、及び
ｂ）前記活性炭系電極にレーザービームを向けて、前記活性炭系電極内の１つの以上のチャネルをスクライビングして、前記レーザースクライビングされた活性炭電極を形成すること、
を含む、前記方法。 - 前記レーザービームが、約３７５ナノメートル〜約１０マイクロメートルの波長を有する、請求項７に記載の方法。
- 前記レーザービームが、約０．０１Ｗ〜約１００Ｗの出力を有する、請求項７または請求項８に記載の方法。
- 前記活性炭基材が、活性炭、活性チャコール、活性炭布、活性炭繊維、活性ガラス状炭素、活性炭ナノフォーム、活性炭エアロゲル、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
- 前記集電体が、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそれらの組み合わせを含む、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
- 前記１つ以上のチャネルが、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
- 前記レーザースクライビングされた活性炭電極が、少なくとも約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記レーザースクライビングされた活性炭電極が、少なくとも約８０ｍＦ／ｇの重量静電容量を有する、請求項７〜１３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記レーザースクライビングされた活性炭電極が、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ３の充填密度を有する、請求項７〜１４のいずれか１項に記載の方法。
- スーパーキャパシタであって、
ａ）第１の電極、
ｂ）第２の電極、及び
ｃ）電解質、
を含み、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方が集電体及び活性炭基材を含み、前記活性炭基材が１つ以上のチャネルを含む、前記スーパーキャパシタ。 - 前記活性炭基材が、活性炭、活性チャコール、活性炭布、活性炭繊維、活性ガラス状炭素、活性炭ナノフォーム、活性炭エアロゲル、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１６に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記集電体が、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鉄、鋼、グラファイト、炭素布、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１６または請求項１７に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記１つ以上のチャネルが、約５０ナノメートル〜約５００マイクロメートルの細孔サイズを有する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記電解質が、酸化剤、還元剤、及び水溶液を含み、前記酸化剤及び前記還元剤がレドックス対を含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記レドックス対が、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む、請求項２０に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記水溶液がＮａ２ＳＯ４を含む、請求項２０または請求項２１に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記電解質が、約０．０１Ｍ〜約１．０ＭのＦｅ（ＣＮ）６ ３−／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４−を含む、請求項２１に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記電解質が、約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む、請求項２２に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記電解質が、１−アリル−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、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、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−ヘキシル−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、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム１，１，２，２−テトラフルオロエタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジエチルホスフェート、アセトニトリル、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記電解質が、アセトニトリル中に約１Ｍ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）を含む、請求項２５に記載のスーパーキャパシタ。
- 約３６０ｍＦ／ｃｍ２〜約３８０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
- 約１Ｗ／ｃｍ３〜約６Ｗ／ｃｍ３の出力密度を有する、請求項１６〜２７のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
- 約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約２１Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する、請求項１６〜２８のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
- 約３，０００Ｗ／ｋｇ〜約１２，０００Ｗ／ｋｇの出力密度を有する、請求項１６〜２９のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
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