TWI791426B - 超級電容器裝置，以及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示案提供超級電容器，該等超級電容器可避免當前能量儲存技術之缺陷。本文中所提供的是超級電容器裝置，以及其製造方法，該方法包含製造或合成集電器上之活性材料及/或製造超級電容器電極，以形成超級電容器電極及裝置之平面及堆疊式陣列。本文中所揭露之原型超級電容器與商業超級電容器相比可展現改良效能。另外，本揭示案提供用於經由遮罩及蝕刻來製造超級電容器之簡單、又通用的技術。

Description

超級電容器裝置，以及其製造方法
本揭示案提供可避免當前能量儲存技術缺陷之超級電容器，以及其製造方法。
高效能能量儲存裝置之發展在寬泛應用中已獲得顯著關注。雖然普通電子裝置進展迅速，但根據摩爾定律，蓄電池僅略微進步，主要由於當前材料之能量密度及容量的局限性。
發明者已確認，具有降低的充電時間及增加的電荷密度之蓄電池對可攜式電子設備及可再新能量裝置之設計及使用具有深刻影響。本文中提供的是超級電容器之方法、裝置及系統。方法可包括製造(或合成)集電器上之活性材料及/或製造超級電容器電極。一些實施例提供用於製造(或合成)平面及堆疊式電極陣列及/或用於製造(或合成)超級電容器之方法、裝置及系統。
本文中所提供之揭示案的第一態樣為超級電容器裝置，該超級電容器裝置包含電極陣列，其中每一電極包含集電器；以及活性材料，其處於集電器之第一表面的一部分上。
在一些實施例中，第一態樣之超級電容器進一步包含活性材料，該活性材料處於集電器之第二表面的一部分上。
在一些實施例中，陣列中之每一電極藉由間隙與後續電極分離。
在一些實施例中，集電器包含金屬膜或聚合物膜或其任何組合，其中金屬膜包含銀、銅、金、鋁、鈣、鎢、鋅、鎢、黃銅、青銅、鎳、鋰、鐵、鉑、錫、碳鋼、鉛、鈦、不銹鋼、汞、鉻、砷化鎵或其任何組合，並且其中聚合物膜包含聚茀、聚苯、聚芘、聚薁、聚萘、聚乙炔、聚對苯伸乙烯、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚氮呯(polyazepinem)、聚苯胺、聚噻吩、聚3,4-伸乙基二氧噻吩、聚對苯硫醚、聚乙炔、聚對苯伸乙烯或其任何組合。
在一些實施例中，活性材料包含兩個或兩個以上分離及互連層。在一些實施例中，活性材料包含碳、活性碳、石墨烯、聚苯胺、聚噻吩、互連波紋碳基網路(ICCN)或其任何組合。在一些實施例中，活性材料具有每公克約250平方公尺至每公克約3,500平方公尺之表面密度。在一些實施例中，活性材料具有約750西門子/公尺至約3,000西門子/公尺之導電率。
在一些實施例中，電極陣列為平面電極陣列。在進一步此類實施例中，電解質為水性的，其中電極之數目為約5個，且跨電極陣列產生之電壓電位為約2.5V至約10V。在進一步此類實施例中，電解質包含乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)，其中電極之數目為約5個，且跨電極陣列產生之電壓電位為約6V至約24V。在進一步此類實施例中，電解質為水性的，其中電極之數目為約180個，且跨電極陣列產生之電壓電位為約100V至約360V。在進一步此類實施例中，電解質包含乙腈中之四氟硼酸四乙 銨(TEABF4)，其中電極之數目為約72個，且跨電極陣列產生之電壓電位為約100V至約360V。
在一些實施例中，電極陣列為堆疊式電極陣列。
在一些實施例中，第一態樣之超級電容器裝置進一步包含分離體及支撐體中之至少一或多者，其中分離體及支撐體中之至少一或多者位於一對相鄰電極之間。
在一些實施例中，第一態樣之超級電容器裝置進一步包含電解質，其中電解質為包含聚合物、矽石、煆製矽石、煆製矽石奈米粉、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨(TEABF4)、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯、氫氧化鉀、聚乙烯醇或其任何組合之液體、固體、凝膠或其任何組合。
本文中所提供之揭示案的第二態樣為製造超級電容器裝置之方法，該方法包含製造電極陣列，其包含：將活性材料施加至集電器之第一表面的一部分上；以及乾燥集電器上之活性材料，其中每一電極藉由間隙與後續電極分離。
在一些實施例中，第二態樣之方法進一步包含：將活性材料施加至集電器之第二表面的一部分上；以及乾燥集電器上之活性材料。
在一些實施例中，膠帶及遮罩中之至少一或多者屏蔽基板之一部分，從而防止將活性材料施加至基板之經屏蔽部分上。
在一些實施例中，活性材料以漿料形式施加。在一些實施例 中，漿料藉由刮刀片施加至基板。在一些實施例中，將活性材料施加至集電器之第一表面上的製程及將活性材料施加至集電器之第二表面上的製程同時進行。
在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥在約40℃至約160℃之溫度下發生。在一些實施例中，對集電器集電器上之活性材料的乾燥歷經約6小時至約24小時之時間段發生。
在一些實施例中，電極陣列包含平面電極陣列。在一些實施例中，平面電極陣列藉由蝕刻或切割活性材料及集電器來製造。
在一些實施例中，電極陣列包含堆疊式電極陣列。
在一些實施例中，第二態樣之方法進一步包含將分離體及支撐體中之至少一或多者定位在一對連續電極之間。
在一些實施例中，第二態樣之方法進一步包含將電解質分散於電極陣列上；將電極陣列包封於護套中；以及將包封的電極陣列插入至外殼中。
在一些實施例中，電解質為包含聚合物、矽石、煆製矽石、煆製矽石奈米粉、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨(TEABF4)、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯、氫氧化鉀、聚乙烯醇或其任何組合之液體、固體、凝膠或其任何組合。
100:單電池線性超級電容器裝置
101:集電器
102:活性材料
103:引線
110:非等面電極
120:等面電極
150:2電池線性超級電容器裝置
160:5電池線性超級電容器裝置
200:180電池線性超級電容器裝置
210:非等面電極
220:等面電極
230:C形等面電極
300:單面電極
301:集電器
302:活性材料
310:雙面電極
400:堆疊式超級電容器裝置總成
401:分離體
402:密封件
403:外殼
404:凸舌
405:正極端子
406:負極端子
407:墊圈
410:單面電極
420:雙面電極
450:電極堆疊
500:超級電容器裝置總成
501:分離體
502:支撐體
503:外殼
504:凸舌
505:正極端子
506:負極端子
507:墊圈
510:單面電極
550:電極堆疊
560:經支撐之雙面電極
600:經封裝之單電池超級電容器
603:外殼
605:正極端子
607:墊圈
610:單面電極
620:分離體
700:將活性材料施加至集電器之第一表面或第二表面上
701:活性材料漿料
702:刮刀片
703:膠帶
704:基板
800:將活性材料施加至集電器之上
801:集電器
900:乾燥的電極
910:剝離的電極
1000:180電池超級電容器裝置
1100:180電池超級電容器裝置
本揭示案之新穎特徵在隨附申請專利範圍中特定闡述。將藉 由參考以下闡述利用本揭示案之原理的說明性實施例之詳細描述及隨附圖式或圖(figures)(本文中亦為「圖(FIG)」及「圖(FIGS)」)來更好地理解本揭示案之特徵及優勢，其中：圖1A至1D展示具有多個電極之超級電容器的示範性圖解。
圖2展示具有180個電池之超級電容器的示範性圖解。
圖3A至3B展示單面電極及雙面電極之示範性圖解。
圖4A至4B展示經組裝之超級電容器的示範性前方及頂部橫截面圖解。
圖5A至5B展示具有支撐體的經組裝之超級電容器的示範性前方橫截面圖解，以及經支撐之雙面電極的示範性圖解。
圖6A至6C展示經封裝之單電池超級電容器的示範性分解、透視及俯視圖圖解。
圖7展示將活性材料施加至集電器上之示範性影像。
圖8展示施加於集電器上之活性材料的示範性影像。
圖9A至9B展示電極在乾燥及膠帶移除之後的示範性影像。
圖10展示製造圖案化平面電極之示範性影像。
圖11展示高電壓超級電容器在電化學試驗期間之示範性影像。
圖12A至12E展示示範性超級電容器裝置在不同掃描速率下之循環伏安法(CV)圖表。
圖13展示如圖12A至12E所展示之示範性超級電容器裝置在不同掃描速率下之循環伏安法(CV)圖表的重疊。
圖14展示示範性超級電容器在恆定電流下之充電及放電效能。
圖15展示示範性超級電容器之華堡阻抗(Warburg impedance)。
本發明者已意識到，需要混合材料之改良設計及將混合材料整合至微超級電容器中，以簡化具有微米間隔之3D微電極的微製造。
本揭示案提供用於製造超級電容器之簡單、又通用的技術。本揭示案提供用於製備及/或整合用於高電壓應用之超級電容器的方法。在一些實施例中，本揭示案提供用於直接製備及整合用於高電壓應用之超級電容器的方法。超級電容器可包含分開的電化學電池陣列。在一些實施例中，分開的電化學電極陣列可在相同平面中且在一個步驟中直接製造。此組態可提供對電壓及電流輸出的極好控制。在一些實施例中，陣列可與太陽電極整合，以用於獲得及儲存有效太陽能。在一些實施例中，裝置為用於高電壓應用之整合式超級電容器。
本揭示案之態樣提供超級電容器裝置，該超級電容器裝置包含電極陣列，其中每一電極包含集電器；以及活性材料，其處於集電器之第一表面的一部分上。在一些實施例中，集電器包含活性材料，該活性材料處於集電器之第二表面的一部分上。在一些實施例中，陣列中之電極藉由間隙與後續電極分離。
在一些實施例中，活性材料包含碳、活性碳、石墨烯、聚苯胺、聚噻吩、互連波紋碳基網路(ICCN)或其任何組合。
在一些實施例中，集電器包含金屬膜或聚合物膜或其任何組合。在一些實施例中，金屬膜包含銀、銅、金、鋁、鈣、鎢、鋅、鎢、黃銅、青銅、鎳、鋰、鐵、鉑、錫、碳鋼、鉛、鈦、不銹鋼、汞、鉻、砷化鎵或其任何組合。在一些實施例中，聚合物膜包含聚茀、聚苯、聚芘、聚 薁、聚萘、聚乙炔、聚對苯伸乙烯、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚氮呯、聚苯胺、聚噻吩、聚3,4-伸乙基二氧噻吩、聚對苯硫醚、聚乙炔、聚對苯伸乙烯或其任何組合。
在一些實施例中，集電器之厚度為約50奈米至約200奈米。在一些實施例中，集電器之厚度為至少約50奈米。在一些實施例中，集電器之厚度為至多約200奈米。在一些實施例中，集電器之厚度為約50奈米至約75奈米、約50奈米至約100奈米、約50奈米至約125奈米、約50奈米至約150奈米、約50奈米至約175奈米、約50奈米至約200奈米、約75奈米至約100奈米、約75奈米至約125奈米、約75奈米至約150奈米、約75奈米至約175奈米、約75奈米至約200奈米、約100奈米至約125奈米、約100奈米至約150奈米、約100奈米至約175奈米、約100奈米至約200奈米、約125奈米至約150奈米、約125奈米至約175奈米、約125奈米至約200奈米、約150奈米至約175奈米、約150奈米至約200奈米、或約175奈米至約200奈米。
在一些實施例中，活性材料包含兩個或兩個以上分離及互連層。在一些實施例中，層為波紋的。在一些實施例中，層為一個原子厚。
在一些實施例中，層之一部分分離至少約1奈米(nm)之距離。在一些實施例中，層之一部分分離至多約150nm之距離。在一些實施例中，層之一部分分離約1nm至約150nm之距離。在一些實施例中，層之一部分分離約1nm至約5nm、約1nm至約10nm、約1nm至約25nm、約1nm至約50nm、約1nm至約100nm、約1nm至約150nm、約5nm至約10nm、約5nm至約25nm、約5nm至約50nm、約5nm至約100nm、約5 nm至約150nm、約10nm至約25nm、約10nm至約50nm、約10nm至約100nm、約10nm至約150nm、約25nm至約50nm、約25nm至約100nm、約25nm至約150nm、約50nm至約100nm、約50nm至約150nm或約100nm至約150nm之距離。
在一些實施例中，活性材料具有至少每公克約250平方公尺(m2/g)之表面密度。在一些實施例中，活性材料具有至多約3,500m2/g之表面密度。在一些實施例中，活性材料具有約250m2/g至約3,500m2/g之表面密度。在一些實施例中，活性材料具有約250m2/g至約500m2/g、約250m2/g至約750m2/g、約250m2/g至約1,000m2/g、約250m2/g至約1,500m2/g、約250m2/g至約2,000m2/g、約250m2/g至約2,500m2/g、約250m2/g至約3,000m2/g、約250m2/g至約3,500m2/g、約500m2/g至約750m2/g、約500m2/g至約1,000m2/g、約500m2/g至約1,500m2/g、約500m2/g至約2,000m2/g、約500m2/g至約2,500m2/g、約500m2/g至約3,000m2/g、約500m2/g至約3,500m2/g、約750m2/g至約1,000m2/g、約750m2/g至約1,500m2/g、約750m2/g至約2,000m2/g、約750m2/g至約2,500m2/g、約750m2/g至約3,000m2/g、約750m2/g至約3,500m2/g、約1,000m2/g至約1,500m2/g、約1,000m2/g至約2,000m2/g、約1,000m2/g至約2,500m2/g、約1,000m2/g至約3,000m2/g、約1,000m2/g至約3,500m2/g、約1,500m2/g至約2,000m2/g、約1,500m2/g至約2,500m2/g、約1,500m2/g至約3,000m2/g、約1,500m2/g至約3,500m2/g、約2,000m2/g至約2,500m2/g、約2,000m2/g至約3,000m2/g、約2,000m2/g至約3,500m2/g、約2,500m2/g至約3,000m2/g、約2,500m2/g至約3,500m2/g、或約3,000m2/g至約3,500m2/g之表面密度。
在一些實施例中，活性材料具有至少約750西門子/公尺(S/m)之導電率。在一些實施例中，活性材料具有至多約3,000S/m之導電率。在一些實施例中，活性材料具有約750S/m至約3,000S/m之導電率。在一些實施例中，活性材料具有約750S/m至約1,000S/m、約750S/m至約1,500S/m、約750S/m至約2,000S/m、約750S/m至約2,500S/m、約750S/m至約3,000S/m、約1,000S/m至約1,500S/m、約1,000S/m至約2,000S/m，約1,000S/m至約2,500S/m、約1,000S/m至約3,000S/m、約1,500S/m至約2,000S/m，約1,500S/m至約2,500S/m、約1,500S/m至約3,000S/m、約2,000S/m至約2,500S/m、約2,000S/m至約3,000S/m、或約2,500S/m至約3,000S/m之導電率。
在一些實施例中，兩個或兩個以上電極經佈置成陣列。在一些實施例中，陣列中之每一電極藉由間隙與後續電極分離。
在一些實施例中，陣列為平面陣列。在一些實施例中，電極之數目為至少約2。
在一些實施例中，間隙之寬度至少約10μm。在一些實施例中，間隙之寬度至多約2,000μm。在一些實施例中，間隙之寬度約10μm至約2,000μm。在一些實施例中，間隙之寬度約10μm至約25μm、約10μm至約50μm、約10μm至約100μm、約10μm至約500μm、約10μm至約1,000μm、約10μm至約1,500μm、約10μm至約2,000μm、約25μm至約50μm、約25μm至約100μm、約25μm至約500μm、約25μm至約1,000μm、約25μm至約1,500μm、約25μm至約2,000μm、約50μm至約100μm、約50μm至約500μm、約50μm至約1,000μm、約50μm至約1,500μm、 約50μm至約2,000μm、約100μm至約500μm、約100μm至約1,000μm、約100μm至約1,500μm、約100μm至約2,000μm、約500μm至約1,000μm、約500μm至約1,500μm、約500μm至約2,000μm、約1,000μm至約1,500μm、約1,000μm至約2,000μm、或約1,500μm至約2,000μm。
在一些實施例中，超級電容器裝置進一步包含電解質。在一些實施例中，電解質為液體、固體、凝膠或其任何組合。在一些實施例中，電解質包含聚合物、矽石、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨(TEABF4)、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯、氫氧化鉀、聚乙烯醇或其任何組合。在一些實施例中，矽石為煆製矽石。在一些實施例中，矽石為煆製矽石及/或呈奈米粉形式。
在一些實施例中，電解質為水性的並且其中電極之數目為約5個。在此實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至少約2.5伏特(V)。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至多約10V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約2.5V至約10V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約2.5V至約3V、約2.5V至約4V、約2.5V至約5V、約2.5V至約6V、約2.5V至約8V、約2.5V至約10V、約3V至約4V、約3V至約5V、約3V至約6V、約3V至約8V、約3V至約10V、約4V至約5V、約4V至約6V、約4V至約8V、約4V至約10V、約5V至約6V、約5V至約8V、約5V至約10V、約6V至約8V、約6V至約10V、或約8V至約10V。
在一些實施例中，電解質包含乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)，並且其中電極之數目為約5個。在此實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至少約6V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至多約24V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約6V至約24V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約6V至約8V、約6V至約10V、約6V至約12V、約6V至約14V、約6V至約16V、約6V至約18V、約6V至約20V、約6V至約22V、約6V至約24V、約8V至約10V、約8V至約12V、約8V至約14V、約8V至約16V、約8V至約18V、約8V至約20V、約8V至約22V、約8V至約24V、約10V至約12V、約10V至約14V、約10V至約16V、約10V至約18V、約10V至約20V、約10V至約22V、約10V至約24V、約12V至約14V、約12V至約16V、約12V至約18V、約12V至約20V、約12V至約22V、約12V至約24V、約14V至約16V、約14V至約18V、約14V至約20V、約14V至約22V、約14V至約24V、約16V至約18V、約16V至約20V、約16V至約22V、約16V至約24V、約18V至約20V、約18V至約22V、約18V至約24V、約20V至約22V、約20V至約24V、或約22V至約24V。
在一些實施例中，電解質為水性的並且其中電極之數目為約180個。在此實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至少約100V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至多約360V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約100V至約360V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約100V至約150V、約100V至約200V、約 100V至約250V、約100V至約300V、約100V至約360V、約150V至約200V、約150V至約250V、約150V至約300V、約150V至約360V、約200V至約250V、約200V至約300V、約200V至約360V、約250V至約300V、約250V至約360V、或約300V至約360V。
在一些實施例中，電解質包含乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)，並且其中電極之數目為約72個。在此實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至少約100V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為至多約360V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約100V至約360V。在一些實施例中，跨電極陣列產生之電壓電位為約100V至約150V、約100V至約200V、約100V至約250V、約100V至約300V、約100V至約360V、約150V至約200V、約150V至約250V、約150V至約300V、約150V至約360V、約200V至約250V、約200V至約300V、約200V至約360V、約250V至約300V、約250V至約360V、或約300V至約360V。
在一些實施例中，電極陣列為堆疊式電極陣列。在一些實施例中，堆疊式電極陣列包含複數個電極。
在一些實施例中，電極為單面電極，其中集電器之第一表面含有活性材料。在一些實施例中，電極為雙面電極，其中集電器之第一表面及相反的第二表面含有活性材料。
在一些實施例中，超級電容器包含活性材料，該活性材料處於集電器之第二表面上。在一些實施例中，集電器之第一表面的一部分未由活性材料覆蓋。在一些實施例中，集電器之第二表面的一部分未由活性 材料覆蓋。
在一些實施例中，堆疊式陣列中之遠端電極包含單面電極。在一些實施例中，遠端電極之集電器的第一表面面向內。在一些實施例中，雙面電極處於兩個單面電極之間。在一些實施例中，堆疊式陣列中之雙面活性電極的數目為至少約1個。
在一些實施例中，分離體位於每一對相鄰電極之間。在一些實施例中，分離體由棉、纖維素、耐綸、聚酯、玻璃、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、塑膠、陶瓷、橡膠、石棉、木材或其任何組合組成。
在一些實施例中，堆疊式陣列進一步包含支撐體，該支撐體可位於一對相鄰單面活性電極之第一面之間。在一些實施例中，支撐體由鋼、不銹鋼、鋁，木材、玻璃、塑膠、碳纖維、玻璃纖維、金屬或其任何組合組成。
本文中所提供之第二態樣為製造超級電容器之方法，該方法包含：製造電極陣列，其包含：覆蓋集電器之第一表面的一部分；將活性材料施加至集電器之第一表面上；以及乾燥集電器上之活性材料。
在一些實施例中，第二態樣進一步包含覆蓋集電器之第二表面的一部分；將活性材料施加至集電器之第二表面上；以及乾燥集電器上之活性材料。
在一些實施例中，膠帶及遮罩中之至少一或多者屏蔽基板之一部分，從而防止將活性材料施加至基板之經屏蔽部分上。
在一些實施例中，集電器包含金屬膜或聚合物膜或其任何組 合。在一些實施例中，金屬膜包含銀、銅、金、鋁、鈣、鎢、鋅、黃銅、青銅、鎳、鋰、鐵、鉑、錫、碳鋼、鉛、鈦、不銹鋼、汞、鉻、砷化鎵或其任何組合。在一些實施例中，聚合物膜包含聚茀、聚苯、聚芘、聚薁、聚萘、聚乙炔、聚對苯伸乙烯、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚氮呯、聚苯胺、聚噻吩、聚3,4-伸乙基二氧噻吩、聚對苯硫醚、聚乙炔、聚對苯伸乙烯或其任何組合。
在一些實施例中，集電器之厚度為至少約50nm。在一些實施例中，集電器之厚度為至多約200nm。在一些實施例中，集電器之厚度為約50nm至約200nm。在一些實施例中，集電器之厚度為約50nm至約75nm、約50nm至約100nm、約50nm至約125nm、約50nm至約150nm、約50nm至約175nm、約50nm至約200nm、約75nm至約100nm、約75nm至約125nm、約75nm至約150nm、約75nm至約175nm、約75nm至約200nm、約100nm至約125nm、約100nm至約150nm、約100nm至約175nm、約100nm至約200nm、約125nm至約150nm、約125nm至約175nm、約125nm至約200nm、約150nm至約175nm、約150nm至約200nm、或約175nm至約200nm。
一些實施例進一步包含將集電器黏附至基板之步驟。在一些實施例中，基板包含木材、玻璃、塑膠、碳纖維、玻璃纖維、金屬或其任何組合。
在一些實施例中，集電器藉由膠帶或遮罩部分地覆蓋。在一些實施例中，膠帶包含Kapton膠帶雙面活性電極膠帶、導管膠帶、電氣膠帶、細絲膠帶、電工膠帶、大猩猩膠帶(gorilla tape)、遮罩膠帶、Scotch膠帶、 外科膠帶、特氟隆膠帶或其任何組合。
在一些實施例中，活性材料呈漿料形式。在一些實施例中，漿料藉由刮刀片施加至基板。在一些實施例中，將活性材料施加至集電器之第一表面上的製程及將活性材料施加至集電器之第二表面上的製程同時進行。
在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥在至少約40℃之溫度下發生。在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥在至多約160℃之溫度下發生。在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥在約40℃至約160℃之溫度下發生。在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥在約40℃至約60℃、約40℃至約80℃、約40℃至約100℃、約40℃至約120℃、約40℃至約140℃、約40℃至約160℃、約60℃至約80℃、約60℃至約100℃、約60℃至約120℃、約60℃至約140℃、約60℃至約160℃、約80℃至約100℃、約80℃至約120℃、約80℃至約140℃、約80℃至約160℃、約100℃至約120℃、約100℃至約140℃、約100℃至約160℃、約120℃至約140℃、約120℃至約160℃、或約140℃至約160℃之溫度下發生。
在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥歷經至少約6小時之時間段發生。在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥歷經至多約24小時之時間段發生。在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥歷經約6小時至約24小時之時間段發生。在一些實施例中，對集電器上之活性材料的乾燥歷經以下時間段發生：約6小時至約8小時、約6小時至約10小時、約6小時至約12小時、約6小時至約16小時、約6小時 至約20小時、約6小時至約24小時、約8小時至約10小時、約8小時至約12小時、約8小時至約16小時、約8小時至約20小時、約8小時至約24小時、約10小時至約12小時、約10小時至約16小時、約10小時至約20小時、約10小時至約24小時、約12小時至約16小時、約12小時至約20小時、約12小時至約24小時、約16小時至約20小時、約16小時至約24小時、或約20小時至約24小時。
在一些實施例中，第二態樣進一步包含形成兩個或兩個以上電極之陣列的步驟，其中每一電極藉由間隙與後續電極分離。在一些實施例中，陣列為平面陣列，並且其中平面陣列包含單面活性電極、雙面活性電極或其任何組合。在一些實施例中，平面陣列藉由蝕刻或切割活性材料及集電器來製造。在一些實施例中，蝕刻或切割集電器上之活性材料及集電器的製程藉由雷射、刀、刀片、剪刀或其任何組合進行。
在一些實施例中，間隙之寬度至少約10μm。在一些實施例中，間隙之寬度至多約2,000μm。在一些實施例中，間隙之寬度約10μm至約2,000μm。在一些實施例中，間隙之寬度約10μm至約25μm、約10μm至約50μm、約10μm至約100μm、約10μm至約500μm、約10μm至約1,000μm、約10μm至約1,500μm、約10μm至約2,000μm、約25μm至約50μm、約25μm至約100μm、約25μm至約500μm、約25μm至約1,000μm、約25μm至約1,500μm、約25μm至約2,000μm、約50μm至約100μm、約50μm至約500μm、約50μm至約1,000μm、約50μm至約1,500μm、約50μm至約2,000μm、約100μm至約500μm、約100μm至約1,000μm、約100μm至約1,500μm、約100μm至約2,000μm、約500μm至約1,000μm、 約500μm至約1,500μm、約500μm至約2,000μm、約1,000μm至約1,500μm、約1,000μm至約2,000μm、或約1,500μm至約2,000μm。
在一些實施例中，第二態樣進一步包含將電解質分散至電極上。在一些實施例中，電解質為液體、固體、凝膠或其任何組合。在一些實施例中，電解質包含聚合物、矽石、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯或其任何組合。在一些實施例中，矽石經煆製。在一些實施例中，矽石經煆製及/或呈奈米粉形式。
在一些實施例中，陣列為堆疊式陣列。在一些實施例中，堆疊式陣列包含複數個電極。在一些實施例中，堆疊式陣列中之遠端電極僅在集電器之第一表面上具有活性材料，並且其中集電器之第一表面面向內。在一些實施例中，堆疊式陣列包含一或多個電極，該等一或多個電極在其集電器之第一表面及第二表面兩者上都具有活性材料，其中在其集電器之第一表面及第二表面兩者上都具有活性材料之一或多個電極可位於單面活性電極之間。
在一些實施例中，分離體位於每一對連續電極之間。在一些實施例中，分離體由棉、纖維素、耐綸、聚酯、玻璃、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、塑膠、陶瓷、橡膠、石棉、木材或其任何組合組成。
在一些實施例中，堆疊式陣列進一步包含支撐體，該支撐體位於電極與後續電極之間。在一些實施例中，支撐體由鋼、不銹鋼、鋁、 木材、玻璃、塑膠、碳纖維、玻璃纖維、金屬或其任何組合組成。
在一些實施例中，第二態樣進一步包含：將電解質分散於堆疊式陣列上；將堆疊式陣列包封於護套中；將包封的堆疊式陣列插入至外殼中；或其任何組合。
在一些實施例中，電解質為液體、固體、凝膠或其任何組合。在一些實施例中，電解質包含聚合物、矽石、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯或其任何組合。在一些實施例中，矽石經煆製。在一些實施例中，矽石經煆製及/或呈奈米粉形式。
在一些實施例中，外殼包含：兩個或兩個以上端子；墊片；容器；或其任何組合。
本揭示案之其他目標及優勢將在結合以下描述及隨附圖式考慮時進一步瞭解及理解。雖然以下描述可能含有描述本揭示案之特定實施例的特殊細節，但此不應被解釋為對本揭示案之範疇的限制，而應被解釋為對較佳實施例之示範。對於本揭示案之每一態樣而言，一般技藝人士所瞭解的如本文中所提出之眾多變化係可能的。可在本揭示案之範疇內進行各種變化及修改，但不脫離其精神。
超級電容器
超級電容器(亦被稱為「超電容器」)為高功率密度能量儲存裝置，具有比普通電容器高很多的電容，該等超級電容器最近吸引了相當大的關注，並且由於最近的技術進步，已日益用作可攜式電子裝置、醫療 裝置及混合電動載具中之高功率密度能量儲存資源。
超級電容器為具有吸引力的能量儲存構件，因為與針對習知蓄電池的數小時相比較，它們可展現約數秒的超快充電及放電時間。另外，超級電容器可在混合動力車輛及電動車輛、消費者電子設備以及軍事及空間應用之進展中扮演重要角色。然而，當前的超級電容器往往需要串聯、並聯或其組合封裝之多個電池，以滿足可攜式電子設備之能量及功率需求。
在一些實施例中，超級電容器或電化學電容器由藉由離子可透膜(分離體)分離之兩個或兩個以上電極，以及離子連接電極之電解質組成，而在電極由外加電壓極化時，電解質中之離子形成與電極之極性相反極性的雙電層。
超級電容器可根據其電荷儲存機制分類為雙電層電容器(EDLC)或氧化還原超級電容器。在一些實施例中，超級電容器可為雙層超級電容器、贗電容器或混合超級電容器。
本揭示案之高電壓裝置(「裝置」)可包含互連電池，而每一電池包含由間隙距離分離之兩個或兩個以上電極。在一些實施例中，電池可為電化學電池(例如，單獨的超級電容器電池)。兩個或兩個以上電池可經互連例如以達成高電壓(及/或用於其他目的)。
在一些實施例中，超級電容器可形成有堆疊式(或夾層)結構。在一些實施例中，堆疊式結構由面對面組裝之兩個或兩個以上薄膜電極組成，該等薄膜電極由防止電氣短路之分離體分離。
在一些實施例中，超級電容器可形成有平面結構。在一些實施例中，平面超級電容器由以平面組態設計之電極組成。平面超級電容器 可具有優於堆疊式設計之若干優勢。第一，具有相同平面中之電極的超級電容器可與晶片上整合相容。第二，可較好地控制及縮短離子在電解質中、主要效能因子在超級電容器中之行進距離，而消除堆疊式超級電容器中需要分離體的必要性。第三，結構可延伸至三個維度，以增加其密度而維持平均離子擴散路徑。此架構因此可具有達成高功率密度及高能量密度之可能性。另外，在一些實施例中，平面中裝置可展現可在一個步驟中組裝之若乾電池的簡單結構。在一些實施例中，所製造之平面電池陣列可使用一個封裝體封裝。
電極
在一些實施例中，電化學電池中之電極包含集電器及活性材料，且被稱為陽極，而電子將活性材料留在電池內且發生氧化，或被稱為陰極，而電子使活性材料進入電池內且發生還原。每一電極可取決於穿過電池之電流的方向變成陽極或陰極。
在一些實施例中，單面電極由集電器及活性材料組成，而活性材料設置在集電器之僅一個面上。
在一些實施例中，雙面電極由集電器及活性材料組成，而活性材料設置在集電器之兩個相反的面上。
在一些實施例中，設置在兩個單面電極之間，且藉由間隙與兩個單面電極分離之雙面電極形成兩電池超級電容器，該等單面電極之活性材料面向內。
通常用於超級電容器電極中之材料包括過渡金屬氧化物、導電聚合物及高表面碳。
集電器
在一些實施例中，集電器將電極連接至電容器之端子。在一些實施例中，集電器為導電、化學穩定且抗腐蝕的箔或塗層。在一些實施例中，集電器可由銀、銅、金、鋁、鈣、鎢、鋅、鎢、黃銅、青銅、鎳、鋰、鐵、鉑、錫、碳鋼、鉛、鈦、不銹鋼、汞、鉻、砷化鎵、聚醯亞胺、聚茀、聚苯、聚芘、聚薁、聚萘、聚乙炔、聚對苯伸乙烯、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚氮呯、聚苯胺、聚噻吩、聚3,4-伸乙基二氧噻吩、聚對苯硫醚、聚乙炔、聚對苯伸乙烯或其任何組合組成。
在一些實施例中，集電器之厚度為約50奈米至約200奈米。
活性材料
在一些實施例中，活性材料為電極內的參與電化學充電及放電反應之組件，且可包含碳質材料及/或其他合適材料。在一些實施例中，活性材料包含碳、活性碳、碳布、碳纖維、非晶碳、玻璃碳、碳奈米發泡體、碳氣凝膠、石墨烯、聚苯胺、聚噻吩、互連波紋碳基網路(ICCN)或其任何組合。
在一些實施例中，ICCN包含複數個擴展及互連碳層。在一些實施例中，每一碳層為二維、一個原子厚的碳片。在一些實施例中，擴展及互連碳層中之一或多者包含一個原子厚的波紋碳片。ICCN可展現高表面積及高導電率。
在某些實施例中，術語「擴展」指代彼此擴展開的複數個碳層，而相鄰碳層之一部分分離至少約2奈米(nm)。在一些實施例中，相鄰碳層之至少一部分藉由大於或等於約1nm之間隙分離。
在一些實施例中，複數個碳層具有至少約750西門子/公尺(S/m)之導電率。在一些實施例中，複數個碳層具有至多約3,000S/m之導電率。在一些實施例中，複數個碳層具有至多約750S/m至約3,000S/m之導電率。
在一些實施例中，複數個碳層具有至少每公克約250平方公尺(m2/g)之表面密度。在一些實施例中，複數個碳層具有至多約3,500m2/g之表面密度。在一些實施例中，複數個碳層具有約250m2/g至約3,500m2/g之表面密度。
電解質
在一些實施例中，電解質為當溶於極性溶劑中時產生導電溶液之物質。在一些實施例中，若將電位施加至此類溶液，則溶液之陽離子經吸引至具有大量電子之電極，而陰離子經吸引至具有少量電子之電極。陰離子及陽離子在溶液內沿相反方向之移動引出電流。
在一些實施例中，電解質可由水性電解質、有機電解質、離子液體基電解質、或其任何組合組成。在一些實施例中，電解質可為液體、固體或凝膠(離子凝膠)。在一些實施例中，離子液體可與例如像聚合物、矽石或煆製矽石之另一固體成分混合以形成凝膠狀電解質。在一些實施例中，水性電解質可與例如聚合物混合以形成凝膠狀電解質(亦為「水凝膠」或「水凝膠聚合物」)。在一些實施例中，有機電解質可與例如聚合物混合以形成凝膠狀電解質。在一些實施例中，電解質由水性氫氧化鉀、包含聚(乙烯醇)(PVA)-H2SO4或PVA-H3PO4之水凝膠、磷酸(H3PO4)、溶於乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)、1-乙基-3甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽(EMIMBF4)之水溶 液、包含與離子液體(例如，1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺(BMIMNTf2))混合之煆製矽石(例如，煆製矽石奈米粉)的離子凝膠、或其任何組合組成。
分離體
在一些實施例中，分離體為放置於蓄電池或超級電容器之陽極與陰極之間的可透膜。在一些實施例中，分離體維持兩個相鄰電極之間的間隙距離以防止電氣短路，同時亦允許在電化學電池中通過電流期間閉合電路所需要之離子電荷載體的運輸。在一些實施例中，分離體吸收電解質以增加電極之間的導電率。
分離體可為液體電解質能量儲存裝置中之關鍵組件，因為其結構及性質顯著地影響能量儲存裝置之效能特性，諸如其能量及功率密度、循環壽命以及安全性。在一些實施例中，分離體由聚合物膜組成，該聚合物膜對於電解質及電極材料而言，形成在化學及電化學上穩定的微孔層，且展現充足的機械強度以承受蓄電池構造及使用。在一些實施例中，分離體包含單層/片材或多層/片材。在一些實施例中，分離體包含非織纖維，該非織纖維包含定向或隨機取向纖維之網或墊，經支撐之液膜，該等液膜包含微孔結構內之固體及液體材料、聚合物或其任何組合。
在一些實施例中，分離體放置於兩個電極之活性材料表面之間。
在一些實施例中，聚合物電解質形成具有鹼金屬鹽之複合物，該等複合物產生用作固體電解質之離子導體。在一些實施例中，固體離子導體可用作分離體及電解質兩者。
在一些實施例中，分離體由棉、纖維素、耐綸、聚酯、玻璃、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、塑膠、陶瓷、橡膠、石棉、木材或其任何組合組成。
支撐體
在一些實施例中，支撐體為放置於超級電容器電極之間的導電材料，該導電材料增加超級電容器裝置之剛性。在一些實施例中，支撐體放置於兩個電極之間，該等電極與其集電器的不具有活性材料塗層之表面中之每一者接觸。
在一些實施例中，支撐體由包含鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、釔、鋯、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鎘、鉿、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑、金、汞或其任何組合之任何導電材料組成。
密封件
在一些實施例中，密封件用來防止電解質漏出超級電容器電池及可能致使短路。另外，密封件可藉由限制超級電容器之電池中之一或多者來增加堆疊式超級電容器裝置之剛性及耐久性。在一些實施例中，密封件可由耐化學性及防水性材料形成，該材料在與電解質接觸後不分解。在一些實施例中，密封件由膠黏劑、環氧樹脂、樹脂、管材、塑膠、玻璃纖維、玻璃或其任何組合組成。
外殼
在一些實施例中，超級電容器裝置之組件儲存於外殼內以增加耐久性且防止電解質洩漏。在一些實施例中，外殼包含預形成組件、繞超級電容器組件形成之組件或其任何組合。在一些實施例中，外殼充當負 極端子或正極端子。在一些實施例中，超級電容器裝置之外殼由金屬、塑膠、木材、碳纖維、玻璃纖維、玻璃或其任何組合組成。
在一些實施例中，超級電容器裝置之外殼另外包含凸舌、端子、墊圈或其任何組合。在一些實施例中，凸舌將電力自密封的電極傳輸至正極端子或負極端子。在一些實施例中，正極端子或負極端子將密封的電極連接至消耗儲存於其中之能量的電子裝置。在一些實施例中，凸舌及端子可由包含鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、釔、鋯、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鎘、鉿、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑、金、汞或其任何組合之任何導電材料組成。在一些實施例中，凸舌及端子可由含有導電材料之跡線的聚合物組成。在一些實施例中，墊圈由包括塑膠、金屬、樹脂或其任何組合之耐水材料組成。
參考圖式
圖1A至1D中展示高電壓超級電容器裝置之示範性圖解。如圖1A之示範性單電池線性超級電容器裝置100包含兩個引線103，以及兩個電極110、120之陣列，而每一電極110、120包含集電器101及活性材料102。單個超級電容器電池由一對電極110、120界定，該對電極由介電間隙分離。
圖1B顯示示範性2電池線性超級電容器裝置150，該超級電容器裝置包含一個等面電極120及兩個非等面電極110之線性陣列，而等面電極120含有其集電器的由活性材料102覆蓋之一個部分，並且其中非等面電極110含有其集電器的由活性材料102覆蓋之兩個遠端部分。在一些實施例中，非等面電極110經佈置以使得其由活性材料覆蓋之側面在陣列內 向遠側對準。在一些實施例中，2電池線性超級電容器裝置150能夠產生兩倍於單電池線性超級電容器裝置100之電壓。圖1C顯示示範性5電池線性超級電容器裝置160，該超級電容器裝置包含四個等面電極120及兩個非等面電極110之線性陣列。在一些實施例中，5電池線性超級電容器裝置160能夠產生五倍於單電池線性超級電容器裝置100之電壓。
如圖1B及1C，分別地，陣列中之遠端電極包含非等面電極110，而1或4個近端電極包含等面電極120。另外，每一對連續電極藉由充當絕緣層(或介電分離體)之一組間隙距離分離。
如圖1B至1D中所見，遠端非等面電極110之集電器101的一部分未由活性材料102覆蓋，以允許引線103之黏附，從而能夠與其他裝置或諸如端子之裝置組件電氣連接。另外，如圖1B至1D，近端等面電極120之集電器101的一部分未由活性材料102覆蓋，以形成電池之間的邊界。
除圖1A至1C中所顯示之單電池線性超級電容器裝置100、2電池線性超級電容器裝置150及5電池線性超級電容器裝置160之外，如圖2中所示之示範性平面180電池線性超級電容器裝置200可包含一系列180個電極之二維陣列，其中該系列電極中之第一及最後的電極為非等面電極210，其中二維電極陣列之每一列中的不是該系列電極之第一及最後的電極之遠端電極包含C形等面電極230，並且其中二維電極陣列之每一列中的近端電極包含等面電極220。在一些實施例中，180電池線性超級電容器裝置200能夠產生180倍於單電池超級電容器裝置之電壓。
原則上，可不限制可經佈置成二維平面系列之電池的數目。 僅操作單元所需之電壓可定義單元所需之電極的總數。
圖3A及3B分別展示單面電極300及雙面電極310之示範性圖解，其中單面電極300由具有活性材料302之集電器301組成，該活性材料沉積於集電器301之第一表面上，並且其中雙面電極310由具有活性材料302之集電器301組成，該活性材料沉積於集電器301之第一表面及相反的第二表面兩者上。
在一些實施例中，圖1至2中之示範性單電池線性超級電容器裝置100及180電池線性超級電容器裝置200中所展示之非等面電極110、210、等面電極120、220、或C形等面電極230可包含單面電極300或雙面電極310或其任何組合。
在一些實施例中，堆疊式電池陣列可經組裝成單個封裝體。圖4A至4B展示堆疊式超級電容器裝置總成400之第一較佳模型的示範性前方及頂部橫截面圖解，該堆疊式超級電容器裝置總成包含電極堆疊450、外殼403、凸舌404、正極端子405、負極端子406及墊圈407，其中電極堆疊450包含兩個單面電極410、一或多個雙面電極420、一或多個分離體401及密封件402。在一些實施例中，電極堆疊450中之遠端電極為單面電極410，其中每一單面電極410的不具有活性材料之表面面向外。
在一些實施例中，分離體401插入每一電極之間以提供絕緣層且防止短路。在一些實施例中，電解質沉積至每一單面電極410及雙面電極420上，其中密封件402防止電解質洩漏及可能的短路。在一些實施例中，電極堆疊450由外殼403保護。在一些實施例中，外殼403含有兩個凸舌404，該等凸舌將電力自電極堆疊450傳輸至正極端子405或負極端子 406、及/或密封外殼403之內容物的墊圈407。
雖然圖4A至4B中所展示之示範性堆疊式超級電容器裝置總成400包含具有兩個單面電極410及一個雙面電極420之電極堆疊450，但替代超級電容器裝置總成可包括任何數目之雙面電極420。
圖5A展示超級電容器裝置總成500之第二較佳模型的示範性橫截面圖解，其中電極堆疊550包含一或多個單面電極510。如所示，電極堆疊550中之每一遠端單面電極510之第一表面(不具有活性材料)面向外。在一些實施例中，分離體501插入每一單面電極510之第一表面之間，且支撐體502插入每一單面電極510之第二表面之間。
在一些實施例中，如圖5B，支撐體502可在將活性材料設置於每一集電器上之前黏附在兩個集電器之第一表面之間，以便形成經支撐之雙面電極560。
圖6A至6C展示示範性經封裝之單電池超級電容器600的圖解，該單電池超級電容器包含外殼603、兩個單面電極610、分離體620、正極端子605及墊圈607。在一些實施例中，經封裝之單電池超級電容器600另外包含設置於單面電極610上之電解質。
在一些實施例中，示範性經封裝之單電池超級電容器600藉由將第一單面電極610插入至外殼603中(活性材料面向上)、將分離體620放置於第一單面電極610上、將第二單面電極610放置於分離體620的頂上(活性材料面向下)、插入正極端子605及墊圈607、壓接外殼603以緊固其內容物、或其任何組合來製造。
在一些實施例中，支撐體由任何剛性、導電及耐化學材料組 成，諸如不銹鋼、塑膠、金屬、玻璃或其任何組合。
在一些實施例中，單面超級電容器電極藉由部分地覆蓋集電器之第一表面、將活性材料施加至集電器之第一表面上、以及乾燥集電器上之活性材料來製造，以便形成單面電極。
在一些實施例中，雙面超級電容器電極藉由部分地覆蓋單面電極之集電器的第二表面、將活性材料施加至單面電極之集電器的第二表面上、以及乾燥集電器上之活性材料來製造，以便形成雙面電極。在進一步實施例中，雙面電極可藉由同時塗覆集電器之第一表面及第二表面兩者、以及乾燥集電器上之活性材料來製造。
圖7中展示將活性材料施加至集電器之第一表面或第二表面上的示範性方法之影像，而刮刀片702用來將活性材料漿料701之均勻厚度施加至集電器，並且而膠帶703用來覆蓋活性材料漿料701，且防止將活性材料漿料701施加至集電器之第一表面及/或第二表面的一部分上。在一些實施例中，刮刀片為將液體或漿料均勻地擴散至表面上之裝置。在其他實施例中，採用輪轉凹版印刷來維持均勻的活性材料厚度。在其他實施例中，遮罩用來覆蓋活性材料漿料701，且防止將活性材料漿料701施加至集電器之第一表面及/或第二表面的部分上。所得電極展示於圖8中。
在一些實施例中，集電器黏附至基板704，以使集電器穩定及平坦。在如圖7之示範性方法中，膠帶703用來覆蓋集電器之第一表面的部分，且用來將集電器黏附至基板704。在一些實施例中，膠帶703包含Kapton膠帶、聚醯亞胺、雙面膠帶、導管膠帶、電氣膠帶、細絲膠帶、電工膠帶、大猩猩膠帶、遮罩膠帶、Scotch膠帶、外科膠帶、特氟隆膠帶或其 任何組合。在一些實施例中，基板704包含玻璃、木材、泡沫、碳纖維、玻璃纖維、塑膠、金屬或其任何組合。
圖8中展示施加於集電器801上之活性材料的示範性影像。
在一些實施例中，活性材料在其施加至集電器之後乾燥。在一些實施例中，活性材料及集電器在烤箱中乾燥。在一些實施例中，活性材料及集電器在約40℃至160℃之溫度下乾燥。在一些實施例中，活性材料及集電器乾燥約6小時至24小時的時間。圖9A至9B展示乾燥的電極900及剝離的電極910在已移除膠帶及膠帶上之多餘活性材料之後的示範性影像。
在一些實施例中，平面電極陣列藉由蝕刻或切割乾燥的活性材料及集電器來形成。在一些實施例中，蝕刻或切割集電器上之活性材料及集電器的製程藉由雷射、刀、刀片、剪刀或其任何組合進行。在一些實施例中，從而產生間隙。
在一些實施例中，間隙之寬度至少約10μm。在一些實施例中，間隙之寬度至多約2,000μm。在一些實施例中，間隙之寬度約10μm至約2,000μm。在一些實施例中，間隙之寬度約10μm至約25μm、約10μm至約50μm、約10μm至約100μm、約10μm至約500μm、約10μm至約1,000μm、約10μm至約1,500μm、約10μm至約2,000μm、約25μm至約50μm、約25μm至約100μm、約25μm至約500μm、約25μm至約1,000μm、約25μm至約1,500μm、約25μm至約2,000μm、約50μm至約100μm、約50μm至約500μm、約50μm至約1,000μm、約50μm至約1,500μm、約50μm至約2,000μm、約100μm至約500μm、約100μm至約1000μm、 約100μm至約1,500μm、約100μm至約2,000μm、約500μm至約1,000μm、約500μm至約1,500μm、約500μm至約2,000μm、約1,000μm至約1,500μm、約1,000μm至約2,000μm、或約1,500μm至約2,000μm。在一些實施例中，電池之數目為至少2。
圖10展示180電池超級電容器裝置1000之示範性影像，該超級電容器裝置藉由將集電器及活性材料雷射切割成圖案化電極陣列來形成。在一些實施例中，180電池超級電容器裝置1000包含單面電極、雙面電極或其任何組合。
圖11展示180電池超級電容器裝置1100在電化學試驗期間之示範性影像，而電解質可設置至電池的電極中之一或多者上。
圖12A至12E分別展示在500mV/s、100mV/s，50mV/s、30mV/s及10mV/s之掃描速率下的示範性循環伏安法(CV)圖表。在一些實施例中，循環伏安法為量測在外加電壓下在電化學電池中發展之電流的電化學技術。在CV試驗之一些實施例中，電極電位在循環階段中隨時間線性變化，而電壓在此等階段中之每一者期間隨時間推移而變化之速率被稱為掃描速率。
圖13展示在不同掃描速率下之示範性CV圖表的重疊，而圖14展示在恆定電流下的充電及放電波形CV圖表。
圖15展示作為用於功能性高電壓之僅有的阻抗元件之華堡阻抗。在一些實施例中，華堡擴散元件為模型化介電光譜學中之擴散過程的等效電路組件。在一些實施例中，等效電路指代保持給定電路之所有電氣特性的理論電路。
在一些實施例中，超級電容器可由至少約2個電池組成。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有水性電解質之示範性單電池超級電容器裝置能夠產生約1V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有水性電解質之示範性5電池超級電容器裝置能夠產生約2.5V至約10V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有水性電解質之示範性72電池超級電容器裝置能夠產生約6V至約24V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有水性電解質之示範性180電池超級電容器裝置能夠產生約100V至約360V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)電解質之示範性單電池超級電容器裝置能夠產生約2.5V至約10V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)電解質之示範性5電池超級電容器裝置能夠產生約6V至約24V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)電解質之示範性72電池超級電容器裝置能夠產生約100V至約360V之電位。
在一些實施例中，由本文中所描述之方法所產生且具有乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)電解質之示範性180電池超級電容器裝置能夠產生約100V至約360V之電位。
本文中所描述之揭示案的態樣可組合使用。另外，本揭示案之系統及方法可適合於其他活性材料。例如，在製造平面電池陣列(例如，藉由遮罩、塗覆、乾燥及圖案化電極)期間，兩步驟電極塗覆(及例如像遮罩之其他製造步驟)可用來製造包含不同(或不對稱)活性材料之相鄰電極。此類實施例可例如實現製造包含複數個互連電池胞元之蓄電池、或包含具有不同(或不對稱)電極之電池的其他裝置(例如，光電、熱電或燃料電池)。
術語及定義
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「波紋」指代具有一系列平行脊及溝之結構。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「比表面積「或「表面密度」指代固體的定義為每單位質量的材料之總表面積的性質。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「導電率「或「比電導」指代指定材料導電的程度，其經運算為材料中之電流密度與致使電流流動之電場的比值。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「平面」指代主要位於單個平面上之二維元件。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「堆疊式陣列」指代元件之行、列或夾層。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「水性」意謂溶劑及/或溶質之溶液，其中溶劑或溶質呈液體形式。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「凝膠」指代可具有介於柔軟及脆弱至堅硬及強韌之範圍內的性質之固體膠狀材料。凝 膠可定義為大體上稀釋的交聯系統，該交聯系統在穩態時不展現流動。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「煆製矽石」或熱解矽石指代火焰中所產生之矽石，該矽石可由經熔合成分支、鏈狀、三維二級粒子之非晶矽石的微觀小滴組成，該二級粒子然後可凝聚以形成三級粒子。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「等面電極」指代繞其垂直中平面幾何對稱之電極。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「非等面電極」指代繞其垂直中平面不幾何對稱之電極。
除非另外定義，否則本文中所使用之所有技術術語均具有與一般熟習本揭示案所屬技術者通常所理解之含義相同的含義。如說明書及所附申請專利範圍中所使用，單數形式「一」及「該」包括複數個指涉物，除非上下文另有清楚指示。本文中對「或」之任何引用意欲涵蓋「及/或」，除非另有說明。
如本文中所使用，且除非另外定義，否則術語「約」指代值範圍加上或減去指定值之10%。
雖然本文中已展示且描述了本揭示案之較佳實施例，但熟習此項技術者很清楚此等實施例僅作為實例提供。在不脫離本揭示案之情況下，熟習此項技術者現可作出諸多變更、改變及替代。應理解，對於本文中所描述之揭示案之實施例的各種替代實施例可鑒於本揭示案予以採用。意欲使隨附申請專利範圍界定本揭示案之範疇且藉此涵蓋此等申請專利範圍及其等效物之範疇內的方法及結構。
非限制性實施例
下面列出本文中之裝置的額外非限制性實施例。
本揭示案係關於用於直接製備例如像高電壓超級電容器之高電壓裝置的簡單技術。高電壓裝置可以單個步驟製備。高電壓裝置可使用一個封裝體製備。高電壓裝置可以單個步驟及使用一個封裝體製備。可有利地使用一個封裝體而非複數個封裝體(例如，而非傳統模組中之數百個封裝體)。在一些實施例中，本文中之高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有超過約180V(且至多約540V)之電壓。然而，應理解，取決於化學性質、串聯電極之總數及實體尺寸，可達到甚至更高的電壓。實例包括以單個步驟且使用一個封裝體(而非複數個封裝體，例如像而非傳統模組中之數百個封裝體)直接製備高電壓超級電容器(例如，超過約180V(且至多約540V))。
本揭示案之高電壓裝置(「裝置」)可包含互連電池。在一些實施例中，電極可為電化學電極(例如，單獨的超級電容器電極)。電極可經互連例如以達成高電壓(及/或用於其他目的)。
例如像超級電容器(例如，雙層超級電容器、贗電容器或混合超級電容器)之裝置可具有給定類型(例如，具有給定組態或結構)。例如，兩個主要類型之超級電容器的結構可不同：夾層結構，其中兩個薄膜電極與聚合物塑膠分離體面對面地放在一起，以及另一結構，該結構由經設計成平面組態之微電極組成。平面超級電容器可具有優於堆疊式設計之若干優勢。第一，具有相同平面中之兩個電極與晶片上整合相容。第二，可較好地控制及縮短離子在電解質中、主要效能因子在超級電容器中之行進距 離，而消除分離體(其用於夾層型超級電容器中以防止電氣短路)之必要性。第三，結構可能延伸至三個維度，從而允許每單位面積負載更多材料，而使平均離子擴散路徑不受影響。此架構因此可具有在小覆蓋區達成高功率密度及高能量密度之可能性。
某些實施例中提供的是平面電極。由於平面中裝置之簡單結構，若干電極可在一個步驟中放在一起及組裝，如後面將解釋。所製造之平面電極陣列可使用一個封裝體封裝。
平面超級電容器由兩個碳電極組成：其中一個用作正電極且另一個用作負電極。藉由將活性材料塗覆至金屬片上來製作電極。之間的間隔充當介電分離體。此裝置之橫截面視圖在圖中展示，該裝置在圖中為金屬箔的保留揭開以便用作金屬墊及用於將此電極與其他電極連接之部分。在此實例中，平面超級電容器電極之電壓窗口取決於電池總成中所使用之電解質的類型在約1V與2.5V之間變化。水性電解質往往導致具有約1V之電極，而高達約2.5V之電壓可在使用乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)時獲得。
本文中之電解質可包括例如水性、有機及離子液體基電解質。電解質可為液體、固體或凝膠。離子液體可與例如像聚合物或矽石(例如，煆製矽石)之另一固體成分混合，以形成凝膠狀電解質(本文中亦為「離子凝膠」)。水性電解質可與例如聚合物混合以形成凝膠狀電解質(本文中亦為「水凝膠」及「水凝膠聚合物」)。有機電解質可與例如聚合物混合以形成凝膠狀電解質。電解質之實例可包括但不限於，水性氫氧化鉀、包含聚(乙烯醇)(PVA)-H2SO4或PVA-H3PO4之水凝膠、磷酸(H3PO4)、溶於乙腈中之四氟 硼酸四乙銨(TEABF4)、1-乙基-3甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽(EMIMBF4)之水性電解質、包含與離子液體(例如，1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺(BMIMNTf2))混合之煆製矽石(例如，煆製矽石奈米粉)的離子凝膠及類似物。此類電解質可提供電壓窗口之範圍(例如，至少約0.5V、1V、2V、3V、4V或更大)。例如，一些離子凝膠(例如，具有離子液體BMIMNTf2之煆製矽石奈米粉)可提供約2.5V之電壓窗口，於是一些水凝膠聚合物電解質可提供約1V之電壓窗口。
電極中之活性材料可包含碳質及/或其他合適材料。例如，電極中之活性材料可為碳，該碳可為活性碳、石墨烯、互連波紋碳基網路(ICCN)、或其任何組合。
ICCN可包含複數個擴展及互連碳層。為了此揭示案之目的，在某些實施例中，術語「擴展」指代彼此擴展開的複數個碳層，意指碳層之相鄰碳層的一部分分離至少約2奈米(nm)。在一些實施例中，相鄰碳層之至少一部分分離大於或等於約2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm或100nm。在一些實施例中，相鄰碳層之至少一部分分離小於約3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm 9nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm或100nm。在一些實施例中，相鄰碳層之至少一部分分離介於約2nm與10nm、2nm與25nm、2nm與50nm、或2nm與100nm之間。此外，為了此揭示案之目的，在某些實施例中，複數個碳層亦經定 義為具有大於約0.1西門子/公尺(S/m)之導電率。在一些實施例中，複數個碳層中之每一者為具有僅一個碳原子之厚度的二維材料。在一些實施例中，擴展及互連碳層中之每一者可包含各自為一個原子厚的至少一個或複數個波紋碳片。
ICCN具有在碳層之擴展互連網路中包括例如高表面積及高導電率之性質的組合。在一些實施例中，複數個擴展及互連碳層具有大於或等於每公克約500平方公尺(m2/g)或1000m2/g之表面積。在一個實施例中，複數個擴展及互連碳層具有大於或等於約1400m2/g之表面積。在其他實施例中，複數個擴展及互連碳層具有大於或等於約1500m2/g、1750m2/g或2000m2/g之表面積。在又一實施例中，表面積為約1520m2/g。在一些實施例中，複數個擴展及互連碳層具有介於約100m2/g與1500m2/g、500m2/g與2000m2/g、1000m2/g與2500m2/g、或1500m2/g與2000m2/g之間的表面積。複數個擴展及互連碳層可具有與一或多個導電率(例如，本文中所提供之一或多個導電率)結合之此類表面積。在本文中其他地方提供此類組合之實例。
在一個實施例中，複數個擴展及互連碳層產生大於或等於約1500S/m之導電率。在另一實施例中，複數個擴展及互連碳層產生大於或等於約1600S/m之導電率。在又一實施例中，複數個擴展及互連碳層產生之約1650S/m之導電率。在仍然另一實施例中，複數個擴展及互連碳層產生大於或等於約1700S/m之導電率。在再一個實施例中，複數個擴展及互連碳層產生約1738S/m之導電率。在一些實施例中，複數個擴展及互連碳層產生大於或等於約1800S/m、1900S/m或2000S/m之導電率。
此外，在一個實施例中，複數個擴展及互連碳層產生大於約1700S/m之導電率及大於約1500m2/g之表面積。在另一實施例中，複數個擴展及互連碳層產生之約1650S/m之導電率及之約1520m2/g之表面積。
兩個電極可與兩個電極之間充當接觸點之揭開的金屬部分串聯地連接在一起。此總成可產生兩倍於單獨電池之電壓。為進一步增加電壓，更多電極可串聯地連接在一起，其中五個電極用來在使用水性電解質時獲得高達約5V之電壓，且在使用乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)時獲得高達12.5V之電壓(例如，當使用水性電解質時至多約5V及/或在使用乙腈中之TEABF4時至多約12.5V)。
原則上，不限制可串聯地放在一起之電極的數目。僅操作單元所需之電壓可定義單元所需之電極的總數。例如，具有約180V之電壓的單元在使用水基電解質時可能需要連接在一起的180個電極以達到靶電壓，且在使用乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)時需要僅72個電極。
由大量電極組成之單元各自可經劃分成由給定數目之電極(例如，12個電池)組成的管柱，且可繞邊緣製作額外的金屬接觸。
塗覆至聚醯亞胺片(Kapton)上之一卷超薄金層(100nm)用作針對電池中之集電器的模型實例。替代集電器包括鋁、銅、鎳及不銹鋼。合適的集電器可包括各種導電(例如，金屬)箔，及/或導電塗層(例如，聚合物或其他合適片材上)。在插圖中，箔附連至例如像玻璃板之平坦基板上，且由Kapton膠帶部分地覆蓋。然後使用標準刮刀片技術將電極漿料塗覆至金屬箔上。
在一些實施例中，膜可直接在精選基板上製作(例如，不轉 移)。基板絕緣且可利用雷射切割機容易地蝕刻。在此情況下，使用一塊木材，但亦成功地使用諸如丙烯酸之其他基板。可在片材、黑色材料上容易地識別電極材料。線路為已移除Kapton膠帶之後所獲得之揭開的金屬性部分。
雷射切割機用來蝕刻(或圖案化)個別電池。展示最終的單元。電極及其間之間隔的大小(亦即，電介質之大小)可由雷射平台控制。
將凝膠電解質之小滴添加至每一單獨電極，以使電極能夠儲存電荷。然後單元可測試其操作電壓、額定電容、內電阻、循環及擱置壽命。
某些實施例中提供的是堆疊式電極。所製造之堆疊式電極陣列可使用一個封裝體封裝。
超級電容器電極可包含塗有多孔碳(例如，活性碳)層之鋁箔。此類電極可用於藉由在垂直方向上堆疊個別電極而非在平坦結構中進行平面擴展來組裝高電壓超級電容器。
使用夾層結構，其中兩個薄膜電極與聚合物塑膠分離體及少許電解質小滴面對面地放在一起，以允許電荷儲存。在此實例中，個別電極自側面密封以使得它們不洩漏液體電解質且防止與其他電池短路。具有內部化學阻力之熱收縮管為用來允許在垂直方向上組裝若干電極之膠黏劑。
藉由將碳層塗覆於鋁箔上來簡單地製作單面塗覆電極及雙面塗覆電極。雙面電極可以兩個步驟製作，其中箔自一個側面塗覆、乾燥，並且然後自另一側面塗覆。在一些實施例中，箔可同時塗覆於兩個側面上。
在此結構中，電極堆疊於彼此之頂部上。電極之總數取決於所需電壓而變化。金屬凸舌附接至底部及頂部電極以允許至正極端子及負極端子之內部連接。塑膠墊圈18用來防止正極端子與負極端子之間的短路。
具有不銹鋼(或其他合適材料)墊片(圓盤)之完全組裝的高電壓超級電容器用來給予單元實體穩健性(例如，以便在組裝期間提供由熱收縮管產生之壓力)。此實例中之電極可為例如如本文中其他地方所描述之單面塗覆電極或雙面塗覆電極。
電極可包含與正極(電極)端子接觸之高密度聚乙烯(HDPE)絕緣體。正極端子隨後與正極(電極)板接觸。正極板可包含一或多個活性電極材料，例如像石墨烯。活性電極材料可提供於正極板之一個側面上。正極板可經定位以使得板的包含石墨烯(或本文中之任何其他活性材料)之側面面向紙層(例如，向下(「側面向下」))。在紙層之另一側面上，負極(電極)板6與紙層接觸。負極板可包含一或多個活性電極材料，例如像石墨烯。活性電極材料可提供於負極板之一個側面上。負極板6可經定位以使得板的包含石墨烯(或本文中之任何其他活性材料)之側面面向紙層(例如，向上(「側面向上」))。正極板及/或負極板之活性材料可例如如本文中其他地方所描述的來提供或製造(例如，藉由塗覆)。負極板之另一側面經覆蓋或封閉於電極外殼中。電極外殼可為預形成的。電極層之至少一部分可充滿電極。例如，電解質飽和可存在於所有層之間。
在一些實施例中，單個電極可具有約20毫米(mm)之外徑。電極外殼可頂部至底部(亦即，跨所有層)封閉電極之邊緣。可形成電極外殼。在電池之頂部處，電極外殼可在HDPE絕緣體之邊緣上方形成凸緣。 在電池之底部處，電極外殼可在電極外殼之邊緣上方形成凸緣。
電極堆疊可包含例如複數個電池。個別電極之突出電極端子允許電極電氣互連。
本揭示案之態樣可組合使用。例如，兩個或兩個以上平面擴展可經堆疊成適應以上所提及之堆疊的一或多個特徵之組態。在另一實例中，以上所提及之堆疊的一或多個組件(例如，紙層、分離體或外殼組件)可用於另一堆疊組態中。
本揭示案之系統及方法可適合於其他活性材料。例如，在製造平面電極陣列(例如，藉由遮罩、塗覆、乾燥及圖案化電極)期間，兩步驟電極塗覆(及例如像遮罩之其他製造步驟)可用來製造包含不同(或不對稱)活性材料之相鄰電極。此類實施例可例如實現製造包含複數個互連電池胞元之蓄電池、或包含具有不同(或不對稱)電極之電極的其他裝置(例如，光電、熱電或燃料電池)。
複數個電極可經互連以形成超級電容器及/或其他裝置(例如，蓄電池、各種類型之電容器等)。例如，至少約2、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000或更多電極可經互連(例如，串聯)。在一些實施例中，介於約50與300之間的電極可經互連。
高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有大於或等於約5V、10V、15V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V、100V、110V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V、190V、200V、210V、220V、230V、240V、250V、260V、270V、280V、290V、300 V、310V、320V、330V、340V、350V、360V、370V、380V、390V、400V、410V、420V、430V、440V、450V、460V、470V、480V、490V、500V、510V、520V、530V、540V、550V、560V、570V、580V、590V、600V、650V、700V、750V、800V、850V、900V、950V或1000V之電壓。高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有小於約10V、15V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V、100V、110V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V、190V、200V、210V、220V、230V、240V、250V、260V、270V、280V、290V、300V、310V、320V、330V、340V、350V、360V、370V、380V、390V、400V、410V、420V、430V、440V、450V、460V、470V、480V、490V、500V、510V、520V、530V、540V、550V、560V、570V、580V、590V、600V、650V、700V、750V、800V、850V、900V、950V或1000V之電壓。在一些實施例中，高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有至少約100V之電壓。在一些實施例中，高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有至少約180V之電壓。在一些實施例中，高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有至多約540V之電壓。在一些實施例中，高電壓裝置(例如，高電壓超級電容器)可具有介於約100V與540V、180與540V、100V與200V、100V與300V、180V與300V、100V與400V、180V與400V、100V與500V、180V與500V、100V與600V、180V與600V、100V與700V、或180V與700V之間的電壓。
熟習此項技術者將認識到對本揭示案之改良及修改。所有此類改良及修改考慮在本文中所揭露之概念的範疇內。
500:超級電容器裝置總成
501:分離體
502:支撐體
503:外殼
504:凸舌
505:正極端子
506:負極端子
507:墊圈
510:單面電極
550:電極堆疊

Claims (30)

  1. 一種超級電容器裝置，其包含電極陣列，該電極陣列包含至少一個等面電極及至少兩個非等面電極，其中每一電極包含：a.集電器；以及b.活性材料，其直接地處於該集電器之第一表面的一部分上，其中該活性材料包含兩個或兩個以上分離及互連碳層，其中該等碳層中之至少一者為波紋的(corrugated)且為一個原子厚，其中該等碳層之一部分分離約25nm至約150nm之距離。
  2. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其進一步包含活性材料，該活性材料處於該集電器之第二表面的一部分上。
  3. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其中該電極陣列中之每一電極藉由間隙與後續電極分離。
  4. 如申請專利範圍第3項之超級電容器裝置，其中該間隙之寬度為至少約10μm。
  5. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其中該集電器包含金屬膜或聚合物膜或其任何組合，其中該金屬膜包含銀、銅、金、鋁、鈣、鎢、鋅、鎢、黃銅、青銅、鎳、鋰、鐵、鉑、錫、碳鋼、鉛、鈦、不銹鋼、汞、鉻、砷化鎵或其任何組合，並且其中該聚合物膜包含聚第、聚苯、聚芘、聚薁、聚萘、聚乙炔、聚對苯伸乙烯、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚氮呯、聚苯胺、聚噻吩、聚3,4-伸乙基二氧噻吩、聚對苯硫醚、聚乙炔、聚對苯伸乙烯或其任何組合。
  6. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其中該活性材料包含碳、 活性碳、石墨烯、聚苯胺、聚噻吩、互連波紋碳基網路(ICCN)或其任何組合。
  7. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其中該活性材料具有每公克約250平方公尺至每公克約3,500平方公尺之比表面積。
  8. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其中該活性材料具有約750西門子/公尺至約3,000西門子/公尺之導電率。
  9. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其中該電極陣列為平面電極陣列。
  10. 如申請專利範圍第9項之超級電容器裝置，其進一步包含水性電解質，其中電極之數目為約5個，其中跨該電極陣列產生之電壓電位為約2.5V到約10V。
  11. 如申請專利範圍第9項之超級電容器裝置，其進一步包含電解質，該電解質包含乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)，其中電極之數目為約5個，其中跨該電極陣列產生之電壓電位為約6V至約24V。
  12. 如申請專利範圍第9項之超級電容器裝置，其進一步包含水性電解質，其中電極之數目為約180個，其中跨該電極陣列產生之電壓電位為約100V至約360V。
  13. 如申請專利範圍第9項之超級電容器裝置，其進一步包含電解質，該電解質包含乙腈中之四氟硼酸四乙銨(TEABF4)，其中電極之數目為約72個，其中跨該電極陣列產生之電壓電位為約100V至約360V。
  14. 如申請專利範圍第2項之超級電容器裝置，其中該電極陣列為堆疊式電極陣列。
  15. 如申請專利範圍第14項之超級電容器裝置，其進一步包含分離體及支撐體中之至少一或多者，其中該分離體及該支撐體中之該至少一或多者位於一對相鄰電極之間。
  16. 如申請專利範圍第1項之超級電容器裝置，其進一步包含電解質，其中該電解質為包含聚合物、矽石、煆製矽石、煆製矽石奈米粉、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨(TEABF4)、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯、氫氧化鉀、聚乙烯醇或其任何組合之液體、固體、凝膠或其任何組合。
  17. 一種製造電極線性陣列之方法，該電極陣列包含至少一個等面電極及至少兩個非等面電極，該方法包含：a)將活性材料施加至集電器之第一表面的一部分上，其中該活性材料包含兩個或兩個以上擴展及互連碳層，其中該等碳層中之至少一者為波紋的(corrugated)且為一個原子厚，其中該等碳層之一部分分離約25nm至約150nm之距離；以及b)乾燥該集電器上之該活性材料；其中每一電極藉由間隙與後續電極分離。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其進一步包含：c)將活性材料施加至該集電器之第二表面的一部分上；以及d)乾燥該集電器上之該活性材料。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其進一步包含用膠帶及遮罩中之至少 一或多者以屏蔽該集電器之該第二表面的一部分，從而防止將該活性材料施加至該集電器之該第二表面的該經屏蔽部分上。
  20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該活性材料以漿料形式施加。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該漿料藉由刮刀片施加至該集電器之該第二表面。
  22. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該將該活性材料施加至該集電器之該第一表面上及該將該活性材料施加至該集電器之該第二表面上同時進行。
  23. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該對該集電器上之該活性材料的乾燥在約40℃至約160℃之溫度下發生。
  24. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該對該集電器上之該活性材料的乾燥歷經約6小時至約24小時之時間段發生。
  25. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該電極陣列包含平面電極陣列。
  26. 如申請專利範圍第25項之方法，其中該平面電極陣列藉由蝕刻或切割該活性材料及該集電器來製造。
  27. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該電極陣列包含堆疊式電極陣列。
  28. 如申請專利範圍第27項之方法，其進一步包含將分離體及支撐體中之至少一或多者定位在一對連續電極之間。
  29. 如申請專利範圍第18項之方法，其進一步包含：e)將電解質分散於該電極陣列上；f)將該電極陣列包封於護套中；以及g)將該經包封之電極陣列插入至外殼中。
  30. 如申請專利範圍第29項之方法，其中該電解質為包含聚合物、矽石、煆製矽石、煆製矽石奈米粉、1-丁基-3-甲基咪唑鎓雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺、磷酸、四氟硼酸四乙銨(TEABF4)、乙腈、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、硝酸乙醇銨、二羧酸鹽、前列腺素、單磷酸腺苷、單磷酸鳥苷、對胺基馬尿酸鹽、聚矽氧烷、聚膦氮烯、氫氧化鉀、聚乙烯醇或其任何組合之液體、固體、凝膠或其任何組合。
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