JP2020521314A - エネルギー貯蔵デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】新規なエネルギー貯蔵デバイスを提供する。【解決手段】エネルギー貯蔵デバイスが提供される。エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１つがナノカーボン構成要素、イオン透過膜及び電解質を含む複数の電極から構成される電荷蓄積スーパーキャパシタセルを含み、セルが可撓性又は剛性マトリックスに埋め込まれている又は封入されていることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、車両又は航空機のパネル、消費財、装着可能アイテムなどの構成要素として使用されるのに十分に剛性又は可撓性であるように設計されている電荷蓄積スーパーキャパシタセルを含むエネルギー貯蔵デバイスに関する。

当方の以前の特許出願である、国際公開第２０１６０７５４３１号において、とりわけ、導電性構成要素としてナノカーボン粒子を含む電極（アノード及びカソード）を含むことを特徴とする、静電二重層スーパーキャパシタンス挙動を呈する新規の電荷担体セルが教示されている。典型的には、これらのナノカーボン粒子は、以下の構成要素、すなわち、グラフェン、カーボンナノチューブ及びフラーレンのうちの１つ又は複数から構成される。当方が現在Ｃａｒｂｏｎ−Ｉｏｎ（商標）又はＣ−Ｉｏｎ（登録商標）の名称で販売しているそのようなセルは、低い等価直列抵抗において、且つ、複数のサイクルにわたって優れた電荷保持及び電荷放出挙動を呈し、携帯電源が必要な様々な用途に適したものになっていることが証明されている。

キャパシタの構築にグラフェンを使用することは、以前に、国際公開第２０１３１８０６６１号、ＣＮ１０４２２９７８０、米国特許出願公開第２０１２１７０１７１号、ＫＲ２０１４００９４３４６、ＣＮ１０４０６４３６４、米国特許出願公開第２０１４１２７５８４号、米国特許出願公開第２０１２０４５６８８号及び米国特許第８５０３１６１号においても開示されている。さらに、米国特許出願公開第２０１４０３２１０２７号及びＮａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２００９ ９（５） ｐｐ．１８７２−１８７６は、スーパーキャパシタ又はウルトラキャパシタセルにおけるカーボンナノチューブの使用を開示している。

当方の開発活動の間、セルが様々な用途における軽量構成要素として配備されるために、例えば構造的剛性又は可撓性など、高い機械的完全度を有するセルを開発することが必要であることが認められた。これは、成功が、スーパーキャパシタユニットの重量、ユニットが送達する電力、及び、審美的、安全上又は技術的理由に関して既存の設計に組み込まれる可能性の間で適切なバランスを見出すことに依存する運輸用途において特に有益である。そのような問題は、当該技術分野においてそれほど関心を引いていなかったが、今や、そのようなセルの寿命は長くなってきており、商業的により魅力的になっているため、これは対処する必要がある事項である。

米国特許出願公開第２０１３０２２４５５１号は、電極が、伸縮可能な基板を備えるスーパーキャパシタを開示している。Ｙａｎ他は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２０１７ ５０（２７） ｐ．２７３００１において、機能的で可撓性且つ装着可能なスーパーキャパシタを論じている。しかし、これらの文献のいずれも、主に構造的完全度が必要とされる用途に関係するものではない。スーパーキャパシタの特性を指定する他の参考文献は、米国特許第５８６２０３５号、米国特許出願公開第２０１２０１５４９７９号、米国特許出願公開第２０１５００６２７８０号及び特開２００３１２４０７７号を含む。

本発明によれば、少なくとも１つがナノカーボン構成要素、イオン透過膜及び電解質を含む複数の電極から構成される電荷蓄積スーパーキャパシタセルを含み、セルが可撓性又は剛性マトリックスに埋め込まれている又は封入されていることを特徴とする、エネルギー貯蔵デバイスが提供される。

本開示による平坦な炭素繊維パネルの、サイクル数に対する等価直列抵抗（ＥＳＲ）のグラフ図である。 本開示による平坦な炭素繊維パネルの、サイクル数に対する静電容量のグラフ図である。 本開示による平坦な炭素繊維パネルの、サイクル数に対する効率のグラフ図である。 本開示による平坦な炭素繊維パネルの、サイクル数に対する静電容量保持率のグラフ図である。 本開示による平坦な炭素繊維パネルの、電気化学的インピーダンススペクトルの図である。 本開示による曲線炭素繊維パネルの、サイクル数に対する等価直列抵抗（ＥＳＲ）のグラフ図である。 本開示による曲線炭素繊維パネルの、サイクル数に対する静電容量のグラフ図である。 本開示による曲線炭素繊維パネルの、サイクル数に対する効率のグラフ図である。 本開示による曲線炭素繊維パネルの、サイクル数に対する静電容量保持率のグラフ図である。 本開示による曲線炭素繊維パネルの、様々な走査速度におけるサイクリックボルタモグラムを示す図である。

１つの実施形態において、可撓性又は剛性マトリックスは、エネルギー貯蔵デバイス又はエネルギー貯蔵デバイスが組み込まれる物体に、用途の需要を満たすか又は安全基準を満たすのに十分な構造的完全性を提供するように適合される。

本発明は、上記で言及した用途のすべてに対して強固な構成要素を開発するために利用することができる様々な技術的手法を提供することによって、この問題を解決する。本発明の特徴は、電荷蓄積セルが必要な工学的又は構造的特性を呈するマトリックスに組み込まれるか又は当該マトリックスの一部を成すことである。第１の実施形態において、電荷蓄積セル（複数可）は、可撓性マトリックスに封入することができる密閉パウチとして製造される。パウチは、可撓性高分子フィルム（例えば、低密度ポリエチレン又はポリプロピレンフィルム）から作成され、セルの重要な動作構成要素を包含することが適切である。電極又は電極に取り付けられる電極接点が、このとき、パウチから、任意選択的に、周囲のマトリックスが導電性でない場合に周囲のマトリックスを通じて突出する。

第２の実施形態において、電荷蓄積セルは、例えば、エンジニアリングポリマーなど、非導電性マトリックスの一体部分である。これは、電解質を充填され、１つ又は複数のイオン透過膜によって複数の区画に分割される、マトリックス内の１つ又は複数の空隙を作成することによって達成されることが適切である。電極は、マトリックスから様々な区画へと突出し、結果、空隙が電解質を充填されるとき、セルが作成される。１つの例において、電極は、ナノカーボン構成要素、及び、表面積の大きい活性炭のような電荷蓄積カーボン構成要素（複数可）から構成されるコーティングが付着されているアルミニウム箔のシートを含む。ここで、電解質は、液体、ゲル又はポリマーであってもよく、各空隙が、複数のアノード、カソード及び膜から形成される２つ以上のサブセルを含み得る。前述のように、電極又は関連付けられる電気接点は、マトリックスから突出する。

第３の実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスは複合形態であり、電極及びイオン透過膜を、ゲル又は固体高分子電解質、及び、任意選択的に、所望の機械的特性をもたらすための誘電的挙動を呈する他のポリマー又は繊維から構成されている可撓性マトリックスに埋め込むことによって作成される。その後、この複合体は、装飾のため又は湿気及び／若しくは酸素を排除する障壁層を追加するためにコーティングすることができる。前述のように、電極又は関連付けられる電気接点は、マトリックスから突出する。

第４の実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスは複合形態であり、例えば、織物の、不織の又は静電紡糸の布又はマットなどの布地の形態の電極を使用し、その後、ゲル又は固体高分子電解質から構成される可撓性マトリックス内で電極をコーティングすることによって作成される。電極は、例えば、ともに又は高分子電解質膜又は高分子電解質を含浸したセパレータのいずれかの側に低温又は高温圧縮することによって、イオン性であるが電気的ではない接点を形成するようにまとめられる。結果としてもたらされる複合体は、布地の物理的特性の多くを保持し、布地として使用することができる。その後、この複合体は、装飾のため又は湿気及び／若しくは酸素を排除する障壁層を追加するためにコーティングすることができる。前述のように、電極又は関連付けられる電気接点は、マトリックスから突出する。

第５の実施形態において、電荷蓄積セルは、パウチとして又は同様の形成可能な型から製造され、剛性マトリックスに封入される。前述のように、電極又は関連付けられる電気接点は、マトリックスから突出する。

第６の実施形態において、電極は、自己支持炭素構造又は剛性構造マトリックスに埋め込まれたコーティングアルミニウム箔シートである。この実施形態の１つのバージョンにおいて、電極は、イオン透過膜（複数可）及び液体、ゲル又は高分子電解質を含む空隙と関連付けられる。剛性構造は、高分子複合体を含んでもよく、インサートの形態の他の補強材を含んでもよい。各空隙内の複数のサブセルが企図され、電極又は関連付けられる電気接点は、マトリックスから突出する。

第７の実施形態において、複合材料が、剛性複合構造を形成するために硬質高分子マトリックスに電極を埋め込むことによって作成される。このマトリックスは、ゲル又は固体高分子電解質であってもよいが、デバイスの構造を形成するために十分に強固でなければならない。剛性構造は、上記で参照される他の補強材を含むことができる。前述のように、電極又は関連付けられる電気接点は、マトリックスから突出する。

いくつかの実施形態において、マトリックスが炭素（例えば、炭素繊維）を含有する場合、表面炭素繊維を露出させることによって、マトリックスが、電極からの効率的な電流コレクタとして作用することができ、以て、アルミニウム箔コレクタなどの必要性がなくなる。

電荷蓄積セル構成要素を説明すると、１つの実施形態において、電極は、本質的に、ナノカーボン構成要素を含む層によってコーティングされている薄い可撓性シート（例えば、アルミニウム、銀又は銅の箔）の形態の導電性金属電流コレクタから成るアノード面及びカソード面を備える。いくつかの事例において、これらのアノード層及びカソード層のうちの少なくとも一部は、同じシートの対抗する両側に配置される。ナノカーボン構成要素の少なくともいくらかが、２０マイクロメートル未満の平均有限最長寸法を有する粒子であることが適切である。これらの粒子が、メソ孔性を呈し、メソ孔のサイズが２〜５０ナノメートルの範囲内であることが好ましい。別の実施形態において、ナノカーボン構成要素は、例えば、リチウム、又は、ニッケル、マンガン、ルテニウム、ビスマス、タングステン若しくはモリブデンを含む２つ以上の酸化状態を有する遷移金属のような金属の塩、水酸化物及び酸化物など、最終的な電荷蓄積セルに一定程度の擬似容量挙動を与えることができる材料のナノ粒子によって補完することができる。

この実施形態の１つの好ましいバージョンにおいて、電極層はそれ自体が、導電性ポリマー結合剤マトリックスに埋め込まれているナノカーボン粒子から構成される複合体であり、粒子と結合剤との重量比が０．２：１〜２０：１の範囲にあることを特徴とする。別のバージョンにおいて、ナノカーボン構成要素は、グラフェン粒子を含み、又は、カーボンナノチューブを含む。１つの好ましい実施形態において、任意選択的にグラフェン粒子及び表面積の大きい活性炭によって補完されるカーボンナノチューブは、電極の主な電気構成要素である。別の適切な実施形態において、炭素粒子は、活性炭、カーボンナノチューブ及び任意選択的にグラフェンから成る混合物を含み、これらの構成要素は、０．５〜２０００：０．５〜１００：０〜１、好ましくは０．５〜１５００：０．５〜８０：０〜１の重量比で存在する。

活性炭という用語は、表面積が典型的には５００ｍ^２ｇ^−１よりも大きく、好ましくは１０００〜３６００ｍ^２ｇ^−１であり、１マイクロメートル未満の平均粒径を有する、高純度の任意の非晶質炭素を意味する。そのような材料は、複数の商業的供給源から容易に入手可能である。１つの実施形態において、電極のうちの一方又は両方が、金属酸化物、半導体導電性ポリマーのような擬似容量性構成要素を含むことによって、他方に対して非対称にされ得る。

使用されるカーボンナノチューブは典型的には、２〜５００マイクロメートル（好ましくは１００〜３００マイクロメートル）の範囲内の平均最長寸法（長さ）及び１００〜１５０ナノメートルの範囲内の平均直径を有する。カーボンナノチューブは、単層若しくは多層又は両方の混合物であってもよい。

グラフェンという用語は、粒子の構造が実質的に二次元である炭素の同素体を意味する。最終的に、これらの粒子は、黒鉛構造を有する単原子層プレートレットが、本発明の目的のために、この構成要素は、例えば、１〜２０個、好ましくは１〜１０個のプレートレットなど、互いに上に積層された少数のそのようなプレートレットを含み得る。１つの実施形態において、これらのプレートレットは非酸化形態である。別の実施形態において、プレートレットは独立して、透過電子顕微鏡によって測定されるものとして、１〜４０００ナノメートル、好ましくは２０〜３０００又は１０〜２０００ナノメートルの範囲内の平均寸法を有する。任意の既知の方法を使用して、例えば、英国のＴｈｏｍａｓ Ｓｗａｎｎ ＬｉｍｉｔｅｄによってＥｌｉｃａｒｂ（登録商標）の名称で市販もされている、そのような材料を製造することができる。

別のバージョンにおいて、電極層は、最大３０重量％、好ましくは１〜２０重量％の導電性炭素をさらに含むことができる。この導電性炭素は、多結晶構造及び１〜５００ｍ^２ｇ^−１の範囲内の表面積を有する高導電性非黒鉛炭素を含むことが適切である。１つの実施形態において、この導電性炭素は、カーボンブラックであり、例えば、リチウムイオン電池（例えば、Ｔｉｍｃａｌ ＳｕｐｅｒＣ６５（登録商標）及び／又はＴｉｍｃａｌ ＳｕｐｅｒＣ４５）内で導電性添加剤として使用されている材料のうちの１つである。

導電性結合剤を説明すると、これは適切には、１つ又は複数の導電性ポリマーから構成され、好ましくは、セルロース誘導体、高分子エラストマー又はそれらの混合物から選択される。１つの実施形態において、セルロース誘導体は、カルボキシアルキルセルロース、例えば、カルボキシメチルセルロースである。別の実施形態において、エラストマーは、スチレンブタジエンゴム又は等価な特性を有する材料である。

複合層内の様々な構成要素の総電荷保持表面積は、２５０ｍ^２ｇ^−１よりも大きい、好ましくは２６０ｍ^２ｇ^−１よりも大きいことが適切である。

電極が箔電流コレクタに付着されているコーティングを備えるのではない第２の実施形態において、電極は自己支持型であり、それらの性質及び形成特性に関して上記のように指定される様々な構成要素の一部又は全部から作成される。この設計には、箔構成要素を排除することができ、重量節約が可能になり得るという利点がある。

両方の実施形態において、電極中の残留水分は１００ｐｐｍ未満、好ましくは５０ｐｐｍ未満であるべきである。

電荷蓄積セルに使用されるアノード及びカソード電極は、例えば、厚さが異なることによって、互いに非対称であり得る。

電解質を説明すると、これは適切には、イオン液体、すなわち、１００℃よりも低温で溶融し、好ましくは周囲の温度以下で溶融する有機イオン性塩を含む。１つの実施形態において、電解質は、１つ又は複数のイオン液体から構成される混合物であり、混合物は、２５℃において、１０〜８０センチポアズ、好ましくは２０〜５０センチポアズの範囲内の粘度を有する。また別の実施形態において、電解質は、そのうち１つがイオン液体である少なくとも２つの構成要素から成る共融又は近共融混合物である。これらの混合物が、１００℃よりも低い、好ましくは５０℃よりも低い、より好ましくは３０℃よりも低い融点を有することが適切である。共融的挙動は、融点が、所与の組成範囲にわたって、ラウールの法則に基づいて予測され得るよりも大幅に低下している２つ以上の構成要素から成る混合物の周知の特性である。それゆえ、ここで、「共融又は近共融混合物」という用語は、融点がそのような低下を示す、本発明による構成要素から成る任意の混合物を包含するものとして解釈されるべきであり、実際の共融点において５０％よりも大きい低下、好ましくは９０％よりも大きい低下のあるものが最も好ましい。特に好ましい実施形態において、共融組成自体が電解質として利用される。別の実施形態において、利用されるイオン液体のうちの少なくとも１つは、３ｖよりも大きい電気化学窓を有する。

１つの実施形態において、利用される電解質は、完全な一覧のために読者が誘導される米国特許第５８２７６０２号又は国際公開第２０１１／１００２３２号に記載されているイオン液体のうちの少なくとも１つから構成される、例えば、共融又は近共融混合物などの混合物である。別の実施形態において、混合物は、上記イオン液体のうちの少なくとも２つから成る混合物から成る。

したがって、利用されるイオン液体又は電解質に利用されるイオン液体のうちの１つが、アルキルの第四級塩若しくは置換アルキルピリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、チアゾリウム、オキサゾリウム、トリアゾリウム又はアゼパニウムのカチオンであることが適切である。そのような場合、各カチオンと関連付けられる対アニオンは大きく、多原子であり、５０又は１００オングストロームを超えるファンデルワールス体積を有することが好ましい（例えば、本発明の範囲内であるように企図される説明例を提供する米国特許第５８２７６０２号を参照されたい）。アニオンは、カチオンに対して非対称であり、液体中のイオンが容易に密集して結晶化を引き起こすことがないことを保証するように選択されることも好ましい。１つの実施形態において、対アニオンは、テトラフルオロホウ酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、ジシアンアミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＩ）、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＴＦＳＩ）若しくはビス（ペルフルオロＣ_２〜Ｃ_４アルキルスルホニル）イミド、例えば、ビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミドのアニオン又はその類似体から成る群から選択される。別の好ましい実施形態において、イオン液体（複数可）は、これらのアニオンのＣ_１〜Ｃ_４アルキル置換イミダゾリウム、ピペリジニウム又はピロリジニウム塩から選択され、カチオン及びアニオンの任意の置換が、本明細書において開示されるものとして想定される。このリストの中から、以下の二成分系、すなわち、ピペリジニウム塩とイミダゾリウム塩、ピペリジニウム塩とピロリジニウム塩、及び、イミダゾリウム塩とピロリジニウム塩が好ましい。代替的な実施形態において、二成分系は、（ａ）ピペリジニウム塩と、上述したアニオンのうちの１つの任意の置換された大きい第四級アンモニウム塩、例えば、アルキル若しくはアルコキシ部分が独立して１つ、２つ、３つ若しくは４つの炭素原子を有する、そのトリアルキル（アルコキシルアルキル）アンモニウム塩、又は、（ｂ）国際公開第２０１１／１００２３２号に例示されているアゼパニウム塩のうちの１つ若しくは複数のいずれかを含んでもよい。上記で参照されている事例のすべてにおいて、利用される塩は好ましくは各々、３ボルトよりも大きい電気化学窓及び３０℃よりも低い融点を有する。

特に、利用することができる電解質の非限定例は、以下のカチオン、すなわち、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩＭ）、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム（ＢＭＩＭ）、１−メチル−１−プロピルピロリジニウム、１−メチル−１−ブチルピロリジニウム、及び、上述したアニオンから誘導される塩又は塩の混合物を含む。１つの実施形態において、電解質は、これらのカチオンの１つ又は複数のテトラフルオロホウ酸塩である。別の実施形態において、電解質は、方法のステップ（ａ）において使用される同じ塩である。

別の実施形態において、イオン液体は、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウム（ＤＥＭＥ）及びその同族体のような第四級アンモニウムカチオンの塩である。

イオン液体の含水量は１００ｐｐｍ未満、好ましくは５０ｐｐｍ未満であることが適切である。

イオン透過膜は適切には、高分子又は炭素繊維布から作成され、市場で容易に入手可能な膜のいずれかとすることができる。

ポリマーマトリックスに関して、ポリマーマトリックスは、その必要な構造的義務を実施するのに必要とされる、必要な物理的及び化学的特性を有する様々なポリマーのうちの１つとすることができる。例は、ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリプロピレン及びポリ（アリーレンエーテル）を含む。マトリックスが導電性であるべきである場合、導電性ポリマーを、単独で、又は、他のポリマーとの混合物においてのいずれかで使用することができる。例は、ポリピロール、ポリアニリン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）を含む。マトリックスは、炭素繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維のような材料によって補強することができる。デバイスの設計に応じて、金属粉末、箔、棒及びメッシュも含まれてもよい。１つの実施形態において、これらの補強は、デバイス関連電気回路の一部を形成することを可能にする、例えば、アルミニウム、銅、銀などの導電性金属から作成される。

エネルギー貯蔵ユニットに利用される電荷蓄積スーパーキャパシタセルは、適切には、１００サイクルの充電及び放電にわたって測定される３０オーム未満の等価直列抵抗（ＥＳＲ）、１００ファラッド毎グラムよりも大きい比静電容量、及び、３．５ボルトの動作電圧における６Ｗｈ／ｋｇよりも大きいエネルギー貯蔵容量を有する。

エネルギー貯蔵デバイスは、例えば、温度センサ、読み出しゲージ、制御チップなどの、マトリックスに埋め込まれる他の構成要素を有してもよい。

本発明のエネルギー貯蔵デバイスは、例えば家財道具又は産業ロボットなど、可搬性電力源を必要とする任意のアイテムに対する構成要素又はハウジングとして適用することができる。本発明の別の好ましい実施形態において、少なくとも１つがナノカーボン構成要素、イオン透過膜及び電解質を含む複数の電極から構成される少なくとも１つの電荷蓄積スーパーキャパシタセルを封入する又は当該少なくとも１つの電荷蓄積スーパーキャパシタセルに埋め込まれる、空気力学的に成形されている可撓性又は剛性要素を備えることを特徴とする、輸送車両の本体部分が提供される。１つの実施形態において、これらの本体部分は、シート及び空隙の複合体として作製され得る。別の実施形態において、それらの本体部分は、要素の少なくとも１つの外面に取り付けられるか又は埋め込まれ、電荷蓄積スーパーキャパシタセルと電気的に接触する少なくとも１つの光電池をさらに備えてもよい。光電池（複数可）は、シリコンパネル、可撓性マトリックスに埋め込まれているシリコン太陽電池のアレイ、可撓性又は剛性又は可撓性有機光電池であることが適切である。また別の実施形態において、本体部分の外面は、電気絶縁体内にコーティングされるか、又は、同じ効果を達成するためにラッカー塗装され得る。

別の実施形態において、本体部分は、別の相補的な本体部分又は輸送車両の電気構成要素に電気的に接続するための１つ又は複数のコネクタをさらに備えることができる。コネクタは、例えば、隣り合う他の本体部分の縁部又は周縁の周りに配置される、協働するプラグコネクタを含んでもよい。１つの実施形態において、これらの本体部分はまた、電荷蓄積スーパーキャパシタセル及び／若しくは他の電気構成要素（例えば、リチウムイオン電池、表示手段、スイッチなど）を含んでもよく、又は、単純に、電気配線若しくは他の回路を担持してもよい。

必要な空気力学的特性を達成するために、本体部分又はその１つ若しくは複数の構成要素は、既知の数学的アルゴリズム又は理論に従って算出される複雑な曲線形態を達成するために熱と圧力との組み合わせを使用して型の中で成型することができる。本体部分は、０．７５未満、好ましくは０．５未満、例えば、０．７５〜０．２の範囲内、好ましくは０．５〜０．２の範囲内の抵抗係数を有することが適切である。

上述したタイプの本体部分は、自動車、トラック、バス、航空機、ヘリコプタ、ＵＰＶ、列車、他の大量輸送車両などのような輸送車両の有用な構成要素である。

ここで、本発明によるエネルギー貯蔵デバイスの製造及び試験を、以下のプロトコル及び試験結果を参照しながら説明する。

スーパーキャパシタセルを埋め込まれている炭素繊維パネルの製造
一対の２００ｍｍ×２００ｍの正方形の炭素繊維マトリックスパネルを入手し、各々の一方の側で、未処理の対称境界によって境界される１８０ｍｍ×１８０ｍｍの中央領域を摩耗させて、導電性炭素繊維要素を露出させた。その後、各パネルの外側から中央領域へと穴を空け、真鍮鋲を挿入してセルの端子を形成した。その後、各鋲の周囲の摩耗領域を、銀含有インクで塗装した。その後、境界をマスキングし、ナノカーボン含有電極インクを、マスキングされていない摩耗領域に施与して、電極層を生成した。いくつかの実施形態において、摩耗領域を最初に、ニッケルを用いて電気めっきした。その後、最終的なコーティングパネルをオーブンで乾燥させ、その後、マスキングを外した。

マスキングを外されたパネルを、次に、それらの摩耗されていない境界の周囲を接着する（任意選択的に、スペーサを組み込み、封止されていない電解質入口を残す）ことによって、ともに封止し、結果、電極表面が、事前にパネルの間に挿入していたガラス繊維布などの透過膜のいずれかの側で互いに向き合って並置された。これによって、約３０ｍｌ容量の空のスーパーキャパシタパウチセルが製造された。さらに硬化した後、空のセルを、電気的短絡の可能性について試験紙、試験を通過したセルに、一定分量のイオン液体ＥＭＩＭ ＴＦＳＩを充填した。その後、電極にわたって１Ａにおいて３．２Ｖを印加することによって、充填されたセルを調整して、ガス放出を低減した。最終的に、入口を封止して、試験のためにセルの準備を整えた。

上述したプロトコルに使用するナノカーボン含有インクを調製するために、１５４ｇの脱イオン水をＳｉｌｖｅｒｓｏｎ高せん断ミキサに配置し、低速で攪拌した。その後、１．８ｇのカルボキシメチルセルロース（Ｃｅｌｌｏｇｅｎ ＷＳ−Ｃ）を、凝集形成を回避するためにゆっくりと添加した。添加が完了したとき、混合物を２時間にわたって激しく攪拌した。この時間の終わりに、１００マイクロメートルのメッシュフィルタを通じて溶液をろ過して、任意の微粒子を除去した。

その後、ろ過した溶液を再びミキサに配置し、さらに２時間攪拌しながら、１．８ｇのＳｕｐｅｒ Ｃ６５導電性カーボンブラックを添加した。この後、続いて、２２．５ｇのＹＰ５０活性炭（Ｋｕｒａｒａｙより入手）、０．０１５ｇのＥｌｉｃａｒｂ（登録商標）グラフェン（Ｔｈｏｍａｓ Ｓｗａｎｎ Ｌｉｍｉｔｅｄより入手）及び１．２ｇのＥｌｉｃａｒｂ（登録商標）多層カーボンナノチューブ（Ｔｈｏｍａｓ Ｓｗａｎｎ Ｌｉｍｉｔｅｄより入手）を、再びさらに２時間にわたって穏やかに攪拌する条件下で添加した。最後に、スチレンブタジエン結合剤（Ｔｉｍｉｃａｌ ＳＢＲ（商標））の３．６ｇの５０％水溶液を添加し、生成物をさらに２時間にわたって攪拌した。

最終的なインクの粘度を、Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ ＤＶ−ＩＩ粘度計を使用して測定し、２４．５℃において約１６，４００ＣＰであることが分かった。その最終的な固形分を、５００ｍｇの試料を乾燥させることによって測定すると、１３％であった。インク中の固体の重量組成は、カルボキシメチルセルロース６．２％、ＳＢＲ結合剤６．２％、導電性炭素６．２％、及び、活性炭＋グラフェン＋カーボンナノチューブ８１．４％であった。

これらの試験において、利用したイオン液体電解質はＥＭＩＭ ＴＦＳＩであったが、ＥＭＩＭテトラフルオロホウ酸塩、ＢＭＩＭ ＴＦＳＩ及びＢＭＩＭテトラフルオロホウ酸塩のような代替的な電解質が利用されてもよい。

パネル試験
上述したプロトコルに従って作成される炭素繊維パネル（平坦及び曲線）の様々な特性を複数の充放電サイクルにわたって測定し、結果を図面に示した。曲線パネルの場合、採用された形態は、６００ｍｍの外径及び３００ｍｍの内径を有する円錐曲線の一区画の形態であった。しかしながら、適切に成形された型が作製及び使用される場合には、数学的アルゴリズムを適用することによって生成されるより複雑な形状が可能である。

Claims (15)

1. 少なくとも１つがナノカーボン構成要素、イオン透過膜及び電解質を含む複数の電極から構成される電荷蓄積スーパーキャパシタセルを含み、前記セルが可撓性又は剛性マトリックスに埋め込まれている又は封入されていることを特徴とする、エネルギー貯蔵デバイス。
2. 前記ナノカーボン構成要素が、カーボンナノチューブ、グラフェン又はこれらの混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
3. 少なくとも１つの電極が、表面積の大きい活性炭を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
4. 前記電荷蓄積セルが、前記電極（複数可）及び前記電解質が含まれるポリマーパウチを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
5. マトリックスが、前記電解質を収容するための少なくとも１つの空隙を画定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
6. マトリックスが、ゲル又は高分子電解質の形態の前記電解質、前記電極、及び、構造的剛性又は可撓性をもたらすポリマー構成要素を含む複合構造であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
7. 前記マトリックスが水及び／又は酸素不透過性障壁層によってコーティングされることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
8. 剛性若しくは可撓性金属若しくはポリマーインサートを含むことによって、又は、自己支持電極及び／若しくはポリマー膜を利用することによって、前記マトリックスが補強されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
9. 前記電極が、織物の、不織の又は静電紡糸の布又はマットであり、前記マトリックスが高分子電解質から構成されることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
10. 前記剛性又は可撓性マトリックスが、炭素繊維マトリックスであり、その表面上の露出した炭素繊維が、前記電極の電流コレクタとして作用することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
11. 前記電荷蓄積スーパーキャパシタセルが、１００サイクルの充電及び放電にわたって測定される３０オーム未満の等価直列抵抗、１００ファラッド毎グラムよりも大きい比静電容量、及び、３．５ボルトの動作電圧における６Ｗｈ／ｋｇよりも大きいエネルギー貯蔵容量を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
12. 少なくとも１つがナノカーボン構成要素、イオン透過膜及び電解質を含む複数の電極から構成される少なくとも１つの電荷蓄積スーパーキャパシタセルを封入する又は当該少なくとも１つの電荷蓄積スーパーキャパシタセルに埋め込まれる、空気力学的に成形されている可撓性又は剛性要素を備えることを特徴とする、輸送車両の本体部分。
13. 前記要素の少なくとも１つの表面に取り付けられる又は当該少なくとも１つの表面内に配置され、前記電荷蓄積スーパーキャパシタセルと電気的に接触する少なくとも１つの光電池をさらに備える、請求項１２に記載の輸送車両の本体部分。
14. 別の本体部分又は前記輸送車両の電気構成要素に電気的に接続するためのコネクタをさらに備えることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の輸送車両の本体部分。
15. ０．７〜０．２の範囲内の抵抗係数を有することを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の輸送車両の本体部分。

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