JP2022177167A - 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
【課題】より高いエネルギー密度の貯蔵装置並びに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、方法及びプロトコルを提供する。【解決手段】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において、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。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。【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。
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。
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。
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。
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。
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335m
F/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。
F/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。
、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。
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。
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:
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。
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。
[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。
、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。以下に出願時の特許請求の範囲の記載を転記する。
[1]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。
[2]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。
[3]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。
[4]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。
[5]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。
[6]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。
[7]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。
[8]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。
[9]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。
[10]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。
[11]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。[12]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。
[13]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。
[14]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。
[15]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。
[16]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。
[17]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。
[18]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。
[19]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。
[20]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。
[21]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。
[22]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。
[23]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。
[24]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。
[25]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。
[26]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。
[27]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。
[28]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。
[29]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。
[30]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。
[1]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。
[2]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。
[3]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。
[4]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。
[5]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。
[6]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。
[7]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。
[8]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。
[9]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。
[10]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。
[11]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。[12]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。
[13]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。
[14]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。
[15]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。
[16]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。
[17]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。
[18]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。
[19]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。
[20]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。
[21]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。
[22]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。
[23]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。
[24]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。
[25]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。
[26]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。
[27]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。
[28]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。
[29]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。
[30]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。
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つ以上のレーザースクライビングによるチャネルを含み、前記1つ以上のレーザースクライビングによるチャネルが約50ナノメートル~約100マイクロメートルの細孔サイズを有する、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つ以上のレーザースクライビングによるチャネルが、約50ナノメートル~約50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、約50ナノメートル~約100マイクロメートルの細孔サイズを有する1つ以上のチャネルを前記活性炭系電極内に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50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つ以上のレーザースクライビングによるチャネルを含み、前記1つ以上のレーザースクライビングによるチャネルが約50ナノメートル~約100マイクロメートルの細孔サイズを有する、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つ以上のレーザースクライビングによるチャネルが、約50ナノメートル~約50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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