JP2023120272A - 水性電気化学エネルギー貯蔵デバイスのための電極及び電解質 - Google Patents

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B Kaner Richard
カバノー，ジャック
Kavanaugh Jack
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Abstract

【課題】水性のエネルギー貯蔵デバイスであり、大きな比キャパシタンスを有していて著しく大きな電圧で動作する対称スーパーキャパシタ、磁鉄鉱ナノ粒子を含む炭素系電極及び酸化還元電解質を含む高エネルギー貯蔵デバイス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】スーパーキャパシタなどの高エネルギー貯蔵デバイスにおいて使用し得る、高エネルギー密度のファラデー材料を有した炭素系電極と、酸化還元（レドックス）電解質と、を含むエネルギー貯蔵デバイスであって、炭素系電極は、高エネルギー密度の磁鉄鉱ナノ粒子を含み、酸化還元電解質は、フェリシアニド／フェロシアニド酸化還元ペアを含む。【選択図】なし

Description

［関連出願］
本出願は、２０１７年６月１４日付けで提出された米国仮特許出願シリアル番号第６２／５１９，２２５号に基づく優先権を享受するものであり、この文献の開示内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
非常に迅速にかつ非常に効率的にエネルギーを貯蔵したり放出したりし得るエネルギー貯蔵デバイスが要望されている。スーパーキャパシタなどのいくつかのエネルギー貯蔵デバイスは、非水性電解質（典型的には、アセトニトリル）を含浸させた活性炭電極を特徴とするとともに、２．２Ｖ～２．７Ｖという電圧で動作する。残念ながら、活性炭は、有機電解質中では小さな比キャパシタンスを有し得るものであり、このため、エネルギー貯蔵デバイスのエネルギー密度を、深刻なまでに制限してしまう。加えて、有機溶媒は、多くの場合、可燃性であり、安全面及び環境面において懸念をもたらす。これに対し、水性電解質は、より安全でありかつより安価であり、より大きなイオン伝導率を有していて、より大きなキャパシタンスを有した電極を期待できる。バッテリ、スーパーキャパシタ、及びマイクロスーパーキャパシタなどのエネルギー貯蔵デバイスに関して、高性能で水性のものが要望される。
本開示は、水性のエネルギー貯蔵デバイスを提供する。いくつかの実施形態においては、水性エネルギー貯蔵デバイスは、大きな比キャパシタンスを有していて著しく大きな電圧で動作する対称スーパーキャパシタを含む。いくつかの実施形態においては、スーパーキャパシタの電極及び電解質は、電極のキャパシタンスを改良するに留まらず、スーパーキャパシタの電圧及びサイクル安定性までも改良するように、相乗的に動作する。
いくつかの実施形態においては、水性エネルギー貯蔵デバイスは、マイクロスーパーキャパシタを含む。電子機器の小型化に関して大きな潜在能力を有したマイクロスーパーキャパシタの製造方法もまた開示される。
本開示は、電極材料の合理的な設計を通して、高性能で水性の、バッテリ、スーパーキャパシタ、及びマイクロスーパーキャパシタなどのエネルギーデバイスを設計及び製造するための効果的な戦略を提供する。いくつかの実施形態においては、本明細書において開示される電極は、高エネルギー密度の磁鉄鉱ナノ粒子が三次元形態のグラフェンとハイブリッド化し得るように、そしてこれにより、エネルギー貯蔵にとって理想的であるような、大きな表面積と大きな電子伝導性とを有した電極であるとともに高エネルギー密度のファラデー材料を大きな含有量で有した電極をもたらし得るように、注意深く設計された。いくつかの実施形態においては、ハイブリッド電極は、機能的な酸化還元（レドックス）電解質と組み合わされることにより、著しく大きなエネルギー密度を有した酸化還元スーパーキャパシタを作り出した。本開示は、エネルギー貯蔵デバイスの電圧ウィンドウ及び電荷蓄積能力を増大させるための、正電極及び負電極の設計、及び、酸化還元電解質の利用を提供する。
本明細書において提供される一態様は、２つ以上の電極と、酸化還元活性電解質と、を含むエネルギー貯蔵デバイスであって、２つ以上の電極のうちの少なくとも１つの電極は、炭素質材料と、ファラデー材料あるいはキャパシタ的材料あるいは擬似キャパシタ的材料と、を含む。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、バッテリ、スーパーキャパシタ、及び／又は、マイクロスーパーキャパシタである。
いくつかの実施形態においては、炭素質材料は、相互接続された波状炭素系ネットワークを含む。いくつかの実施形態においては、炭素質材料は、レーザスクライブされたグラフェン（laser-scribed graphene、ＬＳＧ）を含む。
いくつかの実施形態においては、ファラデー材料、キャパシタ的材料又は擬似キャパシタ的材料は、金属ナノ粒子を含む。いくつかの実施形態においては、金属ナノ粒子は、金属酸化物粒子を含む。いくつかの実施形態においては、金属酸化物粒子は、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、又は、これらの任意の組合せを含む。いくつかの実施形態においては、金属酸化物粒子は、磁鉄鉱を含む。
いくつかの実施形態においては、酸化還元活性電解質は、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、又は、これらの組合せを含む。いくつかの実施形態においては、酸化還元活性電解質は、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、又は、これらの任意の組合せを含む。いくつかの実施形態においては、酸化還元活性電解質は、第二鉄カチオンを含む。いくつかの実施形態においては、酸化還元活性電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－を含む。いくつかの実施形態においては、酸化還元活性電解質は、水溶液を含む。いくつかの実施形態においては、水溶液は、硫酸イオンを含む。いくつかの実施形態においては、水溶液は、ナトリウムイオンを含む。いくつかの実施形態においては、水溶液は、Ｎａ２ＳＯ４を含む。いくつかの実施形態においては、酸化還元活性電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－とＮａ２ＳＯ４とを含む。
いくつかの実施形態においては、炭素質材料は、ＬＳＧを含み、ファラデー材料、キャパシタ的材料又は擬似キャパシタ的材料は、磁鉄鉱を含み、そして、酸化還元活性電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－とＮａ２ＳＯ４とを含む。
いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの電極は、約２０％～約８０％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの電極は、少なくとも約２０％、少なくとも約２５％、少なくとも約３０％、少なくとも約３５％、少なくとも約４０％、少なくとも約４５％、少なくとも約５０％、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、又は、少なくとも約７０％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの電極は、最大で約２５％、最大で約３０％、最大で約３５％、最大で約４０％、最大で約４５％、最大で約５０％、最大で約５５％、最大で約６０％、最大で約７０％、又は、最大で約８０％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの電極は、約２０％～約２５％、約２０％～約３０％、約２０％～約３５％、約２０％～約４０％、約２０％～約４５％、約２０％～約５０％、約２０％～約５５％、約２０％～約６０％、約２０％～約７０％、約２０％～約８０％、約２５％～約３０％、約２５％～約３５％、約２５％～約４０％、約２５％～約４５％、約２５％～約５０％、約２５％～約５５％、約２５％～約６０％、約２５％～約７０％、約２５％～約８０％、約３０％～約３５％、約３０％～約４０％、約３０％～約４５％、約３０％～約５０％、約３０％～約５５％、約３０％～約６０％、約３０％～約７０％、約３０％～約８０％、約３５％～約４０％、約３５％～約４５％、約３５％～約５０％、約３５％～約５５％、約３５％～約６０％、約３５％～約７０％、約３５％～約８０％、約４０％～約４５％、約４０％～約５０％、約４０％～約５５％、約４０％～約６０％、約４０％～約７０％、約４０％～約８０％、約４５％～約５０％、約４５％～約５５％、約４５％～約６０％、約４５％～約７０％、約４５％～約８０％、約５０％～約５５％、約５０％～約６０％、約５０％～約７０％、約５０％～約８０％、約５５％～約６０％、約５５％～約７０％、約５５％～約８０％、約６０％～約７０％、約６０％～約８０％、又は、約７０％～約８０％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの電極は、約２０％、約２５％、約３０％、約３５％、約４０％、約４５％、約５０％、約５５％、約６０％、約７０％、又は、約８０％という磁鉄鉱含有量を有している。
いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの電極は、磁気モーメントを保有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約０．９Ｖ～約３Ｖという動作電圧を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも約０．９Ｖ、少なくとも約１Ｖ、少なくとも約１．２５Ｖ、少なくとも約１．５Ｖ、少なくとも約１．７５Ｖ、少なくとも約２Ｖ、少なくとも約２．２５Ｖ、少なくとも約２．５Ｖ、少なくとも約２．７５Ｖ、あるいは、少なくとも約３Ｖ、という動作電圧を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、最大で約０．９Ｖ、最大で約１Ｖ、最大で約１．２５Ｖ、最大で約１．５Ｖ、最大で約１．７５Ｖ、最大で約２Ｖ、最大で約２．２５Ｖ、最大で約２．５Ｖ、最大で約２．７５Ｖ、又は、最大で約３Ｖという動作電圧を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約０．９Ｖ～約１Ｖ、約０．９Ｖ～約１．２５Ｖ、約０．９Ｖ～約１．５Ｖ、約０．９Ｖ～約１．７５Ｖ、約０．９Ｖ～約２Ｖ、約０．９Ｖ～約２．２５Ｖ、約０．９Ｖ～約２．５Ｖ、約０．９Ｖ～約２．７５Ｖ、約０．９Ｖ～約３Ｖ、約１Ｖ～約１．２５Ｖ、約１Ｖ～約１．５Ｖ、約１Ｖ～約１．７５Ｖ、約１Ｖ～約２Ｖ、約１Ｖ～約２．２５Ｖ、約１Ｖ～約２．５Ｖ、約１Ｖ～約２．７５Ｖ、約１Ｖ～約３Ｖ、約１．２５Ｖ～約１．５Ｖ、約１．２５Ｖ～約１．７５Ｖ、約１．２５Ｖ～約２Ｖ、約１．２５Ｖ～約２．２５Ｖ、約１．２５Ｖ～約２．５Ｖ、約１．２５Ｖ～約２．７５Ｖ、約１．２５Ｖ～約３Ｖ、約１．５Ｖ～約１．７５Ｖ、約１．５Ｖ～約２Ｖ、約１．５Ｖ～約２．２５Ｖ、約１．５Ｖ～約２．５Ｖ、約１．５Ｖ～約２．７５Ｖ、約１．５Ｖ～約３Ｖ、約１．７５Ｖ～約２Ｖ、約１．７５Ｖ～約２．２５Ｖ、約１．７５Ｖ～約２．５Ｖ、約１．７５Ｖ～約２．７５Ｖ、約１．７５Ｖ～約３Ｖ、約２Ｖ～約２．２５Ｖ、約２Ｖ～約２．５Ｖ、約２Ｖ～約２．７５Ｖ、約２Ｖ～約３Ｖ、約２．２５Ｖ～約２．５Ｖ、約２．２５Ｖ～約２．７５Ｖ、約２．２５Ｖ～約３Ｖ、約２．５Ｖ～約２．７５Ｖ、約２．５Ｖ～約３Ｖ、又は、約２．７５Ｖ～約３Ｖという動作電圧を有している。エネルギー貯蔵デバイスは、約０．９Ｖ、約１Ｖ、約１．２５Ｖ、約１．５Ｖ、約１．７５Ｖ、約２Ｖ、約２．２５Ｖ、約２．５Ｖ、約２．７５Ｖ、又は、約３Ｖという動作電圧を有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約１５０ファラッド／グラム（Ｆ／ｇ）～約１，４００Ｆ／ｇという比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも約１５０Ｆ／ｇという比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、最大で約１，４００Ｆ／ｇという比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約１５０Ｆ／ｇ～約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約６００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約８００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約８００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約８００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ～約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ～約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ～約８００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ～約６００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ～約８００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ～約８００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約８００Ｆ／ｇ～約１，０００Ｆ／ｇ、約８００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約８００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ～約１，２００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、あるいは、約１，２００Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇ、という比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約１５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ、約８００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ、約１，２００Ｆ／ｇ、又は、約１，４００Ｆ／ｇという比キャパシタンスを有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約４５ワット時／キログラム（Ｗｈ／ｋｇ）～約２５０Ｗｈ／ｋｇというエネルギー密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも約４５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約５０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約７５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約１００Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約１２５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約１５０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約１７５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約２００Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも約２２５Ｗｈ／ｋｇ、又は、少なくとも約２５０Ｗｈ／ｋｇというエネルギー密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、最大で約４５Ｗｈ／ｋｇ、最大で約５０Ｗｈ／ｋｇ、最大で約７５Ｗｈ／ｋｇ、最大で約１００Ｗｈ／ｋｇ、最大で約１２５Ｗｈ／ｋｇ、最大で約１５０Ｗｈ／ｋｇ、最大で約１７５Ｗｈ／ｋｇ、最大で約２００Ｗｈ／ｋｇ、最大で約２２５Ｗｈ／ｋｇ、又は、最大で約２５０Ｗｈ／ｋｇというエネルギー密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約５０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約７５Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約１２５Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約１５０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約７５Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約１２５Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約１５０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約１００Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約１２５Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約１５０Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ～約１２５Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ～約１５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ～約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１２５Ｗｈ／ｋｇ～約１５０Ｗｈ／ｋｇ、約１２５Ｗｈ／ｋｇ～約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約１２５Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約１２５Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約１２５Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１５０Ｗｈ／ｋｇ～約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約１５０Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約１５０Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約１５０Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１７５Ｗｈ／ｋｇ～約２００Ｗｈ／ｋｇ、約１７５Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約１７５Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約２００Ｗｈ／ｋｇ～約２２５Ｗｈ／ｋｇ、約２００Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇ、又は、約２２５Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇというエネルギー密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約４５Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ、約７５Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ、約１２５Ｗｈ／ｋｇ、約１５０Ｗｈ／ｋｇ、約１７５Ｗｈ／ｋｇ、約２００Ｗｈ／ｋｇ、約２２５Ｗｈ／ｋｇ、又は、約２５０Ｗｈ／ｋｇというエネルギー密度を有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約４５ワット／キログラム（Ｗ／ｋｇ）～約２００Ｗ／ｋｇという電力密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも約４５Ｗ／ｋｇ、少なくとも約５０Ｗ／ｋｇ、少なくとも約７５Ｗ／ｋｇ、少なくとも約１００Ｗ／ｋｇ、少なくとも約１２５Ｗ／ｋｇ、少なくとも約１５０Ｗ／ｋｇ、約１７５Ｗ／ｋｇ、又は、約２００Ｗ／ｋｇという電力密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、最大で約４５Ｗ／ｋｇ、最大で約５０Ｗ／ｋｇ、最大で約７５Ｗ／ｋｇ、最大で約１００Ｗ／ｋｇ、最大で約１２５Ｗ／ｋｇ、最大で約１５０Ｗ／ｋｇ、最大で約１７５Ｗ／ｋｇ、又は、最大で約２００Ｗ／ｋｇという電力密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約４５Ｗ／ｋｇ～約５０Ｗ／ｋｇ、約４５Ｗ／ｋｇ～約７５Ｗ／ｋｇ、約４５Ｗ／ｋｇ～約１００Ｗ／ｋｇ、約４５Ｗ／ｋｇ～約１２５Ｗ／ｋｇ、約４５Ｗ／ｋｇ～約１５０Ｗ／ｋｇ、約４５Ｗ／ｋｇ～約１７５Ｗ／ｋｇ、約４５Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ～約７５Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ～約１００Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ～約１２５Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ～約１５０Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ～約１７５Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇ、約７５Ｗ／ｋｇ～約１００Ｗ／ｋｇ、約７５Ｗ／ｋｇ～約１２５Ｗ／ｋｇ、約７５Ｗ／ｋｇ～約１５０Ｗ／ｋｇ、約７５Ｗ／ｋｇ～約１７５Ｗ／ｋｇ、約７５Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇ、約１００Ｗ／ｋｇ～約１２５Ｗ／ｋｇ、約１００Ｗ／ｋｇ～約１５０Ｗ／ｋｇ、約１００Ｗ／ｋｇ～約１７５Ｗ／ｋｇ、約１００Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇ、約１２５Ｗ／ｋｇ～約１５０Ｗ／ｋｇ、約１２５Ｗ／ｋｇ～約１７５Ｗ／ｋｇ、約１２５Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇ、約１５０Ｗ／ｋｇ～約１７５Ｗ／ｋｇ、約１５０Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇ、又は、約１７５Ｗ／ｋｇ～約２００Ｗ／ｋｇという電力密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約４５Ｗ／ｋｇ、約５０Ｗ／ｋｇ、約７５Ｗ／ｋｇ、約１００Ｗ／ｋｇ、約１２５Ｗ／ｋｇ、約１５０Ｗ／ｋｇ、約１７５Ｗ／ｋｇ、又は、約２００Ｗ／ｋｇという電力密度を有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、約９３Ｗｈ／ｋｇという電力密度を有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、８ミリアンペア／平方センチメートル（ｍＡｃｍ－２）において、約１４８９Ｆｇ－１（５７０ｍＦｃｍ－２）という比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶｓ－１という走査速度において、約２５．６ファラッド／立方センチメートル（Ｆｃｍ－３；７１６Ｆｇ－１電極）という比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、３００ｍＶｓ－１という大きな走査速度において、約１９．２Ｆｃｍ－３（５３５Ｆｇ－１電極）という比キャパシタンスを有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、ＬＳＧ及び磁鉄鉱を含む少なくとも１つの電極を含む。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１１４Ｆ／ｇ、約８７．２ｍＦ／ｃｍ２、及び／又は、約１２．０Ｆ／ｃｍ３という比キャパシタンスを有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約７２．５Ｗｈ／ｋｇ、及び／又は、約０．００７６５Ｗｈ／ｃｍ３というエネルギー密度を有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、３００ｍＶ／ｓという走査速度において、３９．６キロワット／キログラム（ｋＷ／ｋｇ）、及び／又は、４．１８Ｗ／ｃｍ３という電力密度を有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、ＬＳＧ及び磁鉄鉱を含む少なくとも１つの電極と、酸化還元活性電解質と、を含む。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１７８．９Ｆ／ｇ、約１８６．１ｍＦ／ｃｍ２、及び／又は、約２５．６Ｆ／ｃｍ３という比キャパシタンスを有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１２１．５Ｗｈ／ｋｇ、及び／又は、約０．０１７４Ｗｈ／ｃｍ３というエネルギー密度を有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、３００ｍＶ／ｓという走査速度において、５５．９ｋＷ／ｋｇ、及び／又は、８．０３Ｗ／ｃｍ３という電力密度を有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、ＬＳＧ及び磁鉄鉱を含む少なくとも１つの電極と、酸化還元活性電解質と、を含む。さらなる実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１７８．９Ｆ／ｇ、約１８６．１ｍＦ／ｃｍ２、及び／又は、約２５．６Ｆ／ｃｍ３という比キャパシタンスを有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１２１．５Ｗｈ／ｋｇ、及び／又は、約０．０１７４Ｗｈ／ｃｍ３というエネルギー密度を有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、３００ｍＶ／ｓという走査速度において、５５．９ｋＷ／ｋｇ、及び／又は、８．０３Ｗ／ｃｍ３という電力密度を有している。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、ＬＳＧ及び磁鉄鉱を含む少なくとも１つの電極と、酸化還元活性電解質と、を含む。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１７８．９Ｆ／ｇ、約１８６．１ｍＦ／ｃｍ２、及び／又は、約２５．６Ｆ／ｃｍ３という比キャパシタンスを有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、２０ｍＶ／ｓという走査速度において、約１２１．５Ｗｈ／ｋｇ、及び／又は、約０．０１７４Ｗｈ／ｃｍ３というエネルギー密度を有している。さらなる実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、３００ｍＶ／ｓという走査速度において、５５．９ｋＷ／ｋｇ、及び／又は、８．０３Ｗ／ｃｍ３という電力密度を有している。
一態様においては、本開示は、炭素質材料と金属ナノ粒子とを含む電極を、本明細書において提供する。いくつかの実施形態においては、炭素質材料は、相互接続された波状炭素系ネットワーク、ＬＳＧ、セルラー（cellular）グラフェン膜、多孔性のグラフェンフレームワーク、三次元グラフェンフレームワーク、溶媒和グラフェンフレームワーク、又は、これらの任意の組合せを含む。
いくつかの実施形態においては、炭素質材料は、ＬＳＧを含み、金属ナノ粒子は、磁鉄鉱を含む。
いくつかの実施形態においては、金属ナノ粒子は、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、又は、これらの任意の組合せを含む。いくつかの実施形態においては、電極は、ＬＳＧ及び磁鉄鉱を含む。
いくつかの実施形態においては、電極は、約４０％～約８５％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、電極は、少なくとも４０％、少なくとも約４５％、少なくとも約５０％、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、又は、少なくとも約８５％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、電極は、最大で４０％、最大で約４５％、最大で約５０％、最大で約５５％、最大で約６０％、最大で約６５％、最大で約７０％、最大で約７５％、最大で約８０％、又は、最大で約８５％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、電極は、約４０％～約４５％、約４０％～約５０％、約４０％～約５５％、約４０％～約６０％、約４０％～約６５％、約４０％～約７０％、約４０％～約７５％、約４０％～約８０％、約４０％～約８５％、約４５％～約５０％、約４５％～約５５％、約４５％～約６０％、約４５％～約６５％、約４５％～約７０％、約４５％～約７５％、約４５％～約８０％、約４５％～約８５％、約５０％～約５５％、約５０％～約６０％、約５０％～約６５％、約５０％～約７０％、約５０％～約７５％、約５０％～約８０％、約５０％～約８５％、約５５％～約６０％、約５５％～約６５％、約５５％～約７０％、約５５％～約７５％、約５５％～約８０％、約５５％～約８５％、約６０％～約６５％、約６０％～約７０％、約６０％～約７５％、約６０％～約８０％、約６０％～約８５％、約６５％～約７０％、約６５％～約７５％、約６５％～約８０％、約６５％～約８５％、約７０％～約７５％、約７０％～約８０％、約７０％～約８５％、約７５％～約８０％、約７５％～約８５％、又は、約８０％～約８５％という磁鉄鉱含有量を有している。いくつかの実施形態においては、電極は、約４０％、約４５％、約５０％、約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、又は、約８５％という磁鉄鉱含有量を有している。
いくつかの実施形態においては、電極は、約２０ミリボルト／秒（ｍＶｓ－１）という走査速度において、約２６４ミリファラッド／平方センチメートル（ｍＦｃｍ－２；約６９１ファラッド／グラム［Ｆｇ－１］）という、負電圧ウィンドウ内での面積あたりの比キャパシタンスを有している。いくつかの実施形態においては、電極は、約２０ｍＶｓ－１という走査速度において、約１３７ｍＦｃｍ－２（約３５７Ｆｇ－１）という、正電圧ウィンドウ内での面積あたりの比キャパシタンスを有している。
負電圧ウィンドウ内におけるＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の面積あたりの比キャパシタンスは、約２０ｍＶｓ－１という走査速度において、約２６４ｍＦｃｍ－２（約６９１Ｆｇ－１）であり、正電圧ウィンドウ内におけるＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の面積あたりの比キャパシタンスは、約２０ｍＶｓ－１という走査速度において、約１３７ｍＦｃｍ－２（約３５７Ｆｇ－１）である。
本明細書において提供される他の態様は、電極を製造するための方法であり、この方法は、炭素系酸化物及び金属塩を含む溶液を超音波処理することと、炭素系酸化物及び金属塩を含む溶液を基板上に配置することと、基板を乾燥させることによって、炭素系酸化物及び金属塩を含む乾燥膜を作製することと、乾燥膜の一部を光に曝すことによって、炭素系酸化物を還元しかつ金属塩を酸化することと、を含む。いくつかの実施形態においては、炭素系酸化物は、酸化グラフェンである。いくつかの実施形態においては、金属塩は、鉄（Ｆｅ）を含む。いくつかの実施形態においては、金属塩は、塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を含む。
いくつかの実施形態においては、炭素系酸化物は、酸化グラフェンである。いくつかの実施形態においては、酸化グラフェンの濃度は、約１グラム／リットル（ｇ／Ｌ）～約５ｇ／Ｌである。いくつかの実施形態においては、酸化グラフェンの濃度は、少なくとも約１ｇ／Ｌである。いくつかの実施形態においては、酸化グラフェンの濃度は、最大で約５ｇ／Ｌである。いくつかの実施形態においては、酸化グラフェンの濃度は、約１ｇ／Ｌ～
約１．５ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約２ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約２．５ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約３ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約３．５ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約４ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約１ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約２ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約２．５ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約３ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約３．５ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約４ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約１．５ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、約２ｇ／Ｌ～約２．５ｇ／Ｌ、約２ｇ／Ｌ～約３ｇ／Ｌ、約２ｇ／Ｌ～約３．５ｇ／Ｌ、約２ｇ／Ｌ～約４ｇ／Ｌ、約２ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約２ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、約２．５ｇ／Ｌ～約３ｇ／Ｌ、約２．５ｇ／Ｌ～約３．５ｇ／Ｌ、約２．５ｇ／Ｌ～約４ｇ／Ｌ、約２．５ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約２．５ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、約３ｇ／Ｌ～約３．５ｇ／Ｌ、約３ｇ／Ｌ～約４ｇ／Ｌ、約３ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約３ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、約３．５ｇ／Ｌ～約４ｇ／Ｌ、約３．５ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約３．５ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、約４ｇ／Ｌ～約４．５ｇ／Ｌ、約４ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌ、又は、約４．５ｇ／Ｌ～約５ｇ／Ｌである。
いくつかの実施形態においては、金属塩は、鉄（Ｆｅ）を含む。いくつかの実施形態においては、金属塩は、塩化鉄、硫酸アンモニウム鉄（II）六水和物、ジクロロテトラキス（ピリジン）鉄、臭化鉄（II）、塩化鉄（II）、塩化鉄（II）四水和物、フッ化鉄（II）、モリブデン酸鉄（II）、シュウ酸鉄（II）二水和物、過塩素酸鉄（II）水和物、硫酸鉄（II）水和物、四フッ化ホウ酸鉄（II）六水和物、臭化鉄（III）、フッ化鉄（III）、硝酸鉄（III）九水和物、シュウ酸鉄（III）六水和物、リン酸鉄（III）四水和物、ピロリン酸鉄（III）可溶性結晶、硫酸鉄（III）水和物、ヘキサシアノ鉄（II）酸カリウム三水和物、又はは、これらの任意の組合せを含む。いくつかの実施形態においては、金属塩は、塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を含む。
いくつかの実施形態においては、基板は、金によってスパッタリングされたポリイミドを含む。いくつかの実施形態においては、基板は、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、鋼、又はは、これらの組合せを含む。いくつかの実施形態においては、基板は、炭素基板を含む。いくつかの実施形態においては、基板は、グラファイトである。
いくつかの実施形態においては、基板の乾燥は、約２０℃～約１００℃という温度で起こる。いくつかの実施形態においては、基板の乾燥は、少なくとも約２０℃という温度で起こる。いくつかの実施形態においては、基板の乾燥は、最大で約１００℃という温度で起こる。いくつかの実施形態においては、基板の乾燥は、約２０℃～約３０℃、約２０℃～約４０℃、約２０℃～約５０℃、約２０℃～約６０℃、約２０℃～約７０℃、約２０℃～約８０℃、約２０℃～約９０℃、約２０℃～約１００℃、約３０℃～約４０℃、約３０℃～約５０℃、約３０℃～約６０℃、約３０℃～約７０℃、約３０℃～約８０℃、約３０℃～約９０℃、約３０℃～約１００℃、約４０℃～約５０℃、約４０℃～約６０℃、約４０℃～約７０℃、約４０℃～約８０℃、約４０℃～約９０℃、約４０℃～約１００℃、約５０℃～約６０℃、約５０℃～約７０℃、約５０℃～約８０℃、約５０℃～約９０℃、約５０℃～約１００℃、約６０℃～約７０℃、約６０℃～約８０℃、約６０℃～約９０℃、約６０℃～約１００℃、約７０℃～約８０℃、約７０℃～約９０℃、約７０℃～約１００℃、約８０℃～約９０℃、約８０℃～約１００℃、又は、約９０℃～約１００℃という温度で起こる。
いくつかの実施形態においては、光は、約０．０１マイクロメートル（μｍ）～約１００μｍという波長を有している。いくつかの実施形態においては、光は、少なくとも約０．０１μｍという波長を有している。いくつかの実施形態においては、光は、最大で約１００μｍという波長を有している。いくつかの実施形態においては、光は、約０．０１μｍ～約０．０５μｍ、約０．０１μｍ～約０．１μｍ、約０．０１μｍ～約０．５μｍ、約０．０１μｍ～約１μｍ、約０．０１μｍ～約１０μｍ、約０．０１μｍ～約５０μｍ、約０．０１μｍ～約１００μｍ、約０．０５μｍ～約０．１μｍ、約０．０５μｍ～約０．５μｍ、約０．０５μｍ～約１μｍ、約０．０５μｍ～約１０μｍ、約０．０５μｍ～約５０μｍ、約０．０５μｍ～約１００μｍ、約０．１μｍ～約０．５μｍ、約０．１μｍ～約１μｍ、約０．１μｍ～約１０μｍ、約０．１μｍ～約５０μｍ、約０．１μｍ～約１００μｍ、約０．５μｍ～約１μｍ、約０．５μｍ～約１０μｍ、約０．５μｍ～約５０μｍ、約０．５μｍ～約１００μｍ、約１μｍ～約１０μｍ、約１μｍ～約５０μｍ、約１μｍ～約１００μｍ、約１０μｍ～約５０μｍ、約１０μｍ～約１００μｍ、又は、約５０μｍ～約１００μｍという波長を有している。
いくつかの実施形態においては、光は、レーザから放出される。さらなる実施形態においては、レーザは、７ワット（Ｗ）の炭酸ガス（ＣＯ２）レーザである。
いくつかの実施形態においては、製造方法は、乾燥膜を脱イオン水で洗浄することをさらに含む。
いくつかの実施形態においては、エネルギー貯蔵デバイスは、バッテリ、スーパーキャパシタ、及び／又は、マイクロスーパーキャパシタである。
他の態様においては、本開示は、本明細書に記載の電極の製造方法を使用して、微細構造電極を製造するための方法を提供する。いくつかの実施形態においては、微細構造電極を製造するための方法は、炭素系酸化物及び金属塩を含む溶液を超音波処理することと、炭素系酸化物及び金属塩を含む溶液を基板上に配置することと、基板を乾燥させることによって、炭素系酸化物及び金属塩を含む乾燥膜を作製することと、乾燥膜の一部を光に曝すことによって、炭素系酸化物を還元しかつ金属塩を酸化することと、乾燥膜を脱イオン水で洗浄することと、乾燥膜を有した基板を光によってパターニングすることと、を含む。
いくつかの実施形態においては、パターニングは、６個のものが交互嵌合してなる１つの電極パターンを作製することを含む。いくつかの実施形態においては、パターニングは、レーザから放出された光を使用することを含む。いくつかの実施形態においては、レーザは、２４ＷのＣＯ２レーザである。
本開示の様々な特徴点は、添付の特許請求の範囲に、詳細に記載されている。本開示の様々な特徴点及び利点のより良い理解は、本開示の原理が利用される例示的な実施形態を記載した以下の詳細な説明を参照することにより、また、添付図面又は図（本明細書においては、また、「図」（“FIG.”及び“FIGs.”）とも称す）を参照することにより、得
られるであろう。
図１は、いくつかの実施形態による、レーザスクライブされたグラフェン（ＬＳＧ）／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体電極のための例示的な方法の概略的な図を示す。 図２Ａは、いくつかの実施形態による、酸化グラフェン（graphene oxide、ＧＯ）の脱酸素化に関する熱重量分析（ＴＧＡ）測定及び示差熱分析（ＤＴＡ）測定を示す。 図２Ｂは、ＦｅＣｌ３からの酸化鉄の形成に関するＴＧＡ測定及びＤＴＡ測定を示す。 図２Ｃは、自発的で同時的な、ＧＯから還元型ＧＯ（reduced ＧＯ、ｒ－ＧＯ）への還元とＦｅＣｌ３から酸化鉄への酸化とに関する、ＴＧＡ測定及びＤＴＡ測定を示す。 図３Ａは、いくつかの実施形態による、ＬＳＧ上で成長させた例示的なＦｅ３Ｏ４ナノ粒子に関する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。 図３Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関する高倍率ＳＥＭ画像を示す。 図３Ｃは、いくつかの実施形態による、図３Ｂの例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関する横断電磁（ＴＥＭ）画像を示す。 図３Ｄは、いくつかの実施形態による、ＬＳＧ複合体内の例示的なＦｅ３Ｏ４に関する制限視野電子回折パターンの高解像度ＴＥＭ画像を示す。 図３Ｅは、いくつかの実施形態による、図３Ｂの例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関するＸ線回折パターンを示す。 図３Ｆは、いくつかの実施形態による、外部磁場が無い場合と有る場合とについて、水溶液中に分散させた例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関する写真を示す。 図４Ａは、いくつかの実施形態による、プラスチック基板上の例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４膜に関する断面ＳＥＭ画像を示す。 図４Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なＦｅ３Ｏ４電極のｄ間隔に関する例示的な高解像度ＴＥＭ画像を示す。 図５は、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関するＴＧＡを示す。 図６Ａは、いくつかの実施形態による、５０ミリボルト／秒（ｍＶｓ－１）での、例示的なＬＳＧスーパーキャパシタに関しての、及び、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関しての、サイクリックボルタンメトリー（cyclic voltammetry、ＣＶ）曲線を示す。 図６Ｂは、いくつかの実施形態による、７０ｍＶｓ－１での、図６Ａの例示的なＬＳＧスーパーキャパシタ及びＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関しての、ＣＶ曲線を示す。 図７Ａは、１０ｍＶｓ－１、２０ｍＶｓ－１、３０ｍＶｓ－１、５０ｍＶｓ－１、７０ｍＶｓ－１、及び１００ｍＶｓ－１という様々な走査速度での、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中での例示的な３つのＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を備えたデバイスに関しての、負の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～－１．０Ｖ）におけるＣＶ曲線を示す。 図７Ｂは、１０ｍＶｓ－１、２０ｍＶｓ－１、３０ｍＶｓ－１、５０ｍＶｓ－１、７０ｍＶｓ－１、及び１００ｍＶｓ－１という様々な走査速度での、図７Ａのデバイスに関しての、正の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～０．８Ｖ）における同様のＣＶ曲線を示す。 図７Ｃは、様々な電流密度での、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関しての、負の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～－１．０Ｖ）における充放電（charge discharge、ＣＣ）曲線を示す。 図７Ｄは、様々な電流密度での、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関しての、正の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～０．８Ｖ）における同様のＣＣ曲線を示す。 図８Ａは、いくつかの実施形態による、酸化還元添加剤の非存在下において及び酸化還元添加剤の存在下において、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用した例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタを示す。 図８Ｂは、いくつかの実施形態による、５０ｍＶｓ－１という走査速度での、酸化還元添加剤の様々な濃度における、図８Ａの例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図８Ｃは、いくつかの実施形態による、８ｍＡｃｍ－２という電流密度での、酸化還元添加剤の様々な濃度における、図８Ａの例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図８Ｄは、いくつかの実施形態による、３電極構成において測定された、酸化還元添加剤の様々な濃度での、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中の例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関しての、活物質の面積あたりの比キャパシタンス及び質量あたりの比キャパシタンスと、電流密度と、の関係を示す。 図８Ｅは、いくつかの実施形態による、様々な電位領域で試験されたＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関しての、２０ｍＶｓ－１でのＣＶ曲線を示す。 図８Ｆは、酸化還元添加剤の非存在下において、及び、０．０２５Ｍの酸化還元添加剤の存在下において、負電極及び正電極に関して、１０ｍＶｓ－１という走査速度での、面積キャパシタンス及び電荷を示す。 図８Ｇは、いくつかの実施形態による、５０ｍＶｓ－１という走査速度での、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を含む例示的な対称スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図８Ｈは、いくつかの実施形態による、１２ｍＡｃｍ－２という電流密度での、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を含む例示的な対称スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図８Ｉは、いくつかの実施形態による、酸化還元添加剤の非存在下において、及び、０．０２５Ｍの酸化還元添加剤の存在下において、印加した電流密度の関数として、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を含む例示的な対称スーパーキャパシタに関する、面積キャパシタンス及びスタックキャパシタンスを示す。 図９Ａは、いくつかの実施形態による、１．０Ｖから１．８Ｖへと増加する電圧ウィンドウにおける、図６Ａの例示的なＬＳＧスーパーキャパシタ及びＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関しての、４ミリアンペア／平方センチメートル（ｍＡｃｍ－２）という電流密度における定電流ＣＣ曲線を示す。 図９Ｂは、いくつかの実施形態による、１００ｍＶｓ－１での、例示的なＬＳＧに関しての及び例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関しての、ＣＶ曲線を示す。 図１０Ａは、１００ｍＶｓ－１という走査速度での、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４水性電解質を使用した場合の、１．８Ｖまで測定された例示的な対称ＬＳＧスーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１０Ｂは、１００ｍＶｓ－１という走査速度での、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４水性電解質を使用した場合の、１．８Ｖまで測定された例示的なＦｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１１Ａは、いくつかの実施形態による、１０ｍＶｓ－１、２０ｍＶｓ－１、３０ｍＶｓ－１、５０ｍＶｓ－１、７０ｍＶｓ－１、及び１００ｍＶｓ－１という走査速度での、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１１Ｂは、いくつかの実施形態による、１．８Ｖという最大電圧における、２００ｍＶｓ－１、３００ｍＶｓ－１、５００ｍＶｓ－１、７００ｍＶｓ－１、及び１０００ｍＶｓ－１という走査速度での、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１２Ａは、１．５Ｖｓ－１、２．０Ｖｓ－１、５．０Ｖｓ－１、７．０Ｖｓ－１、及び１０Ｖｓ－１という走査速度での、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１２Ｂは、４ｍＡｃｍ－２、８ｍＡｃｍ－２、１２ｍＡｃｍ－２、１６ｍＡｃｍ－２、及び２０ｍＡｃｍ－２という電流密度での、図１２Ａの例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図１２Ｃは、４０ｍＡｃｍ－２、６０ｍＡｃｍ－２、８０ｍＡｃｍ－２、１００ｍＡｃｍ－２、及び１２０ｍＡｃｍ－２という電流密度での、図１２Ａの例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図１２Ｄは、１６０ｍＡｃｍ－２、２４０ｍＡｃｍ－２、３２０ｍＡｃｍ－２、及び４００ｍＡｃｍ－２という電流密度での、図１２Ａの例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図１２Ｅは、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタ内における例示的な電極の活物質の質量あたりの比キャパシタンスと、電流密度と、の関係を示す。 図１２Ｆは、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタ内における例示的な電極の活物質の質量あたりの比キャパシタンスと、走査速度と、の関係を示す。 図１３Ａは、いくつかの実施形態による、１ＭＨｚ～０．０１Ｈｚという周波数範囲にわたっての、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４対称スーパーキャパシタの拡大された高周波領域に対しての、ナイキストプロットを示す。 図１３Ｂは、いくつかの実施形態による、１ＭＨｚ～０．０１Ｈｚという周波数範囲にわたっての、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４対称スーパーキャパシタに関するボード線図を示す。 図１３Ｃは、いくつかの実施形態による、様々な曲げ半径での、及び、１００ｍＶｓ－１という走査速度での、例示的な可撓性のＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４フルセルに関するＣＶ曲線を示す。 図１４は、いくつかの実施形態による、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用した場合の、及び、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４＋０．００５Ｍの［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質を使用した場合の、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関する例示的なＣＶ曲線を示す。 図１５は、いくつかの実施形態による、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質中で様々な濃度の［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質を使用した場合の、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の電気化学インピーダンススペクトルのナイキストプロットを示す。 図１６Ａは、いくつかの実施形態による、１２ｍＡｃｍ－２での、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質中で様々な濃度の［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質を使用した場合の、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図１６Ｂは、いくつかの実施形態による、５０ｍＶｓ－１での、様々な濃度の［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質を使用した場合の、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１６Ｃは、いくつかの実施形態による、ＣＣ結果に基づく、酸化還元活性電解質に関する列挙された様々な濃度での、面積キャパシタンス及びクーロン効率を示す。 図１７Ａは、いくつかの実施形態による、２０～１００ｍＶｓ－１という様々な走査速度での、０．０２５Ｍの酸化還元活性電解質（redox-active electrolyte、ＲＥ）を使用した場合の、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１７Ｂは、いくつかの実施形態による、２００～１０００ｍＶｓ－１という様々な走査速度での、０．０２５ＭのＲＥを使用した場合の、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図１７Ｃは、いくつかの実施形態による、１２ｍＡｃｍ－２、２０ｍＡｃｍ－２、及び３２ｍＡｃｍ－２という電流密度での、０．０２５ＭのＲＥを使用した場合の、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図１７Ｄは、いくつかの実施形態による、４０ｍＡｃｍ－２、４８ｍＡｃｍ－２、６０ｍＡｃｍ－２、及び８０ｍＡｃｍ－２という電流密度での、０．０２５ＭのＲＥを使用した場合の、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図１８Ａは、いくつかの実施形態による、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質を使用した場合の、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関する自己放電曲線を示す。 図１８Ｂは、いくつかの実施形態による、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質を使用した場合の、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関する漏れ電流測定を示す。 図１９Ａは、いくつかの実施形態による、レーザ照射によってＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ハイブリッドマイクロスーパーキャパシタを形成するための微細加工プロセスに関する例示的かつ概略的な図を示す。 図１９Ｂは、いくつかの実施形態による、交互嵌合パターンを有した例示的なマイクロスーパーキャパシタに関する写真を示す。 図１９Ｃは、いくつかの実施形態による、１００ｍＶｓ－１という走査速度での、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４マイクロスーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図２０Ａは、いくつかの実施形態による、４．８ｍＡｃｍ－２という電流密度での、酸化還元電解質を使用した場合と使用しなかった場合とに関して、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４マイクロスーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図２０Ｂは、いくつかの実施形態による、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４及び０．０２５ＭのＲＥ電解質を使用した場合の、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４マイクロスーパーキャパシタに関しての、様々な電流密度でのＣＣ曲線を示す。 図２０Ｃは、いくつかの実施形態による、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４及び０．０２５ＭのＲＥ電解質を使用した場合の、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４マイクロスーパーキャパシタに関しての、様々な走査速度でのＣＶ曲線を示す。 図２１Ａは、いくつかの実施形態による、単一ステップで作製された、直列接続された２つのセルを有した例示的なマイクロスーパーキャパシタモジュールに関する写真を示す。 図２１Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ハイブリッドマイクロスーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示す。 図２１Ｃは、いくつかの実施形態による、直列接続された２つの例示的なマイクロスーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示す。 図２２Ａは、いくつかの実施形態による、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関し、酸化還元添加剤を使用しなかった場合（supercapacitor、ＳＣ）と、酸化還元添加剤を使用した場合（supercapacitor with a redox additive、ＳＣ－ＲＥ）と、に関する、電位範囲及び比キャパシタンスを示す。 図２２Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的な、ＳＣと、ＳＣ－ＲＥと、マイクロスーパーキャパシタ（micro-supercapacitor、ＭＳＣ－ＲＥ）と、に関しての、重量エネルギー密度と電力密度とのラゴンプロットを示す。 図２２Ｃは、いくつかの実施形態による例示的なスーパーキャパシタの体積エネルギー密度及び電力密度を、例示的な市販のエネルギー貯蔵デバイスと比較するための、ラゴンプロットを示す。 図２２Ｄは、いくつかの実施形態による、１．０Ｖという電圧ウィンドウ及び１．８Ｖという電圧ウィンドウにおける、酸化還元添加剤を使用した場合及び使用しなかった場合の、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するサイクル安定性を示す。 図２２Ｅは、いくつかの実施形態による、直列接続された２つの例示的なタンデム型の対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタが、様々な色の発光ダイオードに対して電力を供給できることを実証する写真を示す。 図２３Ａは、いくつかの実施形態による、例示的なサンドイッチ型スーパーキャパシタに関する例示的かつ概略的な断面図を示す。 図２３Ｂは、いくつかの実施形態による、交互嵌合型のマイクロスーパーキャパシタに関する例示的かつ概略的な断面図を示す。
本明細書においては、高エネルギー密度のファラデー材料を含む電極と、高性能なエネルギー貯蔵デバイスとを設計して製造するための、方法、デバイス、及び装置が提供される。
図１は、いくつかの実施形態による、レーザスクライブされたグラフェン（ＬＳＧ）／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体電極のための例示的な方法に関する概略的な図を示している。図示のように、例示的な方法は、酸化グラフェン（ＧＯ）／ＦｅＣｌ３膜１０１をレーザ１０２に対して曝すことによって、Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子によって包まれたＬＳＧからなる電極１０３を作製することを含む。いくつかの実施形態においては、レーザは、７ＷのＣＯ２レーザである。この光熱プロセスは、極めて高速なものであり、様々な形状及び様々な容積の電極を生成し得るように調整することができる。
酸化グラフェンは、水中へのＧＯ分散液に対して粉末状のＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏを徐々に添加していくという改良ハマー法を使用して、グラファイトフレークから合成することができる。いくつかの実施形態においては、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ粉末は、連続的な攪拌下において、水中へのＧＯ分散液に対して添加される。いくつかの実施形態は、超音波処理をさらに含む。いくつかの実施形態においては、超音波処理は、約３０分間にわたって行われる。
いくつかの実施形態においては、次に、溶液は、シート上にドロップキャストされる。シートは、金によってスパッタリングされたポリイミドシートを含んでもよい。場合によっては、溶液によって覆われたシートは、乾燥され、さらに、レーザに対して曝される。これにより、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４膜を合成することができる。いくつかの実施形態においては、溶液によって覆われたシートは、約１２時間にわたって乾燥される。いくつかの実施形態においては、溶液によって覆われたシートは、周囲条件下で乾燥される。いくつかの実施形態においては、レーザは、７ＷのＣＯ２レーザを含む。本明細書における方法において使用可能な例示的な７ＷのＣＯ２レーザは、フルスペクトラムレーザＨシリーズである。次に、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４膜を、脱イオン水によって洗浄することができ、これにより、スーパーキャパシタの電極として、直接的に使用することができる。次に、電極と、活物質（ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４）と、集電体とをパターニングすることができ、これにより、交互嵌合型の電極を形成することができる。パターニングは、２４ＷのＣＯ２レーザを使用して行うことができる。本明細書における方法のための例示的な２４ＷのＣＯ２パターニングレーザは、フルスペクトラムレーザＨシリーズのレーザである。
得られたＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４は、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元ペアを含有する酸化還元活性電解質と組み合わせて使用することができる。これにより、電極側（擬似キャパシタ的Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子）における可逆的酸化還元反応と、電解質側（酸化還元添加剤）における可逆的酸化還元反応との双方を通して電荷を蓄積し得るように構成されたスーパーキャパシタデバイスを形成することができる。
ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ 合成時の化学反応
図２Ａは、いくつかの実施形態による、ＧＯの脱酸素化に関しての熱重量分析（ＴＧＡ）測定及び示差熱分析（ＤＴＡ）測定を示している。図２Ｂは、ＦｅＣｌ３からの酸化鉄の形成に関してのＴＧＡ測定及びＤＴＡ測定を示している。図２Ｃは、自発的で同時的な、ＧＯから還元型ＧＯ（ｒ－ＧＯ）への還元とＦｅＣｌ３から酸化鉄への酸化とに関してのＴＧＡ測定及びＤＴＡ測定を示している。
図２Ａによれば、約２１０℃でのＧＯの熱的脱酸素化は、約－１０４３ジュール／グラム（Ｊｇ－１）という大きな発熱ピークを呈しており、それにより、約５５０℃においては、グラファイトカーボンが酸化されて、ＣＯ２が生成される。ＧＯの脱酸素化によって放出されるエネルギーは、ＦｅＣｌ３の酸化反応を促進するためのその場での動力源として機能する。図２Ｂによれば、ＦｅＣｌ３から酸化鉄への酸化反応を促進するのに必要な熱は、約２６９．６Ｊｇ－１であり、これは、ＧＯの還元時に放出される熱の約４分の１に過ぎない。図２Ｃによれば、ＧＯ／ＦｅＣｌ３混合物は、約２０５℃で約－４７１．６Ｊｇ－１という発熱ピークを示し、これにより、ＧＯからｒ－ＧＯへのその場での還元及びＦｅＣｌ３から酸化鉄への酸化という酸化還元反応の自発性が確認される。よって、ＧＯ／ＦｅＣｌ３混合物の反応を開始するためには、約１００℃における吸熱ピークで指し示すような、７ＷのＣＯ２レーザに相当する約５０．９Ｊｇ－１という、ごくわずかの熱量しか必要とされない。すべての測定は、空気中で行われた。
ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ ナノ複合体の物理的特性評価
図３Ａは、いくつかの実施形態による、ＬＳＧ上で成長させた例示的なＦｅ３Ｏ４ナノ粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示している。図示のように、電極の３次元（３Ｄ）トポグラフィは、電荷を蓄積するための大きな内部表面積を提供するマクロ多孔質ネットワークを形成している。この３Ｄ構造は、また、ＬＳＧネットワークに関するナノスペーサとして機能する酸化鉄ナノ粒子によっても支持されていて、電解質イオンが電極の電気活性表面全体と相互作用するための充分なスペースを提供し、これにより、より効率的な電荷蓄積が可能とされる。
図３Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４に関する高倍率ＳＥＭ画像を示している。図示のように、酸化鉄ナノ粒子は、導電性のＬＳＧフレームワーク内において良好に分散しており、それにより、グラフェンは、各酸化鉄ナノ粒子同士の間において非常に強い（すなわち、密接な）結合を形成している。この強い結合は、酸化鉄ナノ粒子の凝集と、グラフェン層の再積層とを防止し、これにより、サイクルプロセス時における電子輸送と安定性とを増強することができる。
図３Ｃは、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関する横断電磁（ＴＥＭ）画像を示している。図示のように、例示的なレーザ合成したＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体は、ＬＳＧに対して固く結合した酸化鉄ナノ粒子の均一な分散を呈している。図３Ｃ内の挿入図は、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体の＜３１１＞結晶化度、及び約０．２５ｎｍというｄ間隔をさらに示している。この独自の構造は、導電性のＬＳＧネットワーク全体にわたって、Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子から酸化還元キャパシタンスを獲得するための効率的な経路を提供する。
図３Ｄは、いくつかの実施形態による、ＬＳＧ複合体内の例示的なＦｅ３Ｏ４に関する制限視野電子回折パターンの高解像度ＴＥＭ画像を示している。図３Ｄ内の挿入図は、ピークのｄ間隔が、回折リングの位置から計算されることを示している。これらの計算されたピークは、表１に示すＦｅ３Ｏ４に関する参照データとよく一致している。
Figure 2023120272000001
図３Ｅは、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関するＸ線回折パターンを示している。図示のように、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体のＸ線回折パターンの回折ピークは、Ｆｅ３Ｏ４（ＪＣＰＤＳ０１９－０６２９による）に対して完全にインデックス対応しており、これにより、酸化鉄ナノ粒子が実際にＦｅ３Ｏ４であることを確認することができる。ＬＳＧは、約２５°で弱くて幅が広いピークを呈し、また、未変換のＧＯのピークは、約１１°で現れる。このことから、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体が、主に、ＬＳＧ及びＦｅ３Ｏ４から構成されていることが示される。
図３Ｆは、いくつかの実施形態による、外部磁場が無い場合と有る場合とについて、水溶液中に分散させた例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関する写真を示している。水溶液中に分散させたＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子の磁性は、最初に磁石を適用した時点と、磁力を約５分間にわたって作用させた時点と、そして、磁力を約１時間にわたって作用させた時点とにおいて示されている。図示のように、水溶液中のＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子は、優れた磁気特性を保有していて、指向的な移動を呈しており、磁気による分離が可能である。
図４Ａは、いくつかの実施形態による、プラスチック基板上の例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３
Ｏ４膜に関する断面ＳＥＭ画像を示している。図示のように、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４膜の厚さは、約１８．４μｍである。
図４Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なＦｅ３Ｏ４のｄ間隔に関する例示的な高解像度ＴＥＭ画像を示している。この画像は、ＬＳＧシートの各々が、６ｎｍ～１０ｎｍサイズのＦｅ３Ｏ４ナノ粒子によって包まれていることを示しており、図３ＣによるＦｅ３Ｏ４結晶の＜３１１＞面を確認することができる。
図５は、いくつかの実施形態による、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ナノ複合体に関するＴＧＡを示している。図示のように、電極のＦｅ３Ｏ４含有量は、約４１重量パーセントである。
１．０ＭのＮａ ２ ＳＯ ４ 電解質中におけるＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ 電極及び対称ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ スーパーキャパシタ
図６Ａは、いくつかの実施形態による、ＬＳＧ電極に関する及びＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関する例示的な３電極構成に関しての５０ミリボルト／秒（ｍＶｓ－１）でのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線を示している。図６Ｂは、いくつかの実施形態による、ＬＳＧ電極に関する及びＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関する例示的な３電極構成に関しての７０ｍＶｓ－１でのＣＶ曲線を示している。
約５０ｍＶｓ－１及び約７０ｍＶｓ－１という走査速度で１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用した場合の３電極セル及び２電極対称スーパーキャパシタパウチセルについての負電圧ウィンドウ及び正電圧ウィンドウでの試験は、矩形形状を呈している。図中において、裸のＬＳＧのキャパシタンスと比較した場合のキャパシタンスの著しい増加は、酸化鉄が可逆的な酸化還元反応を通して電荷蓄積に寄与していることを指摘している。さらに、ＣＶ曲線がなす矩形形状は、Ｆｅ３Ｏ４が、インターカレーションファラデー反応によってではなく、主に吸着による擬似キャパシタンスによって、電荷を蓄積することを指摘している。この電荷蓄積は、Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子が著しく小さな粒子サイズ（約６ｎｍ）のものであって、表面に対しての酸化還元反応が制限されていることに起因し得る。酸化鉄ナノ粒子のところでのファラデープロセス時には、大きな導電性のマクロ多孔質ＬＳＧフレームワークに対して結合した電子は、電力密度を低下させることなく、エネルギー密度を高めることができる。さらに、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用した場合のＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の正電圧ウィンドウ及び負電圧ウィンドウは、陰極電流又は陽極電流の大幅な増加を引き起こすことなく、理想的なＣＶ形状を呈している。このことは、陰極上においてＨ２が生成されることがなく、かつ、陽極上においてＯ２が生成されることもないことを意味している。よって、ナトリウムカチオン及び硫酸アニオンの強い溶媒和エネルギーのために、電解質分解電圧は、約１．２３Ｖという熱力学的値と比較して、より大きなものとなる。さらに、ナトリウムカチオン及び硫酸アニオンの強い溶媒和エネルギーは、溶媒和シェル内における強い結合をもたらすとともに、約１．８Ｖまでは水の分解を防止する。この電位範囲においては、エネルギーは、水の分解を引き起こすことに代えて、溶媒和シェル内の結合を破壊するために消費される。
図７Ａは、１０ｍＶｓ－１、２０ｍＶｓ－１、３０ｍＶｓ－１、５０ｍＶｓ－１、７０ｍＶｓ－１、及び１００ｍＶｓ－１という様々な走査速度での１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中での例示的な３つのＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を備えたデバイスに関しての負の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～－１．０Ｖ）におけるＣＶ曲線を示している。図７Ｂは、１０ｍＶｓ－１、２０ｍＶｓ－１、３０ｍＶｓ－１、５０ｍＶｓ－１、７０ｍＶｓ－１、及び１００ｍＶｓ－１という様々な走査速度での図７Ａのデバイスに関しての正の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～０．８Ｖ）における同様のＣＶ曲線を示している。図７Ｃは、様々な電流密度での例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関して
の負の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～－１．０Ｖ）における充放電（ＣＣ）曲線を示している。図７Ｄは、様々な電流密度での例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関しての正の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～０．８Ｖ）における同様のＣＣ曲線を示している。図示のように、ＣＶは、約１００ｍＶｓ－１まで増大する走査速度においては、矩形形状を維持するとともに、様々な電流密度でのＣＣ曲線においては、理想的な三角形形状が観測されている。このことは、正の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～約０．８Ｖ）と負の電圧ウィンドウ（Ａｇ／ＡｇＣｌに対して、０Ｖ～約－１．０Ｖ）との双方における、電極の高速性能を指摘している。約２０ｍＶｓ－１という走査速度においては、負の電圧ウィンドウにおける例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の面積あたりの比キャパシタンスは、約２６４ｍＦｃｍ－２（約６９１Ｆｇ－１）であり、正の電圧ウィンドウにおける例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の面積あたりの比キャパシタンスは、約１３７ｍＦｃｍ－２（約３５７Ｆｇ－１）である。
いくつかの実施形態においては、２つの電極は、同じ化学組成（３Ｄ多孔質グラフェンフレームワーク上におけるＦｅ３Ｏ４ナノ粒子）を有し、それにより、いくつかの要素は、電極の極性に応じて、他の要素よりも多くの電荷を蓄積する。より詳細には、負電極のキャパシタンスが、主に、Ｆｅ３Ｏ４ナノ粒子に起因し得るのに対し、グラフェンが、正電極における電荷蓄積を支配し得る。負電極においては、導電性のＬＳＧネットワークが、３Ｄ集電体として機能することができ、これにより、電荷の蓄積及び電荷の送達のための、電子「スーパーハイウェイ」を提供することができる。これに対し、ナノ構造のＦｅ３Ｏ４は、短いイオン拡散経路によって、高速で可逆的なファラデー反応を可能にする。電極の３Ｄ多孔質構造は、Ｆｅ３Ｏ４のキャパシタ的な特性を最大限に活用することを可能とし、負電極の著しく大きなキャパシタンスを呈する。
図８Ａ～図８Ｉにより、正電極及び負電極の電荷は、酸化還元活性電解質の使用を通して、等しい電荷を蓄積し得るように平衡化されることができる。
約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む水性電解質中の対称３電極ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタの動作電圧は、動作電圧ウィンドウの結果に基づいて、約１．８Ｖであると予想される。約０．８Ｖから約１．８Ｖへと、約０．２Ｖという電圧インターバルにおける、イオン多孔質セパレータによって隔離された２つの同一のＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を備えた例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関し、図６Ｂは、約７０ｍＶｓ－１という走査速度でのＣＶ曲線を示しており、図９Ａは、約４ｍＡｃｍ－２という電流密度でのＣＣ曲線を示している。図示のように、アノード電流のいかなる大幅な増加も引き起こすことなく、１．８Ｖにおける矩形のＣＶ形状は、セルの理想的なキャパシタ的振る舞いを呈しているとともに、水素又は酸素を発生させ得る水性電解質の分解が起こっていないことを示している。
加えて、図９Ａによれば、理想的な三角形形状のＣＣ曲線は、非常に小さなＩＲ降下を呈しているとともに、約１．８Ｖまでの電圧において大きなキャパシタンスを呈しており、そしてそれにより、電解質が安定していて分解していないことを示している。図９Ｂは、約１００ｍＶｓ－１という走査速度での例示的な裸のＬＳＧ対称スーパーキャパシタと、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４対称スーパーキャパシタとの間の性能比較を示しており、この場合、約１．８Ｖという大きな動作電圧であってさえ、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタの比キャパシタンスは、裸のＬＳＧの比キャパシタンスと比較して、約１０倍である。よって、例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタにおいては、１．８Ｖという動作電圧ウィンドウを得ることができる。
対照的に、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては、１００ｍＶｓ－１という電流密度でのかつ約１．８Ｖでの、例示的な裸のＬＳＧ対称スーパーキャパシタに関しての、及び、例示
的な未処理の酸化鉄対称スーパーキャパシタに関してのＣＶ曲線が図示されている。この場合、双方の例示的なスーパーキャパシタは、明らかに、約１．２Ｖよりも大きな電圧において、水性電解質の分解を起こしている。約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を含む水性電解質内における対称３電極ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタの性能と比較することにより、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の特殊なアーキテクチャ形態と約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質との組合せに起因して、拡張された動作電圧とキャパシタンスとが顕著に改良されることが、指摘される。
本明細書におけるＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタは、電極組成及び搭載質量に基づき、対称スーパーキャパシタとして分類され得るものではあるけれども、その組成は、非対称デバイスのように機能することができ、その場合、正電極及び負電極内に蓄積される電荷の大部分は、それぞれグラフェン及びＦｅ３Ｏ４に由来する。よって、非対称な電荷蓄積メカニズムは、水性スーパーキャパシタの電圧ウィンドウを約１．８Ｖへと増加させる。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、約１０ｍＶｓ－１～約１０００ｍＶｓ－１という様々な走査速度の下での約１．８Ｖという電位ウィンドウにおける例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ形状を示している。図中におけるＣＶ曲線の矩形形状は、約１０００ｍＶｓ－１という非常に大きな走査速度においても維持されている。さらに、図１２Ａにおいては、約１０，０００ｍＶｓ－１でおいてさえ、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線の矩形性が確認される。よって、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４対称スーパーキャパシタは、約１．８Ｖにおいて、高速性能を有した理想的なキャパシタンスを呈している。
図１２Ｂ～図１２Ｄは、約４ｍＡｃｍ－２～約４００ｍＡｃｍ－２という様々な電流密度の下での例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するＣＣ曲線を示している。これにより、理想的な三角形の曲線形状によって、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタが高性能であることを示している。例示的な２電極ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタの比キャパシタンスが、放電曲線を通して、電極ごとに約４６０Ｆｇ－１（約１７６ｍＦｃｍ－２）として測定された。
図１２Ｅに示すように、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタは、約１１００Ａｇ－１という著しく大きな電流密度において約３００Ｆｇ－１を示すことができる。電極ごとの比キャパシタンス、デバイスに関する面積キャパシタンス、及び様々な電流密度の下でのスーパーキャパシタ（集電体及びセパレータを含む）に関する全スタックキャパシタンスは、図１２Ｅ及び図１２Ｆからのデータに基づいて計算することができる。したがって、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタは、電極内での高速イオン拡散及び高速電子拡散を可能とするＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４の特殊な３Ｄアーキテクチャ形態を通して、優秀な高速性能を呈する。加えて、ＬＳＧの高導電性及び多孔質構造は、図１３Ａのナイキストプロットによる非常に小さな等価直列抵抗を表す０．３５Ωｃｍ２というｘ切片によって確認されるように、酸化還元反応時には酸化鉄ナノ粒子に対しての効率的な電荷移動メカニズムを提供する。さらに、図１３Ａによる、半円の欠如、及び、低周波数での鉛直方向の立ち上がりラインは、電荷移動抵抗が無いこと、電極に対しての高速イオン拡散、及び、酸化還元反応時の高速電子移動を指摘している。
さらに、図１３Ｂにおける例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関するボード線図は、理想的なキャパシタにおける約－９０°に近い約－８２°という最大位相角度を呈しているとともに、約０．１４秒という周波数応答時間（約－４５°という位相角度における特性周波数ｆ０＝７Ｈｚの逆数）は、多くの従来の活性炭電気化学キャパシタと比較して、はるかに速い応答時間を示している。この高速の周波数応答は、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関しての、ＬＳＧとＦｅ３Ｏ４ナノ粒子と間の強力な相互作用を可能としかつマクロ多孔質ＬＳＧに対してのイオンのアクセス性の向上を可能としかつファラデー反応時の酸化鉄への高速電荷移動を可能とする優秀な３Ｄアーキテクチャ及び相互接続構造に、起因し得るものである。
本明細書においては、２つのＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極とポリビニルアルコール（ＰＶＡ）－Ｎａ２ＳＯ４ゲル電解質とを含む、可撓性の大きな固体スーパーキャパシタが提供される。図１３Ｃは、約１００ｍＶｓ－１での例示的な可撓性のＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４－ＰＶＡ－Ｎａ２ＳＯ４スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示しており、約１４ｍｍ、約７ｍｍ、及び約２．５ｍｍという曲げ半径の下では、曲線はフラットである。図示のように、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４－ＰＶＡ－Ｎａ２ＳＯ４スーパーキャパシタに関してのフラットなＣＶ曲線と、曲がりの大きなＣＶ曲線（２．５ｍｍという曲げ半径）との間には、無視できる程度の違いしか存在しない。よって、３Ｄ相互接続ＬＳＧフレームワーク内の大きな多孔質空間が、電極の変形を受容することのために、機械的な曲げは、ゲル電解質とＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極との間のイオン拡散及び電子拡散に対して、ほとんど影響を与えない。
図１３Ｃの挿入図は、発光ダイオードをオンにする例示的な曲げられた可撓性スーパーキャパシタを図示しており、これは、過酷な機械的ストレスの下であってさえも、優秀なキャパシタ性能を指摘している。
電極の電気化学的性質
擬似キャパシタの研究は、通常、金属酸化物又は導電性ポリマーなどの電極材料を介した可逆的な酸化還元反応を改良することに焦点を合わせるけれども、固体電極材料に関するそのような依存は、擬似キャパシタンスの改良を制限してしまう可能性がある。よって、キャパシタンスは、酸化還元活性電解質（ＲＥ）とＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４とを組み合わせて利用することによって、また、フェリシアニド／フェロシアニドＲＥ電極を利用することによって、改良することができる。
本明細書においては、非対称キャパシタ機構が提供され、その場合、正電極及び負電極は、同じ化学組成及び同じ搭載質量のものから形成され、電荷は、酸化還元電解質と平衡し、これにより、固体電極からの擬似キャパシタンスと、液体電解質からのファラデー反応と、を効果的に利用することができる。よって、負電極内のキャパシタンスは、電極（ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４）上の活物質に由来し、それにより、固体正電極は、電荷の蓄積に寄与し、電解質は、酸化還元を通してキャパシタンスを提供する。
固体ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極からは、酸化鉄粒子は、以下の式に従って、可逆的な電荷移動プロセスを通して擬似キャパシタ的特性を呈する。
Figure 2023120272000002
酸化ピークは、０．４Ｖにおいて現れ、還元ピークは、０．２８Ｖにおいて現れる（図１４における曲線Ａを参照）。充電プロセスは、Ｆｅ２＋からＦｅ３＋への酸化プロセスを伴い、他方、放電プロセスは、Ｆｅ３＋からＦｅ２＋への還元プロセスを含む。
ＲＥ側からは、酸化及び還元は、以下の式に示すファラデー反応に起因する。
Figure 2023120272000003
各電極のキャパシタンス（３電極デバイスで測定された）は、以下の式を使用して、様々な電流密度でのＣＣ曲線から計算された。
Figure 2023120272000004
質量は、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４活物質の質量を参照し、時間とＵ電圧とは、放電曲線から得られた。
フルデバイスの比キャパシタンス、エネルギー密度、及び、電力密度も、また、ＣＶプロファイルと定電流ＣＣ曲線との双方に基づいて計算された。
ＣＶ技術に関しては、キャパシタは、以下の式を使用して、電位に対しての放電電流のプロットを積分することによって、計算された。
Figure 2023120272000005
 ここで、ｉは、電流（Ａ）であり、Ｖは、電位であり、νは、走査速度（Ｖ／ｓ）であり、Ｕは、動作電位ウィンドウである。質量は、活物質（ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４からなる２つの電極、及び、０．０２５Ｍの酸化還元添加剤）の質量を参照する。
Figure 2023120272000006
体積は、パッケージを含めることなく、デバイス全体（集電体、活物質、電解質、及びセパレータ）に基づいて計算される。
電極の比キャパシタンスは、フルセルから計算された。
Figure 2023120272000007
デバイスの比エネルギー密度は、ＣＣからの放電曲線を通して計算された。
Figure 2023120272000008
Figure 2023120272000009
Figure 2023120272000010
デバイスの比電力密度は、次のようにして計算された。
Figure 2023120272000011
Figure 2023120272000012
［Ｆｅ（ＣＮ） ６ ３－ ／Ｆｅ（ＣＮ） ６ ４－ ］酸化還元活性電解質中におけるＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ 電極及び対称スーパーキャパシタの電気化学的性能
図１４は、０．００５ＭのＲＥ［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］を使用した場合について、また、使用しない場合について、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用しつつ高い比率（約８２％）でＦｅ３Ｏ４を含有するときに、約５ｍＶｓ－１での例示的な３つのＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を備えたデバイスに関しての約５ｍＶｓ－１での、０～約０．８Ｖという電位範囲にわたってのＣＶ曲線を示している。図示のように、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］電解質からなる酸化還元ペアは、キャパシタンスに対して寄与し、約１．８Ｖにおいてサイクル寿命を安定化させる。
図１４においては、０Ｍの場合のＣＶは、約０．２２Ｖ及び約０．４Ｖのところに、２つの独立した酸化ピークを示している。０．４Ｖにおける幅広い酸化ピークは、０．００５Ｍの酸化ピークと重なっている。このことは、この酸化ピークが、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極からのものであることを指摘している。そして、０．２２Ｖにおけるピークは、ＲＥからのものである。
図示のように、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極及びＲＥに関する酸化還元反応は、図８Ａに図示されたメカニズムでもって、独立的にかつ同時的に起こる。これとともに、電極材料と電解質材料との双方は、充電時には酸化され、電極と電解質との双方は、放電時には、同時的に還元される。
図８Ｂ及び図８Ｃは、５０ｍＶｓ－１という走査速度での、また、８ｍＡｃｍ－２という電流密度での、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質中における様々な濃度の［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］を使用した場合の例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４３電極スーパーキャパシタに関するＣＶ曲線を示している。非常に鋭い可逆的な酸化還元ピークが、図８Ｂにおいて見られる。このことは、［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］イオンが、非常に電気化学的に活性であることを指摘している。その上、図８Ｂは、約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中における、０Ｍも含めて、様々なＲＥイオン濃度でのＣＶ曲線を示している。ＲＥイオン濃度が、約０．０２５Ｍから約０．１００Ｍへと増加するにつれて、特徴的な酸化還元ピークが増大するとともに、ＲＥイオンの寄与によるキャパシタンスが増大する。これにより、より多くのＲＥイオンが、ファラデーキャパシタンスに対して、及び、電極へのシャトル電子に対して、寄与する。これにより、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の高い活性が促進される。
図８Ｃは、約８ｍＡｃｍ－２という電流密度での、電解質内における酸化還元添加剤の様々な濃度における例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に関するＣＣ曲線を示している。図８Ｄは、図８ＤのＣＣ曲線における放電時間に基づいて、様々な電流密度における例示的な電極の比キャパシタンスを示している。例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極と０．１ＭのＲＥとを備えたデバイスは、約８ｍＡｃｍ－２において、約１４８９Ｆｇ－１（約５７０ｍＦｃｍ－２）という著しく大きな比キャパシタンスを呈する。これは、未処理の１．０
ＭのＮａ２ＳＯ４電解質のキャパシタンスよりも、約４倍大きなものである。この顕著な大きさのキャパシタンスは、ＲＥと結合した固体酸化鉄ナノ粒子であるとともに例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極どうしの間の電子移動を促進する固体酸化鉄ナノ粒子のところにおける、ファラデープロセスに起因することができる。図１５に示すように、ナイキストプロットにより、さらに、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極及び［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］酸化還元活性電解質の大きな導電性が確認される。これにより、酸化還元イオン濃度が増加するにつれて、ナイキストプロットにおける切片の値が減少していき、電極と電解質との界面における小さな電荷移動抵抗が観測される。
２電極デバイス及び３電極デバイスは、セパレータを有した同じＲＥにおいて安定であると予想されるけれども、２電極デバイスは、ＲＥが高濃度である場合には、非常に異なる性能を呈する。なぜなら、フルスーパーキャパシタの場合には、正電極と負電極との間の電荷平衡が、満足のいくキャパシタ性能を得るために重要であって、Ｑ＋＝Ｑ－という関係式に従う必要があるからである。図８Ｅは、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を含む例示的な対称３電極スーパーキャパシタに関しての、正ウィンドウと負ウィンドウとの双方（約０～約－１Ｖ、及び、約－０．２～約０．８Ｖ）における、ＲＥ無しの場合と０．０２５ＭのＲＥを使用した場合とについての、約２０ｍＶｓ－１でのＣＶ曲線を示している。図示のように、ＲＥに関する様々な濃度での、負の電圧ウィンドウと正の電圧ウィンドウとの双方に関する電荷値あたりにつき、図８Ｆによる最適のＲＥ濃度は、対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関して、約０．０２５Ｍである。よって、ＲＥイオン濃度の増加は、例示的なデバイスの正電極のキャパシタンスをわずかに増大させるけれども、負電極に対しては、無視できる程度の影響しか有していない可能性がある。したがって、電解質中のＲＥ濃度の増加は、２電極デバイスのキャパシタンスの増加とは相関しない可能性がある。なぜなら、高濃度の下では、正電荷と負電荷とのバランスが取れず、正電荷の一部が、図１６Ａによれば、負電極と正電極との間において電荷を蓄積することに代えて、電解質の分解のために使用されるからである。よって、例示的な２電極デバイスは、ＲＥが高濃度である場合には、小さなクーロン効率を呈し得る。しかしながら、２電極デバイス内の電解質濃度が約０．０２５Ｍである場合には、電解質を分解させることがなく、キャパシタンスが増加する。例示的な２電極デバイスに関し、列挙された様々なＲＥ濃度について、図１６Ｂは、５０ｍＶｓ－１でのＣＶ曲線を示しており、図１６Ｃは、面積キャパシタンス及びクーロン効率を示している。
図８Ｇ及び図８Ｈは、約０．０２５ＭのＲＥの添加の前後に関し、例示的な２電極セルのＣＶ曲線及びＣＣ曲線について、例示的なデバイスの理想的な振る舞いを示している。図８Ｇにおいては、ＲＥを使用した場合のＣＶ曲線は、曲線の下方の面積が通常の電解質と比較して２倍に増加することを示しており、また、ＲＥの特徴的な酸化還元ピーク（約１．１Ｖ、及び、約０．９Ｖ）も示している。図８Ｈによれば、ＣＣ曲線の形状も、また、通常の電解質と比較して放電時間が２倍になっていることと関連して、ＣＶ曲線に現れている約１．１Ｖ及び約０．９Ｖにおける酸化還元ピークに従っている。図１７Ａ～図１７Ｄに示すように、例示的なデバイスは、大きな走査速度（例えば、約１０００ｍＶｓ－１）においてさえ、また、大きな電流密度（例えば、約８０ｍＡｃｍ－２）においてさえ、非常に明確な酸化還元ピークを呈する。これらの結果は、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の独自の特性に基づき、ＲＥ電解質が非常に高速の電子移動を経験することを意味している。図８Ｉは、印加された電流密度の関数としてプロットされた、面積キャパシタンス及びスタックキャパシタンスを示している。スタックキャパシタンスは、集電体、活物質、電解質、及びセパレータの体積に基づいて計算された。図８Ｉによれば、０．０２５ＭのＲＥを使用した場合の最大スタックキャパシタンスは、２０ｍＶｓ－１という走査速度において約２５．６Ｆｃｍ－３（約７１６Ｆｇ－１電極）に到達し、３００ｍＶｓ－１という大きな走査速度において、なおも、１９．２Ｆｃｍ－３（５３５Ｆｇ－１電極）を維持した。さらに、０．０２５ＭのＲＥを使用した場合の例示的なデバイスのスタックキャパシタンスは、裸の１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質のスタックキャパシタンスと比較して約２倍である。この優秀なキャパシタ的振る舞いは、固体電極とＲＥとの双方が相乗的に作用して電荷をより効率的に蓄積するというハイブリッドＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極に起因し得る。
放電測定及び漏れ測定
スーパーキャパシタに関する主要な設計上の考慮事項の１つは、自己放電速度である。すなわち、開放回路条件下においてセルが如何に速く電荷を失うかである。酸化還元電解質に関する２つの異なる濃度でもって２時間にわたって約１．８Ｖまで例示的なデバイスを充電した後に得られた自己放電曲線が、図１８Ａ及び図１８Ｂに図示されている。図１８Ａ及び図１８Ｂは、酸化還元電解質の濃度が大きいほど、自己放電速度がより速くなることを指摘している。より詳細には、０．０２５ＭのＲＥを使用した例示的なデバイスは、約１２０時間で１／２Ｖｍａｘ（約０．９Ｖ）へと自己放電するのに対し、０．０５ＭのＲＥを使用したものは、約４０時間で約０．９Ｖへと自己放電する。これは、２時間で最大充電電圧の半分にまで自己放電する（すなわち、ｔ１／２Ｖｍａｘ＝２時間）市販のキャパシタよりも優秀である。言い換えれば、本開示における例示的なデバイスの漏れ電流の値は、約０．００３６８ｍＡであり、これは、約１２時間にわたって電圧を保持した後に、約１．８Ｖを維持するために必要とされる値である。この優秀な自己放電性能は、本明細書において説明したＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタの有望性を示している。
ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ 交互嵌合マイクロスーパーキャパシタの直接的な製造
小型の携帯用電子機器における最近の傾向により、電子回路内へと容易に組み込み得る小型エネルギー貯蔵デバイスの需要が高まってきている。いくつもの複雑なステップを必要とする旧来の技術とは異なり、本明細書において説明するレーザ技術を使用すれば、図１９Ａに示すように、マイクロスーパーキャパシタを、数分間以内に、任意の形状及び任意のサイズへと、直接的にパターニングすることができる。
例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極膜は、７ＷのＣＯ２レーザの下で製造される。これにより、出発材料（ＦｅＣｌ３＋ＧＯ）がＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極へと変更される。その後、２４ＷのＣＯ２レーザを使用することにより、交互嵌合フィンガーパターン電極を形成することができる。高出力レーザの下では、すべての活物質及び集電体が、エッチング除去され、セパレータとして機能する。図１９Ｂは、３つの正のマイクロ電極と３つの負のマイクロ電極とを備えたマイクロスーパーキャパシタを示している。図示のように、パターンは、正及び負のマイクロ電極同士の間において何らのオーバーラップも短絡も起こすことなく、明確に規定されている。このレーザ技術は、単純な単一ステップでもってマイクロスーパーキャパシタを製造することを可能とし、これにより、エネルギーモジュール用に、互いに直列に接続された及び互いに並列に接続された複数のセルの製造を可能とする。本明細書における方法によって製造されたマイクロスーパーキャパシタモジュールは、簡単な方法で作製し得るとともに、何らの追加的な処理を行う必要なく、電子回路内へとオンチップ集積化するに際して好適である。
１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質を使用した例示的なマイクロスーパーキャパシタは、図１９Ｃに示すように、約１００ｍＶｓ－１という条件下で約１．８Ｖにおいて動作した場合であってさえ、理想的な矩形形状のＣＶを呈している。明確な酸化還元ピークは、約０．０２５ＭのＲＥを添加したときに観測され、また、図２０Ａにより、例示的なデバイスのＣＣ曲線においても顕著である。さらに、例示的なデバイスは、図２０Ａ及び図２０ＢにおけるＣＣ曲線並びに図２０ＣにおけるＣＶ曲線によれば、０．０２５ＭのＲＥを使用した場合に、２．１倍のキャパシタンスを呈するとともに、高速で可逆的な充放電特性を呈し、さらに、可変的な電流密度を呈する。
図２１Ａは、直列接続された２つのセルを有した例示的なタンデムモデルに関する写真を示している。このタンデムモデルの電気化学的性能は、図２１Ｂ及び図２１Ｃに示されている。単一セルの場合に約１．８Ｖであるのに対して、モジュールの電圧は、約３．６Ｖである。図２１Ｃに示すように、例示的なタンデムデバイスに関するＣＣ曲線も、非常に小さな電圧降下を呈している。これにより、これらのマイクロスーパーキャパシタを直列に接続したときには小さな内部抵抗を有した優秀な性能を示すことが指摘される。これにより、実際の応用に対してのマイクロスーパーキャパシタモジュールの実現可能性が確認される。
ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ ベースのスーパーキャパシタとＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ ベースのマイクロスーパーキャパシタとの性能比較
以下の表２は、２つの電極活物質（ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４）と約０．０２５ＭのＲＥとによって正規化した場合に、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４を使用した例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタと、約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中において約０．０２５Ｍの［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］を使用したＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタと、約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中において約０．０２５Ｍの［Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－］を使用したＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４マイクロスーパーキャパシタとに関しての、比キャパシタンス、エネルギー密度、及び電力密度の概要を示している。体積は、パッケージを含めることなく、デバイス全体（集電体、活物質、電解質、及びセパレータ）に基づいて計算される。
Figure 2023120272000013
報告されているスーパーキャパシタと比較した場合のＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ ベースのスーパーキャパシタの性能
図２２Ａによれば、本明細書において提供される例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４対称スーパーキャパシタは、水性電解質中において約１．８Ｖで動作する現在利用可能な唯一の酸化鉄スーパーキャパシタである。例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタ－酸化還元電解質（ＳＣ－ＲＥ）デバイスは、約７１６Ｆｇ－１という比キャパシタンスを示すことができ、これは、従来の１．０ＭのＮａ２ＳＯ４電解質ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタセルデバイスと比較して、約１．５倍大きなものである。よって、本明細書における、酸化還元活性電解質を使用したＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極は、劇的に改良された動作電圧及びキャパシタンスを提供する。
例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電気化学キャパシタをなす各デバイスにおける活物質の総質量に基づく、エネルギー密度と電力密度との間の関係を記述するラゴンプロットが、図２２Ｂに提示されている。図示のように、例示的なＳＣ－ＲＥデバイスは、約１２１Ｗｈｋｇ－１というエネルギー密度を示すことができる。さらに、約５５．９ｋＷｋｇ－１と
いう非常に大きな電力密度であってさえ、ＳＣ－ＲＥは、約９３．２Ｗｈｋｇ－１というエネルギー密度を呈している。このスーパーキャパシタの最大電力密度は、約２０１ｋＷｋｇ－１であり、これは、これまでに公開されている酸化鉄ハイブリッドスーパーキャパシタよりも２桁大きな値である。フェロシアニド酸化還元メディエータの質量は、すべての計算に含まれた。
図２２Ｃは、活物質と集電体とセパレータと電解質とを含むフルデバイスの体積に基づくラゴンプロットを示しており、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタを、市販のリチウム薄膜バッテリ、炭素ベースのスーパーキャパシタ、アルミニウム電解キャパシタ、従来的なサンドイッチ型スーパーキャパシタ、及び、交互嵌合型マイクロスーパーキャパシタと比較している。本明細書における例示的なＳＣ－ＲＥのエネルギー密度は、約１７．４ｍＷｈｃｍ－３であり、これは、任意の市販の活性炭電気化学キャパシタよりも約１５倍大きく、リチウム薄膜バッテリよりも約１．５倍大きい。さらに、本明細書における例示的なＳＣ－ＲＥは、約６３Ｗｃｍ－３という電力密度を提供し得るように構成されており、これは、リチウム薄膜バッテリよりも１０，０００倍速いものである。したがって、酸化還元電解質と組み合わせたＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４デバイスは、将来のエネルギー貯蔵デバイスの優秀な候補となり得る。
長いサイクル寿命は、実用的なエネルギー貯蔵デバイスにとっての他の重要な特性である。酸化還元電解質とＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４との組合せは、キャパシタンスを増大させるだけでなく、大きな動作電圧でのデバイスのサイクル寿命も安定させる。図２２Ｄは、酸化還元電解質を使用した場合及び使用しなかった場合の例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタに関しての、約５，０００サイクルにわたって約１２ｍＡｃｍ－２という電流密度で充放電した際のサイクル性能を示している。例示的な対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタは、１．０ＭのＮａ２ＳＯ４水性電解質中において約１．８Ｖで動作し得るけれども、電解質の分解によってガス（Ｈ２又はＯ２）が発生してこのガスが集電体から活物質を分離させるために、約１Ｖの場合の方がより大きなサイクル寿命を呈する。約０．０２５ＭのＲＥを約１．０ＭのＮａ２ＳＯ４中に添加することにより、サイクル寿命が、約５，０００サイクルで約９０％というキャパシタンス維持率へと改良される。ＳＣ－ＲＥデバイスにおいては、フェロシアニド酸化還元メディエータが、充放電時に主要な役割を果たすことができる。
酸化還元メディエータが無い場合には、正電極及び負電極は、電荷バランスを取ることができない可能性がある。このことは、負電極が、正電極と比較して、サイクル安定性において、より劣化を受けやすい可能性があり、これにより、スーパーキャパシタのサイクル安定性を低下させ得ることを意味している。しかしながら、酸化還元メディエータが電解質に添加された後には、正電極と負電極とのバランスが取れ、より良好なサイクル寿命が期待される。
スーパーキャパシタは、用途のための充分な動作電圧をモジュールに対して供給し得るよう、直列でパッケージングされることが多い。図２２Ｅは、直列接続された例示的な２つのＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極スーパーキャパシタが、約３．６Ｖで約３分間にわたって充電されたときには、約１時間にわたって、様々な色の複数のＬＥＤを、すなわち、５ｍｍ、２．６Ｖ、２０ｍＡの緑色のＬＥＤと、５ｍｍ、３．４Ｖ、２０ｍＡの青色のＬＥＤと、５ｍｍ、１．９Ｖ、２０ｍＡの赤色のＬＥＤと、５ｍｍ、３．６Ｖ、２０ｍＡの白色のＬＥＤとを、明るく点灯できることを示している。これらの結果は、実用的な用途に対してのＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタの潜在能力を実証している。
スーパーキャパシタ及びマイクロスーパーキャパシタの実効的な厚さ
図２３Ａ及び図２３Ｂは、例示的なＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４サンドイッチ型スーパーキャパ
シタ、及び、交互嵌合型のマイクロスーパーキャパシタに関しての概略的な断面図を提供している。図示のように、サンドイッチ型デバイスの実効的な厚さは、約７２．６μｍであり、これに対し、平面デバイスに関しては、約２３．８μｍに過ぎない。
本開示の好ましい実施形態について、本明細書において図示して説明したけれども、当業者には、そのような実施形態が例示として提供されているに過ぎないことは自明であろう。ここで、当業者であれば、本開示から逸脱することなく、様々な変形、様々な変更、及び様々な置換を想起するであろう。本開示を実施するに際して、本明細書において説明した本開示の実施形態に対する様々な代替物を使用し得ることは、理解されるべきである。以下の特許請求の範囲が、本開示の範囲を規定することが意図されているとともに、それらの特許請求の範囲内の方法及び構造並びにそれらの均等物が、本開示の範囲によってカバーされることが意図されている。
実施例１：ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ 電極の合成
例示的な合成／製造方法においては、ＧＯを、修正ハマー法を使用して、グラファイトフレークから合成した。粉末状の約１００ｍｇのＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏを連続的に攪拌しながら、約２０ｍＬのＧＯ分散水（約２ｍｇｍｌ－１）に対して、徐々に添加した。続いて、約３０分間にわたって超音波処理を行った。一様な溶液を、金によってスパッタリングされたポリイミドシート上へとドロップキャストし、周囲条件下において約１２時間にわたって乾燥させた。乾燥した膜を、７ＷのＣＯ２レーザ（フルスペクトラムレーザＨシリーズ）に対して曝し、これにより、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４膜を合成した。レーザに対して曝した後には、ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４膜を脱イオン水によって洗浄し、スーパーキャパシタの電極として直接的に使用した。微細構造の電極を作製するに際しては、活物質（ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４）及び集電体を、２４ＷのＣＯ２レーザ（フルスペクトラムレーザＨシリーズ）を使用して、６個のものが交互嵌合してなる１つの電極パターンを切り出した。
実施例２：ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ 電極の合成
ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極を、その場での、ＧＯの還元とＦｅＣｌ３の酸化とにより、製造した。ＧＯスラリー及びＦｅＣｌ３粒子を水中へと充分に分散させた。静電効果により、Ｆｅ３＋は、ＧＯの親水性酸素官能基の負に帯電した部分上へと吸収された。約３０分間にわたっての超音波処理の後に、ＧＯによって包まれたＦｅ３＋カチオン粒子が得られた。ＣＯ２レーザエッチングを行った後に、混合サンプルに関し、Ｆｅ３＋（ＦｅＣｌ３）からＦｅ３Ｏ４への酸化と、ＧＯからＬＳＧへの還元とを同時的に行い、これにより、ＬＳＧによって包まれたＦｅ３Ｏ４を正常に合成した。
実施例２：ＬＳＧ／Ｆｅ ３ Ｏ ４ スーパーキャパシタ及びマイクロスーパーキャパシタの製造
電極を、銅テープに対して、及び、集電体として金によってスパッタリングされたポリイミドに対して、接続することによって延長した。これらの延長電極を、電気化学的特性評価のために、Ｂｉｏｌｏｇｉｃ ＶＭＰ３ワークステーションに対して接続した。ポリイミドテープを使用して、銅テープを電解質に対しての曝露から絶縁した。対称ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４スーパーキャパシタを、ポリプロピレンなどのイオン多孔性メンブランによって隔離された２個のＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極から構築した。次に、電解質を添加し、その後、ポリイミドテープを使用して、これらの２つの電極とセパレータとを組み立てた。加えて、電極とワークステーションとの間の接続を改良するために、対称マイクロスーパーキャパシタ電極を、エッジに沿って銅テープによって延長した。ポリイミドテープを使用して銅テープを被覆し、これにより、マイクロスーパーキャパシタの領域を規定した。電解質をマイクロスーパーキャパシタの活性領域上にコーティングした。
実施例３：全固体状態のスーパーキャパシタの組立
ゲル電解質を、脱イオン水（約１０ｍＬ）内において、等量のＮａ２ＳＯ４（例えば、約１ｇ）及びポリビニルアルコール（例えば、約１ｇ）に混合することにより、そしてその後、約８０℃で約１時間にわたって攪拌することにより調製した。得られたゲル電解質を電極に対して適用し、そして、約６０分間にわたって放置した。これにより、電極表面の完全な湿潤を確保した。電解質が充填された２つの電極を組み立てて、完全に固化するまで、室温で約１２時間にわたって乾燥させた。
実施例４：材料の特性評価及び電気化学的測定
ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４の走査型電子顕微鏡による特性評価を、Ｎｏｖａ ６００ ＳＥＭ／ＦＩＢデバイスを使用して実施した。活物質の質量を、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ
ＭＸ５微量天秤によって測定し、これにより、約３８２．４マイクログラム／平方センチメートル（μｇｃｍ－２）であることが判明した。ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４ハイブリッドキャパシタの実効的な厚さは、活物質と基板（約２３．８μｍ）とセパレータ（約２５μｍ）とを含めて、約７２．６μｍであった。ＴＥＭ画像、及び、制限視野電子回折パターンを、約２００ｋＶで動作するＴｅｃｎａｉ Ｇ２ＴＦ２０ ＴＥＭ（ＦＥＩ Ｉｎｃ．）上において収集した。高分解能ＴＥＭ、及び、制限視野電子回折データを、ＥＭＭＥＮＵ４及びＩｍａｇｅＪソフトウェアを使用して分析した。熱重量分析及びＤＴＡを、空気中において、約１０℃ｍｉｎ－１という加熱速度でもって、Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｐｙｒｉｓ ＴＧＡ上において実行した。Ｘ線回折スペクトルを、約０．１５４ｎｍという波長を有したＣｕのＫα放射線を使用して、Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｘ‘Ｐｅｒｔ ＰｒｏＸ線粉末回折計上において記録した。ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の電気化学的性能を、様々な電解質を使用しつつ、ＣＶ測定、定電流ＣＣ測定、及び電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）測定によって特性評価した。ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４電極の試験を、対向電極としての白金プレート（Ａｌｄｒｉｃｈ）及び参照電極としてのＡｇ／ＡｇＣｌを使用した３電極セルを使用して実行した。ＬＳＧ／Ｆｅ３Ｏ４対称スーパーキャパシタ及びマイクロスーパーキャパシタ（２電極セル）を、ＣＶ実験、ＣＣ実験、及びＥＩＳ実験を使用して特性評価した。ＥＩＳ測定を、１ＭＨｚ～１０ｍＨｚという周波数範囲にわたって１０ｍＶという振幅の正弦波信号を使用して、開放回路電位において行った。すべての電気化学データを、１０－Ａ電流ブースタ（ＶＭＰ３ｂ－１０、ＵＳＡ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）を備えたＢｉｏｌｏｇｉｃ ＶＭＰ３電気化学ワークステーションを使用して収集した。
［用語及び定義］
特段に定義されない限り、本明細書において使用されるすべての技術用語は、本明細書において説明されるデバイスが属する技術分野における当業者によって一般的に理解される意味と、同じ意味を有している。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される際には、「１つの」（a, an）及び「その」（the）という単数形は、文脈からそうでないことが明確に示されない限り、複数形の参照を含んでいる。本明細書における「又は」（or）へのすべての参照は、特段に言及しない限り、「及び／又は」（and/or）を包含することが意図されている。
本明細書において使用される際には、特段に規定しない限り、「約」（about）又は「
およそ」（approximately）という用語は、当業者によって決定される特定の値に関する
許容誤差であるとともに、その値に関しての測定方法又は決定方法に部分的に依存するような許容誤差を意味する。ある種の実施形態においては、「約」又は「およそ」という用語は、与えられた値又は与えられた範囲の、３０％以内、２５％以内、２０％以内、１５％以内、１０％以内、９％以内、８％以内、７％以内、６％以内、５％以内、４％以内、３％以内、２％以内、１％以内、０．５％以内、０．１％以内、又は、０．０５％以内を意味する。ある種の実施形態においては、「約」又は「およそ」という用語は、比率に関して使用された場合には、与えられた比率又は与えられた比率範囲の、３０％以内、２５％以内、２０％以内、１５％以内、１０％以内、９％以内、８％以内、７％以内、６％以内、５％以内、４％以内、３％以内、２％以内、１％以内、０．５％以内、０．１％以内、又は、０．０５％以内を意味する。

Claims (29)

  1. ａ）２つ以上の電極であって、少なくとも１つの電極は、ファラデーナノ粒子と炭素質材料を含む活物質を含む、２つ以上の電極と、
    ｂ）酸化還元（レドックス）活性電解質と、
    を含む、エネルギー貯蔵デバイスであって、
    前記ナノ粒子は前記活物質に包まれるか結合しており、
    前記ナノ粒子は磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、又は、これらの任意の組合せを含み、
    前記酸化還元活性電解質は、酸化還元反応を受けることができる、上記エネルギー貯蔵デバイス。
  2. 前記炭素質材料は、相互接続された波状炭素系ネットワークを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  3. 前記炭素質材料は、レーザスクライブされたグラフェンを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  4. 前記ナノ粒子は、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）を含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  5. 前記酸化還元活性電解質は、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、又は、これらの組合せを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  6. 前記酸化還元活性電解質は、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、又は、これらの任意の組合せを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  7. 前記酸化還元活性電解質は、第二鉄カチオンを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  8. 前記酸化還元活性電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－を含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  9. 前記酸化還元活性電解質は、水溶液を含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  10. 前記水溶液は、硫酸イオンを含む、請求項９に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  11. 前記水溶液は、ナトリウムイオンを含む、請求項９に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  12. 前記水溶液は、Ｎａ２ＳＯ４を含む、請求項９に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  13. 前記酸化還元活性電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－とＮａ２ＳＯ４とを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  14. 前記炭素質材料は、レーザスクライブされたグラフェンを含み、
    前記ファラデー材料は、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）を含み、
    前記酸化還元活性電解質は、Ｆｅ（ＣＮ）６ ３－／Ｆｅ（ＣＮ）６ ４－とＮａ２ＳＯ４とを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  15. 前記少なくとも１つの電極は、約２０％～約８０％という磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）含有量を有している、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  16. 前記少なくとも１つの電極は、磁気モーメントを保有している、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  17. 前記エネルギー貯蔵デバイスは、約０．９Ｖ～約３Ｖという動作電圧を有している、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  18. 前記エネルギー貯蔵デバイスは、約１５０Ｆ／ｇ～約１，４００Ｆ／ｇという比キャパシタンスを有している、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  19. 前記エネルギー貯蔵デバイスは、約４５Ｗｈ／ｋｇ～約２５０Ｗｈ／ｋｇというエネルギー密度を有している、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  20. 前記エネルギー貯蔵デバイスは、約４５Ｗ／ｋｇ～約１８０Ｗ／ｋｇという電力密度を有している、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  21. 前記エネルギー貯蔵デバイスは、バッテリ、キャパシタ、スーパーキャパシタ、及び／又は、マイクロスーパーキャパシタである、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
  22. 炭素質材料を含む活物質と、
    前記活物質に包まれるか結合しているファラデーナノ粒子と、
    を含む電極であって、
    前記ナノ粒子は磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、又は、これらの任意の組合せを含み、
    前記電極は、酸化還元（レドックス）活性電解質と接触した際に酸化還元反応を受けることができるように構成されている、上記電極。
  23. 前記炭素質材料は、相互接続された波状炭素系ネットワーク、レーザスクライブされたグラフェン、又は、これらの任意の組合せを含む、請求項２２に記載の電極。
  24. 前記炭素質材料は、レーザスクライブされたグラフェンを含み、
    前記金属ナノ粒子は、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）を含む、請求項２２に記載の電極。
  25. 前記電極は、約４０％～約８５％という磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）含有量を有している、請求項２２に記載の電極。
  26. 電極を製造するための方法であって、
    ａ）炭素系酸化物及び金属塩を含む溶液を超音波処理することと、
    ｂ）前記炭素系酸化物及び前記金属塩を含む前記溶液を基板上に配置することと、
    ｃ）前記基板を乾燥させることによって、前記炭素系酸化物及び前記金属塩を含む乾燥膜を作製することと、
    ｄ）前記乾燥膜の一部を光に曝すことによって、前記炭素系酸化物を還元しかつ前記金属塩を酸化し、炭素質材料と、活物質に包まれるか結合しているファラデーナノ粒子とを形成することと、を含み、
    前記ナノ粒子は磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、又は、これらの任意の組合せを含み、
    前記電極は、酸化還元（レドックス）活性電解質と接触した際に酸化還元反応を受けることができるように構成されている、方法。
  27. 前記炭素系酸化物は、酸化グラフェンを含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記金属塩は、鉄（Ｆｅ）を含む、請求項２６に記載の方法。
  29. 前記金属塩は、塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を含む、請求項２８に記載の方法。
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