JP7417300B2 - 柔軟性があり高性能なスーパーキャパシタのための炭素布上でのポリアニリンナノチューブの直接的成長 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年4月1日に出願された米国仮出願第62/317,120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。
~約800ナノメートル、約50ナノメートル~約900ナノメートル、約50ナノメートル~約1,000ナノメートル、約100ナノメートル~約200ナノメートル、約100ナノメートル~約300ナノメートル、約100ナノメートル~約400ナノメートル、約100ナノメートル~約500ナノメートル、約100ナノメートル~約600ナノメートル、約100ナノメートル~約700ナノメートル、約100ナノメートル~約800ナノメートル、約100ナノメートル~約900ナノメートル、約100ナノメートル~約1,000ナノメートル、約200ナノメートル~約300ナノメートル、約200ナノメートル~約400ナノメートル、約200ナノメートル~約500ナノメートル、約200ナノメートル~約600ナノメートル、約200ナノメートル~約700ナノメートル、約200ナノメートル~約800ナノメートル、約200ナノメートル~約900ナノメートル、約200ナノメートル~約1,000ナノメートル、約300ナノメートル~約400ナノメートル、約300ナノメートル~約500ナノメートル、約300ナノメートル~約600ナノメートル、約300ナノメートル~約700ナノメートル、約300ナノメートル~約800ナノメートル、約300ナノメートル~約900ナノメートル、約300ナノメートル~約1,000ナノメートル、約400ナノメートル~約500ナノメートル、約400ナノメートル~約600ナノメートル、約400ナノメートル~約700ナノメートル、約400ナノメートル~約800ナノメートル、約400ナノメートル~約900ナノメートル、約400ナノメートル~約1,000ナノメートル、約500ナノメートル~約600ナノメートル、約500ナノメートル~約700ナノメートル、約500ナノメートル~約800ナノメートル、約500ナノメートル~約900ナノメートル、約500ナノメートル~約1,000ナノメートル、約600ナノメートル~約700ナノメートル、約600ナノメートル~約800ナノメートル、約600ナノメートル~約900ナノメートル、約600ナノメートル~約1,000ナノメートル、約700ナノメートル~約800ナノメートル、約700ナノメートル~約900ナノメートル、約700ナノメートル~約1,000ナノメートル、約800ナノメートル~約900ナノメートル、約800ナノメートル~約1,000ナノメートル、または約900ナノメートル~約1,000ナノメートルの外幅を有する。
の実施形態では、1つ以上のナノ構造は、ナノロッド、ナノチェーン、ナノ繊維、ナノフレーク、ナノフラワー、ナノ粒子、ナノプレートレット、ナノリボン、ナノリング、ナノシート、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
ノメートルの幅を有する。
有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約0.6Vの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約2.6Vの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約0.6V~約0.8V、約0.6V~約1V、約0.6V~約1.2V、約0.6V~約1.4V、約0.6V~約1.6V、約0.6V~約1.8V、約0.6V~約2V、約0.6V~約2.2V、約0.6V~約2.4V、約0.6V~約2.6V、約0.8V~約1V、約0.8V~約1.2V、約0.8V~約1.4V、約0.8V~約1.6V、約0.8V~約1.8V、約0.8V~約2V、約0.8V~約2.2V、約0.8V~約2.4V、約0.8V~約2.6V、約1V~約1.2V、約1V~約1.4V、約1V~約1.6V、約1V~約1.8V、約1V~約2V、約1V~約2.2V、約1V~約2.4V、約1V~約2.6V、約1.2V~約1.4V、約1.2V~約1.6V、約1.2V~約1.8V、約1.2V~約2V、約1.2V~約2.2V、約1.2V~約2.4V、約1.2V~約2.6V、約1.4V~約1.6V、約1.4V~約1.8V、約1.4V~約2V、約1.4V~約2.2V、約1.4V~約2.4V、約1.4V~約2.6V、約1.6V~約1.8V、約1.6V~約2V、約1.6V~約2.2V、約1.6V~約2.4V、約1.6V~約2.6V、約1.8V~約2V、約1.8V~約2.2V、約1.8V~約2.4V、約1.8V~約2.6V、約2V~約2.2V、約2V~約2.4V、約2V~約2.6V、約2.2V~約2.4V、約2.2V~約2.6V、または約2.4V~約2.6Vの動作電位を有する。
位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約2.8Vの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約0.7V~約0.8V、約0.7V~約1V、約0.7V~約1.2V、約0.7V~約1.4V、約0.7V~約1.6V、約0.7V~約1.8V、約0.7V~約2V、約0.7V~約2.2V、約0.7V~約2.4V、約0.7V~約2.6V、約0.7V~約2.8V、約0.8V~約1V、約0.8V~約1.2V、約0.8V~約1.4V、約0.8V~約1.6V、約0.8V~約1.8V、約0.8V~約2V、約0.8V~約2.2V、約0.8V~約2.4V、約0.8V~約2.6V、約0.8V~約2.8V、約1V~約1.2V、約1V~約1.4V、約1V~約1.6V、約1V~約1.8V、約1V~約2V、約1V~約2.2V、約1V~約2.4V、約1V~約2.6V、約1V~約2.8V、約1.2V~約1.4V、約1.2V~約1.6V、約1.2V~約1.8V、約1.2V~約2V、約1.2V~約2.2V、約1.2V~約2.4V、約1.2V~約2.6V、約1.2V~約2.8V、約1.4V~約1.6V、約1.4V~約1.8V、約1.4V~約2V、約1.4V~約2.2V、約1.4V~約2.4V、約1.4V~約2.6V、約1.4V~約2.8V、約1.6V~約1.8V、約1.6V~約2V、約1.6V~約2.2V、約1.6V~約2.4V、約1.6V~約2.6V、約1.6V~約2.8V、約1.8V~約2V、約1.8V~約2.2V、約1.8V~約2.4V、約1.8V~約2.6V、約1.8V~約2.8V、約2V~約2.2V、約2V~約2.4V、約2V~約2.6V、約2V~約2.8V、約2.2V~約2.4V、約2.2V~約2.6V、約2.2V~約2.8V、約2.4V~約2.6V、約2.4V~約2.8V、または約2.6V~約2.8Vの動作電位を有する。
施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約700Wh/kgの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約3,00Wh/kgの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約700Wh/kg~約1,000Wh/kg、約700Wh/kg~約1,250Wh/kg、約700Wh/kg~約1,500Wh/kg、約700Wh/kg~約1,750Wh/kg、約700Wh/kg~約2,000Wh/kg、約700Wh/kg~約2,250Wh/kg、約700Wh/kg~約2,500Wh/kg、約700Wh/kg~約2,750Wh/kg、約700Wh/kg~約3,000Wh/kg、約1,000Wh/kg~約1,250Wh/kg、約1,000Wh/kg~約1,500Wh/kg、約1,000Wh/kg~約1,750Wh/kg、約1,000Wh/kg~約2,000Wh/kg、約1,000Wh/kg~約2,250Wh/kg、約1,000Wh/kg~約2,500Wh/kg、約1,000Wh/kg~約2,750Wh/kg、約1,000Wh/kg~約3,000Wh/kg、約1,250Wh/kg~約1,500Wh/kg、約1,250Wh/kg~約1,750Wh/kg、約1,250Wh/kg~約2,000Wh/kg、約1,250Wh/kg~約2,250Wh/kg、約1,250Wh/kg~約2,500Wh/kg、約1,250Wh/kg~約2,750Wh/kg、約1,250Wh/kg~約3,000Wh/kg、約1,500Wh/kg~約1,750Wh/kg、約1,500Wh/kg~約2,000Wh/kg、約1,500Wh/kg~約2,250Wh/kg、約1,500Wh/kg~約2,500Wh/kg、約1,500Wh/kg~約2,750Wh/kg、約1,500Wh/kg~約3,000Wh/kg、約1,750Wh/kg~約2,000Wh/kg、約1,750Wh/kg~約2,250Wh/kg、約1,750Wh/kg~約2,500Wh/kg、約1,750Wh/kg~約2,750Wh/kg、約1,750Wh/kg~約3,000Wh/kg、約2,000Wh/kg~約2,250Wh/kg、約2,000Wh/kg~約2,500Wh/kg、約2,000Wh/kg~約2,750Wh/kg、約2,000Wh/kg~約3,000Wh/kg、約2,250Wh/kg~約2,500Wh/kg、約2,250Wh/kg~約2,750Wh/kg、約2,250Wh/kg~約3,000Wh/kg、約2,500Wh/kg~約2,750Wh/kg、約2,500Wh/kg~約3,000Wh/kg、または約2,750Wh/kg~約3,000Wh/kgの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
は、電解質は酸及び溶媒を含む。いくつかの実施形態では、酸は強酸である。いくつかの実施形態では、強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、p-トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、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、溶媒は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、n-ブタノール、メタノール、酢酸、水、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、官能化溶液は、少なくとも約30℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、最大で約120℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、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30℃~約110℃、約30℃~約120℃、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40℃~約110℃、約40℃~約120℃、約50℃~約60℃、約50℃~約70℃、約50℃~約80℃、約50℃~約90℃、約50℃~約100℃、約50℃~約110℃、約50℃~約120℃、約60℃~約70℃、約60℃~約80℃、約60℃~約90℃、約60℃~約100℃、約60℃~約110℃、約60℃~約120℃、約70℃~約80℃、約70℃~約90℃、約70℃~約100℃、約70℃~約110℃、約70℃~約120℃、約80℃~約90℃、約80℃~約100℃、約80℃~約110℃、約80℃~約120℃、約90℃~約100℃、約90℃~約110℃、約90℃~約120℃、約100℃~約110℃、約100℃~約120℃、または約110℃~約120℃の温度に加熱される。
は、水の体積は、最大で約2Lである。いくつかの実施形態では、水の体積は、約0.5L~約0.625L、約0.5L~約0.75L、約0.5L~約0.875L、約0.5L~約1L、約0.5L~約1.25L、約0.5L~約1.5L、約0.5L~約1.75L、約0.5L~約2L、約0.625L~約0.75L、約0.625L~約0.875L、約0.625L~約1L、約0.625L~約1.25L、約0.625L~約1.5L、約0.625L~約1.75L、約0.625L~約2L、約0.75L~約0.875L、約0.75L~約1L、約0.75L~約1.25L、約0.75L~約1.5L、約0.75L~約1.75L、約0.75L~約2L、約0.875L~約1L、約0.875L~約1.25L、約0.875L~約1.5L、約0.875L~約1.75L、約0.875L~約2L、約1L~約1.25L、約1L~約1.5L、約1L~約1.75L、約1L~約2L、約1.25L~約1.5L、約1.25L~約1.75L、約1.25L~約2L、約1.5L~約1.75L、約1.5L~約2L、または約1.75L~約2Lである。
~約0.5cm2の幾何学的面積を有する。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、少なくとも約0.1cm2の幾何学的面積を有する。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、最大で約0.5cm2の幾何学的面積を有する。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約0.1cm2~約0.2cm2、約0.1cm2~約0.3cm2、約0.1cm2~約0.4cm2、約0.1cm2~約0.5cm2、約0.2cm2~約0.3cm2、約0.2cm2~約0.4cm2、約0.2cm2~約0.5cm2、約0.3cm2~約0.4cm2、約0.3cm2~約0.5cm2、または約0.4cm2~約0.5cm2の幾何学的面積を有する。
太陽電池アレイ、フレキシブルディスプレイ、及びウェアラブル電子機器などの柔軟性のある電子機器の市場は、急速に成長しており、それらの可搬性、耐久性、曲げ性、及びロール性のため、将来の電子機器の設計に寄与している。多くの分野にわたる柔軟性のある電子装置の製造における最近の急速な進歩は、従来の半導体の何分の1かのコストで、様々なサイズ、形状、及び機械的特性の柔軟性のある半導体の幅広いアレイを含む、様々なエネルギー貯蔵及び電力貯蔵装置の開発をもたらしてきた。
パーキャパシタ装置は、相互接続された装置を含み得る。
スーパーキャパシタは、通常のキャパシタよりもはるかに高い静電容量を有する高出力のエネルギー貯蔵装置である。スーパーキャパシタ(SC)は、最近、高出力密度のエネルギー貯蔵源としてかなりの注目を集めており、ポータブル電子装置、回生ブレーキシステム、電圧安定化装置、ハイブリッドバス、医療装置、及びハイブリッド電気自動車にお
いてますます用いられているエネルギー貯蔵源である。
スーパーキャパシタの電極に一般的に用いられる材料には、遷移金属酸化物、導電性ポリマー、及び高表面炭素が含まれる。しかしながら、残念なことに、これらの材料に基づく慣用のスーパーキャパシタは、低いエネルギー密度を示す場合があり、電極の活物質の質量負荷によって制限される。
びその異なるモルフォロジーは、その固有の高い酸化-還元(レドックス)活性-比静電容量、柔軟性、及び充電及び放電プロセス中の対イオンの急速なドーピング及び脱ドーピングを伴う複数のレドックス状態間で変換する能力のため、活物質として使用されてきた。
リコンアノードの安定性の問題に取り組んでいる。
いくつかの実施形態では、炭素布(CC)がセル基材として使用される。いくつかの実施形態では、炭素布は、複数の炭素繊維の織物アセンブリを含む。いくつかの実施形態では、炭素繊維及びグラファイト繊維は、大部分が炭素原子から構成される繊維である。また、炭素布の良好な電気伝導性及び柔軟性は、(電子輸送のための短い経路を提供することによって)低い内部抵抗及び機械的柔軟性を有する装置を可能にする。
本明細書に記載のエネルギー貯蔵装置は、電解質を含み得る。本明細書における電解質には、例えば、液体、固体、またはゲルの形態であり得る水性、有機、及びイオン液体系電解質が含まれ得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、電解質は、極性溶媒に溶解した電気伝導性溶質から形成されるカチオン及びアニオンの均一な分散を有する溶液である。
いくつかの実施形態では、超高エネルギー密度を有するエネルギー貯蔵装置は、装置の構成要素間の相乗的相互作用を獲得するために電解質と組み合わせて電極材料を選択することによって設計される。現在の3つの電極の装置におけるファラデーエネルギー貯蔵材料は、1.23Vにおける水の分解のため、約1.0Vに制限されるそれらの動作のための水性電解質を必要とする。対称装置は1.0Vの最大理論電位窓を示すが、非対称装置は、水の熱力学的分解電圧を超えてそれらの動作電圧を拡張することによって水性電解質の電圧窓を獲得する。
、NQは、電極表面上での直接的レドックス反応を介する擬似静電容量を提供し、酸化形態のPANIの再生を触媒し、ポリアニリンの可逆的酸化/還元のためのレドックスシャトルとして動作して、装置の全体的な性能を著しく向上させる。
ポリアニリン官能化電極を作製すること及び電極をパッケージ化することを含むスーパーキャパシタ装置300を作製する例示的なプロセスが図3に示されている。
異なる電極材料の構造及びモルフォロジーは、電界放出走査型電子顕微鏡法(Philips及びJEOL-JSM-6700)を使用して試験され得る。強酸混合物におけるCCの官能化の前及び後の構造変化は、X線粉末回折(40kV及び40mAで0.02°s-1のステップサイズで生成されたCoKα線[λ=0.178ナノメートル]を用いるPhilips X´pert回折計)を使用して特性化され得る。分光光度計(Tensor 27Bruker)がフーリエ変換赤外(FTIR)分光法を実施するために使用され得る。
いくつかの実施形態では、アニオン性界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム(SDS)は、装置の電気化学的特性及び静電容量と共に、合成されるPANIのモルフォロジーに対して重合プロセスにおいて、ドーピングにおける軟質テンプレートとして重要な役割を果たす。PANI構造のSDSドーピングはベルト状構造を発生させ、その巻き上げはその後に起こり、更なる重合により長方形チューブモルフォロジーを有するPANIの形成がもたらされる。いくつかの実施形態では、低濃度のHClは、低い酸性度を有する媒体中でのPANI重合を誘発し、これは反応プロセスを遅延させ、ナノ構造の形成を可能にし得る。
し、例示的な装置におけるCCの電気二重層静電容量(EDLC)を確認し、PANIによって引き起こされる擬似静電容量が支配的であることを示している。例示的なCD曲線は、例示的なCV曲線におけるPANIのレドックスピークと一致するCD工程における2つのプラトーを示している。SDSの存在下で合成されたPANIを含有する例示的な装置は、図7及び8において、それぞれ、例示的なCV曲線下の面積あたりのより高い静電容量及びレート性能、ならびに放電時間を示すことが見られる。このように、PANI-FCCは、大幅に高い充電/放電電流密度を示し、レドックス添加剤に割り当てられた明らかなレドックスピークを示す。
異なる重合時間(16、20、24、28、及び32時間)にわたってCC上に合成されたPANIによって示される表面モルフォロジーの例が図6A~Hに示されている。16時間重合されたPANI-CC601aは、低倍率での図6Cによれば、約200~500ナノメートルの外径、約100~400nmの内径、及び数マイクロメートルの長さを有する、CCの表面上の中空の長方形断面のPANIナノチューブのモルフォロジーを示している。また、16時間重合されたPANI-CC601aは、高倍率での図6Bによれば、長さ及び直径がそれぞれ約100~200ナノメートル及び約40~60ナノメートルである、PANIナノチューブの表面上の階層構造において無秩序に配列したナノロッドのモルフォロジーを示している。
CC及びFCCについての例示的なXRDパターンが図11に示されている一方で、初期のCCのXRDパターンは、六角形のCC構造の(002)及び(101)面に起因する20°~35°及び50°~55°における2つの主な特有の回折ピークを示す。CCの秩序ある結晶構造の破壊に起因して、及びC=N基とCOO-基との間の増大した結合強度に起因して、20°~35°CにおけるCCのブロードな強度ピークが大幅に減少し得ることが見られるが、その理由は、それらの二重結合が官能化プロセス中に単結合に変換されるからである。初期のブロードピークは、FCC上のカルボン酸官能基の-OH基
に関連し得、CCとFCCとの間のピークシフトは、キノノイド及びベンゼノイド環におけるC=Cの伸縮振動、及び正のPANIのC-Nバンドの負のカルボン酸との相互作用によって説明され得る。
静電容量は、本体が電荷を貯蔵する能力である。いずれの物体も帯電して静電容量を示し得るものの、大きな静電容量を有する本体は、低い静電容量を有する本体よりも所与の電圧でより多くの電荷を保持する。いくつかの実施形態では、静電容量は、グラムあたりのファラド(F/g)で測定される。
例示的なPANI-FCC装置の電気化学性能特性が図13A~Hに示されている。図13AにおけるCVグラフを通じて見られるように、初期のCCは、非常に低い静電容量を有する小さな長方形曲線を示す。FCCは、炭素布の官能化がその濡れ性を増加させ、それ故電荷の吸着及び脱着を容易にするという事実におそらく起因して、より高いEDLC電荷貯蔵機能を有する長方形のCV形状を示す。また、例示的なPANI-FCC装置は、図13Cによれば、例示的なPANI-CC装置のCV曲線よりも、より長方形の形状をしたCV、及びそれ故より高い静電容量性能を示す。この性能改善は、その二重層メカニズムにおける例示的なPANI-FCCの増加した電荷貯蔵、FCCの濡れ性、及び電荷の吸収及び脱着に関連している可能性が最も高い。また、装置の擬似静電容量の原因となるPANIのレドックスピークは、FCCから生じる静電容量部分によってカバーさ
れ、装置の擬似静電容量の原因となるPANIのレドックスピークは、FCCの電気二重層の静電容量によって著しく低下することは明らかである。
の電気化学的性能を維持した。図13Gは、例示的なPANI-FCC装置と比較した、例示的なPANI-FCC装置の電流密度に応じた比静電容量を示している。1~50A/gの異なる電流密度で試験された例示的な対称装置のレート性能は、50A/gの電流密度で274F/gの優れた比静電容量を示す。20A/g及び50A/gでの例示的なPANI-FCC装置(上側の曲線)の比静電容量は、それぞれ、1A/gにおけるものの約56%及び約41%ほどである。これらの結果は、高い電流密度下での例示的なPANI-FCC装置の良好なレート性能を実証しており、これは実用的な高いレートのSC用途にとって重要である。
ルギー密度に対するNQの8倍の良い効果を強調している。
C装置の高いレート性能を明らかにしている。
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的用語は、本明細書に記載の装置が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈が他に明確に指示していない限り、複数の言及を含む。本明細書における「または」に対する任意の言及は、他に記述されていない限り、「及び/または」を包含することが意図される。
を指す。
[1]スーパーキャパシタであって:
2つ以上の電極であって、少なくとも1つの電極が官能化炭素電極を含む、前記2つ以上の電極;
集電体;及び
レドックス電解質
を含む、前記スーパーキャパシタ。
[2]前記官能化炭素電極が:
炭素布、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲル、グラフェンフォームまたはそれらの任意の組み合わせを含む炭素基材;及び
前記炭素基材上に配置された導電性ポリマーであって、前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレンオキシド)、ポリ(p-フェニレンスルフィド)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(3-アルキチオフェン)、ポリ(3-メチルチオフェン)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)、またはそれらの任意の組み合わせを含む、前記導電性ポリマー
を含む、[1]に記載のスーパーキャパシタ。
[3]前記導電性ポリマーが、1つ以上のナノチューブのモルフォロジーを有する、[2]に記載のスーパーキャパシタ。
[4]ナノチューブは、100ナノメートル~10,000ナノメートルの長さを有する、[3]に記載のスーパーキャパシタ。
[5]ナノチューブは、10ナノメートル~1,000ナノメートルの外幅を有する、[3]に記載のスーパーキャパシタ。
[6]ナノチューブは、50ナノメートル~800ナノメートルの内幅を有する、[3]に記載のスーパーキャパシタ。
[7]ナノチューブの表面は、ナノ構造を含有する、[3]に記載のスーパーキャパシタ。
[8]ナノ構造は、ナノロッド、ナノチェーン、ナノ繊維、ナノフレーク、ナノフラワー、ナノ粒子、ナノプレートレット、ナノリボン、ナノリング、ナノシート、またはそれらの任意の組み合わせを含む、[7]に記載のスーパーキャパシタ。
[9]ナノ構造は、4ナノメートル~50ナノメートルの長さを有する、[7]に記載のスーパーキャパシタ。
[10]ナノ構造は、4ナノメートル~50ナノメートルの幅を有する、[7]に記載のスーパーキャパシタ。
[11]前記官能化炭素電極が、少なくとも150mF/cm2~750mF/cm2の面積静電容量を有する、[2]に記載のスーパーキャパシタ。
[12]前記官能化炭素電極が、1,000サイクルの曲げ処理の後に最大で8%減少する抵抗を有する、[2]に記載のスーパーキャパシタ。
[13]前記レドックス電解質が、キノンを含む、[1]に記載のスーパーキャパシタ。
[14]前記スーパーキャパシタが、0.1V~1.7Vの動作電位を有する、[1]に記載のスーパーキャパシタ。
[15]前記スーパーキャパシタが、1,000サイクルの充電の後、最大で26%減少する重量静電容量を有する、[1]に記載のスーパーキャパシタ。
[16]前記スーパーキャパシタが、125F/g~20,000F/gである重量静電容量を有する、[1]に記載のスーパーキャパシタ。
[17]前記スーパーキャパシタが、12Wh/kg~3,000Wh/kgである重量エネルギー密度を有する、[1]に記載のスーパーキャパシタ。
[18]官能化電極を作製する方法であって:
a)炭素基材を官能化して官能化炭素基材を形成すること;
b)前記官能化炭素基材を調製すること;
c)重合流体を配合すること;及び
d)前記官能化炭素基材上に1つ以上のナノチューブを合成すること
を含む、前記方法。
[19]前記炭素基材を官能化して官能化炭素基材を形成することが:
i)官能化溶液を形成すること;
ii)前記官能化溶液を加熱すること;
iii)前記官能化溶液を冷却すること;
iv)炭素基材のピースを前記官能化溶液中に移すこと;及び
v)官能化炭素基材のピースをすすぐこと;
を含む、[18]に記載の方法。
[20]前記官能化溶液の前記加熱が、30℃~120℃の温度で行われる、[19]に記載の方法。
[21]前記官能化溶液の前記加熱が、60分~240分の期間行われる、[19]に記載の方法。
[22]前記官能化炭素基材の前記調製の前に前記官能化炭素基材をアニール処理する工程を更に含む、[18]に記載の方法。
[23]前記官能化炭素基材が、100℃~400℃の温度でアニール処理される、[22]に記載の方法。
[24]前記官能化炭素基材が、0.5時間~14時間の期間アニール処理される、[22]に記載の方法。
[25]前記官能化炭素基材の前記調製が:
i)前記官能化炭素基材のピースを切断すること;
ii)前記官能化炭素基材のピースを溶媒溶液中に沈めること;
iii)前記官能化炭素基材のピースを前記溶媒溶液中で超音波処理すること;及び
iv)前記官能化炭素基材のピースを乾燥させること;
を含む、[18]に記載の方法。
[26]前記超音波処理が、15分~60分の期間行われる、[25]に記載の方法。
[27]前記乾燥が、30℃~120℃の温度で行われる、[25]に記載の方法。
[28]前記乾燥が、3時間~12時間の期間行われる、[25]に記載の方法。
[29]重合流体の前記配合が:
i)導電性ポリマー;
酸;
洗浄剤;
水;及び
酸化剤;
を含む重合溶液を形成すること;
ii)前記重合溶液を撹拌して前記重合流体を形成すること
を含む、[18]に記載の方法。
[30]前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレンオキシド)、ポリ(p-フェニレンスルフィド)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(3-アルキチオフェン)、ポリ(3-メチルチオフェン)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)、またはそれらの任意の組み合わせを含む、[29]に記載の方法。
[31]前記重合溶液の前記撹拌が、10分~40分の期間行われる、[29]に記載の方法。
[32]前記官能化炭素基材上でのナノチューブの前記合成が:
i)重合流体を掻き混ぜること;
ii)前記官能化炭素基材を前記重合流体に浸漬すること;
iii)前記官能化炭素基材を前記重合流体中で保存すること;
iv)前記重合流体から官能化炭素基材を除去すること;
v)前記官能化炭素基材を洗浄すること;及び
vi)前記官能化炭素基材を乾燥させること
を含む、[18]に記載の方法。
[33]前記重合流体中での前記官能化炭素基材の前記保存が、10℃~50℃の温度で行われる、[32]に記載の方法。
[34]前記重合流体中での前記官能化炭素基材の前記保存が、少なくとも8時間の期間行われる、[32]に記載の方法。
[35]前記官能化炭素基材の前記乾燥が、30℃~120℃の温度で行われる、[32]に記載の方法。
Claims (20)
- スーパーキャパシタであって:
2つ以上の電極であって、前記2つ以上の電極のうちの少なくとも1つの電極が官能化炭素電極を含み、前記官能化炭素電極が、複数の炭素繊維の織物アセンブリを含むカルボキシル基を有する官能化炭素布基材及び官能化炭素布基材上に配置された1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブを含み、前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブが、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレンオキシド)、ポリ(p-フェニレンスルフィド)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(3-アルキチオフェン)、ポリ(3-メチルチオフェン)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)、またはそれらの任意の組み合わせを含む、前記2つ以上の電極;
集電体;及び
前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブの内部及び外部の表面に直接接触するレドックス電解質
を含む、前記スーパーキャパシタ。 - 前記官能化炭素布基材が、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲル、グラフェンフォームまたはそれらの任意の組み合わせをさらに含む、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブは、100ナノメートル~10,000ナノメートルの長さを有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブは、10ナノメートル~1,000ナノメートルの外幅を有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブは、250ナノメートルの内幅を有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブの表面は、ナノ構造を含有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記ナノ構造は、ナノロッド、ナノチェーン、ナノ繊維、ナノフレーク、ナノフラワー、ナノ粒子、ナノプレートレット、ナノリボン、ナノリング、ナノシート、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項6に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記ナノ構造は、4ナノメートル~50ナノメートルの長さを有する、請求項6に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記ナノ構造は、4ナノメートル~50ナノメートルの幅を有する、請求項6に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記官能化炭素電極が、少なくとも150mF/cm2~750mF/cm2の面積静電容量を有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記官能化炭素電極が、1,000サイクルの曲げ処理の後に最大で8%減少する抵抗を有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記レドックス電解質が、キノンを含む、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 前記スーパーキャパシタが、0.1V~1.7Vの動作電位を有する、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
- 官能化電極を作製する方法であって:
a)複数の炭素繊維の織物アセンブリを含む炭素布基材を官能化してカルボキシル基を有する官能化炭素布基材を形成すること;
b)前記官能化炭素布基材を調製すること;
c)重合流体を配合すること;及び
d)前記官能化炭素布基材上に1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブを合成することを含み、前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブが、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(3-アルキチオフェン)、ポリ(3-メチルチオフェン)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)、またはそれらの任意の組み合わせを含む、前記方法。 - 前記炭素布基材を官能化して前記官能化炭素布基材を形成することが:
i)官能化溶液を形成すること;
ii)前記官能化溶液を加熱すること;
iii)前記官能化溶液を冷却すること;
iv)前記炭素布基材を前記官能化溶液中に移し、前記官能化炭素布基材を形成すること;及び
v)前記官能化炭素布基材をすすぐこと;
を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記官能化炭素布基材をアニール処理する工程を更に含む、請求項14に記載の方法。
- 前記官能化炭素布基材が、0.5時間~14時間の期間アニール処理される、請求項16に記載の方法。
- 前記官能化炭素布基材の前記調製が:
i)前記官能化炭素布基材のピースを切断すること;
ii)前記官能化炭素布基材のピースを溶媒溶液中に沈めること;
iii)前記官能化炭素布基材のピースを前記溶媒溶液中で超音波処理すること;及び
iv)前記官能化炭素布基材のピースを乾燥させること;
を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記重合流体の前記配合が:
i)導電性ポリマー;
酸;
洗浄剤;
水;及び
酸化剤;
を含む重合溶液を形成すること;及び
ii)前記重合溶液を撹拌して前記重合流体を形成すること
を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記官能化炭素布基材上での前記1つ以上の中空の導電性ポリマーナノチューブの前記合成が:
i)重合流体を掻き混ぜること;
ii)前記官能化炭素布基材を前記重合流体に浸漬すること;
iii)前記官能化炭素布基材を前記重合流体中で保存すること;
iv)前記重合流体から前記官能化炭素布基材を除去すること;
v)前記官能化炭素布基材を洗浄すること;及び
vi)前記官能化炭素布基材を乾燥させること
を含む、請求項14に記載の方法。
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