KR102493852B1 - 거대다공성 전극을 갖는 활성 탄소 슈퍼커패시터를 위한 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

거대다공성 전극을 갖는 활성 탄소 슈퍼커패시터를 위한 방법, 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 명세서에는 탄소-기반 전극 및/또는 레독스 전해질을 포함하는 에너지 저장 장치가 개시된다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 하나 이상의 마이크로-채널을 포함하는 레이저-스크라이빙된 활성 탄소를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 전해질은 페리사이아나이드/페로사이아나이드 레독스 커플을 포함한다. 또한, 슈퍼커패시터와 같은 고 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한 마이크로-채널을 포함하는 탄소-기반 전극을 제작하기 위한, 그리고 레독스 전해질을 포함하는 고 에너지 저장 장치를 제작하기 위한 공정, 방법, 프로토콜 등이 기술된다.

Description

거대다공성 전극을 갖는 활성 탄소 슈퍼커패시터를 위한 방법, 장치 및 시스템
상호 참조문헌
본 출원은 2016년 12월 22일자로 출원된 미국 가출원 제62/438,377호의 이익을 주장하며, 이러한 기초 출원은 본 명세서에 참고로 포함된다.
전기화학적 슈퍼커패시터(electrochemical supercapacitor: ESC)는 이의 높은 출력 밀도(power density), 우수한 저온 성능, 및 본질적으로 무제한의 충전/방전 사이클로 인해 주목을 받고 있다. ESC가 우수한 전기화학적 성능을 나타내지만, 1 kWH 당 높은 비용으로 ESC의 보급이 제한되고 있다. 리튬 이온 배터리와 비교하여, 몇몇 현 슈퍼커패시터는 1 kWh 당 10배 더 높은 비용을 나타낸다. 1 kWh 당 높은 비용은 용량성 에너지 저장(capacitive energy storage)에 대한 주요 관심사이고, 현재, 많은 적용에서 배터리를 대체하기 위한 슈퍼커패시터의 채택을 막는다.
본 발명자는 휴대용 전자 장치를 포함하는 다수의 전자 장치에 전력을 공급하기 위해 더 높은 에너지 밀도 저장 장치에 대한 필요성을 인식하였다. 본 명세서에서, 특정 실시형태에서, 개선된 성능을 갖는 고 에너지 밀도 저장을 위한 탄소-기반 물질, 제작 및 제조 방법 및 공정, 및 시스템이 제공된다. 본 명세서에 기술되는 장치, 방법 및 시스템은 다수의 잠재적인 상업적 적용을 갖는다.
일 양상에서, 본 개시내용은 집전체 및 활성 탄소 기판을 포함하는 전극을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 탄소 기판을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소 기판은 비정질 탄소를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 화학적으로 활성화되거나, 물리적으로 활성화되거나, 이들의 임의의 조합물이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소(activated carbon), 활성탄(activated charcoal), 활성 탄소천(activated carbon cloth), 활성 탄소 섬유(activated carbon fiber), 활성 유리질 탄소, 활성 탄소 나노폼(activated carbon nanofoam), 활성 탄소 에어로겔, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소천을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 하나 이상의 코코넛 껍질로부터 유래된 탄소를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 비-금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 전극은 하나 이상의 채널을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 0.05 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 적어도 약 0.05 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 최대 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 0.05 마이크로미터 내지 약 0.1 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 0.5 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 1 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 0.05 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 0.5 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 1 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 1 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 1 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 10 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 10 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 10 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 10 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 10 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 10 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 50 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 약 50 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 50 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 50 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 50 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 100 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 약 100 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 100 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 100 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 200 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터, 약 200 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 200 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 약 300 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터, 약 300 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 또는 약 400 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 0.05 마이크로미터, 약 0.1 마이크로미터, 약 0.5 마이크로미터, 약 1 마이크로미터, 약 5 마이크로미터, 약 10 마이크로미터, 약 50 마이크로미터, 약 100 마이크로미터, 약 200 마이크로미터, 약 300 마이크로미터, 약 400 마이크로미터, 또는 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 전극은 약 50 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량(areal capacitance)을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 적어도 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 최대 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 50 mF/㎠ 내지 약 75 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 100 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 150 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 50 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 100 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 150 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 75 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 150 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 100 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 300 mF/㎠ 내지 약 400 mF/㎠, 약 300 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 300 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 300 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 300 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 400 mF/㎠ 내지 약 500 mF/㎠, 약 400 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 400 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 400 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 500 mF/㎠ 내지 약 600 mF/㎠, 약 500 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 500 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 약 600 mF/㎠ 내지 약 700 mF/㎠, 약 600 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠, 또는 약 700 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 50 mF/㎠, 약 75 mF/㎠, 약 100 mF/㎠, 약 150 mF/㎠, 약 200 mF/㎠, 약 250 mF/㎠, 약 300 mF/㎠, 약 400 mF/㎠, 약 500 mF/㎠, 약 600 mF/㎠, 약 700 mF/㎠, 또는 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 전극은 약 80 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량(gravimetric capacitance)을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 최대 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 80 F/g 내지 약 90 F/g, 약 80 F/g 내지 약 100 F/g, 약 80 F/g 내지 약 110 F/g, 약 80 F/g 내지 약 120 F/g, 약 80 F/g 내지 약 130 F/g, 약 80 F/g 내지 약 140 F/g, 약 80 F/g 내지 약 150 F/g, 약 90 F/g 내지 약 100 F/g, 약 90 F/g 내지 약 110 F/g, 약 90 F/g 내지 약 120 F/g, 약 90 F/g 내지 약 130 F/g, 약 90 F/g 내지 약 140 F/g, 약 90 F/g 내지 약 150 F/g, 약 100 F/g 내지 약 110 F/g, 약 100 F/g 내지 약 120 F/g, 약 100 F/g 내지 약 130 F/g, 약 100 F/g 내지 약 140 F/g, 약 100 F/g 내지 약 150 F/g, 약 110 F/g 내지 약 120 F/g, 약 110 F/g 내지 약 130 F/g, 약 110 F/g 내지 약 140 F/g, 약 110 F/g 내지 약 150 F/g, 약 120 F/g 내지 약 130 F/g, 약 120 F/g 내지 약 140 F/g, 약 120 F/g 내지 약 150 F/g, 약 130 F/g 내지 약 140 F/g, 약 130 F/g 내지 약 150 F/g, 또는 약 140 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 80 F/g, 약 90 F/g, 약 100 F/g, 약 110 F/g, 약 120 F/g, 약 130 F/g, 약 140 F/g, 또는 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 0.1 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤의 패킹 밀도(packing density)를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 적어도 약 0.1 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 최대 약 1 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.2 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.3 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.4 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.6 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.1 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.3 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.4 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.6 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.2 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 0.4 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 0.6 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.3 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.4 g/㎤ 내지 약 0.5 g/㎤, 약 0.4 g/㎤ 내지 약 0.6 g/㎤, 약 0.4 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 약 0.4 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.4 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.4 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.5 g/㎤ 내지 약 0.6 g/㎤, 약 0.5 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 약 0.5 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.5 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.5 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.6 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤, 약 0.6 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.6 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.6 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.7 g/㎤ 내지 약 0.8 g/㎤, 약 0.7 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.7 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 약 0.8 g/㎤ 내지 약 0.9 g/㎤, 약 0.8 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤, 또는 약 0.9 g/㎤ 내지 약 1 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 약 0.1 g/㎤, 약 0.2 g/㎤, 약 0.3 g/㎤, 약 0.4 g/㎤, 약 0.5 g/㎤, 약 0.6 g/㎤, 약 0.7 g/㎤, 약 0.8 g/㎤, 약 0.9 g/㎤, 또는 약 1 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다.
일 양상에서, 본 개시내용은 활성 탄소 기판을 수용하는 단계; 탄소-기반 코팅을 갖는 집전체 상에 활성 탄소 기판을 주조하는 단계; 및 활성 탄소 기판에 하나 이상의 채널을 생성시키기 위해 출력 밀도를 갖는 광 빔을 발생시켜 하나 이상의 채널을 포함하는 활성 탄소-기반 전극을 생성시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
몇몇 실시형태에서, 광 빔은 약 375 나노미터 내지 약 10,000 나노미터의 파장을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 적어도 약 375 나노미터의 파장을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 최대 약 10,000 나노미터의 파장을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 약 375 나노미터 내지 약 470 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 530 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 600 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 780 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 1,000 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 2,000 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 375 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 530 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 600 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 780 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 1,000 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 2,000 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 470 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 600 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 780 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 1,000 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 2,000 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 530 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 780 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 1,000 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 2,000 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 600 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 780 나노미터 내지 약 1,000 나노미터, 약 780 나노미터 내지 약 2,000 나노미터, 약 780 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 780 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 780 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 780 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 1,000 나노미터 내지 약 2,000 나노미터, 약 1,000 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 1,000 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 1,000 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 1,000 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 2,000 나노미터 내지 약 3,000 나노미터, 약 2,000 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 2,000 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 2,000 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 3,000 나노미터 내지 약 5,000 나노미터, 약 3,000 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 3,000 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 약 5,000 나노미터 내지 약 7,000 나노미터, 약 5,000 나노미터 내지 약 10,000 나노미터, 또는 약 7,000 나노미터 내지 약 10,000 나노미터의 파장을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 약 375 나노미터, 약 470 나노미터, 약 530 나노미터, 약 600 나노미터, 약 780 나노미터, 약 1,000 나노미터, 약 2,000 나노미터, 약 3,000 나노미터, 약 5,000 나노미터, 약 7,000 나노미터, 또는 약 10,000 나노미터의 파장을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 광 빔은 약 0.01W 내지 약 100W의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 적어도 약 0.01W의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 최대 약 100W의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 약 0.01W 내지 약 0.05W, 약 0.01W 내지 약 0.1W, 약 0.01W 내지 약 0.2W, 약 0.01W 내지 약 0.5W, 약 0.01W 내지 약 1W, 약 0.01W 내지 약 2W, 약 0.01W 내지 약 5W, 약 0.01W 내지 약 10W, 약 0.01W 내지 약 20W, 약 0.01W 내지 약 50W, 약 0.01W 내지 약 100W, 약 0.05W 내지 약 0.1W, 약 0.05W 내지 약 0.2W, 약 0.05W 내지 약 0.5W, 약 0.05W 내지 약 1W, 약 0.05W 내지 약 2W, 약 0.05W 내지 약 5W, 약 0.05W 내지 약 10W, 약 0.05W 내지 약 20W, 약 0.05W 내지 약 50W, 약 0.05W 내지 약 100W, 약 0.1W 내지 약 0.2W, 약 0.1W 내지 약 0.5W, 약 0.1W 내지 약 1W, 약 0.1W 내지 약 2W, 약 0.1W 내지 약 5W, 약 0.1W 내지 약 10W, 약 0.1W 내지 약 20W, 약 0.1W 내지 약 50W, 약 0.1W 내지 약 100W, 약 0.2W 내지 약 0.5W, 약 0.2W 내지 약 1W, 약 0.2W 내지 약 2W, 약 0.2W 내지 약 5W, 약 0.2W 내지 약 10W, 약 0.2W 내지 약 20W, 약 0.2W 내지 약 50W, 약 0.2W 내지 약 100W, 약 0.5W 내지 약 1W, 약 0.5W 내지 약 2W, 약 0.5W 내지 약 5W, 약 0.5W 내지 약 10W, 약 0.5W 내지 약 20W, 약 0.5W 내지 약 50W, 약 0.5W 내지 약 100W, 약 1W 내지 약 2W, 약 1W 내지 약 5W, 약 1W 내지 약 10W, 약 1W 내지 약 20W, 약 1W 내지 약 50W, 약 1W 내지 약 100W, 약 2W 내지 약 5W, 약 2W 내지 약 10W, 약 2W 내지 약 20W, 약 2W 내지 약 50W, 약 2W 내지 약 100W, 약 5W 내지 약 10W, 약 5W 내지 약 20W, 약 5W 내지 약 50W, 약 5W 내지 약 100W, 약 10W 내지 약 20W, 약 10W 내지 약 50W, 약 10W 내지 약 100W, 약 20W 내지 약 50W, 약 20W 내지 약 100W, 또는 약 50W 내지 약 100W의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 광 빔은 약 0.01W, 약 0.05W, 약 0.1W, 약 0.2W, 약 0.5W, 약 1W, 약 2W, 약 5W, 약 10W, 약 20W, 약 50W, 또는 약 100W의 출력 밀도를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 코팅은 비정질 탄소를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 화학적으로 활성화되거나, 물리적으로 활성화되거나, 이들의 임의의 조합물이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소, 활성탄, 활성 탄소천, 활성 탄소 섬유, 활성 유리질 탄소, 활성 탄소 나노폼, 활성 탄소 에어로겔, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소천이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 하나 이상의 코코넛 껍질로부터 유래된 탄소를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 비-금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 적어도 약 50 나노미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 최대 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 약 50 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 적어도 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 최대 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 약 80 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 최대 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 약 0.1 g/㎤ 내지 1.0 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 적어도 약 0.1 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 최대 약 1.0 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소-기반 전극은 약 0.5 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는다.
일 양상에서, 본 개시내용은 제1 전극, 제2 전극 및 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공하며, 여기서, 적어도 제1 전극 또는 제2 전극은 집전체 및 활성 탄소 기판을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 탄소 기판을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소 기판은 비정질 탄소를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 화학적으로 활성화되거나, 물리적 활성화되거나, 이들의 임의의 조합물이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소, 활성탄, 활성 탄소천, 활성 탄소 섬유, 활성 유리질 탄소, 활성 탄소 나노폼, 활성 탄소 에어로겔, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소천이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 하나 이상의 코코넛 껍질로부터 유래된 탄소를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 비-금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 하나 이상의 채널을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 적어도 약 50 나노미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 최대 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 50 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 80 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 전해질은 수성이다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 아세토나이트릴 중 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 아세토나이트릴 중 약 0.1M 내지 약 1.5M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 아세토나이트릴 중 약 1M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 전해질은 비-수성이다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 하나 이상의 이온성 액체를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 이온성 액체는 순수한 형태이거나 용매 중에 용해된다. 몇몇 실시형태에서, 용매는 아세토나이트릴이다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 1-알릴-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오르메틸설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트라이플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트라이플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 다이에틸 포스페이트, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다.
일 양상에서, 본 개시내용은 산화제, 환원제 및 수용액을 포함하는 전해질을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 산화제 및 환원제는 레독스 커플(redox couple)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 플루오린, 망간, 염소, 크롬, 산소, 은, 철, 요오드, 구리, 주석, 퀴논, 브로민, 요오드, 바나듐, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 칼륨 페로사이아나이드, 하이드로퀴논, 바나딜리 설페이트, p-페닐렌다이아민, p-페닐렌다이이민, 요오드화칼륨, 브로민화칼륨, 염화구리, 하이드로퀴논, 황산구리, 헵틸비올로겐 다이브로마이드, 메틸 비올로겐 브로마이드, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 페릭 양이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 수용액은 설페이트 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 나트륨 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 Na2SO4를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 전해질은 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 1M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.01M 내지 약 1.0M의 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.025M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.050M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.100M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.200M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다.
일 양상에서, 본 개시내용은 제1 전극, 제2 전극 및 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 산화제, 환원제 및 수용액을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 산화제 및 환원제는 레독스 커플을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 플루오린, 망간, 염소, 크롬, 산소, 은, 철, 요오드, 구리, 주석, 퀴논, 브로민, 요오드, 바나듐, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 칼륨 페로사이아나이드, 하이드로퀴논, 바나딜리 설페이트, p-페닐렌다이아민, p-페닐렌다이이민, 요오드화칼륨, 브로민화칼륨, 염화구리, 하이드로퀴논, 황산구리, 헵틸비올로겐 다이브로마이드메틸 비올로겐 브로마이드, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 페릭 양이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 수용액은 설페이트 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 나트륨 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 Na2SO4을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 전해질은 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 Na2SO4을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 1M Na2SO4을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.01M 내지 약 1.0M의 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.025M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.050M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.100M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.200M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 105 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 105 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 335 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 105 mF/㎠ 내지 약 125 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 150 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 175 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 225 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 105 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 150 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 175 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 225 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 125 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 175 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 225 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 150 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 175 mF/㎠ 내지 약 200 mF/㎠, 약 175 mF/㎠ 내지 약 225 mF/㎠, 약 175 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 175 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 175 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 175 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 225 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 200 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 225 mF/㎠ 내지 약 250 mF/㎠, 약 225 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 225 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 225 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 275 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 250 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 약 275 mF/㎠ 내지 약 300 mF/㎠, 약 275 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠, 또는 약 300 mF/㎠ 내지 약 335 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 105 mF/㎠, 약 125 mF/㎠, 약 150 mF/㎠, 약 175 mF/㎠, 약 200 mF/㎠, 약 225 mF/㎠, 약 250 mF/㎠, 약 275 mF/㎠, 약 300 mF/㎠, 또는 약 335 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 58% 내지 약 98%의 쿨롱 효율(columbic efficiency)을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 58%의 쿨롱 효율을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 98%의 쿨롱 효율을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 58% 내지 약 60%, 약 58% 내지 약 65%, 약 58% 내지 약 70%, 약 58% 내지 약 75%, 약 58% 내지 약 80%, 약 58% 내지 약 85%, 약 58% 내지 약 90%, 약 58% 내지 약 95%, 약 58% 내지 약 98%, 약 60% 내지 약 65%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 75%, 약 60% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 85%, 약 60% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 95%, 약 60% 내지 약 98%, 약 65% 내지 약 70%, 약 65% 내지 약 75%, 약 65% 내지 약 80%, 약 65% 내지 약 85%, 약 65% 내지 약 90%, 약 65% 내지 약 95%, 약 65% 내지 약 98%, 약 70% 내지 약 75%, 약 70% 내지 약 80%, 약 70% 내지 약 85%, 약 70% 내지 약 90%, 약 70% 내지 약 95%, 약 70% 내지 약 98%, 약 75% 내지 약 80%, 약 75% 내지 약 85%, 약 75% 내지 약 90%, 약 75% 내지 약 95%, 약 75% 내지 약 98%, 약 80% 내지 약 85%, 약 80% 내지 약 90%, 약 80% 내지 약 95%, 약 80% 내지 약 98%, 약 85% 내지 약 90%, 약 85% 내지 약 95%, 약 85% 내지 약 98%, 약 90% 내지 약 95%, 약 90% 내지 약 98%, 또는 약 95% 내지 약 98%의 쿨롱 효율을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 58%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 98%의 쿨롱 효율을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 80 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 80 F/g 내지 약 90 F/g, 약 80 F/g 내지 약 100 F/g, 약 80 F/g 내지 약 110 F/g, 약 80 F/g 내지 약 120 F/g, 약 80 F/g 내지 약 130 F/g, 약 80 F/g 내지 약 140 F/g, 약 80 F/g 내지 약 150 F/g, 약 90 F/g 내지 약 100 F/g, 약 90 F/g 내지 약 110 F/g, 약 90 F/g 내지 약 120 F/g, 약 90 F/g 내지 약 130 F/g, 약 90 F/g 내지 약 140 F/g, 약 90 F/g 내지 약 150 F/g, 약 100 F/g 내지 약 110 F/g, 약 100 F/g 내지 약 120 F/g, 약 100 F/g 내지 약 130 F/g, 약 100 F/g 내지 약 140 F/g, 약 100 F/g 내지 약 150 F/g, 약 110 F/g 내지 약 120 F/g, 약 110 F/g 내지 약 130 F/g, 약 110 F/g 내지 약 140 F/g, 약 110 F/g 내지 약 150 F/g, 약 120 F/g 내지 약 130 F/g, 약 120 F/g 내지 약 140 F/g, 약 120 F/g 내지 약 150 F/g, 약 130 F/g 내지 약 140 F/g, 약 130 F/g 내지 약 150 F/g, 또는 약 140 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 80 F/g, 약 90 F/g, 약 100 F/g, 약 110 F/g, 약 120 F/g, 약 130 F/g, 약 140 F/g, 또는 약 150 F/g의 중량 정전용량을 갖는다.
일 양상에서, 본 개시내용은 제1 전극, 제2 전극 및 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터를 나타내며, 여기서, 적어도 제1 전극 또는 제2 전극은 집전체 및 활성 탄소 기판을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 탄소 기판을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소 기판은 비정질 탄소를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 화학적으로 활성화되거나, 물리적 활성화되거나, 이들의 임의의 조합물이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소, 활성탄, 활성 탄소천, 활성 탄소 섬유, 활성 유리질 탄소, 활성 탄소 나노폼, 활성 탄소 에어로겔, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소천이다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 하나 이상의 코코넛 껍질로부터 유래된 탄소를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 비-금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 적어도 제1 전극 또는 제2 전극은 하나 이상의 채널을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 적어도 약 50 나노미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 최대 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 전해질은 산화제, 환원제 및 수용액을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 산화제 및 환원제는 레독스 커플을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 플루오린, 망간, 염소, 크롬, 산소, 은, 철, 요오드, 구리, 주석, 퀴논, 브로민, 요오드, 바나듐, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 칼륨 페로사이아나이드, 하이드로퀴논, 바나딜리 설페이트, p-페닐렌다이아민, p-페닐렌다이이민, 요오드화칼륨, 브로민화칼륨, 염화구리, 하이드로퀴논, 황산구리, 헵틸비올로겐 다이브로마이드메틸 비올로겐 브로마이드, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 페릭 양이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 커플은 Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 수용액은 설페이트 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 나트륨 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용액은 Na2SO4를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 전해질은 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 1M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.01M 내지 약 1.0M의 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.025M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.050M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.100M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 전해질은 약 0.200M Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 - 및 약 1.0M Na2SO4를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 360 mF/㎠ 내지 약 380 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤의 체적 에너지 밀도(volumetric energy density)를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 0.5 mWh/㎤의 체적 에너지 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 6 mWh/㎤의 체적 에너지 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 1 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 1.5 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 2 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 2.5 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 3 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 3.5 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 0.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 1.5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 2 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 2.5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 3 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 3.5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 2 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 2.5 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 3 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 3.5 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 2.5 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 3 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 3.5 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 3 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 3.5 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤ 내지 약 3.5 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 3.5 mWh/㎤ 내지 약 4 mWh/㎤, 약 3.5 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 3.5 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 3.5 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 3.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 4 mWh/㎤ 내지 약 4.5 mWh/㎤, 약 4 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 4 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 4 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 4.5 mWh/㎤ 내지 약 5 mWh/㎤, 약 4.5 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 4.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 약 5 mWh/㎤ 내지 약 5.5 mWh/㎤, 약 5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤, 또는 약 5.5 mWh/㎤ 내지 약 6 mWh/㎤의 체적 에너지 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 0.5 mWh/㎤, 약 1 mWh/㎤, 약 1.5 mWh/㎤, 약 2 mWh/㎤, 약 2.5 mWh/㎤, 약 3 mWh/㎤, 약 3.5 mWh/㎤, 약 4 mWh/㎤, 약 4.5 mWh/㎤, 약 5 mWh/㎤, 약 5.5 mWh/㎤, 또는 약 6 mWh/㎤의 체적 에너지 밀도를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 1W/㎤ 내지 약 6W/㎤의 출력 밀도(power density)를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 1W/㎤의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 6W/㎤의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 1W/㎤ 내지 약 1.5W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 2W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 2.5W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 3W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 3.5W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 4W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 1W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 2W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 2.5W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 3W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 3.5W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 4W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 1.5W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 2.5W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 3W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 3.5W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 4W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 2W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 3W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 3.5W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 4W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 2.5W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 3W/㎤ 내지 약 3.5W/㎤, 약 3W/㎤ 내지 약 4W/㎤, 약 3W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 3W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 3W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 3W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 3.5W/㎤ 내지 약 4W/㎤, 약 3.5W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 3.5W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 3.5W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 3.5W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 4W/㎤ 내지 약 4.5W/㎤, 약 4W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 4W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 4W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 4.5W/㎤ 내지 약 5W/㎤, 약 4.5W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 4.5W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 약 5W/㎤ 내지 약 5.5W/㎤, 약 5W/㎤ 내지 약 6W/㎤, 또는 약 5.5W/㎤ 내지 약 6W/㎤의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 1W/㎤, 약 1.5W/㎤, 약 2W/㎤, 약 2.5W/㎤, 약 3W/㎤, 약 3.5W/㎤, 약 4W/㎤, 약 4.5W/㎤, 약 5W/㎤, 약 5.5W/㎤, 또는 약 6W/㎤의 출력 밀도를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 18Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏의 중량 에너지 밀도(gravimetric energy density)를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 18Wh/㎏의 중량 에너지 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 21Wh/㎏의 중량 에너지 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 18Wh/㎏ 내지 약 18.5Wh/㎏, 약 18Wh/㎏ 내지 약 19Wh/㎏, 약 18Wh/㎏ 내지 약 19.5Wh/㎏, 약 18Wh/㎏ 내지 약 20Wh/㎏, 약 18Wh/㎏ 내지 약 20.5Wh/㎏, 약 18Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏, 약 18.5Wh/㎏ 내지 약 19Wh/㎏, 약 18.5Wh/㎏ 내지 약 19.5Wh/㎏, 약 18.5Wh/㎏ 내지 약 20Wh/㎏, 약 18.5Wh/㎏ 내지 약 20.5Wh/㎏, 약 18.5Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏, 약 19Wh/㎏ 내지 약 19.5Wh/㎏, 약 19Wh/㎏ 내지 약 20Wh/㎏, 약 19Wh/㎏ 내지 약 20.5Wh/㎏, 약 19Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏, 약 19.5Wh/㎏ 내지 약 20Wh/㎏, 약 19.5Wh/㎏ 내지 약 20.5Wh/㎏, 약 19.5Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏, 약 20Wh/㎏ 내지 약 20.5Wh/㎏, 약 20Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏, 또는 약 20.5Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏의 중량 에너지 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 18Wh/㎏, 약 18.5Wh/㎏, 약 19Wh/㎏, 약 19.5Wh/㎏, 약 20Wh/㎏, 약 20.5Wh/㎏, 또는 약 21Wh/㎏의 중량 에너지 밀도를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 3,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 적어도 약 3,000W/㎏의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 최대 약 12,000W/㎏의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 3,000W/㎏ 내지 약 4,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 5,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 6,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 7,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 8,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 9,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 3,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 5,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 6,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 7,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 8,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 9,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 4,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 6,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 7,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 8,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 9,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 5,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 6,000W/㎏ 내지 약 7,000W/㎏, 약 6,000W/㎏ 내지 약 8,000W/㎏, 약 6,000W/㎏ 내지 약 9,000W/㎏, 약 6,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 6,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 6,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 7,000W/㎏ 내지 약 8,000W/㎏, 약 7,000W/㎏ 내지 약 9,000W/㎏, 약 7,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 7,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 7,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 8,000W/㎏ 내지 약 9,000W/㎏, 약 8,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 8,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 8,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 9,000W/㎏ 내지 약 10,000W/㎏, 약 9,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 9,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 약 10,000W/㎏ 내지 약 11,000W/㎏, 약 10,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏, 또는 약 11,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏의 출력 밀도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 약 3,000W/㎏, 약 4,000W/㎏, 약 5,000W/㎏, 약 6,000W/㎏, 약 7,000W/㎏, 약 8,000W/㎏, 약 9,000W/㎏, 약 10,000W/㎏, 약 11,000W/㎏, 또는 약 12,000W/㎏의 출력 밀도를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 7,000회 사이클 후 약 30% 내지 약 80%의 용량 유지율(capacity retention)을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 7,000회 사이클 후 적어도 약 30%의 용량 유지율을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 7,000회 사이클 후 최대 약 80%의 용량 유지율을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 유지 7,000회 사이클 후 약 80% 내지 약 75%, 약 80% 내지 약 70%, 약 80% 내지 약 65%, 약 80% 내지 약 60%, 약 80% 내지 약 55%, 약 80% 내지 약 50%, 약 80% 내지 약 45%, 약 80% 내지 약 40%, 약 80% 내지 약 35%, 약 80% 내지 약 30%, 약 75% 내지 약 70%, 약 75% 내지 약 65%, 약 75% 내지 약 60%, 약 75% 내지 약 55%, 약 75% 내지 약 50%, 약 75% 내지 약 45%, 약 75% 내지 약 40%, 약 75% 내지 약 35%, 약 75% 내지 약 30%, 약 70% 내지 약 65%, 약 70% 내지 약 60%, 약 70% 내지 약 55%, 약 70% 내지 약 50%, 약 70% 내지 약 45%, 약 70% 내지 약 40%, 약 70% 내지 약 35%, 약 70% 내지 약 30%, 약 65% 내지 약 60%, 약 65% 내지 약 55%, 약 65% 내지 약 50%, 약 65% 내지 약 45%, 약 65% 내지 약 40%, 약 65% 내지 약 35%, 약 65% 내지 약 30%, 약 60% 내지 약 55%, 약 60% 내지 약 50%, 약 60% 내지 약 45%, 약 60% 내지 약 40%, 약 60% 내지 약 35%, 약 60% 내지 약 30%, 약 55% 내지 약 50%, 약 55% 내지 약 45%, 약 55% 내지 약 40%, 약 55% 내지 약 35%, 약 55% 내지 약 30%, 약 50% 내지 약 45%, 약 50% 내지 약 40%, 약 50% 내지 약 35%, 약 50% 내지 약 30%, 약 45% 내지 약 40%, 약 45% 내지 약 35%, 약 45% 내지 약 30%, 약 40% 내지 약 35%, 약 40% 내지 약 30%, 또는 약 35% 내지 약 30%의 용량 유지율을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 7,000회 사이클 후 약 80%, 약 75%, 약 70%, 약 65%, 약 60%, 약 55%, 약 50%, 약 45%, 약 40%, 약 35%, 또는 약 30%의 용량 유지율을 갖는다.
다른 양상에서, 본 개시내용은 적어도 하나의 레이저-스크라이빙된 활성 탄소 전극(laser-scribed activated carbon electrode)을 포함하는 슈퍼커패시터와 같은, 고 에너지 저장 장치를 제작하기 위한 공정, 방법, 프로토콜, 등을 제공한다. 추가의 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 레독스 활성 전해질을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 활성 전해질의 사용은 고 에너지 저장 장치의 정전용량을 증가시킨다. 특정 실시형태에서, 고 에너지 저장 장치의 정전용량의 증가는 고 에너지 저장 장치의 비용을 줄인다.
본 발명의 신규한 특징은 첨부된 청구범위에서 상세하게 기술된다. 본 발명의 특징 및 장점의 더 나은 이해는 예시적인 실시형태를 기술하는 본 발명의 원리가 사용되는 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면 또는 도(또한 본 명세서에서는 "도")를 참조함으로써 얻어질 것이다.
도 1A는 몇몇 실시형태에 따른, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소(laser scribed activated carbon; LSAC) 전극의 예시적인 설계 및 구조를 제공한다. 이러한 개략적 예시는 레이저 변형된 활성 탄소(laser modified activated carbon; LAC) 전극의 제작 공정을 도시한 것이다. 레이저 처리된 전극은 전해질 저장소로서 역할을 하는 트렌치(trench)를 함유하여, 전해질 이온과 전극 표면 간에 보다 양호한 상호작용을 가능하게 한다. 몇몇 실시형태에서, 이러한 제작 공정은 활성 탄소 기판을 수용하는 단계; 탄소-기반 코팅을 갖는 집전체 상에 활성 탄소 기판을 주조하는 단계; 활성 탄소 기판에 하나 이상의 채널을 생성시키기 위한 출력 밀도를 갖는 광 빔을 발생시켜, 하나 이상의 채널을 포함하는 활성 탄소-기반 전극을 생성시키는 단계를 포함한다.
도 1B는 레이저에 대한 노출 전의 활성 탄소를 나타내는 개요 SEM 이미지이다.
도 1C는 7-W 레이저에 대한 노출 후에 활성 탄소 전극 상에 약 100㎛ 패턴을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 1D는 레이저에 의해 활성 탄소 입자의 일부분이 에칭되어 거대다공성 구조를 형성함을 예시한 확대도이다.
도 2A는 PVDF 결합제로부터 가공된 제조된 상태의 LSAC 전극의 미세구조를 나타내는 레이저 스크라이빙 전의 예시적인 광학 현미경 이미지를 제공한다.
도 2B는 PVDF 결합제로부터 가공된 LSAC 전극의 미세구조를 나타내는 레이저 스크라이빙 후의 예시적인 광학 현미경 이미지를 제공한다. 이러한 결과는 레이저 처리 후에 전극의 구조에 거대-공극의 출현을 나타낸다.
도 2C는 CMC/SBR 결합제로부터 가공된 제조된 상태의 LSAC 전극의 미세구조를 나타내는 레이저 스크라이빙 전의 예시적인 광학 현미경 이미지를 제공한다.
도 2D는 CMC/SBR로부터 가공된 LSAC 전극의 미세구조를 나타내는 레이저 스크라이빙 후의 예시적인 광학 현미경 이미지를 제공한다. 이러한 결과는 레이저 처리 후에 전극의 구조에 거대-공극의 출현을 나타낸다.
도 3A는 50 ㎷ s-1의 스캔 속도에서 얻어진, 레이저 처리 전(실선) 및 후(점선)의 전통적인 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 전해질에서 LSAC 슈퍼커패시터의 순환 전압전류법(CV) 곡선을 제공한다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다.
도 3B는 30, 50, 70, 100, 200 및 300 ㎷ s-1의 상이한 스캔 속도에서 전통적인 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 전해질에서의 LAC 슈퍼커패시터의 예시적인 CV 프로파일을 제공한다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다.
도 3C는 2.8, 3.4, 5.6, 8.5, 11.3 및 14.1 ㎃ cm-2의 상이한 전류 밀도에서 전통적인 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 전해질에서의 LSAC 슈퍼커패시터의 예시적인 충전/방전(CC) 곡선을 제공한다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다.
도 3D는 인가된 전류 밀도에 따른 레이저 처리 전(ACN-N) 및 후(ACN-S)의 전통적인 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 전해질에서의 LSAC 슈퍼커패시터의 면적 정전용량 유지율을 제공한다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다.
도 3E는 인가된 전류 밀도에 따른 레이저 처리 전(ACN-N) 및 후(ACN-S)의 전통적인 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 전해질에서의 LSAC 슈퍼커패시터의 중량 정전용량 유지율을 제공한다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다.
도 3F는 1㎒ 내지 0.1㎐의 주파수 범위에 대한 LAC 슈퍼커패시터 및 스크라이빙되지 않은 슈퍼커패시터의 Nyquist 플롯을 도시한 것이다.
도 4는 몇몇 실시형태에 따른, LSAC 전극의 예시적인 순환 전압전류법을 제공한다. 실시형태에서, 순환 전압전류법(CV)은 50 ㎷ s-1에서 측정되고 6회 사이클 동안 반복된 1.0M Na2SO4에서의 활성 탄소 전극(알루미늄 집전체 상에 제조됨)에 대한 것이다. 장치는 CR 2032 코인형 셀에 조립되고 시험되었다.
도 5A는 50 ㎷ s-1에서 0.1M RE 중에서 1.0V에서 2.0V까지의 증가하는 전압창에서 레독스-활성 수성 전해질에서의 고전압 슈퍼커패시터의 CV 곡선을 도시한 것이다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
도 5B는 50 ㎷s-1의 스캔 속도에서 시험된, 레독스 첨가제의 증가하는 농도에서 수집된 레독스-활성 수성 전해질에서의 고전압 슈퍼커패시터의 CV 곡선을 도시한 것이다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
도 5C는 11.3 ㎃ cm-2의 전류 밀도에서 수집된, 상이한 농도(0, 0.025, 0.050 및 0.100M)의 레독스 첨가제를 함유한 1M Na2SO4 중 활성 탄소 전극을 위한 레독스-활성 수성 전해질에서의 고전압 슈퍼커패시터의 상응하는 CC 곡선을 도시한 것이다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
도 5D는 상이한 농도(0, 0.025, 0.050 및 0.100M)의 레독스 첨가제를 함유한 1M Na2SO4에서의 활성 탄소 전극에 대한 면적당 비정전용량 대 전류 밀도를 도시한 것이다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
도 5E는 30, 50, 70, 100, 200 및 300 ㎷s-1의 상이한 스캔 속도에서 0.1M RE-SC의 예시적인 CV 프로파일을 제공한다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
도 5F는 1㎒ 내지 0.1㎐의 주파수 범위에서 ACN 슈퍼커패시터에서의 0.1M RE 수성 전해질 및 1.0M TEABF4의 Nyquist 플롯이다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
도 6은 몇몇 실시형태에 따른, 레독스-활성 전해질에서 LSAC 전극을 갖는 슈퍼커패시터의 예시적인 전기화학적 성능을 제공한다.
도 6A는 레독스 첨가제의 부재(1) 및 존재(2) 하에서 1.0M Na2SO4 전해질을 사용하는 LSAC 전극에서의 충전 저장 메커니즘의 예시이다.
도 6B는 전통적인 1.0M 아세토나이트릴 및 0.1M 레독스 전해질에서 시험된 레이저 스크라이빙 전 및 후 활성 탄소 전극의 전기화학적 성능을 비교한 CV 프로파일을 도시한 것이며, 데이터는 50 ㎷s-1의 스캔 속도로 수집된다.
도 6C는 30, 50, 70, 100, 200 및 300 ㎷s-1에서의 CV의 상이한 스캔 속도에서 0.1M RE를 사용한 LSAC 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능의 발전을 도시한 것이다.
도 6D는 8.5, 11.3, 14.1, 16.9, 19.8, 22.6 ㎃ cm-2의 상이한 전류 밀도에서 도 6C에 상응하는 CC 곡선을 도시한 것이다.
도 6E는 4개의 상이한 경우의 면적 정전용량 대 전류 밀도를 도시한 것이다.
도 6F는 4개의 상이한 경우의 성능을 비교한 Nyquist 플롯이다.
도 6G는 0.1M RE-LSAC 시스템, 및 문헌에 보고된 다른 RE-기반 슈퍼커패시터의 중량 에너지 밀도 및 출력 밀도를 나타낸 라곤 플롯을 도시한 것이다.
도 6H는 0.1M RE-LSAC 슈퍼커패시터와 상업적으로 입수 가능한 에너지 저장 장치의 체적 에너지 밀도 및 출력 밀도를 비교한 다른 라곤 플롯이다.
도 6I는 2.0V에서 0.1M RE-LSAC 슈퍼커패시터의 장기 사이클링 안정성을 도시한 것이다.
도 7A는 1.0M Na2SO4 전해질 중 0.025M, 0.050M, 0.100M 및 0.200M 레독스-활성 전해질 [Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -]을 갖는 활성 탄소 슈퍼커패시터의 20 ㎃cm-2에서의 LSAC 전극을 갖는 슈퍼커패시터의 충전/방전(CC) 곡선을 도시한 것이다.
도 7B는 상이한 농도의 나열된 레독스-활성 전해질에서 LSAC 전극을 갖는 장치의 면적 정전용량 및 슈퍼커패시터의 쿨롱 효율을 제공한다. 값은 20 ㎃ cm-2에서의 CC 결과를 기초로 하여 계산되었다.
도 8A는 11.3, 14.1, 16.9, 19.8 및 22.6 ㎃ cm-2의 다양한 전류 밀도에서 0.100M 레독스-활성 전해질을 갖는 활성 탄소 슈퍼커패시터의 CC 곡선을 도시한 것이다.
도 8B는 28.2, 33.9, 39.5, 45.2 및 50.8 ㎃ cm-2의 전류 밀도에 대한 0.100M 레독스-활성 전해질을 갖는 활성 탄소 슈퍼커패시터의 CC 곡선을 도시한 것이다.
도 9A는 50 ㎷ s-1에서 레독스-활성 전해질에서의 LSAC의 CV 곡선을 도시한 것이다.
도 9B는 1.0V 내지 2V의 증가하는 전압창에서 11.3 ㎃ cm-2의 전류 밀도에서 레독스-활성 전해질에서의 LSAC의 정전류 충전/방전(CC) 곡선을 제공한다.
도 9C는 500, 700 및 1000 ㎷s-1의 높은 스캔 속도에서 레독스-활성 전해질에서의 LSAC의 CV 곡선을 도시한 것이다.
도 9D는 28.2, 33.9, 39.5, 45.2, 50.8 및 56.5 ㎃cm-2의 다양한 전류 밀도에서 레독스-활성 전해질에서의 LSAC의 CC 곡선을 도시한 것이다.
도 9E는 활물질(활성 탄소 + 0.1M RE)에 의해 정규화된, 레독스 전해질을 갖은 및 레독스 전해질을 가지지 않은, 레이저 스크라이빙 전 및 후의 활성 탄소에 대한 전극 당 중량 정전용량의 비교를 제공한다.
도 9F는 레이저 스크라이빙 전 및 후의 레독스 전해질-기반 슈퍼커패시터(즉, RE-AC 및 RE-LSAC)의 보드 플롯(bode plot)이다.
일 양상에서, 본 개시내용은 탄소-기반 전극을 기술한다. 몇몇 실시형태에서, 전극은 탄소-코팅 집전체를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-코팅 집전체는 활성 탄소 기판을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-코팅 집전체는 활성 탄소 기판을 형성하기 위해 레이저-조사될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 집전체 및 활성 탄소 기판을 포함하는 탄소-기반 전극은 하나 이상의 마이크로-채널을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 마이크로-채널을 포함하는 탄소-기반 전극은 높은 정전용량을 나타낼 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 마이크로-채널을 포함하는 탄소-기반 전극은 낮은 내부 저항을 나타낼 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 화학적 및/또는 물리학적 활성 탄소, 탄소천, 탄소 섬유, 유리질 탄소, 탄소 나노폼, 탄소 에어로겔, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 활성 탄소천을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 활성 탄소 기판은 코코넛 껍질로부터 유래된다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 강철, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 집전체는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 비-금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 흑연 페이퍼, 탄소천, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 하나 이상의 채널을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 마이크로-채널은 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 약 50 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 적어도 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 최대 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 약 80 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 나타낼 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 최대 약 150 F/g의 중량 정전용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 약 0.1 g/㎤ 내지 약 1.0 g/㎤의 패킹 밀도를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 약 0.5 g/㎤의 패킹 밀도를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 약 0.6 g/㎤의 패킹 밀도를 나타낼 수 있다.
도 1은 레이저 스크라이빙된 활성 탄소(LSAC) 전극의 예시적인 설계, 구조, 및 특징분석을 제공한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 약 0.60 g cm-3의 높은 패킹 밀도를 갖는 활성 탄소 전극은 표준 닥터 블레이드 코팅 기술을 이용하여 탄소 코팅된 알루미늄 집전체 상에 제작된다. CO2 레이저에 대한 전극의 노출은 도 1A에 예시된 바와 같이 마이크로스케일 크기의 트렌치의 형성을 야기시킨다. 도 1A는 레이저 변형된 활성 탄소(LAC) 전극의 제작 공정을 도시한 개략적 예시이다. 레이저 처리된 전극은 전해질 저장소로서 역할을 하는 트렌치를 함유하여, 전해질 이온과 전극 표면 간의 더 양호한 상호작용을 가능하게 한다. 도 1B 및 도 1C는 레이저 조사 전 및 후에 전극의 미세구조의 변화를 도시한 것이다. 도 1B는 레이저에 대한 노출 전의 활성 탄소를 도시한 개요 SEM 이미지이다. 도 1C는 7-W 레이저에 대한 노출 후 활성 탄소 전극 상에 약 100㎛ 패턴을 도시한 SEM 이미지이다. 레이저 처리된 전극을 확대하면, 전극의 거대다공성 특성이 보인다(도 1D). 도 1D는 활성 탄소 입자의 일부 부분이 레이저에 의해 에칭되어 거대다공성 구조를 형성시킨다는 것을 예시하는 확대도이다.
도 1A 내지 도 1D에 대한 결과는, 도 2A 내지 도 2D에 따른, 레이저 조사 후 전극의 구조에서 거대공극의 출현을 나타내는 광학 현미경 이미지에 의해 추가로 확인되었다.
PVDF 결합제를 갖는 유기 시스템 및 CMC/SBR 결합제를 갖는 수성 시스템으로부터 전극을 가공할 때 동일한 결과가 얻어진다. 이러한 독특한 전극 아키텍처는 높은 표면적 및 다공성 구조를 나타내어, 전해질이 활성화된 물질의 전체 표면과 상호작용할 수 있게 한다. 또한, 마이크로스케일 트렌치는 이온의 빠른 수송을 가능하게 할 수 있고, 활성 탄소 입자의 내부 공극과 외부 전해질 간의 이온성 연결을 제공할 수 있다. 이러한 트렌치는 또한, 충전 및 방전 공정 동안 이온이 이동해야 하는 거리를 감소시킬 수 있다. 이러한 기술의 추가적인 장점은, 예시적인 전극이 레이저 조사 후 이의 높은 패킹 밀도(약 0.54 g cm-3)를 유지할 수 있다는 것이다. 이에 따라, 이러한 연구에서 제안된 레이저 조사는 이의 우수한 체적 성능을 손상시키지 않으면서 고출력/고에너지 활성 탄소 전극의 직접 제작을 가능하게 할 수 있다. 또한, 마이크로스케일 트렌치는 충전 및 방전 동안 입자들 간의 변형 및 응력을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있고, 슈퍼커패시터의 사이클링 안정성을 개선시킬 수 있다.
일 양상에서, 본 개시내용은 적어도 하나의 LSAC 전극 및 수성 전해질을 포함하는, 슈퍼커패시터와 같은 고 에너지 저장 장치를 제공한다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 도 3과 관련하여, 전해질로서 아세토나이트릴 중 1M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 및 CR2032 코인형 셀 장치에서의 레이저 스크라이빙된 활성 탄소(LSAC) 전극을 포함한다.
도 3A 내지 도 3D는 전통적인 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4) 전해질에서의 레이저 변형된 활성 탄소(LAC) 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능의 예시적인 평가를 제공한다. 도 3A는 레이저 조사 전 및 후에 LSAC 전극의 예시적인 순환 전압전류법(CV)을 도시한 것이다. 스크라이빙되지 않은 전극과 비교하여, 예시적인 LSAC는 50 ㎷ s-1의 스캔 속도에서 이상적인 직사각형 CV 곡선을 갖는 향상된 정전용량을 나타낸다. 이는 이상적인 전기 이중층 정전용량 거동을 시사한다. 예시적인 LSAC 슈퍼커패시터의 이러한 이상적인 직사각형 CV 형상은 도 3B에 도시된 바와 같이 300 ㎷ s-1까지의 높은 스캔 속도에서 시험될 때에도 유지된다. 도 3B는 30, 50, 70, 100, 200 및 300 ㎷ s-1의 상이한 스캔 속도에서 LAC 슈퍼커패시터의 예시적인 CV 프로파일을 제공한다. 또한, 도 3C는 예시적인 장치가 증가하는 전류 밀도에서 매우 작은 IR 감소와 함께 이상적인 삼각형 충전/방전(CC) 곡선을 유지할 수 있음을 나타낸다. 도 3C은 2.8, 3.4, 5.6, 8.5, 11.3 및 14.1 ㎃ cm-2의 상이한 전류 밀도에서 예시적인 충전/방전(CC) 곡선을 제공한다. 이러한 측정을 기초로 하여, 상이한 전류 밀도에서 전극의 면적 정전용량 및 중량 정전용량은 각각 도 3D 및 도 3E에 도시된 바와 같이, 계산되었다. 도 3D는 면적 정전용량 유지율을 나타내며, 도 3E는 인가된 전류 밀도에 따른 레이저 처리 전 및 후의 중량 정전용량 유지율을 제공한다. 모든 값은 완전 셀로부터 측정되고 전극을 기초로 하여 계산되었다. 일부 활물질이 마이크로스케일 트렌치의 레이저 스크라이빙 동안에 파괴되었지만, LSAC 전극은 두 스케일 모두에서 및 중량 기준 및 면적 기준 둘 모두로부터 더 양호한 정전용량을 나타낸다. 또한, 예시적인 LSAC 전극은 25 A g-1의 전류 밀도까지 정전용량 유지율을 갖는 우수한 속도 특성(rate capability)을 나타내며, 여기에서 예시적인 LSAC 전극은 스크라이빙되지 않은 전극과 비교하여 6배 더 큰 정전용량을 전달한다. 예시적인 LSAC 전극의 우수한 속도 특성은 전기화학적 임피던스 측정에 의해 추가로 검증된다. 이러한 결과는, LSAC 전극이 도 3F에 도시된 바와 같이, Nyquist 플롯의 실축 절편(real axis intercept)으로부터 얻어진, 더 낮은 등가 직렬 저항(equivalent series resistance; ESR)을 나타냄을 지시한다. 도 3F는 1㎒ 내지 0.1㎐의 주파수 범위에 대한 LAC 슈퍼커패시터 및 스크라이빙되지 않은 슈퍼커패시터의 예시적인 Nyquist 플롯을 제공한다. 또한, 예시적인 LSAC 전극의 Nyquist 플롯은 저주파수 영역에서 직선이고 수직인데, 이는 아마도 이상적인 용량성 거동을 나타내는 것이다. 이러한 결과는 전극/전해질 계면에서 낮은 전하 전달 저항을 시사할 수 있고, LSAC 전극 내에서 빠른 전자 및 이온 수송을 제시할 수 있다. 이는 전해질 이온에 용이하게 접근할 수 있는 전극의 큰 거대다공성 표면의 결과라고 할 수 있다.
다른 양상에서, 본 개시내용은 레독스 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터를 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 전해질은 페리사이아나이드/페로사이아나이드 전해질을 포함하며, 이는 셀에 더 많은 정전용량을 부가하고, 수성 전해질 중에서 2.0V의 고전압에서 작동할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 알루미늄 집전체를 포함하며, 이는 슈퍼커패시터 및 리튬 이온 배터리의 제작에서 사용된다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 알루미늄 상에 코팅된 활성 탄소 전극 및 어떠한 레독스 첨가제도 없는 수성 1.0M Na2SO4 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터 코인형 셀을 포함한다. 도 4는 50 ㎷ s-1에서 측정되고 6회 사이클 동안 반복된 1.0M Na2SO4 중 활성 탄소 전극(알루미늄 집전체 상에서 제조됨)의 예시적인 전압전류법(CV)을 도시한 것이다. 본 장치는 CR 2032 코인형 셀에 조립되고 시험되었다. 본 도면은 각 사이클 후에 ESR의 증가와 관련된 빠르게 변하는 CV 프로파일을 도시하며, 이는 1.0M Na2SO4 중 알루미늄의 부식을 시사할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 알루미늄 상에 코팅된 활성 탄소 전극 및 [Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-] 레독스 첨가제를 갖는 수성 1.0M Na2SO4 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터 코인형 셀을 포함한다. 슈퍼커패시터는 2.0V의 고전압에서도 매우 안정한 전기화학적 성능을 나타낸다. 가능한 설명은 [Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-]가 용액 완충제로서 작용하고 충전 및 방전 동안 중성 pH(7.1)를 유지한다는 것이다. 1.0M Na2SO4가 6의 pH를 갖는다는 것이 주지된다. 또한, 레독스 첨가제가 희생 애노드로서 작용하고, 이에 따라, 알루미늄이 부식되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
도 5는 간단하게 xM RE(여기서, x는 첨가제의 몰 농도임)로서 나타내는, 1.0M Na2SO4 중 상이한 농도의 레독스 첨가제에서 코인형 셀 활성 탄소 슈퍼커패시터의 예시적인 전기화학적 성능을 도시한 것이다. 도 5A는 0.2V의 간격 및 스캔 속도 50 ㎷ s-1과 함께 1V에서 2V까지의 증가하는 전압창에서 0.1M RE로 수집된 예시적인 CV 프로파일을 나타낸다. CV 프로파일은 전류, 특히, 고전압의 상당한 증가를 나타내지 않으며, 이는 전해질의 분해가 존재하지 않음을 의미하고, 2.0V가 이러한 전해질에서 작동하는 슈퍼커패시터에 안전하게 적용될 수 있음을 시사한다. Na+ 및 SO4 2- 이온 둘 모두는 설페이트 이온이 12 내지 16개의 물 분자에 의해 둘러싸여질 수 있다는 사실에서 유래하는 강한 용매화 에너지를 갖는다. 이에 따라, 전통적인 수성 전해질에서 물의 분해를 야기시키는 에너지가 Na+ 및 SO4 2- 이온의 용매화 쉘에서 결합을 파괴하거나 심지어 레독스 전해질의 레독스 반응을 유도하기 위해 사용되는 것이 가정될 수 있다. 페로사이아나이드/페리사이아나이드 레독스 커플과 높은 용매화 에너지를 갖는 전해질의 조합은 심지어, 물 분자가 일반적으로 분해되는 2.0V에서 시험될 때, 슈퍼커패시터의 전기화학적 안정성을 설명할 수 있다. 또한, 도 5A는 레독스 첨가제에 기인할 수 있는 가역적 레독스 커플(0.6V 내지 1.1V)을 나타낸다. 이러한 반응은 하기 반응식에 기술된다:
Figure 112019065256648-pct00001
포지티브 측면의 경우에, 전해질은 충전 과정 동안에 Fe(CN)6 4-에서 Fe(CN)6 3-로의 산화 공정을 일으키며, 방전 공정은 Fe(CN)6 3 -에서 Fe(CN)6 4 -로의 환원 공정을 유도한다.
도 5B 및 도 5C는 50 ㎷s-1의 스캔 속도에서, 전통적인 아세토나이트릴-기반 전해질과 비교하여, 다양한 농도, 즉, 0.025M, 0.05M 및 0.1M의 레독스 전해질(RE)에서 레독스 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터의 예시적인 전기화학적 성능을 제공한다. RE 이온의 농도가 증가함에 따라, 도 5B에 도시된 바와 같은 CV 곡선 아래의 면적, 및 도 5C에 도시된 바와 같은 CC 곡선의 방전 시간은 증가하는데, 이는 비정전용량 증가를 나타낸다. 농도를 0.2M까지 증가시킴으로써, 셀은 0.1M과 비교하여 정전용량의 1.2배 증가를 나타내었으며, 쿨롱 효율은 도 7에 도시된 바와 같이 58%까지 감소하였다. 이러한 고농도에서 높은 누설 전류는 충전 동안 2.0V에 도달하기 위해 장치에 대해 요구되는 시간을 증가시킬 수 있다. 이러한 결과에 따르면, 0.1M RE 시스템은 전체 슈퍼커패시터 성능의 추가 최적화를 위해 아래로 선택된다. 0.1M RE 시스템이 가장 높은 정전용량을 나타낼 뿐만 아니라 이는 최상의 속도 특성을 갖는다. 도 5D는 상이한 농도(0, 0.025, 0.050 및 0.100M)의 레독스 첨가제를 함유한 1M Na2SO4에서 활성 탄소 전극에 대한 예시적인 면적당 비정전용량 대 전류 밀도를 제공한다. 예시적인 0.1M RE 시스템은 8.5 ㎃ cm-2에서 335 mF cm-2, 및 56.5 ㎃ cm-2의 더 높은 전류 밀도에서 325.2 mF cm-2의 초고 면적 정전용량을 나타내며, 이는 도 5D에 도시된 바와 같이 ACN 전해질 중 표준 1.0M TEABF4보다 11.6배 더 큰 것이다. 도 5E는 예시적인 0.1M RE 장치가 30, 50, 70, 100, 200 및 300 ㎷ s-1의 상이한 스캔 속도에서 이상적인 CV 형상을 유지함을 나타낸다. 더욱 중요하게, 곡선은 모든 스캔 속도에서 구별되고 가역적인 레독스 피크를 나타내며, 이는 전극과 레독스 전해질 간의 빠른 전하 전달을 나타낼 수 있다. 또한, 이러한 예시적인 레독스 슈퍼커패시터는 도 8A 및 도 8B에 도시된 바와 같이, 계속 작은 IR 감소와 함께 높은 방전 전류를 제공한다. 이러한 결과는, 0.1M RE 전해질이 빠른 전자 전달 및 개선된 속도 특성을 증진시킴을 시사할 수 있다. 이러한 빠른 전자 전달은 도 3F에 따른 예시적인 0.1M RE-SC 시스템의 Nyquist 플롯에 의해 추가로 확인되며, ESR은 ACN 전해질(3.52Ω)보다 훨씬 더 낮다(1.61Ω). 도 3F는 1㎒ 내지 0.1㎐의 주파수 범위에 대한 ACN 슈퍼커패시터에서의 0.1M RE 수성 전해질 및 1.0M TEABF4의 예시적인 Nyquist 플롯을 제공한다. 모든 전기화학적 실험은 CR2032 코인형 셀에서 측정되었다.
RE 전해질의 첨가는 하기 장점들을 가질 수 있다: 중성 pH를 유지하여 널리 사용되는 알루미늄 집전체와 함께 전해질을 작동시키기 위해 용액 완충제로서 역할을 함; 수성 전해질 중에서 2V까지 작동 전압창을 연장시킴; 에너지 밀도를 증가시킴; 빠르고 가역적인 패러데이 반응을 통해 장치의 면적 정전용량을 증가시킴; 빠른 전자 전달 및 증가된 이온 전도도를 제공함; 더 높은 속도 특성을 가능하게 함; 및 ESR을 감소시킴.
일 양상에서, 본 개시내용은 적어도 하나의 레이저-스크라이빙된 활성 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는, 슈퍼커패시터와 같은 탄소-기반 고 에너지 저장 장치를 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 레독스 전해질이 없는 탄소-기반 슈퍼커패시터보다 더 높은 정전용량을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 2.0V의 고전압에서 작동할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 높은 면적 정전용량, 높은 비출력, 높은 비에너지, 낮은 ESR, 또는 이들의 임의의 조합물을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 레독스 전해질은 약 0.1M의 페리사이아나이드/페로사이아나이드 레독스 커플을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 레독스 전해질이 없는 탄소-기반 슈퍼커패시터의 정전용량의 약 8배의 정전용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 약 379 mF cm-2의 면적 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 적어도 약 360 mF cm-2의 면적 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 최대 약 390 mF cm-2의 면적 정전용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 약 5.26W cm-3의 비출력을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 적어도 약 1.0W cm-3의 비출력을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 최대 약 6.0W cm-3의 비출력을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 약 9.05 mWh cm-3의 비에너지를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 적어도 약 6 mWh cm-3의 비에너지를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 최대 약 10 mWh cm-3의 비에너지를 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 약 0.9Ω의 ESR을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 적어도 약 0.5Ω의 ESR을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적어도 하나의 LSAC 전극 및 적어도 하나의 레독스 전해질을 포함하는 탄소-기반 슈퍼커패시터는 최대 약 4Ω의 ESR을 가질 수 있다.
도 6은 적어도 하나의 레이저 스크라이빙된 활성 탄소(LSAC) 전극 및 [Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-] 레독스-활성 전해질(RE)을 포함하는 슈퍼커패시터의 예시적인 전기화학적 성능을 제공한다. LSAC의 거대다공성 구조는 활성 탄소 입자의 표면에 RE 이온의 용이한 접근을 허용할 수 있고, 도 6A에 예시된 바와 같이 빠른 흡수 및 탈착뿐만 아니라 바르고 가역적인 레독스 반응을 가능하게 할 수 있다. 도 6A는 (1) 레독스 첨가제의 부재 하, 및 (2) 레독스 첨가제의 존재 하에서 1.0M Na2SO4 전해질을 사용하는 LSAC 전극에서 충전 저장 메커니즘을 예시한 것이다. 이에 따라, 0.1M RE 전해질과 LSAC 전극의 조합은 에너지 및 출력을 상승시킬 뿐만 아니라 사이클 수명을 안정화시켜 2.0V의 고전압에서 장치의 작동을 가능하게 할 것으로 기대될 수 있다. 또한, 도 6B에 도시된 바와 같이, 예시적인 0.1M RE 시스템이 직사각형 형상 및 별개의 레독스 피크를 갖는 이상적인 CV 프로파일을 나타내며, 예시적인 ACN 전해질 시스템이 단지 예상되는 바와 같이 EDLC 성질을 나타낸다는 것을 주지하는 것이 관심이 있다. 도 6B는 아세토나이트릴 중 전통적인 1.0M 및 0.1M 레독스 전해질에서 레이저 스크라이빙 전 및 후에 활성 탄소 전극의 전기화학적 성능을 비교하는 예시적인 CV 프로파일을 제공하며, 데이터는 50 ㎷ s-1의 스캔 속도에서 수집되었다. 또한, 스크라이빙되지 않은 활성화된 전극을 갖는 예시적인 0.1M RE와 비교하여, 예시적인 0.1M RE-LSAC 시스템은 CV의 면적에 있어서 약 30% 증가를 나타낸다. 이는 LSAC 전극과 RE의 조합이 RE 이온에 대한 활물질의 더 양호한 노출을 가능하게 하기 위해 전극의 다공성 아키텍처를 통해 정전용량을 증가시킬 수 있음을 시사할 수 있다. 또한, CV 및 CC 측정 둘 모두는 도 9A 및 도 9B에 도시된 바와 같이 2V 이하의 증가하는 전압창, CV 곡선의 경우 50 ㎷ s-1의 스캔 속도에서 및 CC 곡선의 경우 11.3 ㎃ cm-2의 전류 밀도에서 수집된다.
몇몇 실시형태에서, 예시적인 0.1M RE-LSAC의 슈퍼커패시터 하이브리드는 도 6C 및 도 9C에 도시된 바와 같이, 30에서 1000 ㎷ s-1까지의 광범위한 스캔 속도, 및 도 6D 및 도 9D에 도시된 바와 같이 8.5 내지 56.5 ㎃ cm-2의 전류 밀도에서 시험된다. 이러한 예시적인 하이브리드 시스템은 1000 ㎷ s-1의 높은 스캔 속도까지의 레독스 피크를 나타내며, 이는 초고속 레독스 반응을 통한 우수한 전하 저장을 나타낼 수 있다. 전류 밀도에 따른 4개의 시스템 모두의 도 6E에 도시된 바와 같은 면적 정전용량, 및 도 9E에 도시된 바와 같은 중량 정전용량은 비교를 위해 계산되었다. 스크라이빙되지 않은 전극 시스템을 갖는 예시적인 ACN이 낮은 정전용량을 나타낼 뿐만 아니라 이의 정전용량은 더 높은 충전-방전 속도에서 빠르게 감소하였다. 그럼에도 불구하고, 상당한 변화가 높은 속도에서의 예시적인 하이브리드 시스템의 정전용량에서 관찰되지 않을 수 있다. 2가지 경우 간의 차이를 보기 위하여, 2개의 예시적인 장치의 정전용량은 56.5 ㎃ cm-2의 비교적 높은 전류 밀도에서 비교되었다. 예시적인 하이브리드 시스템은 364.6 mF/cm-2를 전달할 수 있는데, 이는 스크라이빙되지 않은 활성 탄소 전극 및 아세토나이트릴-기반 전해질을 사용한 전통적인 슈퍼커패시터의 정전용량(28 mF cm-2)보다 13배 더 큰 것이다. 또한, 이러한 것은 레이저 스크라이빙된 전극 내에 개선된 이온 확산 동력학 및 레독스 전해질의 우수한 패러데이 정전용량 기여를 확인할 수 있다.
예시적인 레이저 스크라이빙된 거대다공성 전극과 0.1M RE 간의 우수한 상승적 상호작용은 전기화학적 임피던스 분광 측정으로부터 추가로 확인되며, 이는 예시적인 스크라이빙되지 않은 AC 전극 및 0.1M RE로 이루어진 슈퍼커패시터의 경우 1.61Ω 및 3.33s, 및 레독스 첨가제 없는 레이저 스크라이빙된 AC 전극으로 이루어진 슈퍼커패시터(미도시됨)의 경우 2.6Ω 및 2.07 s와 비교하여, 도 6F에 도시된 바와 같이 0.9Ω의 낮은 ESR, 및 도 9F에 도시된 바와 같이 1.96의 짧은 반응 시간을 나타낸다. 명백하게, 레이저 스크라이빙된 전극은 셀의 ESR 및 반응 시간 둘 모두를 개선시키기 위해 레독스 첨가제와 함께 작용할 수 있으며, 이는 예시적인 CV 및 CC 결과와 일치한다.
예시적인 0.1M RE-LSAC 시스템은 도 6G에 도시된 바와 같이, 상업적으로 입수 가능한 에너지 저장 장치와 비교하여, 라곤 플롯에서 우수한 성능을 나타낸다. 이러한 라곤 플롯은 활물질, 집전체, 분리막, 및 전해질을 포함하는 완전 장치의 체적을 기초로 하여 정규화된다. 예시적인 0.1M RE-LSAC 슈퍼커패시터는 6.2 mWh cm-3의 체적 에너지 밀도를 나타낼 수 있으며, 이는 ACN 전해질을 갖는 상업적으로 입수 가능한 활성 탄소 전기화학적 커패시터보다 약 9배 더 높다. 또한, 예시적인 0.1M RE-LSAC는 3.6W cm-3 이하의 초고출력 밀도를 전달할 수 있으며, 이는 리튬 박막 배터리보다 약 700배 더 빠른 것이다. 이에 따라, 0.1M RE와 조합한 예시적인 LSAC 전극은 미래 에너지 저장 적용을 위한 완벽한 후보물질일 수 있다.
활물질(활성 탄소 및 RE 전해질)의 총 질량을 기초로 한 다른 라곤 플롯은 도 6H에 도시된 바와 같이 이전에 공개된 RE-기반 전해질 슈퍼커패시터와 비교하여 이루어졌다. 다른 공개된 데이터와 비교할 때, 슈퍼커패시터는 플롯의 우측 상단에 위치하며, 이는 출력 및 에너지 밀도 둘 모두가 우수함을 의미한다. 심지어 11.5 kW ㎏-1의 매우 높은 출력 밀도에서도, 예시적인 0.1M RE-LSAC는 낮은 속도에서 이의 본래 에너지 밀도의 95%를 유지한다(18.9Wh ㎏-1). 레독스 전해질이 활성 전극 물질과 같이 전하 저장에 기여할 수 있기 때문에, 전해질의 질량이 또한 계산에 고려된다. 여기에서, 예시적인 0.1M RE-LSAC 슈퍼커패시터에 의해 달성된 비출력은 11,516W ㎏-1이며, 이는 RE-EC의 이전 리포트보다 70배 더 큰 것이다.
표 1은 수성 전해질을 갖는 이전에 공개된 레독스 슈퍼커패시터에 대한 전기화학적 데이터의 개요를 제공하며, 데이터는 예시적인 하이브리드 0.1M RE-LSAC 시스템이 또한 더 높은 전압창을 나타냄을 지시한다.
Figure 112019065256648-pct00002
양호한 사이클링 수명은 슈퍼커패시터의 기본 성질들 중 하나이다. 도 6I는 전류 밀도 30 ㎃ cm-2에서 7000회 사이클 동안 충전 및 방전 동안 예시적인 0.1M RE-LSAC 슈퍼커패시터의 사이클 수명을 도시한 것이다. 최초 10회 사이클에서 이의 정전용량의 대부분을 상실하는, 1.0M Na2SO4를 사용하는 슈퍼커패시터와 비교하여, 예시적인 0.1M RE-LSAC 슈퍼커패시터는 2.0V에서 7000회 사이클 후에 이의 본래 용량의 80%를 유지한다. 이러한 우수한 전기화학적 안정성은 패러데이 정전용량을 셀에 부가할 뿐만 아니라 심지어 2.0V의 초고전압에서도 셀의 사이클 수명을 안정화시키는 레독스-전해질에 기여할 수 있다. 이러한 결과는 레이저 스크라이빙에 의해 형성된 거대다공성 활성 탄소전극과, 개선된 이온 이동 및 빠르고 가역적인 레독스 반응을 통한 레독스 전해질 간의 상승작용을 확인한다. 마이크로스케일 채널은 전해질 저장소로서 역할을 할 수 있고, 내부 저항을 감소시키고 동시에 정전용량을 증가시키는 경향이 있을 수 있다.
일 양상에서, 본 개시내용은 슈퍼커패시터와 같은 고 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한 탄소-기반 전극을 제조하기 위한 공정, 방법, 프로토콜, 등을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 본 공정, 방법 및/또는 프로토콜은 탄소 전극의 정전용량을 증가시킨다. 특정 실시형태에서, 탄소 전극의 정전용량 증가는 슈퍼커패시터와 같은 탄소 전극을 사용하여 고 에너지 장치에서 에너지를 저장하는 비용을 감소시킨다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극은 탄소-코팅 집전체를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 본 방법은 탄소-기반 전극의 레이저 조사를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소-기반 전극의 레이저 조사는 산업에서 널리 사용되는 표준 레이저 절단 툴을 이용하여 수행될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 탄소-코팅 전극의 레이저-조사는 전극에서 마이크로-채널을 형성한다. 마이크로-채널은 효과적인 충전 및 방전을 위해 전해질을 저장할 수 있다. 마이크로-채널은 충전 및 방전의 공정 동안에 이온이 이동해야 하는 거리를 감소시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 본 방법은 탄소 기판을 수용하는 단계; 탄소 기판을 집전체 상에 주조하고; 탄소 기판에 하나 이상의 마이크로-채널을 생성시키기 위해 출력 밀도를 갖는 광 빔을 발생시키는 단계; 하나 이상의 마이크로-채널을 갖는 활성 탄소-기반 전극을 생성시키는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서, 본 방법은 약 7W의 출력을 갖는 광 빔을 추가로 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 본 방법은 약 40W 이하의 출력을 갖는 광 빔을 포함한다. 다른 실시형태에서, 본 방법은 약 1W 이상의 출력을 갖는 광 빔을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 탄소 기판은 탄소천, 탄소 섬유, 유리질 탄소, 탄소 나노폼, 탄소 에어로겔, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 탄소 기판은 탄소천이다.
몇몇 실시형태에서, 집전체는 금속성이다. 몇몇 실시형태에서, 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 강철, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 집전체는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 마이크로-채널은 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 공극 크기는 적어도 약 50 나노미터이다. 몇몇 실시형태에서, 공극 크기는 최대 약 500 마이크로미터이다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 적어도 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 채널은 최대 약 100 마이크로미터의 공극 크기를 갖는다.
몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 약 50 mF/㎠ 내지 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 약 800 mF/㎠의 면적 정전용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 약 80 F/g 내지 약 150 F/g의 중량 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 최대 약 150 F/g의 중량 정전용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 약 0.1 g/㎤ 내지 약 1.0 g/㎤의 패킹 밀도를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 적어도 약 0.5 g/㎤의 패킹 밀도를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, LSAC 전극은 약 0.6 g/㎤의 패킹 밀도를 가질 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 활성 탄소 전극은 각각 80:10:10의 중량비로 활성 탄소, 결합제로서 1:1 비의 카복시메틸 셀룰로스/스타이렌-부타다이엔 고무, 및 탈이온수 중 카본 블랙의 용액으로 이루어진 슬러리를 제조함으로써 제조된다. 이후에, 슬러리는 닥터 블레이드 방법을 이용하여 탄소 코팅된 알루미늄 호일 상에 주조될 수 있다. 이후에, 이러한 필름은 주변 조건 하에서 12시간 동안 건조될 수 있다. 이후에, 건조된 필름은 레이저-스크라이빙된 활성 탄소(LSAC) 필름을 합성하기 위해 7-W CO2 레이저에 노출될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, LSAC 전극은 약 15㎜ 직경의 전극 디스크 및 Celgard 3501 폴리머 분리막을 사용하여 표준 CR2032 코인형 셀에 조립된다. 코인형 셀은 공기 중에서 조립될 수 있다. 스크라이빙 전 및 후 예시적인 활성 탄소 필름의 로딩 질량(loading mass)은 각각 3.9 및 3.2 mg/㎠이다.
일부 예시적인 실시형태에서, LSAC-슈퍼커패시터는 수성 전해질을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수성 전해질은 아세토나이트릴(ACN) 중 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 수성 전해질은 아세토나이트릴(ACN) 중 1.0M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)를 포함한다. 다른 실시형태에서, 수성 전해질은 [Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -]를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 수성 전해질은 Na2SO4 용액 중 [Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-]를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 임의의 특수 건조실 또는 글로브 박스 없이 조립될 수 있다.
다른 양상에서, 본 개시내용은 레독스 활성 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터와 같은 고 에너지 저장 장치를 제조하기 위한 공정, 방법, 프로토콜을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 슈퍼커패시터는 표 1에 나열된 레독스 활성 전해질 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 레독스 활성 전해질의 사용은 고 에너지 저장 장치의 정전용량을 증가시킨다. 특정 실시형태에서, 고 에너지 저장 장치의 정전용량의 증가는 고 에너지 저장 장치의 비용을 감소시킨다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 본 명세서에 도시되고 기술되었지만, 이러한 실시형태가 단지 일례로서 제공되었음은 당업자에게 명백할 것이다. 이제 여러 변형, 변경 및 치환이 본 발명을 벗어나는 일 없이 당업자에게 떠오를 것이다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시형태에 대한 다양한 대안예가 본 발명을 실행하는 데 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 하기 청구항들이 본 발명의 범위를 규정하며, 이에 따라서 이러한 청구범위 내의 방법 및 구조 및 이의 균등물이 포함되는 것으로 의도된다.
용어 및 정의
본 명세서에서 사용되는 용어 "약" 또는 "대략"은 당업자에 의해 결정된 바와 같은 특정 값에 대한 허용 오차를 지칭하며, 이는 부분적으로 이러한 값이 어떻게 측정되거나 결정되었는지에 따른다. 특정 실시형태에서, 용어 "약" 또는 "대략"은 1, 2, 3 또는 4 표준 편차 내를 의미한다. 특정 실시형태에서, 용어 "약" 또는 "대략"은 제공된 값 또는 범위의 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 또는 0.05% 이내를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "채널"은 거터(gutter), 그루브(groove) 또는 고랑(furrow)을 지칭한다.

Claims (30)

  1. 집전체, 및 활성 탄소천(activated carbon cloth)을 포함하는 활성 탄소 기판을 포함하는 전극으로서, 상기 활성 탄소 기판은 하나 이상의 레이저 스크라이빙된 마이크로스케일 트렌치를 포함하는, 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하는, 전극.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 레이저 스크라이빙된 마이크로스케일 트렌치가 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는, 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극은 적어도 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량(areal capacitance)을 갖는, 전극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극은 적어도 80 F/g의 중량 정전용량(gravimetric capacitance)을 갖는, 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전극은 적어도 약 0.1 g/㎤의 패킹 밀도(packing density)를 갖는, 전극.
  7. 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극(laser scribed activated carbon electrode)을 형성하는 방법으로서,
    a) 탄소-기반 코팅을 갖는 집전체 상에 활성 탄소 기판을 주조하여 활성 탄소-기반 전극을 형성시키는 단계; 및
    b) 레이저 빔을 상기 활성 탄소-기반 전극 쪽으로 유도해서 상기 활성 탄소-기반 전극에 하나 이상의 레이저 스크라이빙된 마이크로스케일 트렌치를 스크라이빙하여, 상기 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성시키는 단계를 포함하는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 레이저 빔은 약 375 나노미터 내지 약 10 마이크로미터의 파장을 갖는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 레이저 빔은 약 0.01W 내지 약 100W의 출력을 갖는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 활성 탄소 기판은 활성 탄소(activated carbon), 활성탄(activated charcoal), 활성 탄소천(activated carbon cloth), 활성 탄소 섬유(activated carbon fiber), 활성 유리질 탄소, 활성 탄소 나노폼(activated carbon nanofoam), 활성 탄소 에어로겔, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 레이저 스크라이빙된 마이크로스케일 트렌치는 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극은 적어도 약 50 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극은 적어도 약 80 F/g의 중량 정전용량을 갖는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극은 적어도 약 0.1 g/㎤의 패킹 밀도를 갖는, 레이저 스크라이빙된 활성 탄소 전극을 형성하는 방법.
  16. 슈퍼커패시터(supercapacitor)로서,
    a) 제1 전극;
    b) 제2 전극; 및
    c) 전해질을 포함하되,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 활성 탄소 기판을 포함하고, 상기 활성 탄소 기판은 하나 이상의 레이저 스크라이빙된 마이크로스케일 트렌치를 포함하는, 슈퍼커패시터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 활성 탄소 기판은 활성 탄소, 활성탄, 활성 탄소천, 활성 탄소 섬유, 활성 유리질 탄소, 활성 탄소 나노폼(nanofoam), 활성 탄소 에어로겔, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 슈퍼커패시터.
  18. 제16항에 있어서, 상기 집전체는 알루미늄, 니켈, 구리, 백금, 철, 강철, 흑연, 탄소천, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 슈퍼커패시터.
  19. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 레이저 스크라이빙된 마이크로스케일 트렌치는 약 50 나노미터 내지 약 500 마이크로미터의 공극 크기를 갖는, 슈퍼커패시터.
  20. 제16항에 있어서, 상기 전해질은 산화제, 환원제 및 수용액을 포함하되, 상기 산화제 및 상기 환원제는 레독스 커플(redox couple)을 포함하는, 슈퍼커패시터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 레독스 커플이 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4 -를 포함하는, 슈퍼커패시터.
  22. 제20항에 있어서, 상기 수용액은 Na2SO4를 포함하는, 슈퍼커패시터.
  23. 제21항에 있어서, 상기 전해질은 약 0.01M 내지 약 1.0M의 Fe(CN)6 3 -/Fe(CN)6 4-를 포함하는, 슈퍼커패시터.
  24. 제22항에 있어서, 상기 전해질은 약 1.0M의 Na2SO4를 포함하는, 슈퍼커패시터.
  25. 제16항에 있어서, 상기 전해질은 1-알릴-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오르메틸설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트라이플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트라이플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 다이에틸 포스페이트, 아세토나이트릴, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하는, 슈퍼커패시터.
  26. 제25항에 있어서, 상기 전해질은 아세토나이트릴 중 약 1M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)를 포함하는, 슈퍼커패시터.
  27. 제16항에 있어서, 약 360 mF/㎠ 내지 약 380 mF/㎠의 면적 정전용량을 갖는, 슈퍼커패시터.
  28. 제16항에 있어서, 약 1W/㎤ 내지 약 6W/㎤의 출력 밀도(power density)를 갖는, 슈퍼커패시터.
  29. 제16항에 있어서, 약 18Wh/㎏ 내지 약 21Wh/㎏의 중량 에너지 밀도(gravimetric energy density)를 갖는, 슈퍼커패시터.
  30. 제16항에 있어서, 약 3,000W/㎏ 내지 약 12,000W/㎏의 출력 밀도를 갖는, 슈퍼커패시터.
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