KR102508972B1 - 자립형 탄소 전극 - Google Patents

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Abstract

전기 회로에 부착하도록 구성된 자립형 슈퍼커패시터 전극으로서, 그 자립형 슈퍼 커패시터 전극은, 5 내지 20 중량%의 폴리머 결합제에 균일하게 분산된 5 내지 25 중량%의 전도성 탄소 및 70 내지 90 중량%의 활성탄의 매트릭스를 포함하는강성 또는 기계적 탄성의 전기-전도성 시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자립형 탄소 전극
본 발명은 관련 금속 전류-콜렉터를 사용할 필요가 없는, 독립형 탄소-함유 시트로 제조된 자립형 전극(self-supporting electrode)에 관한 것이다. 전극은 특히, 슈퍼커패시터의 컴포넌트로서 사용하는 데 적합하다.
최근, 때때로 울트라커패시터들이라는 등가의 용어로 본 기술 분야에 또한 알려져 있는 슈퍼커패시터들은 에너지 저장 분야에 대한 관심을 끌고 있는데, 이는 슈퍼커패시터가 긴 사이클-수명 안정성, 및 전하를 신속하게 수용하고 제공하는 능력을 갖기 때문이다. 이는, 재충전 시간이 중요한 스마트폰들, 태블릿들, 파워 드릴들, 및 대규모 응용 분야들과 같은 다양한 휴대용 전기 디바이스들에서 종래의 리튬-이온 배터리들에 대한 대체물들 또는 부가물들로서 슈퍼커패시터들이 잠재적으로 매력적이게 만든다. 그러나, 현재까지, 슈퍼커패시터들에 의해 달성될 수 있는 단위 중량당 비교적 낮은 에너지 밀도들이 기술적 문제였으며, 이는 사이즈 및 중량이 중요한 문제들이 되는 다수의 응용 분야들에서 이들의 활용을 제한하였다.
전형적인 슈퍼커패시터는 전해질 및 이온-투과성 절연체 멤브레인에 의해 분리된 적어도 2개의 전극들(애노드 및 캐소드)로 구성된 셀로 구성된다. 전극들에 걸쳐 전압이 인가될 때, 전해질의 양이온들 및 음이온들은 각각 애노드 및 캐소드로 이동하여, 이들의 표면들 상에 대향 전하-베어링 정전 이중 층들을 생성한다. 이어서, 이들 층들은 슈퍼커패시터가 사용됨에 따라 점진적으로 파괴되고, 슈퍼커패시터가 재충전됨에 따라 재-생성된다. 따라서, 전극의 단위 중량당 이들 층들과 연관된 충전 용량이 더 높을수록, 슈퍼커패시터가 더 효율적이고 유용하게 된다.
우리의 이전 출원 제WO2016075431호에서, 우리는, 전해질이 이온성 액체이거나, 또는 이온성 성분들 중 적어도 하나가 이온성 액체인 이온성 성분들의 혼합물인 그러한 슈퍼커패시터를 설명하였다. 이들 슈퍼커패시터들에서 이용되는 전극들은 각각, 큰 표면적을 갖는 탄소 입자들로 구성된 전하-운반 층으로 코팅된 금속 전류 콜렉터(전형적으로는 알루미늄 포일과 같은 기판)를 포함한다. 이 코팅은, 도포 후, 경화 및 건조가 가능한 프린트 가능한 ‘잉크’에 의해 전류 콜렉터에 도포된다.
이러한 슈퍼커패시터 설계의 문제는 셀의 단위 중량당 충전 용량이 다수의 응용 분야들에서 사용하기에 너무 높다는 것이며; 그러한 슈퍼커패시터가 대개, 필요한 총 충전량을 유지하기 위해 직렬로 적층된 상업용 응용 분야들을 위한 것이기 때문에, 문제가 악화된다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위한 하나의 접근법은 전류 콜렉터를 제거하는 쪽으로 노력하는 것이며; 그 아이템은 전형적으로, 전체 중량의 최대 50%를 제공한다. 따라서, 우리는 이제, 자립형이고 독립형이며 작은 금속 코팅 탭만을 사용하여 외부 회로에 직접 부착될 수 있는 개선된 다중-탄소 성분 전극을 개발하였다. 따라서, 본 발명의 일 양태에 따르면, 전기 회로에 부착하도록 구성된 자립형 슈퍼커패시터 전극이 제공되며, 그 자립형 슈퍼커패시터 전극은, 5 내지 15 중량%의 폴리머 결합제에 균일하게 분산된 5 내지 25 중량%의 전도성 탄소 및 70 내지 90 중량%의 활성탄의 매트릭스(matrix)를 포함하는 강성 또는 기계적 탄성의 전기-전도성 시트를 포함하는 것을 특징으로 한다(열거된 구성요소 외에도 언급하지 않은 구성요소를 추가로 포함할 수 있으나, 추가적 구성요소는 열거된 구성요소로 이루어진 발명의 특성에 물질적으로 변화를 주지는 않음).
적합하게, 전도성 시트는 5 내지 20 중량%의 폴리머 결합제에 균일하게 분산된 5 내지 25 중량%의 전도성 탄소 및 75 내지 90 중량%의 활성탄의 매트릭스(matrix)를 포함한다.
바람직하게, 전기-전도성 시트는 기계적 탄성을 가지며, 표면 균열 또는 완전한 파단 없이 편리한 형상으로 변형될 수 있는 충분한 가요성을 갖는다. 일 실시예에서, 활성탄 대 전도성 탄소의 중량비는, 전하를 저장하는 전극의 능력과 그 전극의 전기 저항 사이의 최적의 트레이드-오프를 획득하기 위해, 5:1 초과, 적합하게는 5:1 내지 50:1, 그리고 바람직하게는 8:1 내지 20:1의 범위; 가장 바람직하게는 8:1 내지 12:1 또는 15:1 내지 20:1이다.
활성탄이라는 용어는, 표면적이, 전형적으로는 500 m2g-1 초과, 적합하게는 500 내지 4500 m2g-1, 더 적합하게는 500 내지 3500 m2g-1, 바람직하게는 500 내지 3000 m2g-1, 그리고 가장 바람직하게는 1500 내지 2500 m2g-1, 또는 1500 내지 4000 m2g-1인 탄소를 의미한다. 일 실시예에서, 이 성분은 미립자이고, 입자들의 평균 최대 치수는 25 미크론 미만; 바람직하게는 6 내지 12 미크론의 범위, 또는 1 미크론 미만의 유한 치수이다. 다른 경우에, 이는 섬유질이며, 서로 및 다른 성분들과 얽힐 수 있는 마이크로 또는 나노 섬유들로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 성분은 시트의 제조 동안 다른 성분들이 침투된 직포를 포함한다. 이러한 모든 재료들은 이들이 상당한 양의 전하를 유지할 수 있게 하는 높은 수준의 접근 가능한 미세 다공성을 갖는 것을 특징으로 한다.
전형적으로, 활성탄은 무-산소 분위기에서 500 ℃를 초과하는 온도에서 대응하는 유기 전구체의 탄화에 의해 제조될 수 있다. 이러한 유기 전구체는 리그노셀룰로스 또는 비-리그노셀룰로스일 수 있고, 선택적으로, 수산화 칼륨과 같은 수산화물과 같은 1A 족 금속 염으로 도핑될 수 있다. 그러나, 활성탄은 달리 고순도이고, 1 중량% 미만; 바람직하게는 0.5 중량% 미만의 애시(ash) 함유량을 갖는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 탄화된 생성물은 사용 전에 스팀으로 활성화될 수 있다. 성분이 섬유질이거나 또는 직포로 이루어지는 경우, 이는 폴리머 시트의 전구체 섬유질 폴리머, 예컨대, 방적 또는 직조 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 탄화에 의해 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 활성탄은 그램당 20 패럿(Farad)을 초과하는 비정전 용량(specific capacitance); 적합하게는 그램당 80 내지 250 패럿, 예컨대 그램당 100 내지 200 패럿의 범위의 비정전 용량을 가질 것이다.
전도성 탄소 성분으로 넘어가면, 이 성분은 시트에 개선된 전기 전도율을 제공하기 위해 포함된다. 전도성 탄소 성분은, 그래핀 및 풀러렌(fullerene)들, 이를테면 탄소 나노 튜브들 등으로부터 선택되는 하나 이상의 고도의 전도성 탄소들을 포함하는 것이 적합하다. 일 바람직한 실시예에서, 이 성분은 그래핀, 단일-벽 탄소 타노튜브들(single-walled carbon nanotubes) 및/또는 다중-벽 탄소 타노튜브들(multi-walled carbon nanotubes), 또는 이들의 혼합물들을 포함한다. 다른 경우에, 탄소 나노 튜브들은 최대 5 미크론의 유한 길이들, 및/또는 1 내지 20 나노미터 범위의 직경들, 및/또는 미터당 106 지멘스를 초과하는 전도율들을 갖는 것을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 전도성 탄소 성분은 5 내지 30 중량%의 전극 시트를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 전도성 탄소는, 위에서 언급된 다른 성분들 중에서, 카본 블랙이거나 또는 카본 블랙을 포함한다.
결합제는, 원칙적으로, 시트 상에 기계적 강성 또는 가요성을 부여할 수 있는 임의의 매트릭스이다. 결합제는 전극의 사용 동안 발생할 가능성이 있는 일종의 산화 및 환원 프로세스들에 내성이 있는 재료인 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 결합제는 불활성 엔지니어링 플라스틱; 예컨대, 플루오르화 폴리머, 이를테면, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드이다. 다른 경우에, 이는 전도성 폴리머, 이를테면, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌 설포네이트), 또는 폴리아닐린이다. 또 다른 실시예에서, 이는 전도성 폴리머, 그리고 예컨대, 위에서 언급된 엔지니어링 플라스틱들 중 하나와, 셀룰로스 재료, 이를테면 카르복시메틸 셀룰로스 등 및/또는 엘라스토머, 이를테면 스티렌-부타디엔 고무의 혼합물이다. 이 실시예에서, 바람직하게는, 이들 2개의 성분들의 중량비는 0.5:1 내지 2:1의 범위이어야 한다. 다른 실시예에서, 결합제는 고분자 전해질 성분을 포함한다.
본 발명의 전극 시트들은 전형적으로, cc당 0.4 그램 초과의 밀도, 그램당 100 패럿을 초과하는 평균 중량 측정 정전 용량을 갖는다.
일 실시예에서, 위에서 설명된 전극들은 더 큰 재료 시트로부터 커팅 또는 펀칭될 것이다. 이어서, 전극들은, 탄성을 갖는 경우, 지지 기판 또는 금속 전류 콜렉터의 존재 없이 사용될 정도로 충분히 강하게 유지되면서, 임의의 원하는 형상으로 조작되는 것이 가능할 것이다. 그러한 상황들에서, 전극들은 추가로, 금속 커넥터들에 부착 가능한 것을 특징으로 하며, 그 금속 커넥터들은 차례로 전기 회로의 와이어들에 부착될 수 있다. 하나의 편리한 실시예에서, 이는 달성되지만, 전극 시트가 형성하고, 그 전극 시트로부터 전극이 커팅되어, 하나의 위치에서, 재료의 탭이 본체로부터 돌출된다. 이어서, 이 탭은, (1) 폴리머가 탭 내의 임의의 간극들에 침투하여 사용 동안 슈퍼커패시터로부터의 전해질의 침출을 방지하도록 열-처리될 수 있으며, (2) 그 후에, 전기 콘택을 생성하기 위해 금속 코팅, 이를테면 은, 구리 등으로 금속화될 수 있다.
본 발명의 전극들 및 이온성 액체 전해질을 사용하는 슈퍼커패시터들은 전형적으로, 100회 충전 및 방전 사이클에 걸쳐 코인 셀들에서 측정될 때, 30 옴 미만의 등가 직렬 저항(equivalent series resistance; ESR)을 가질 것이다. 실제 작동 디바이스에서, ESR은 전형적으로, 100 밀리옴 미만, 예컨대 0.5 내지 100 밀리옴의 범위일 것이다. 이들 슈퍼커패시터들은 또한, 3.5 볼트의 동작 전압에서 측정될 때, 그램당 100 패럿 초과의 중량 측정 컨덕턴스, 및 6 Wh/kg 초과의 에너지 저장 용량을 가질 것이다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 전극들은, 시트로 제조된 애노드(들) 및 캐소드(들), 전해질, 및 멤브레인 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 유닛으로 구성된 슈퍼커패시터 또는 울트라커패시터들에 특히 유용하다. 그러나, 이들은, 예컨대 리튬-이온 배터리들에서, 더 광범위한 유용성을 가질 가능성이 있을 것이다. 일 실시예에서, 전해질은 이온성 액체이다. 다른 경우에, 애노드(들) 및 캐소드(들)는, 상이한 두께들로 이루어지거나, 또는 하나 이상의 의사 용량성 첨가제(pseudocapacitive additive)(들), 이를테면 금속 산화물, 반도체, 또는 전도성 폴리머를 사용함으로써, 비대칭적으로된다. 전극 시트들은 100 내지 350 미크론의 범위의 두께를 갖는 것이 적합하다. 각각의 유닛은, 중간 멤브레인들과 직렬로 시트들을 나란히 적층하고, 나머지 공극을 전해질로 충전함으로써 복제될 수 있다. 그러한 실시예에서, 시트의 대향 면들은 인접 유닛들에서 애노드들 및 캐소드들로서 기능할 수 있다. 개별 유닛들 또는 유닛들의 적층체들은 선택적으로, 예컨대 폴리머로 제조된 기밀 밀봉 경량 파우치 내에 포함될 수 있다. 파우치 그 자체는, 원하는 경우, 슈퍼커패시터에 추가적인 정도의 기계적 무결성을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 위에서 설명된 전기-전도성 시트를 제조하는 방법이 제공되며, 그 방법은, (1) 낮은 전단(low shear)의 조건들 하에서 결합제와 수용액을 혼합하는 단계; (2) 그 후에, 가요성 도우(flexible dough)가 생성될 때까지, 높은 전단의 조건들 하에서 활성탄 및 전도성 탄소들을 첨가하는 단계; (3) 도우를 100 내지 350 미크론의 범위의 두께를 갖는 시트들로 롤링한 후에, 이를 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 방법의 실시예에서, 소량의 알코올, 이를테면 C1 내지 C6 지방족 알코올 및/또는 계면 활성제가 수용액에 첨가되어, 혼합 후에, 전자 현미경으로 관찰될 때, 도우가 다양한 탄소 성분들의 균일한 분포를 갖는 것이 보장될 수 있다. 다른 경우에, 단계(3)에서 생성된 시트들은 추가적인 캘린더링 단계를 거친다.
본 발명의 전극들은 이제, 다음의 예들을 참조하여 예시된다.
예 1 - 전극 시트의 제조
10.5 g의 이소프로판올 수용액이 9.9 g의 탈이온수와 혼합되었다. 여기에, 일정한 교반과 함께, 1.5 g의 수중 60% PTFE 분산액(밀도: 1.50 g/cm3)(예 MTI Corporation)이 첨가되었다. YP-50 활성탄(예 Kurary) 및 중간-벽 탄소 나노튜브들(높은 전기 전도율, 낮은 ESR을 달성하기 위한 Nanocyl NC7000)이 8:1(9:1)의 중량비로 사전 혼합되었다. 800 rpm으로 동작하는 실험실 믹서(Thinky ARE-250)에서 높은 전단의 조건들 하에서, 8 g(10.8 g)의 결과적인 혼합물이 용액에 첨가되었고, 균질한 도우가 형성될 때까지, 5분 동안 혼합이 유지되었다. 결과적인 도우의 중량은 30 그램이었고, 이어서, 결과적인 도우는 평균 두께가 340 미크론인 시트로 롤링되었다. 이어서, 시트들은 실온에서 12 시간 동안 건조된 후, 진공 하에서 60 ℃ 및 120 ℃에서 2 시간 동안 건조되었다. 코인 셀 실험들에 사용하기 위해 전극들을 커팅하기 전에, 건조된 생성물은 건조 박스에 보관되었다.
전자 현미경을 사용한 육안 검사는, 활성탄 및 다중-벽 탄소 나노튜브들이 결합제 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분포되어 있음을 확인하였다.
예 2 - 코인 셀 테스팅
펀칭 머신을 사용하여 전극 시트의 16 mm 디스크들이 커팅되었다. 이어서, 건조된 티타늄-30 멤브레인 세퍼레이터(예 DreamWeaver Corporation) 및 EMIM TFSI(1-에틸-3-메틸이미다졸룸 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드) 이온성 액체 전해질의 대응하는 디스크들을 사용하여, 테스팅 목적들을 위해, 종래의 코인 셀들이 조립되었다. 이어서, 테스팅을 거치기 전에, 충전된 코인 셀들은 크림핑에 의해 밀봉되었다.
코인 셀은 3.5 v의 전압으로 충전 및 방전 사이클들을 거쳤으며, 각각의 사이클 동안, 방전 정전 용량과 등가 직렬 저항(ESR)이 측정되었다. 도 1 및 도 2에 그래프로 예시된 결과들은, 본 발명의 전극들이, 다수의 사이클들에 걸친 방전 정전 용량(discharge capacitance)으로부터 유추된 바와 같이 양호한 정전 용량 안정성을 나타내고, 초기 컨디셔닝 페이즈 후의 ESR을 유지한다는 것을 보여준다.

Claims (15)

  1. 슈퍼커패시터로서,
    하나 이상의 유닛들을 포함하며,
    상기 하나 이상의 유닛들은 각각,
    이온 액체 전해질,
    멤브레인 세퍼레이터, 및
    전기 회로에 부착하도록 구성된 자립형 슈퍼커패시터 전극(self-supporting supercapacitor electrode)들을 포함하며,
    상기 슈퍼커패시터 전극들은 독립형(free-standing)이며, 강성 또는 기계적 탄성의 전기-전도성 시트를 포함하며,
    상기 강성 또는 기계적 탄성의 전기-전도성 시트는,
    5 내지 25 중량%의 전도성 탄소 및 70 내지 90 중량%의 활성탄의 매트릭스(matrix)를 포함하고, 상기 전도성 탄소 및 상기 활성탄은 5 내지 20 중량%의 폴리머 결합제에 균일하게 분산되어 있으며,
    상기 슈퍼커패시터 전극들은,
    금속 전류 콜렉터 또는 지지 기판에 의해 지지되지 않는다는 점에서 독립형이며,
    상기 슈퍼커패시터 전극들은,
    본체, 및
    외부 회로에 대한 전기 연결을 제공하기 위한, 금속화된 탭 또는 금속 탭을 포함하는
    슈퍼커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    (i) 상기 활성탄 대 상기 전도성 탄소의 중량비는 8:1 내지 20:1의 범위인 것;
    (ii) 상기 활성탄의 표면적은 1500 내지 2500 m2g-1의 범위인 것; 그리고/또는
    (iii) 상기 활성탄은 그램당 100 내지 200 패럿의 범위의 비전도율을 갖는 것;을 특징으로 하는,
    슈퍼커패시터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전도성 탄소는 그래핀, 단일-벽 탄소 나노튜브들(single-walled carbon nanotubes), 다중-벽 탄소 나노튜브들(multi-walled carbon nanotube), 또는 이들 성분들 중 임의의 성분의 혼합물들로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    슈퍼커패시터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    (i) 상기 결합제는 전도성 폴리머 및 엔지니어링 플라스틱을 포함하는 것; 그리고/또는
    (ii) 상기 결합제는 플루오르화 폴리머 또는 고분자 전해질을 포함하는 것;을 특징으로 하는,
    슈퍼커패시터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    (i) 상기 강성 또는 기계적 탄성의 전기-전도성 시트는 cm3당 0.4 그램 초과의 밀도를 갖는 것; 그리고/또는
    (ii) 상기 슈퍼커패시터 전극들은 그램당 100 패럿 초과의 비정전 용량을 갖는 것;을 특징으로 하는,
    슈퍼커패시터.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터 전극들은,
    두께가 100 내지 350 미크론인 것을 특징으로 하는,
    슈퍼커패시터.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    (i) 상기 슈퍼커패시터 전극들은 비대칭적이고, 상이한 두께들로 이루어지거나; (ii) 상기 슈퍼커패시터 전극들은 의사 용량성 첨가제(pseudocapacitive additive)를 사용하여 비대칭적으로 되는 것을 특징으로 하는,
    슈퍼커패시터.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리머 결합제는,
    (i) 전도성 폴리머; 및 (ii) 플루오르화 폴리머, 셀룰로스 재료 및 엘라스토머 중 적어도 하나;의 혼합물을 포함하는,
    슈퍼커패시터.
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Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000195760A (ja) * 1998-12-25 2000-07-14 Casio Comput Co Ltd 電気二重層コンデンサ
JP2003017370A (ja) * 2001-06-29 2003-01-17 Masayuki Yoshio キャパシター用塗布ペースト及び電気２重層キャパシタ電極
US20050266298A1 (en) * 2003-07-09 2005-12-01 Maxwell Technologies, Inc. Dry particle based electro-chemical device and methods of making same
US7352558B2 (en) * 2003-07-09 2008-04-01 Maxwell Technologies, Inc. Dry particle based capacitor and methods of making same
KR100578158B1 (ko) * 2004-12-23 2006-05-10 비나텍주식회사 전기이중층 캐패시터
FR2881569B1 (fr) * 2005-02-01 2007-04-20 Batscap Sa Electrode de supercondensateur a taux de charge eleve et procede d'obtention par extrusion
JP2007258611A (ja) * 2006-03-24 2007-10-04 Asahi Glass Co Ltd 電気二重層キャパシタ用電極の製造方法及び該電極を用いた電気二重層キャパシタの製造方法
US20080089006A1 (en) * 2006-10-17 2008-04-17 Maxwell Technologies, Inc. Electrode for energy storage device
WO2009148977A1 (en) * 2008-06-04 2009-12-10 Seeo, Inc Supercapacitors with block copolymer electrolytes
CN101763948A (zh) * 2009-11-09 2010-06-30 南京双登科技发展研究院有限公司 酸性超级电容器
US8687346B2 (en) * 2010-05-27 2014-04-01 Corning Incorporated Multi-layered electrode for ultracapacitors
US8254086B2 (en) * 2010-07-13 2012-08-28 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Two-step synthesis of manganese oxide nanostructures on carbon for supercapacitor applications
US8576541B2 (en) * 2010-10-04 2013-11-05 Corning Incorporated Electrolyte system
JP5952387B2 (ja) * 2011-05-03 2016-07-13 アクシオン パワー インターナショナル，インコーポレイテッドＡｘｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ． 電極に用いるカーボンシート製造方法
JP5039843B1 (ja) * 2011-07-29 2012-10-03 ニチアス株式会社 電気二重層キャパシタ用導電性シート
CN102324317B (zh) * 2011-09-14 2017-04-19 中国第一汽车股份有限公司 一种用于柔性固态超级电容器的电极及其制备方法
TWI537996B (zh) * 2011-10-04 2016-06-11 逢甲大學 一種超級電容及其製作方法
DE112012004734T5 (de) * 2011-11-14 2014-09-11 Meidensha Corp. Elektrode für eine elektrische Speichervorrichtung, elektrische Speichervorrichtung und Herstellungsverfahren einer Elektrode für eine elektrische Speichervorrichtung
US9330855B2 (en) * 2012-03-18 2016-05-03 Elbit Systems Land And C4I Ltd Aqueous-based electric double-layer capacitor
KR101484926B1 (ko) * 2012-05-21 2015-01-22 (주) 퓨리켐 슈퍼커패시터 전극의 제조방법
CN102881464B (zh) * 2012-09-26 2015-11-18 成都芝田高分子材料有限公司 一种储能装置的制作方法
CN103151183B (zh) * 2013-03-04 2016-06-01 成都芝田高分子材料有限公司 一种电极的制作方法、储能装置及其制作方法
US9478364B2 (en) * 2013-08-22 2016-10-25 Corning Incorporated Carbon-based electrodes containing molecular sieve
US9595398B2 (en) * 2013-08-30 2017-03-14 Corning Incorporated Low resistance ultracapacitor electrode and manufacturing method thereof
US20150062779A1 (en) * 2013-08-30 2015-03-05 Corning Incorporated Edlc electrode and manufacturing process thereof
CN103762088B (zh) * 2013-12-31 2017-07-07 昆明纳太科技有限公司 一种超级电容器及其制备方法
FR3016245B1 (fr) * 2014-01-03 2021-07-16 Commissariat Energie Atomique Cellule electrochimique, systeme de stockage et de restitution d'energie electrique comprenant une telle cellule electrochimique et vehicule comprenant un tel systeme
CA2957918A1 (en) * 2014-08-11 2016-02-18 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Aligned graphene-carbon nanotube porous carbon composite
CN105304350A (zh) * 2015-11-17 2016-02-03 南通绿业中试技术研究院有限公司 一种宽温度区间可滥用电容器及其制造方法
CN105551824A (zh) * 2015-12-17 2016-05-04 上海奥威科技开发有限公司 无金属集流体的自支撑超级电容器

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
인용발명 1: 미국 특허출원공개공보 US2013/0148265호(2013.06.13.) 1부.*
인용발명 2: 미국 특허출원공개공보 US2008/0285208호(2008.11.20.) 1부.*
인용발명 3: 미국 특허출원공개공보 US2012/0081837호(2012.04.05.) 1부.*
인용발명 4: 미국 특허출원공개공보 US2005/0266298호(2005.12.01.) 1부.*
인용발명 5: 미국 특허출원공개공보 US2016/0042877호(2016.02.11.) 1부.*
인용발명 6: 미국 특허출원공개공보 US2012/0014037호(2012.01.19.) 1부.*
인용발명 7: 등록특허공보 제10-1484926호(2015.01.22.) 1부.*

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