(57)【要約】本開示は、現在のエネルギー貯蔵技術の欠点を回避することができるスーパーキャパシタを提示する。本明細書で、３次元の多孔質の還元型酸化グラフェン膜の電極を含む電気化学システムを提示している。本明細書で開示するプロトタイプのスーパーキャパシタは、市販のスーパーキャパシタに比べて改善された性能を呈することができる。加えて、本開示は、濾過及び凍結鋳造により３次元の多孔質の還元型酸化グラフェン膜を直接調製することを介した、スーパーキャパシタを製造するための単純であるが汎用性のある技術を提示している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔の３次元的な階層構造を含み、約０．５ｇ／ｃｍ3までの活性密度を有する、還元型酸化グラフェン膜。
【請求項２】
前記還元型酸化グラフェン膜が、少なくとも約０．１ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項３】
前記還元型酸化グラフェン膜が、少なくとも約９ＭＰａの引張強さを有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項４】
前記還元型酸化グラフェン膜が、少なくとも約１，０００Ｓ／ｍの導電率を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項５】
前記還元型酸化グラフェン膜が、少なくとも約４Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項６】
前記還元型酸化グラフェン膜が、少なくとも約２５ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項７】
前記還元型酸化グラフェン膜が、１Ａ／ｇの電流密度において少なくとも約９０Ｆ／ｇの質量容量を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項８】
前記還元型酸化グラフェン膜が、約１０００サイクルの充電後に少なくとも約５０％の容量保持を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項９】
前記還元型酸化グラフェン膜が、少なくとも約２５ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する、請求項１に記載の還元型酸化グラフェン膜。
【請求項１０】
（ａ）少なくとも１本の電極が細孔の３次元階層構造を含む還元型酸化グラフェン膜を含む２本の電極と、
（ｂ）電解質と、
（ｃ）前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたセパレータと
を含む、スーパーキャパシタデバイス。
【請求項１１】
還元型酸化グラフェン膜を含む前記少なくとも１本の電極が、約６μｍ〜約６０μｍの厚さを有する、請求項１０に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１２】
前記電解質が、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む強酸を含む、請求項１０に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１３】
前記セパレータが、ネオプレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリビニルブチラール、シリコーン、またはそれらの任意の組み合わせを含むポリマーを含む、請求項１０に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１４】
少なくとも約０．１Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有することを条件とする、請求項１０に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１５】
少なくとも約３ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有することを条件とする、請求項１０に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１６】
（ａ）酸化グラフェン懸濁液を形成するために酸化グラフェンを第１の溶媒中に懸濁させること、
（ｂ）酸化グラフェン分散液を形成するために前記酸化グラフェン懸濁液を第２の溶媒に分散させること、
（ｃ）前記酸化グラフェン分散液を還元すること、
（ｄ）薄膜上に前記酸化グラフェン膜を形成するために前記薄膜を介して前記酸化グラフェン分散液を濾過すること、及び
（ｅ）前記薄膜上の前記酸化グラフェン膜を凍結鋳造すること
を含む、酸化グラフェン膜の製造方法。
【請求項１７】
前記第１の溶媒中の前記酸化グラフェンの濃度が、約１ｍｇ／ｍＬ〜約６ｍｇ／ｍＬである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の溶媒が、ギ酸、クエン酸、酢酸、アスコルビン酸、リンゴ酸、酒石酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、シュウ酸、安息香酸、炭酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む弱酸を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸化グラフェン分散液が、約０．５ｍＬ〜約１０ｍＬの体積の前記酸化グラフェン懸濁液と、約３ｍｇ〜約７０ｍｇの質量の前記第２溶媒とを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
（ｃ）が、約２５℃〜約１００℃の温度で前記酸化グラフェン分散液を加熱することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
（ｃ）が、約１分〜約１００分の期間にわたって前記酸化グラフェン分散液を加熱することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記薄膜が、約０．１μｍ〜約０．５μｍの孔径を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
（ｅ）が、
（ｆ）前記薄膜上の前記酸化グラフェン膜を凍結すること、
（ｇ）前記薄膜上の前記酸化グラフェン膜を融解すること、
（ｈ）前記薄膜上の前記酸化グラフェン膜を加熱すること、及び、
（ｉ）第３の溶媒中に前記薄膜上に前記酸化グラフェン膜を浸漬すること
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記酸化グラフェン膜が、少なくとも約１５分の期間にわたって前記薄膜上で凍結される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記薄膜上の前記酸化グラフェン膜を前記加熱することが、約５０℃〜約２００℃の温度で生じる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記酸化グラフェン膜の厚さが約６μｍ〜約６０μｍであることを条件とする、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権
本出願は、２０１５年１２月２２日に出願された米国仮特許出願シリアルナンバー第６２／２７１，１１５号の利益を主張し、２０１６年１２月１日に出願された米国仮特許出願シリアルナンバー第６２／４２８，６０８号の利益を主張するものである。それらの開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
現代の生活で急速にエネルギー需要が増大した結果として、高性能のエネルギー貯蔵デバイスの開発が非常に注目されている。スーパーキャパシタは、バッテリと従来のキャパシタとの中間の特性を有する有望なエネルギー貯蔵デバイスであるが、両者よりも速く改良されている。過去数十年にわたり、スーパーキャパシタは、いっそう多くの用途で、バッテリ及びキャパシタを交換することにより、日常的な製品の主要な構成要素となってきた。その高出力密度と優れた低温性能により、バックアップ電源、コールドスタート、フラッシュ付きカメラ、回生制動及びハイブリッド電気自動車用の技術の選択肢となった。この技術の将来の成長は、エネルギー密度、出力密度、カレンダー及びサイクル寿命、及び製造コストのさらなる改善に依拠する。
【発明の概要】
【０００３】
本発明者らは、より高性能のエネルギー貯蔵デバイスの必要性に対する解決策を認識し、それを提供した。グラフェン材料、物質の組成物、製造プロセス及び改善された性能を有するデバイスを、本明細書にて提示している。
【０００４】
本明細書に記載の応用は、太陽電池アレイ、フレキシブルディスプレイ及びウェアラブルな電子装置などのフレキシブルエレクトロニクス領域の改善、ならびに高出力密度のエネルギー貯蔵システムの増加をもたらす。多くの従来型のスーパーキャパシタは、エネルギー密度が低く、反復的に曲げることによって壊れたり劣化したりする硬いフォームファクタを呈している。ムーアの法則に従い、通常の電子デバイスは非常に急速な進歩を遂げているが、エネルギー貯蔵デバイスは、電荷貯蔵容量の高い新しい材料を欠いているため、わずかしか進歩していない。
【０００５】
本開示は、現在のエネルギー貯蔵技術の欠点を回避し得るスーパーキャパシタを提示する。このようなスーパーキャパシタの材料及び製造プロセスを本明細書に提示している。いくつかの実施形態で、第１の電極、第２の電極を含む電気化学システムであって、第１の電極及び第２の電極の少なくとも１つが、３次元の多孔質還元型酸化グラフェン膜を含むシステムである。いくつかの実施形態では、電気化学システムは、第１の電極と第２の電極との間に配置された電解質をさらに含む。いくつかの実施形態では、電解質は水性電解質である。いくつかの実施形態では、電気化学システムは、第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータをさらに含む。いくつかの実施形態では、電気化学システムは、集電体をさらに備える。
【０００６】
いくつかの実施形態では、本開示は、現在のスーパーキャパシタ技術の欠点を回避することができる３次元の多孔質還元型酸化グラフェン膜を提示する。本明細書で開示するプロトタイプのスーパーキャパシタは、市販のスーパーキャパシタに比べて改善された性能を呈することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のスーパーキャパシタデバイスは、市販のスーパーキャパシタの出力密度の２倍を超える出力密度を呈する。特定の実施形態では、本明細書に記載のスーパーキャパシタデバイスは、市販のスーパーキャパシタの出力密度の２倍を超える出力密度を呈するだけでなく、５０％超少ない時間で充電及び放電することもできる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、本開示は、スーパーキャパシタの製造のための単純であるが汎用性のある技術を提示する。いくつかの実施形態では、本開示は、スーパーキャパシタ電極の製造方法を提示する。いくつかの実施形態では、このようなスーパーキャパシタ電極の製造方法は、還元型酸化グラフェンの直接的な調製方法に基づいている。いくつかの実施形態では、このようなスーパーキャパシタ電極の製造方法は、還元型酸化グラフェンの濾過方法に基づいている。いくつかの実施形態では、このようなスーパーキャパシタ電極の製造方法は、還元型酸化グラフェンを凍結鋳造するための方法に基づいている。いくつかの実施形態では、この製造方法は、３次元の多孔質の還元型酸化グラフェン膜を含む電極を生成する。
【０００８】
本明細書で提示される一態様は、還元型酸化グラフェン膜を含む電極であって、酸化グラフェン膜の厚さが約１μｍ〜約４μｍである電極である。
【０００９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１０μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３５μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０μＦ／ｃｍ２〜約３５μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０ｍＦ／ｃｍ２〜約１５ｍＦ／ｃｍ２、約１０ｍＦ／ｃｍ２〜約２０ｍＦ／ｃｍ２、約１０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５ｍＦ／ｃｍ２、約１０ｍＦ／ｃｍ２〜約３０ｍＦ／ｃｍ２、約１０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５ｍＦ／ｃｍ２、約１５ｍＦ／ｃｍ２〜約２０ｍＦ／ｃｍ２、約１５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５ｍＦ／ｃｍ２、約１５ｍＦ／ｃｍ２〜約３０ｍＦ／ｃｍ２、約１５ｍＦ／ｃｍ２〜約３５ｍＦ／ｃｍ２、約２０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５ｍＦ／ｃｍ２、約２０ｍＦ／ｃｍ２〜約３０ｍＦ／ｃｍ２、約２０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５ｍＦ／ｃｍ２、約２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３０ｍＦ／ｃｍ２、約２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３５ｍＦ／ｃｍ２、または約３０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５ｍＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。
【００１０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約４５秒の特徴的な時定数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１５０秒の特徴的な時定数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４５〜約１５０の特徴的な時定数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４５秒〜約５０秒、約４５秒〜約６０秒、約４５秒〜約７０秒、約４５秒〜約８０秒、約４５秒〜約９０秒、約４５秒〜約１００秒、約４５秒〜約１２０秒、約４５秒〜約１３０秒、約４５秒〜約１４０秒、約４５秒〜約１５０秒、約５０秒〜約６０秒、約５０秒〜約７０秒、約５０秒〜約８０秒、約５０秒〜約９０秒、約５０秒〜約１００秒、約５０秒〜約１２０秒、約５０秒〜約１３０秒、約５０秒〜約１４０秒、約５０秒〜約１５０秒、約６０秒〜約７０秒、約６０秒〜約８０秒、約６０秒〜約９０秒、約６０秒〜約１００秒、約６０秒〜約１２０秒、約６０秒〜約１３０秒、約６０秒〜約１４０秒、約６０秒〜約１５０秒、約７０秒〜約８０秒、約７０秒〜約９０秒、約７０秒〜約１００秒、約７０秒〜約１２０秒、約７０秒〜約１３０秒、約７０秒〜約１４０秒、約７０秒〜約１５０秒、約８０秒〜約９０秒、約８０秒〜約１００秒、約８０秒〜約１２０秒、約８０秒〜約１３０秒、約８０秒〜約１４０秒、約８０秒〜約１５０秒、約９０秒〜約１００秒、約９０秒〜約１２０秒、約９０秒〜約１３０秒、約９０秒〜約１４０秒、約９０秒〜約１５０秒、約１００秒〜約１２０秒、約１００秒〜約１３０秒、約１００秒〜約１４０秒、約１００秒〜約１５０秒、約１２０秒〜約１３０秒、約１２０秒〜約１４０秒、約１２０秒〜約１５０秒、約１３０秒〜約１４０秒、約１３０秒〜約１５０秒、または約１４０秒〜約１５０秒の特徴的な時定数を有する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１２５Ωのシート抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．５Ωのシート抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１２５Ω〜約０．５Ωのシート抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１２５Ω〜約０．１８７５Ω、約０．１２５Ω〜約０．２５Ω、約０．１２５Ω〜約０．３１２５Ω、約０．１２５Ω〜約０．３７５Ω、約０．１２５Ω〜約０．４３７５Ω、約０．１２５Ω〜約０．５Ω、約０．１８７５Ω〜約０．２５Ω、約０．１８７５Ω〜約０．３１２５Ω、約０．１８７５Ω〜約０．３７５Ω、約０．１８７５Ω〜約０．４３７５Ω、約０．１８７５Ω〜約０．５Ω、約０．２５Ω〜約０．３１２５Ω、約０．２５Ω〜約０．３７５Ω、約０．２５Ω〜約０．４３７５Ω、約０．２５Ω〜約０．５Ω、約０．３１２５Ω〜約０．３７５Ω、約０．３１２５Ω〜約０．４３７５Ω、約０．３１２５Ω〜約０．５Ω、約０．３７５Ω〜約０．４３７５Ω、約０．３７５Ω〜約０．５Ω、または約０．４３７５Ω〜約０．５Ωのシート抵抗を有する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．５Ωの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２Ωの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．５Ω〜約２Ωの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．５Ω〜約０．６Ω、約０．５Ω〜約０．７Ω、約０．５Ω〜約０．８Ω、約０．５Ω〜約０．９Ω、約０．５Ω〜約１Ω、約０．５Ω〜約１．２５Ω、約０．５Ω〜約１．５Ω、約０．５Ω〜約１．７５Ω、約０．５Ω〜約２Ω、約０．６Ω〜約０．７Ω、約０．６Ω〜約０．８Ω、約０．６Ω〜約０．９Ω、約０．６Ω〜約１Ω、約０．６Ω〜約１．２５Ω、約０．６Ω〜約１．５Ω、約０．６Ω〜約１．７５Ω、約０．６Ω〜約２Ω、約０．７Ω〜約０．８Ω、約０．７Ω〜約０．９Ω、約０．７Ω〜約１Ω、約０．７Ω〜約１．２５Ω、約０．７Ω〜約１．５Ω、約０．７Ω〜約１．７５Ω、約０．７Ω〜約２Ω、約０．８Ω〜約０．９Ω、約０．８Ω〜約１Ω、約０．８Ω〜約１．２５Ω、約０．８Ω〜約１．５Ω、約０．８Ω〜約１．７５Ω、約０．８Ω〜約２Ω、約０．９Ω〜約１Ω、約０．９Ω〜約１．２５Ω、約０．９Ω〜約１．５Ω、約０．９Ω〜約１．７５Ω、約０．９Ω〜約２Ω、約１Ω〜約１．２５Ω、約１Ω〜約１．５Ω、約１Ω〜約１．７５Ω、約１Ω〜約２Ω、約１．２５Ω〜約１．５Ω、約１．２５Ω〜約１．７５Ω、約１．２５Ω〜約２Ω、約１．５Ω〜約１．７５Ω、約１．５Ω〜約２Ω、または約１．７５Ω〜約２Ωの電荷輸送抵抗を有する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１０ｋΩの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約４５ｋΩの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０ｋΩ〜約４５ｋΩの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０ｋΩ〜約１５ｋΩ、約１０ｋΩ〜約２０ｋΩ、約１０ｋΩ〜約２５ｋΩ、約１０ｋΩ〜約３０ｋΩ、約１０ｋΩ〜約３５ｋΩ、約１０ｋΩ〜約４０ｋΩ、約１０ｋΩ〜約４５ｋΩ、約１５ｋΩ〜約２０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約２５ｋΩ、約１５ｋΩ〜約３０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約３５ｋΩ、約１５ｋΩ〜約４０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約４５ｋΩ、約２０ｋΩ〜約２５ｋΩ、約２０ｋΩ〜約３０ｋΩ、約２０ｋΩ〜約３５ｋΩ、約２０ｋΩ〜約４０ｋΩ、約２０ｋΩ〜約４５ｋΩ、約２５ｋΩ〜約３０ｋΩ、約２５ｋΩ〜約３５ｋΩ、約２５ｋΩ〜約４０ｋΩ、約２５ｋΩ〜約４５ｋΩ、約３０ｋΩ〜約３５ｋΩ、約３０ｋΩ〜約４０ｋΩ、約３０ｋΩ〜約４５ｋΩ、約３５ｋΩ〜約４０ｋΩ、約３５ｋΩ〜約４５ｋΩ、または約４０ｋΩ〜約４５ｋΩの電荷輸送抵抗を有する。
【００１４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約３５の電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１２０の電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３５〜約１２０の電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３５Ｓ−ｎ〜約４５Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約５５Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約６５Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約７５Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約８５Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約９５Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約３５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約５５Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約６５Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約７５Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約８５Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約９５Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約４５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約６５Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約７５Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約８５Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約９５Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約５５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約６５Ｓ−ｎ〜約７５Ｓ−ｎ、約６５Ｓ−ｎ〜約８５Ｓ−ｎ、約６５Ｓ−ｎ〜約９５Ｓ−ｎ、約６５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約６５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約６５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約７５Ｓ−ｎ〜約８５Ｓ−ｎ、約７５Ｓ−ｎ〜約９５Ｓ−ｎ、約７５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約７５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約７５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約８５Ｓ−ｎ〜約９５Ｓ−ｎ、約８５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約８５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約８５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約９５Ｓ−ｎ〜約１００Ｓ−ｎ、約９５Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約９５Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、約１００Ｓ−ｎ〜約１１０Ｓ−ｎ、約１００Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎ、または約１１０Ｓ−ｎ〜約１２０Ｓ−ｎの電荷輸送抵抗を有する。
【００１５】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１の一定の位相要素指数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．６の一定の位相要素指数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１〜約０．６の一定の位相要素指数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１〜約０．２、約０．１〜約０．３、約０．１〜約０．４、約０．１〜約０．５、約０．１〜約０．６、約０．２〜約０．３、約０．２〜約０．４、約０．２〜約０．５、約０．２〜約０．６、約０．３〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．３〜約０．６、約０．４〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．６の一定の位相要素指数を有する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約５０Ｆ／ｇの帰還容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５０Ｆ／ｇ〜約６０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１４０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約１６０Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１６０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１６０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、または約１８０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約５Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２０Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５Ｓ／ｍ〜約６Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約７Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約８Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約９Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約１０Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約１２Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約５Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約７Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約８Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約９Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約１０Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約１２Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約６Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約８Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約９Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約１０Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約１２Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約７Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約９Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約１０Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約１２Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約８Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約９Ｓ／ｍ〜約１０Ｓ／ｍ、約９Ｓ／ｍ〜約１２Ｓ／ｍ、約９Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約９Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約９Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約９Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約１０Ｓ／ｍ〜約１２Ｓ／ｍ、約１０Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約１０Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約１０Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約１０Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約１２Ｓ／ｍ〜約１４Ｓ／ｍ、約１２Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約１２Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約１２Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約１４Ｓ／ｍ〜約１６Ｓ／ｍ、約１４Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約１４Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、約１６Ｓ／ｍ〜約１８Ｓ／ｍ、約１６Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍ、または約１８Ｓ／ｍ〜約２０Ｓ／ｍの導電率を有する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は少なくとも約０．１ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．５ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．５ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．２ｍｇ／ｃｍ２、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．３ｍｇ／ｃｍ２、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．５ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．３ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．５ｍｇ／ｃｍ２、約０．３ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２、約０．３ｍｇ／ｃｍ２〜約０．５ｍｇ／ｃｍ２、または約０．４ｍｇ／ｃｍ２〜約０．５ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．５ｍｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２ｍｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約０．７５ｍｇ／ｃｍ3、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約１ｍｇ／ｃｍ3、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．２５ｍｇ／ｃｍ3、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．５ｍｇ／ｃｍ3、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．７５ｍｇ／ｃｍ3、約０．５ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3、約０．７５ｍｇ／ｃｍ3〜約１ｍｇ／ｃｍ3、約０．７５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．２５ｍｇ／ｃｍ3、約０．７５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．５ｍｇ／ｃｍ3、約０．７５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．７５ｍｇ／ｃｍ3、約０．７５ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3、約１ｍｇ／ｃｍ3〜約１．２５ｍｇ／ｃｍ3、約１ｍｇ／ｃｍ3〜約１．５ｍｇ／ｃｍ3、約１ｍｇ／ｃｍ3〜約１．７５ｍｇ／ｃｍ3、約１ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3、約１．２５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．５ｍｇ／ｃｍ3、約１．２５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．７５ｍｇ／ｃｍ3、約１．２５ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3、約１．５ｍｇ／ｃｍ3〜約１．７５ｍｇ／ｃｍ3、約１．５ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3、または約１．７５ｍｇ／ｃｍ3〜約２ｍｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約９０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約３６０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約９０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約９０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、または約３００Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇの質量容量を有する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約８０Ｆ／ｇの容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約３６０Ｆ／ｇの容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約８０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇの容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約８０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、または約３００Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇの容積容量を有する。
【００２２】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約２５Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、最大約１００Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、約２５Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、約２５Ｆ／ｇ〜約３０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約４０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約５０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約６０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約２５Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約４０Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約５０Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約６０Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約３０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約４０Ｆ／ｇ〜約５０Ｆ／ｇ、約４０Ｆ／ｇ〜約６０Ｆ／ｇ、約４０Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約４０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約４０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約４０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約６０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約５０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約７０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約６０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約８０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約７０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約９０Ｆ／ｇ、約８０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇ、または約９０Ｆ／ｇ〜約１００Ｆ／ｇの質量容量を有する。
【００２３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後に少なくとも約４０％の容量保持を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後に最大約９８％の容量保持を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後に約４０％〜約９８％の容量保持を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電の後に、約４０％〜約５０％、約４０％〜約６０％、約４０％〜約７０％、約４０％〜約８０％、約４０％〜約９０％、約４０％〜約９８％、約５０％〜約６０％、約５０％〜約７０％、約５０％〜約８０％、約５０％〜約９０％、約５０％〜約９８％、約６０％〜約７０％、約６０％〜約８０％、約６０％〜約９０％、約６０％〜約９８％、約７０％〜約８０％、約７０％〜約９０％、約７０％〜約９８％、約８０％〜約９０％、約８０％〜約９８％、または約９０％〜約９８％の容量保持を有する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約３Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１２Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約４Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約５Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約６Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約７Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約９Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約３Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約５Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約６Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約７Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約９Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約６Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約７Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約９Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約５Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約７Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約９Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約７Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約７Ｗｈ／ｋｇ〜約９Ｗｈ／ｋｇ、約７Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約７Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約７Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約９Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約９Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約９Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約９Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、または約１１Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。
【００２５】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１２Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３Ｗｈ／Ｌ〜約４Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約５Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約６Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約７Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約８Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約９Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約３Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約５Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約６Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約７Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約８Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約９Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約４Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約６Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約７Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約８Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約９Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約５Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約６Ｗｈ／Ｌ〜約７Ｗｈ／Ｌ、約６Ｗｈ／Ｌ〜約８Ｗｈ／Ｌ、約６Ｗｈ／Ｌ〜約９Ｗｈ／Ｌ、約６Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約６Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約６Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約７Ｗｈ／Ｌ〜約８Ｗｈ／Ｌ、約７Ｗｈ／Ｌ〜約９Ｗｈ／Ｌ、約７Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約７Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約７Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約８Ｗｈ／Ｌ〜約９Ｗｈ／Ｌ、約８Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約８Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約８Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約９Ｗｈ／Ｌ〜約１０Ｗｈ／Ｌ、約９Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約９Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、約１０Ｗｈ／Ｌ〜約１１Ｗｈ／Ｌ、約１０Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌ、または約１１Ｗｈ／Ｌ〜約１２Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約３５ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１４０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約５５ｋＷ／ｋｇ、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約７５ｋＷ／ｋｇ、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約９５ｋＷ／ｋｇ、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約１１０ｋＷ／ｋｇ、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約１２５ｋＷ／ｋｇ、約３５ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇ、約５５ｋＷ／ｋｇ〜約７５ｋＷ／ｋｇ、約５５ｋＷ／ｋｇ〜約９５ｋＷ／ｋｇ、約５５ｋＷ／ｋｇ〜約１１０ｋＷ／ｋｇ、約５５ｋＷ／ｋｇ〜約１２５ｋＷ／ｋｇ、約５５ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約９５ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１１０ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１２５ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇ、約９５ｋＷ／ｋｇ〜約１１０ｋＷ／ｋｇ、約９５ｋＷ／ｋｇ〜約１２５ｋＷ／ｋｇ、約９５ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇ、約１１０ｋＷ／ｋｇ〜約１２５ｋＷ／ｋｇ、約１１０ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇ、または約１２５ｋＷ／ｋｇ〜約１４０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約３０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１４０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３０ｋＷ／Ｌ〜約５０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約７０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約９０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約１１０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約１３０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約７０ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約９０ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約１１０ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約１３０ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌ、約７０ｋＷ／Ｌ〜約９０ｋＷ／Ｌ、約７０ｋＷ／Ｌ〜約１１０ｋＷ／Ｌ、約７０ｋＷ／Ｌ〜約１３０ｋＷ／Ｌ、約７０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌ、約９０ｋＷ／Ｌ〜約１１０ｋＷ／Ｌ、約９０ｋＷ／Ｌ〜約１３０ｋＷ／Ｌ、約９０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌ、約１１０ｋＷ／Ｌ〜約１３０ｋＷ／Ｌ、約１１０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌ、または約１３０ｋＷ／Ｌ〜約１４０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００２８】
本明細書で提示される別の態様は、還元型酸化グラフェン膜を含む電極であって、酸化グラフェン膜が、細孔の３次元的な階層構造を含み、酸化グラフェン膜が約６μｍ〜約１６μｍの厚さを有する電極である。
【００２９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は少なくとも約２５μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１００μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５μＦ／ｃｍ２〜約１００μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５μＦ／ｃｍ２〜約４５μＦ／ｃｍ２、約２５μＦ／ｃｍ２〜約６５μＦ／ｃｍ２、約２５μＦ／ｃｍ２〜約８５μＦ／ｃｍ２、約２５μＦ／ｃｍ２〜約１００μＦ／ｃｍ２、約４５μＦ／ｃｍ２〜約６５μＦ／ｃｍ２、約４５μＦ／ｃｍ２〜約８５μＦ／ｃｍ２、約４５μＦ／ｃｍ２〜約１００μＦ／ｃｍ２、約６５μＦ／ｃｍ２〜約８５μＦ／ｃｍ２、約６５μＦ／ｃｍ２〜約１００μＦ／ｃｍ２、または約８５μＦ／ｃｍ２〜約１００μＦ／ｃｍ２の二重層容量を有する。
【００３０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約９秒の特徴的な時定数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３６秒の特徴的な時定数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約９秒〜約３６秒の特徴的な時定数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約９秒〜約１２秒、約９秒〜約１５秒、約９秒〜約１８秒、約９秒〜約２１秒、約９秒〜約２４秒、約９秒〜約２７秒、約９秒〜約３０秒、約９秒〜約３３秒、約９秒〜約３６秒、約１２秒〜約１５秒、約１２秒〜約１８秒、約１２秒〜約２１秒、約１２秒〜約２４秒、約１２秒〜約２７秒、約１２秒〜約３０秒、約１２秒〜約３３秒、約１２秒〜約３６秒、約１５秒〜約１８秒、約１５秒〜約２１秒、約１５秒〜約２４秒、約１５秒〜約２７秒、約１５秒〜約３０秒、約１５秒〜約３３秒、約１５秒〜約３６秒、約１８秒〜約２１秒、約１８秒〜約２４秒、約１８秒〜約２７秒、約１８秒〜約３０秒、約１８秒〜約３３秒、約１８秒〜約３６秒、約２１秒〜約２４秒、約２１秒〜約２７秒、約２１秒〜約３０秒、約２１秒〜約３３秒、約２１秒〜約３６秒、約２４秒〜約２７秒、約２４秒〜約３０秒、約２４秒〜約３３秒、約２４秒〜約３６秒、約２７秒〜約３０秒、約２７秒〜約３３秒、約２７秒〜約３６秒、約３０秒〜約３３秒、約３０秒〜約３６秒、または約３３秒〜約３６秒の特徴的な時定数を有する。
【００３１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１Ωのシート抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．４Ωのシート抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１Ω〜約０．４Ωのシート抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１Ω〜約０．２Ω、約０．１Ω〜約０．３Ω、約０．１Ω〜約０．４Ω、約０．２Ω〜約０．３Ω、約０．２Ω〜約０．４Ω、または約０．３Ω〜約０．４Ωのシート抵抗を有する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１Ωの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．４Ωの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１Ω〜約０．４Ωの電荷輸送抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１Ω〜約０．２Ω、約０．１Ω〜約０．３Ω、約０．１Ω〜約０．４Ω、約０．２Ω〜約０．３Ω、約０．２Ω〜約０．４Ω、または約０．３Ω〜約０．４Ωの電荷輸送抵抗を有する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１３ｋΩのリーク抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約６０ｋΩのリーク抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１３ｋΩ〜約６０ｋΩのリーク抵抗を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１３ｋΩ〜約１５ｋΩ、約１３ｋΩ〜約２０ｋΩ、約１３ｋΩ〜約３０ｋΩ、約１３ｋΩ〜約４０ｋΩ、約１３ｋΩ〜約５０ｋΩ、約１３ｋΩ〜約６０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約２０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約３０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約４０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約５０ｋΩ、約１５ｋΩ〜約６０ｋΩ、約２０ｋΩ〜約３０ｋΩ、約２０ｋΩ〜約４０ｋΩ、約２０ｋΩ〜約５０ｋΩ、約２０ｋΩ〜約６０ｋΩ、約３０ｋΩ〜約４０ｋΩ、約３０ｋΩ〜約５０ｋΩ、約３０ｋΩ〜約６０ｋΩ、約４０ｋΩ〜約５０ｋΩ、約４０ｋΩ〜約６０ｋΩ、または約５０ｋΩ〜約６０ｋΩのリーク抵抗を有する。
【００３４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約５０ΩＳ−ｎのＷａｒｂｕｒｇ係数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２００ΩＳ−ｎのＷａｒｂｕｒｇ係数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５０ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎのＷａｒｂｕｒｇ係数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５０ΩＳ−ｎ〜約７５ΩＳ−ｎ、約５０ΩＳ−ｎ〜約１００ΩＳ−ｎ、約５０ΩＳ−ｎ〜約１２５ΩＳ−ｎ、約５０ΩＳ−ｎ〜約１５０ΩＳ−ｎ、約５０ΩＳ−ｎ〜約１７５ΩＳ−ｎ、約５０ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎ、約７５ΩＳ−ｎ〜約１００ΩＳ−ｎ、約７５ΩＳ−ｎ〜約１２５ΩＳ−ｎ、約７５ΩＳ−ｎ〜約１５０ΩＳ−ｎ、約７５ΩＳ−ｎ〜約１７５ΩＳ−ｎ、約７５ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎ、約１００ΩＳ−ｎ〜約１２５ΩＳ−ｎ、約１００ΩＳ−ｎ〜約１５０ΩＳ−ｎ、約１００ΩＳ−ｎ〜約１７５ΩＳ−ｎ、約１００ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎ、約１２５ΩＳ−ｎ〜約１５０ΩＳ−ｎ、約１２５ΩＳ−ｎ〜約１７５ΩＳ−ｎ、約１２５ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎ、約１５０ΩＳ−ｎ〜約１７５ΩＳ−ｎ、約１５０ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎ、または約１７５ΩＳ−ｎ〜約２００ΩＳ−ｎのＷａｒｂｕｒｇ係数を有する。
【００３５】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．２の一定の位相要素指数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．８の一定の位相要素指数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．２〜約０．８の一定の位相要素指数を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．２〜約０．３、約０．２〜約０．４、約０．２〜約０．５、約０．２〜約０．６、約０．２〜約０．７、約０．２〜約０．８、約０．３〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．３〜約０．６、約０．３〜約０．７、約０．３〜約０．８、約０．４〜約０．５、約０．４〜約０．６、約０．４〜約０．７、約０．４〜約０．８、約０．５〜約０．６、約０．５〜約０．７、約０．５〜約０．８、約０．６〜約０．７、約０．６〜約０．８、または約０．７〜約０．８の一定の位相要素指数を有する。
【００３６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約４００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１００Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、または約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇの帰還容量を有する。
【００３７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約４０００Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１，０００Ｓ／ｍ〜約４，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１，０００Ｓ／ｍ〜約２，０００Ｓ／ｍ、約１，０００Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍ、約１，０００Ｓ／ｍ〜約４，０００Ｓ／ｍ、約２，０００Ｓ／ｍ〜約３，０００Ｓ／ｍ、約２，０００Ｓ／ｍ〜約４，０００Ｓ／ｍ、または約３，０００Ｓ／ｍ〜約４，０００Ｓ／ｍの導電率を有する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約３％のひずみを有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１６％のひずみを有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３％〜約１６％のひずみを有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３％〜約５％、約３％〜約７％、約３％〜約９％、約３％〜約１１％、約３％〜約１３％、約３％〜約１６％、約５％〜約７％、約５％〜約９％、約５％〜約１１％、約５％〜約１３％、約５％〜約１６％、約７％〜約９％、約７％〜約１１％、約７％〜約１３％、約７％〜約１６％、約９％〜約１１％、約９％〜約１３％、約９％〜約１６％、約１１％〜約１３％、約１１％〜約１６％、または約１３％〜約１６％のひずみを有する。
【００３９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約９ＭＰａの引張強さを有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３６ＭＰａの引張強さを有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約９ＭＰａ〜約３６ＭＰａの引張強さを有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約９ＭＰａ〜約１２ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約１５ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約１８ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約２１ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約２４ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約２７ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約９ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約１５ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約１８ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約２１ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約２４ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約２７ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約１２ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約１８ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約２１ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約２４ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約２７ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約１８ＭＰａ〜約２１ＭＰａ、約１８ＭＰａ〜約２４ＭＰａ、約１８ＭＰａ〜約２７ＭＰａ、約１８ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約１８ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約１８ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約２１ＭＰａ〜約２４ＭＰａ、約２１ＭＰａ〜約２７ＭＰａ、約２１ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２１ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約２１ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約２４ＭＰａ〜約２７ＭＰａ、約２４ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２４ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約２４ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約２７ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２７ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約２７ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、約３０ＭＰａ〜約３３ＭＰａ、約３０ＭＰａ〜約３６ＭＰａ、または約３３ＭＰａ〜約３６ＭＰａの引張強さを有する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１００ｎｍの孔径を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１０，０００ｎｍの孔径を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの孔径を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約２，０００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約５，０００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約５００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約２，０００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約５，０００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ、約５００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、約５００ｎｍ〜約２，０００ｎｍ、約５００ｎｍ〜約５，０００ｎｍ、約５００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ、約１，０００ｎｍ〜約２，０００ｎｍ、約１，０００ｎｍ〜約５，０００ｎｍ、約１，０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ、約２，０００ｎｍ〜約５，０００ｎｍ、約２，０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ、または約５，０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの孔径を有する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．４ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．２ｍｇ／ｃｍ２、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．３ｍｇ／ｃｍ２、約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．３ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２、または約０．３ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。
【００４２】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．０８ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．４ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．０８ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．０８ｇ／ｃｍ２〜約０．１ｇ／ｃｍ２、約０．０８ｇ／ｃｍ２〜約０．２ｇ／ｃｍ２、約０．０８ｇ／ｃｍ２〜約０．３ｇ／ｃｍ２、約０．０８ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．２ｇ／ｃｍ２、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．３ｇ／ｃｍ２、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２、約０．２ｇ／ｃｍ２〜約０．３ｇ／ｃｍ２、約０．２ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２、または約０．３ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。
【００４３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約１４０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約６００Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約１４０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約１４０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１４０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、または約５００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇの質量容量を有する。
【００４４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約２０Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約９０Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約２０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約３０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約４０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約５０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約４０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約５０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約５０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約７０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約７０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、または約８０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約９０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、最大約３６０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、約９０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５００Ａ／ｇの電流密度で、約９０Ｆ／ｇ〜約１２０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約９０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約１８０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２１０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約１８０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約２４０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約２１０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約２７０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約２４０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約２７０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約３３０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇ、または約３３０Ｆ／ｇ〜約３６０Ｆ／ｇの質量容量を有する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後に少なくとも約５０％の容量保持を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後に最大約９９％の容量保持を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後、約５０％〜約９９％の容量保持を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１０００サイクルの充電後、約５０％〜約６０％、約５０％〜約７０％、約５０％〜約８０％、約５０％〜約９０％、約５０％〜約９９％、約６０％〜約７０％、約６０％〜約８０％、約６０％〜約９０％、約６０％〜約９９％、約７０％〜約８０％、約７０％〜約９０％、約７０％〜約９９％、約８０％〜約９０％、約８０％〜約９９％、約９０％〜約９９％の容量保持を有する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約４Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約６Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１４Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１４Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１４Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１６Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１６Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、または約１８Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．７５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１．２５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１．７５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．２５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．７５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１．７５Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約１．７５Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約１．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約１．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約１．７５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約２．２５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約２．２５Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約２．２５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約２．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．７５Ｗｈ／Ｌ、約２．５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、または約２．７５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１４０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約６００ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約２００ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約２６０ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約３２０ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約３８０ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約４４０ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約５００ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約１４０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約２６０ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約３２０ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約３８０ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約４４０ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約５００ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、約２６０ｋＷ／ｋｇ〜約３２０ｋＷ／ｋｇ、約２６０ｋＷ／ｋｇ〜約３８０ｋＷ／ｋｇ、約２６０ｋＷ／ｋｇ〜約４４０ｋＷ／ｋｇ、約２６０ｋＷ／ｋｇ〜約５００ｋＷ／ｋｇ、約２６０ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約２６０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、約３２０ｋＷ／ｋｇ〜約３８０ｋＷ／ｋｇ、約３２０ｋＷ／ｋｇ〜約４４０ｋＷ／ｋｇ、約３２０ｋＷ／ｋｇ〜約５００ｋＷ／ｋｇ、約３２０ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約３２０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、約３８０ｋＷ／ｋｇ〜約４４０ｋＷ／ｋｇ、約３８０ｋＷ／ｋｇ〜約５００ｋＷ／ｋｇ、約３８０ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約３８０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、約４４０ｋＷ／ｋｇ〜約５００ｋＷ／ｋｇ、約４４０ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約４４０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、約５００ｋＷ／ｋｇ〜約５６０ｋＷ／ｋｇ、約５００ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇ、または約５６０ｋＷ／ｋｇ〜約６００ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約２５ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１００ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５ｋＷ／Ｌ〜約１００ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５ｋＷ／Ｌ〜約５０ｋＷ／Ｌ、約２５ｋＷ／Ｌ〜約７５ｋＷ／Ｌ、約２５ｋＷ／Ｌ〜約１００ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約７５ｋＷ／Ｌ、約５０ｋＷ／Ｌ〜約１００ｋＷ／Ｌ、または約７５ｋＷ／Ｌ〜約１００ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００５１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約２５ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は最大約１００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５ｍＦ／ｃｍ２〜約５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５ｍＦ／ｃｍ２〜約７５ｍＦ／ｃｍ２、約２５ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２、または約７５ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。
【００５２】
本明細書で提示される他の態様は、還元型酸化グラフェン膜を含む電極であって、酸化グラフェン膜が細孔の３次元階層構造を含み、酸化グラフェン膜が約１５μｍ〜約３２μｍの厚さを有する電極である。
【００５３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．２ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．８ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．８ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．４ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．６ｍｇ／ｃｍ２、約０．２ｍｇ／ｃｍ２〜約０．８ｍｇ／ｃｍ２、約０．４ｍｇ／ｃｍ２〜約０．６ｍｇ／ｃｍ２、約０．４ｍｇ／ｃｍ２〜約０．８ｍｇ／ｃｍ２、または約０．６ｍｇ／ｃｍ２〜約０．８ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。
【００５４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．５ｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｇ／ｃｍ3〜約０．５ｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｇ／ｃｍ3〜約０．２ｇ／ｃｍ3、約０．１ｇ／ｃｍ3〜約０．３ｇ／ｃｍ3、約０．１ｇ／ｃｍ3〜約０．４ｇ／ｃｍ3、約０．１ｇ／ｃｍ3〜約０．５ｇ／ｃｍ3、約０．２ｇ／ｃｍ3〜約０．３ｇ／ｃｍ3、約０．２ｇ／ｃｍ3〜約０．４ｇ／ｃｍ3、約０．２ｇ／ｃｍ3〜約０．５ｇ／ｃｍ3、約０．３ｇ／ｃｍ3〜約０．４ｇ／ｃｍ3、約０．３ｇ／ｃｍ3〜約０．５ｇ／ｃｍ3、または約０．４ｇ／ｃｍ3〜約０．５ｇ／ｃｍ3の活性密度を有する。
【００５５】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約１３０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約５５０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約１３０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約１３０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１３０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、または約５００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇの質量容量を有する。
【００５６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約２０Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、最大約１００Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約４０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、または約８０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。
【００５７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約４Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、または約１６Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。
【００５８】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．７５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約２．５Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、または約２．５Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００５９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約７５ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３００ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約３００ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１００ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１５０ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約２００ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約２５０ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約３００ｋＷ／ｋｇ、約１００ｋＷ／ｋｇ〜約１５０ｋＷ／ｋｇ、約１００ｋＷ／ｋｇ〜約２００ｋＷ／ｋｇ、約１００ｋＷ／ｋｇ〜約２５０ｋＷ／ｋｇ、約１００ｋＷ／ｋｇ〜約３００ｋＷ／ｋｇ、約１５０ｋＷ／ｋｇ〜約２００ｋＷ／ｋｇ、約１５０ｋＷ／ｋｇ〜約２５０ｋＷ／ｋｇ、約１５０ｋＷ／ｋｇ〜約３００ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約２５０ｋＷ／ｋｇ、約２００ｋＷ／ｋｇ〜約３００ｋＷ／ｋｇ、または約２５０ｋＷ／ｋｇ〜約３００ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。
【００６０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１４ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約６０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１４ｋＷ／Ｌ〜約６０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１４ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約１４ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌ、約１４ｋＷ／Ｌ〜約４０ｋＷ／Ｌ、約１４ｋＷ／Ｌ〜約５０ｋＷ／Ｌ、約１４ｋＷ／Ｌ〜約６０ｋＷ／Ｌ、約２０ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌ、約２０ｋＷ／Ｌ〜約４０ｋＷ／Ｌ、約２０ｋＷ／Ｌ〜約５０ｋＷ／Ｌ、約２０ｋＷ／Ｌ〜約６０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約４０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約５０ｋＷ／Ｌ、約３０ｋＷ／Ｌ〜約６０ｋＷ／Ｌ、約４０ｋＷ／Ｌ〜約５０ｋＷ／Ｌ、約４０ｋＷ／Ｌ〜約６０ｋＷ／Ｌ、または約５０ｋＷ／Ｌ〜約６０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００６１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約５０ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約１００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１００ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、または約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。
【００６２】
本明細書で提示される別の態様は、還元型酸化グラフェン膜を含む電極であって、酸化グラフェン膜が、細孔の３次元的な階層構造を含み、酸化グラフェン膜が約３２μｍ〜約６０μｍの厚さを有する電極である。
【００６３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．５ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約３ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約０．７５ｍｇ／ｃｍ２、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約１ｍｇ／ｃｍ２、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約１．５ｍｇ／ｃｍ２、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約２ｍｇ／ｃｍ２、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約２．５ｍｇ／ｃｍ２、約０．５ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２、約０．７５ｍｇ／ｃｍ２〜約１ｍｇ／ｃｍ２、約０．７５ｍｇ／ｃｍ２〜約１．５ｍｇ／ｃｍ２、約０．７５ｍｇ／ｃｍ２〜約２ｍｇ／ｃｍ２、約０．７５ｍｇ／ｃｍ２〜約２．５ｍｇ／ｃｍ２、約０．７５ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２、約１ｍｇ／ｃｍ２〜約１．５ｍｇ／ｃｍ２、約１ｍｇ／ｃｍ２〜約２ｍｇ／ｃｍ２、約１ｍｇ／ｃｍ２〜約２．５ｍｇ／ｃｍ２、約１ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２、約１．５ｍｇ／ｃｍ２〜約２ｍｇ／ｃｍ２、約１．５ｍｇ／ｃｍ２〜約２．５ｍｇ／ｃｍ２、約１．５ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２、約２ｍｇ／ｃｍ２〜約２．５ｍｇ／ｃｍ２、約２ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２、または約２．５ｍｇ／ｃｍ２〜約３ｍｇ／ｃｍ２の面積質量負荷を有する。
【００６４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約０．１ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約０．５ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．５ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．２ｇ／ｃｍ２、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．３ｇ／ｃｍ２、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２、約０．１ｇ／ｃｍ２〜約０．５ｇ／ｃｍ２、約０．２ｇ／ｃｍ２〜約０．３ｇ／ｃｍ２、約０．２ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２、約０．２ｇ／ｃｍ２〜約０．５ｇ／ｃｍ２、約０．３ｇ／ｃｍ２〜約０．４ｇ／ｃｍ２、約０．３ｇ／ｃｍ２〜約０．５ｇ／ｃｍ２、または約０．４ｇ／ｃｍ２〜約０．５ｇ／ｃｍ２の活性密度を有する。
【００６５】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約１２０Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約５００Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約１２０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇの質量容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約１２０Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１２０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、または約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇの質量容量を有する。
【００６６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で少なくとも約２０Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で最大約１００Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約２０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約３０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約４０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約５０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約２０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約４０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約５０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約３０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約５０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約４０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約６０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約５０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約７０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約６０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約７０Ｆ／ｃｍ3〜約８０Ｆ／ｃｍ3、約７０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約７０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、約８０Ｆ／ｃｍ3〜約９０Ｆ／ｃｍ3、約８０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3、または約９０Ｆ／ｃｍ3〜約１００Ｆ／ｃｍ3の容積容量を有する。
【００６７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約４Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１８Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約６Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約４Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約８Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約６Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１０Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約８Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１４Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、約１４Ｗｈ／ｋｇ〜約１６Ｗｈ／ｋｇ、約１４Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇ、または約１６Ｗｈ／ｋｇ〜約１８Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギー密度を有する。
【００６８】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約４Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ｗｈ／Ｌ〜約４Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約４Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約３Ｗｈ／Ｌ、約２Ｗｈ／Ｌ〜約４Ｗｈ／Ｌ、または約３Ｗｈ／Ｌ〜約４Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約２５ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約１２０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５ｋＷ／ｋｇ〜約１２０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約２５ｋＷ／ｋｇ〜約５０ｋＷ／ｋｇ、約２５ｋＷ／ｋｇ〜約７５ｋＷ／ｋｇ、約２５ｋＷ／ｋｇ〜約１００ｋＷ／ｋｇ、約２５ｋＷ／ｋｇ〜約１２０ｋＷ／ｋｇ、約５０ｋＷ／ｋｇ〜約７５ｋＷ／ｋｇ、約５０ｋＷ／ｋｇ〜約１００ｋＷ／ｋｇ、約５０ｋＷ／ｋｇ〜約１２０ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１００ｋＷ／ｋｇ、約７５ｋＷ／ｋｇ〜約１２０ｋＷ／ｋｇ、または約１００ｋＷ／ｋｇ〜約１２０ｋＷ／ｋｇの質量出力密度を有する。
【００７０】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約６ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約２５ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約６ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約６ｋＷ／Ｌ〜約１０ｋＷ／Ｌ、約６ｋＷ／Ｌ〜約１５ｋＷ／Ｌ、約６ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約６ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約１５ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、約１５ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約１５ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、または約２０ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００７１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、少なくとも約１２５ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、最大約５００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約１５０ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約１２５ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約２００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約３００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４００ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約４００ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２、または約４５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５００ｍＦ／ｃｍ２の面積容量を有する。
【００７２】
本明細書で提示される別の態様は、２本の電極を含む超伝導体デバイスであり、各電極は還元型酸化グラフェン膜を含み、さらに電解質を含み、さらにセパレータを含み、さらにハウジングを含み、さらに電解質、セパレータ、ハウジング、またはそれらの任意の組み合わせを含み、電解質が水性で、電解質が酸を含み、酸は強酸で、強酸が過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含み、電解質が少なくとも約０．５Ｍの濃度を有し、電解質が最大約２Ｍの濃度を有し、電解質が約０．５Ｍ〜約２Ｍの濃度を有し、セパレータが２本の電極の間に配置され、セパレータはイオン多孔質であり、セパレータは、ポリマーからなり、セパレータは、ネオプレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ＰＶＢ、シリコーン、またはこれらの任意の組合せからなり、ハウジングはテープ、膜、バッグ、樹脂、ケーシング、またはそれらの任意の組み合わせを含み、ハウジングは、ポリイミド、カプトン、テフロン（登録商標）、プラスチック、エポキシ、接着剤、セメント、粘液、ペースト、プラスチック、木材、炭素繊維、ガラス繊維、ガラス、金属またはそれらの任意の組合せからなり、電解質は各々、約１μｍ〜約４μｍの厚さを有する。
【００７３】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約０．１Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約０．４Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．２Ｗｈ／Ｌ、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．３Ｗｈ／Ｌ、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌ、約０．２Ｗｈ／Ｌ〜約０．３Ｗｈ／Ｌ、約０．２Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌ、または約０．３Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００７４】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約１ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約４ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約１ｋＷ／Ｌ〜約４ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約１ｋＷ／Ｌ〜約２ｋＷ／Ｌ、約１ｋＷ／Ｌ〜約３ｋＷ／Ｌ、約１ｋＷ／Ｌ〜約４ｋＷ／Ｌ、約２ｋＷＬ〜約３ｋＷ／Ｌ、約２ｋＷ／Ｌ〜約４ｋＷ／Ｌ、または約３ｋＷ／Ｌ〜約４ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００７５】
いくつかの実施形態では、超伝導体の還元型酸化グラフェン膜は、細孔の３次元的な階層構造を含む。
【００７６】
いくつかの実施形態では、電極の各々は、約６μｍ〜約１６μｍの厚さを有する。
【００７７】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約０．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約２．２５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約１Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２Ｗｈ／Ｌ、約１．５Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌ、または約２Ｗｈ／Ｌ〜約２．２５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００７８】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約３ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約１６ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約３ｋＷ／Ｌ〜約１６ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約３ｋＷ／Ｌ〜約６ｋＷ／Ｌ、約３ｋＷ／Ｌ〜約９ｋＷ／Ｌ、約３ｋＷ／Ｌ〜約１２ｋＷ／Ｌ、約３ｋＷ／Ｌ〜約１６ｋＷ／Ｌ、約６ｋＷ／Ｌ〜約９ｋＷ／Ｌ、約６ｋＷ／Ｌ〜約１２ｋＷ／Ｌ、約６ｋＷ／Ｌ〜約１６ｋＷ／Ｌ、約９ｋＷ／Ｌ〜約１２ｋＷ／Ｌ、約９ｋＷ／Ｌ〜約１６ｋＷ／Ｌ、または約１２ｋＷ／Ｌ〜約１６ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００７９】
いくつかの実施形態では、電極の各々は、約１６μｍ〜約３２μｍの厚さを有する。
【００８０】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約０．２５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約１．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．２５Ｗｈ／Ｌ〜約０．５Ｗｈ／Ｌ、約０．２５Ｗｈ／Ｌ〜約０．７５Ｗｈ／Ｌ、約０．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１Ｗｈ／Ｌ、約０．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１．２５Ｗｈ／Ｌ、約０．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約０．７５Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約１Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約１．２５Ｗｈ／Ｌ、約０．５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１．２５Ｗｈ／Ｌ、約０．７５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．２５Ｗｈ／Ｌ、約１Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌ、または約１．２５Ｗｈ／Ｌ〜約１．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００８１】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約５ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約２０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約５ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約５ｋＷ／Ｌ〜約１０ｋＷ／Ｌ、約５ｋＷ／Ｌ〜約１５ｋＷ／Ｌ、約５ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷＬ〜約１５ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、または約１５ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００８２】
いくつかの実施形態では、電極の各々は、約３２μｍ〜約６０μｍの厚さを有する。
【００８３】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約０．１Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約０．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．１Ｗ／Ｌ〜約０．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．２Ｗｈ／Ｌ、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．３Ｗｈ／Ｌ、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌ、約０．１Ｗｈ／Ｌ〜約０．５Ｗｈ／Ｌ、約０．２Ｗｈ／Ｌ〜約０．３Ｗｈ／Ｌ、約０．２Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌ、約０．２Ｗｈ／Ｌ〜約０．５Ｗｈ／Ｌ、約０．３Ｗｈ／Ｌ〜約０．４Ｗｈ／Ｌ、約０．３Ｗｈ／Ｌ〜約０．５Ｗｈ／Ｌ、または約０．４Ｗｈ／Ｌ〜約０．５Ｗｈ／Ｌの容積エネルギー密度を有する。
【００８４】
いくつかの実施形態では、超伝導体は、少なくとも約７ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、最大約３０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約７ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。いくつかの実施形態では、超伝導体は、約７ｋＷ／Ｌ〜約１０ｋＷ／Ｌ、約７ｋＷ／Ｌ〜約１５ｋＷ／Ｌ、約７ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約７ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、約７ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約１５ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、約１０ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌ、約１５ｋＷ／Ｌ〜約２０ｋＷ／Ｌ、約１５ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、約１５ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌ、約２０ｋＷ／Ｌ〜約２５ｋＷ／Ｌ、約２０ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌ、または約２５ｋＷ／Ｌ〜約３０ｋＷ／Ｌの容積出力密度を有する。
【００８５】
本明細書で提示される別の態様は、酸化グラフェン膜を製造する方法であって、酸化グラフェンを分散させること；薄膜を介して酸化グラフェンを濾過して薄膜上に酸化グラフェン膜を形成すること；薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結鋳造すること；及び薄膜から酸化グラフェン膜を剥がすことを含む方法である。
【００８６】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約６μｍ〜約１６μｍ、約１６μｍ〜約３２μｍ、または約３２μｍ〜約６０μｍの厚さを呈する。
【００８７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェンは改変したＨｕｍｍｅｒの方法により合成している。
【００８８】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェンは、天然のグラファイトフレークから調製している。
【００８９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェンを分散させるプロセスは、流体中に酸化グラフェンを懸濁させること；及び懸濁している酸化グラフェンと酸の溶液を形成することを含み、流体は、水、蟻酸、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、メタノール、酢酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【００９０】
いくつかの実施形態では、流体中の酸化グラフェンの濃度は、少なくとも約１ｍｇ／ｍｌである。いくつかの実施形態では、流体中の酸化グラフェンの濃度は、最大約６ｍｇ／ｍｌである。いくつかの実施形態では、流体中の酸化グラフェンの濃度は、約１ｍｇ／ｍｌ〜約６ｍｇ／ｍｌである。いくつかの実施形態では、流体中の酸化グラフェンの濃度は、約１ｍｇ／ｍｌ〜約２ｍｇ／ｍｌ、約１ｍｇ／ｍｌ〜約３ｍｇ／ｍｌ、約１ｍｇ／ｍｌ〜約４ｍｇ／ｍｌ、約１ｍｇ／ｍｌ〜約５ｍｇ／ｍｌ、約１ｍｇ／ｍｌ〜約６ｍｇ／ｍｌ、約２ｍｇ／ｍｌ〜約３ｍｇ／ｍｌ、約２ｍｇ／ｍｌ〜約４ｍｇ／ｍｌ、約２ｍｇ／ｍｌ〜約５ｍｇ／ｍｌ、約２ｍｇ／ｍｌ〜約６ｍｇ／ｍｌ、約３ｍｇ／ｍｌ〜約４ｍｇ／ｍｌ、約３ｍｇ／ｍｌ〜約５ｍｇ／ｍｌ、約３ｍｇ／ｍｌ〜約６ｍｇ／ｍｌ、約４ｍｇ／ｍｌ〜約５ｍｇ／ｍｌ、約４ｍｇ／ｍｌ〜約６ｍｇ／ｍｌ、または約５ｍｇ／ｍｌ〜約６ｍｇ／ｍｌである。
【００９１】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１６μｍ〜約３２μｍの厚さを有する。
【００９２】
いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、少なくとも約０．５ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、最大約２ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、約０．５ｍｌ〜約２ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、約０．５ｍｌ〜約１ｍｌ、約０．５ｍｌ〜約１．５ｍｌ、約０．５ｍｌ〜約２ｍｌ、約１ｍｌ〜約１．５ｍｌ、約１ｍｌ〜約２ｍｌ、または約１．５ｍｌ〜約２ｍｌである。
【００９３】
いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、少なくとも約３ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、最大約１５ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、約３ｍｇ〜約１５ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、約３ｍｇ〜約６ｍｇ、約３ｍｇ〜約９ｍｇ、約３ｍｇ〜約１２ｍｇ、約３ｍｇ〜約１５ｍｇ、約６ｍｇ〜約９ｍｇ、約６ｍｇ〜約１２ｍｇ、約６ｍｇ〜約１５ｍｇ、約９ｍｇ〜約１２ｍｇ、約９ｍｇ〜約１５ｍｇ、または約１２ｍｇ〜約１５ｍｇである。
【００９４】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約１６μｍ〜約３２μｍの厚さを有する。
【００９５】
いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、少なくとも約１ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、最大約４ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、約１ｍｌ〜約４ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、約１ｍｌ〜約２ｍｌ、約１ｍｌ〜約３ｍｌ、約１ｍｌ〜約４ｍｌ、約２ｍｌ〜約３ｍｌ、約２ｍｌ〜約４ｍｌ、または約３ｍｌ〜約４ｍｌである。
【００９６】
いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、少なくとも約７ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、最大約３０ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、約７ｍｇ〜約３０ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、約７ｍｇ〜約１０ｍｇ、約７ｍｇ〜約１５ｍｇ、約７ｍｇ〜約２０ｍｇ、約７ｍｇ〜約２５ｍｇ、約７ｍｇ〜約３０ｍｇ、約１０ｍｇ〜約１５ｍｇ、約１０ｍｇ〜約２０ｍｇ、約１０ｍｇ〜約２５ｍｇ、約１０ｍｇ〜約３０ｍｇ、約１５ｍｇ〜約２０ｍｇ、約１５ｍｇ〜約２５ｍｇ、約１５ｍｇ〜約３０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約２５ｍｇ、約２０ｍｇ〜約３０ｍｇ、または約２５ｍｇ〜約３０ｍｇである。
【００９７】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜は、約３２μｍ〜約６０μｍの厚さを有する。
【００９８】
いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、少なくとも約２ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、最大約１０ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、約２ｍｌ〜約１０ｍｌである。いくつかの実施形態では、溶液中の懸濁している酸化グラフェンの体積は、約２ｍｌ〜約４ｍｌ、約２ｍｌ〜約６ｍｌ、約２ｍｌ〜約８ｍｌ、約２ｍｌ〜約１０ｍｌ、約４ｍｌ〜約６ｍｌ、約４ｍｌ〜約８ｍｌ、約４ｍｌ〜約１０ｍｌ、約６ｍｌ〜約８ｍｌ、約６ｍｌ〜約１０ｍｌ、または約８ｍｌ〜約１０ｍｌである。
【００９９】
いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、少なくとも約１５ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、最大約７０ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、約１５ｍｇ〜約７０ｍｇである。いくつかの実施形態では、溶液中の酸の質量は、約１５ｍｇ〜約３０ｍｇ、約１５ｍｇ〜約４５ｍｇ、約１５ｍｇ〜約６０ｍｇ、約１５ｍｇ〜約７０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約４５ｍｇ、約３０ｍｇ〜約６０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約７０ｍｇ、約４５ｍｇ〜約６０ｍｇ、約４５ｍｇ〜約７０ｍｇ、または約６０ｍｇ〜約７０ｍｇである。
【０１００】
いくつかの実施形態では、酸は弱酸を含み、弱酸はギ酸、クエン酸、酢酸、アスコルビン酸、リンゴ酸、酒石酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、シュウ酸、安息香酸、炭酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタを製造する方法は、溶液を振盪することをさらに含み、溶液を振盪することは激しく行う。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、溶液を振盪することは、少なくとも約１分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、溶液を振盪することは、最大約１０分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、溶液を振盪することは、約１分〜約１０分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、溶液を振盪することは、約１分〜約２分、約１分〜約４分、約１分〜約６分、約１分〜約８分、約１分〜約１０分、約２分〜約４分、約２分〜約６分、約２分〜約８分、約２分〜約１０分、約４分〜約６分、約４分〜約８分、約４分〜約１０分、約６分〜約８分、約６分〜約１０分、または約８分〜約１０分の期間にわたって生じる。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタを製造する方法は、酸化グラフェンを部分的に還元する工程をさらに含み、酸化グラフェンを部分的に還元する工程は、酸化グラフェンを濾過する工程の前に生じ、酸化グラフェンを部分的に還元する工程は、分散した酸化グラフェンを加熱することを含む。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、少なくとも約２５℃の温度で生じる。いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、最大約１００℃の温度で生じる。いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、約２５℃〜約１００℃の温度で生じる。いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、約２５℃〜約５０°Ｃ、約２５°Ｃ〜約７５°Ｃ、約２５°Ｃ〜約１００°Ｃ、約５０°Ｃ〜約７５°Ｃ、約５０°Ｃ〜約１００°Ｃ、または約７５°Ｃ〜約１００°Ｃの温度で生じる。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、少なくとも約１分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、最大約１００分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、約１分〜約１００分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、溶液を加熱することは、約１分〜約１０分、約１分〜約２０分、約１分〜約５０分、約１分〜約７５分、約１分〜約１００分、約１０分〜約２０分、約１０分〜約５０分、約１０分〜約７５分、約１０分〜約１００分、約２０分〜約５０分、約２０分〜約７５分、約２０分〜約１００分、約５０分〜約７５分、約５０分〜約１００分、または約７５分〜約１００分の期間にわたって生じる。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、薄膜は、セルロース、セルロースエステル、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、エッチングされたポリカーボネート、コラーゲン、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、薄膜は、少なくとも約０．１μｍの孔径を有する。いくつかの実施形態では、薄膜は、最大約０．５μｍの孔径を有する。いくつかの実施形態では、薄膜は、約０．１μｍ〜約０．５μｍの孔径を有する。いくつかの実施形態では、薄膜は、約０．１μｍ〜約０．２μｍ、約０．１μｍ〜約０．３μｍ、約０．１μｍ〜約０．４μｍ、約０．１μｍ〜約０．５μｍ、約０．２μｍ〜約０．３μｍ、約０．２μｍ〜約０．４μｍ、約０．２μｍ〜約０．５μｍ、約０．３μｍ〜約０．４μｍ、約０．３μｍ〜約０．５μｍ、または約０．４μｍ〜約０．５μｍの孔径を有する。
【０１０８】
いくつかの実施形態は、薄膜が可視の分散した酸化グラフェンを含有しなければ、濾過を終了することをさらに含む。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結鋳造する工程は、薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結すること、及び流体中に薄膜上の酸化グラフェン膜を浸漬することを含む。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結することは、液体窒素、ドライアイス、エタノールまたはそれらの任意の組み合わせによって行われる。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、凍結することは、少なくとも約１５分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、凍結することは、最大約６０分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、凍結することは、約１５分〜約６０分の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、凍結することは約１５分〜約２０分、約１５分〜約２５分、約１５分〜約３０分、約１５分〜約３５分、約１５分〜約４０分、約１５分〜約４５分、約１５分〜約５０分、約１５分〜約５５分、約１５分〜約６０分、約２０分〜約２５分、約２０分〜約３０分、約２０分〜約３５分、約２０分〜約４０分、約２０分〜約４５分、約２０分〜約５０分、約２０分〜約５５分、約２０分〜約６０分、約２５分〜約３０分、約２５分〜約３５分、約２５分〜約４０分、約２５分〜約４５分、約２５分〜約５０分、約２５分〜約５５分、約２５分〜約６０分、約３０分〜約３５分、約３０分〜約４０分、約３０分〜約４５分、約３０分〜約５０分、約３０分〜約５５分、約３０分〜約６０分、約３５分〜約４０分、約３５分〜約４５分、約３５分〜約５０分、約３５分〜約５５分、約３５分〜約６０分、約４０分〜約４５分、約４０分〜約５０分、約４０分〜約５５分、約４０分〜約６０分、約４５分〜約５０分、約４５分〜約５５分、約４５分〜約６０分、約５０分〜約５５分、約５０分〜約６０分、または約５５分〜約６０分の期間にわたって生じる。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結することは、垂直の浸漬によって行われる。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結することは、水平の浸漬によって行われる。
【０１１４】
いくつかの実施形態は、薄膜上の酸化グラフェン膜を融解することをさらに含む。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を融解することは、室温で生じる。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を融解することは、薄膜上の酸化グラフェン膜を凍結することの後に行われる。
【０１１７】
いくつかの実施形態は、薄膜上の酸化グラフェン膜を容器に移すことをさらに含む。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を容器に移すことは、薄膜上の酸化グラフェン膜を融解することの後に行われる。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、容器は、バイアル、カップ、ジャー、ボウル、皿、フラスコ、ビーカー、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、容器は、ガラス、プラスチック、金属、木材、炭素繊維、ガラス繊維、またはそれらの任意の組み合わせからなる。
【０１２１】
いくつかの実施形態は、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することをさらに含む。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、薄膜上の酸化グラフェン膜を融解することの後に行われる。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、薄膜上の酸化グラフェン膜を容器に移すことの後に行われる。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、少なくとも約５０℃の温度で生じる。いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、最大約２００℃の温度で加熱する。いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、約５０℃〜約２００℃の温度で生じる。いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、約５０°Ｃ〜約７５°Ｃ、約５０°Ｃ〜約１００°Ｃ、約５０°Ｃ〜約１２５°Ｃ、約５０°Ｃ〜約１５０°Ｃ、約５０°Ｃ〜約１７５°Ｃ、約５０°Ｃ〜約２００°Ｃ、約７５°Ｃ〜約１００°Ｃ、約７５°Ｃ〜約１２５°Ｃ、約７５°Ｃ〜約１５０°Ｃ、約７５°Ｃ〜約１７５°Ｃ、約７５°Ｃ〜約２００°Ｃ、約１００°Ｃ〜約１２５°Ｃ、約１００°Ｃ〜約１５０°Ｃ、約１００°Ｃ〜約１７５°Ｃ、約１００°Ｃ〜約２００°Ｃ、約１２５°Ｃ〜約１５０°Ｃ、約１２５°Ｃ〜約１７５°Ｃ、約１２５°Ｃ〜約２００°Ｃ、約１５０°Ｃ〜約１７５°Ｃ、約１５０°Ｃ〜約２００°Ｃ、または約１７５°Ｃ〜約２００°Ｃの温度で生じる。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、少なくとも約５時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、最大約３０時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を加熱することは、約５時間〜約３０時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、薄膜上の酸化グラフェン膜を約５時間〜約１０時間、約５時間〜約１５時間、約５時間〜約２０時間、約５時間〜約２５時間、約５時間〜約３０時間、約１０時間〜約１５時間、約１０時間〜約２０時間、約１０時間〜約２５時間、約１０時間〜約３０時間、約１５時間〜約２０時間、約１５時間〜約２５時間、約１５時間〜約３０時間、約２０時間〜約２５時間、約２０時間〜約３０時間、または約２５時間〜約３０時間の期間にわたって生じる。
【０１２６】
いくつかの実施形態では、流体は溶媒を含み、溶媒は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、プロピレンカーボネート、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、脱イオン水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、薄膜と部分的に還元したグラフェンとを浸漬することは、少なくとも約５時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、薄膜と部分的に還元したグラフェンとを浸漬することは、最大約３０時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、薄膜と部分的に還元したグラフェンとを浸漬することは、約５時間〜約３０時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、薄膜と部分的に還元したグラフェンとを浸漬することは、約５時間〜約１０時間、約５時間〜約１５時間、約５時間〜約２０時間、約５時間〜約２５時間、約５時間〜約３０時間、約１０時間〜約１５時間、約１０時間〜約２０時間、約１０時間〜約２５時間、約１０時間〜約３０時間、約１５時間〜約２０時間、約１５時間〜約２５時間、約１５時間〜約３０時間、約２０時間〜約２５時間、約２０時間〜約３０時間、または約２５時間〜約３０時間の期間にわたって生じる。
【０１２８】
いくつかの実施形態は、薄膜上の酸化グラフェン膜を断片に切断することをさらに含む。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜片は、少なくとも約０．５ｃｍ２の表面積を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜片は、最大約２ｃｍ２の表面積を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜片は、約０．５ｃｍ２〜約２ｃｍ２の表面積を有する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜片は、約０．５ｃｍ２〜約１ｃｍ２、約０．５ｃｍ２〜約１．５ｃｍ２、約０．５ｃｍ２〜約２ｃｍ２、約１ｃｍ２〜約１．５ｃｍ２、約１ｃｍ２〜約２ｃｍ２、または約１．５ｃｍ２〜約２ｃｍ２の表面積を有する。
【０１３０】
いくつかの実施形態は、酸化グラフェン膜を電解質に浸漬することをさらに含む。
【０１３１】
いくつかの実施形態では、電解質は水性であり、電解質は酸を含み、酸は強酸であり、強酸は過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、電解質は、少なくとも約０．５Ｍの濃度を有する。いくつかの実施形態では、電解質は、最大約２Ｍの濃度を有する。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．５Ｍ〜約２Ｍの濃度を有する。いくつかの実施形態では、電解質は、約０．５Ｍ〜約１Ｍ、約０．５Ｍ〜約１．５Ｍ、約０．５Ｍ〜約２Ｍ、約１Ｍ〜約１．５Ｍ、約１Ｍ〜約２Ｍ、または約１．５Ｍ〜約２Ｍの濃度を有する。
【０１３３】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜を浸漬することは、少なくとも約５時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜を浸漬することは、最大約３０時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜を浸漬することは、約５時間〜約３０時間の期間にわたって生じる。いくつかの実施形態では、酸化グラフェン膜を浸漬することは、約５時間〜約１０時間、約５時間〜約１５時間、約５時間〜約２０時間、約５時間〜約２５時間、約５時間〜約３０時間、約１０時間〜約１５時間、約１０時間〜約２０時間、約１０時間〜約２５時間、約１０時間〜約３０時間、約１５時間〜約２０時間、約１５時間〜約２５時間、約１５時間〜約３０時間、約２０時間〜約２５時間、約２０時間〜約３０時間、または約２５時間〜約３０時間の期間にわたって生じる。
【０１３４】
いくつかの実施形態は、金属箔に酸化グラフェン膜を配置することをさらに含み、金属箔は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ、金、水銀、またはそれらの任意の組合せを含む。
【０１３５】
以下の説明及び添付の図面と併せて考えると、本発明の他の目的及び利点をさらに認識及び理解するであろう。以下の説明は、本発明の特定の実施形態を説明する特定の詳細を含むことができるが、これは本発明の範囲を限定するものではなく、むしろ好ましい実施形態の例示として解釈するべきである。本発明の各態様について、当業者に知られている本明細書で示唆されるような多くの変形が可能である。本発明の精神から逸脱することなく、本発明の範囲内で種々の変更及び修正を行うことができる。
【０１３６】
本発明の新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に詳細に記載されている。本発明の特徴及び利点のより良い理解は、本発明の原理を利用する例示的な実施形態を説明している以下の詳細な説明、及び添付の図面（複数も可）を参照することによって得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】多孔質グラフェン膜の前還元、濾過及び凍結鋳造、例示的な水相の図及び例示的な断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像による多孔質グラフェン膜の形成の例示的な概略図を示す。
【図２】３次元（３Ｄ）多孔質還元型酸化グラフェン（ＲＧＯ）膜及びＲＧＯ膜におけるイオン及び電子の輸送の例示的な概略図を示す。
【図３】超伝導体の例示的なＲａｎｄｌｅｓ等価回路を示す。
【図４】溶媒凝固フロントと懸濁液中の粒子との間の界面自由エネルギーの例示的な概略図を示す。
【図５】対称的な２電極スーパーキャパシタの例示的な構造の概略図を示す。
【図６】異なる還元時間の、例示的な部分的に還元したＧＯ試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図７】種々の前還元時間の、例示的な３次元多孔質ＲＧＯ膜の断面ＳＥＭ画像を示す。
【図８】低倍率及び高倍率での例示的なＲＧＯ膜の断面ＳＥＭ画像を示す。
【図９】異なる負荷質量を有する例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の断面ＳＥＭ画像を示す。
【図１０】長期還元後の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のＳＥＭ画像、例示的な曲げられている３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の写真、及び例示的なグラフェン膜及び細孔の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。
【図１１】ＧＯシートの例示的な原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）画像を示す。
【図１２】例示的な高さ分布図及び例示的なライン走査プロファイルを示す。
【図１３】異なる還元処置の下でのＧＯ、前還元したＧＯ及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の例示的試料についてのＸ線回折（ＸＲＤ）のパターンを示す。
【図１４−１】ＧＯ、前還元したＧＯ及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての例示的なＸ線光電子分光（ＸＰＳ）Ｃ１ｓ移行プロファイルを示す。
【図１４−２】ＧＯ、前還元したＧＯ及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての例示的なＸ線光電子分光（ＸＰＳ）Ｃ１ｓ移行プロファイルを示す。
【図１５】例示的なＧＯ、前還元したＧＯ及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のラマンスペクトルを示す。
【図１６】２電極測定システムの例示的な概略図を示す。
【図１７−１】Ｉ−Ｖ曲線を示し、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜、部分的に還元したＧＯ膜及びＧＯ膜の導電率値の比較を示す。
【図１７−２】Ｉ−Ｖ曲線を示し、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜、部分的に還元したＧＯ膜及びＧＯ膜の導電率値の比較を示す。
【図１８】例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のひずみ−応力曲線を示す。
【図１９−１】１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質中の例示的なＲＧＯ膜スーパーキャパシタのサイクリックボルタンメトリープロファイル、及び放電電流の電圧走査速度に対する依存性を示す。
【図１９−２】１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質中の例示的なＲＧＯ膜スーパーキャパシタのサイクリックボルタンメトリープロファイル、及び放電電流の電圧走査速度に対する依存性を示す。
【図２０−１】サイクリックボルタンメトリープロファイル、及び１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質中の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜スーパーキャパシタの電圧走査速度に対する放電電流の依存性を示す。
【図２０−２】サイクリックボルタンメトリープロファイル、及び１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質中の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜スーパーキャパシタの電圧走査速度に対する放電電流の依存性を示す。
【図２１−１】１．０ＭのＨ２ＳＯ４電解質中の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての異なる走査速度でのサイクリックボルタンメトリープロファイル、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜と例示的なＲＧＯ膜ベースのスーパーキャパシタとの性能の比較を示す。
【図２１−２】１．０ＭのＨ２ＳＯ４電解質中の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての異なる走査速度でのサイクリックボルタンメトリープロファイル、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜と例示的なＲＧＯ膜ベースのスーパーキャパシタとの性能の比較を示す。
【図２１−３】１．０ＭのＨ２ＳＯ４電解質中の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての異なる走査速度でのサイクリックボルタンメトリープロファイル、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜と例示的なＲＧＯ膜ベースのスーパーキャパシタとの性能の比較を示す。
【図２１−４】１．０ＭのＨ２ＳＯ４電解質中の例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての異なる走査速度でのサイクリックボルタンメトリープロファイル、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜と例示的なＲＧＯ膜ベースのスーパーキャパシタとの性能の比較を示す。
【図２２−１】例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯの比較をするサイクリックボルタンメトリー曲線、様々な電流密度で異なる質量負荷を有する例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の質量及び面積容量、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタについての容積出力密度対エネルギー密度のＲａｇｏｎｅ線図を示す。
【図２２−２】例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯの比較をするサイクリックボルタンメトリー曲線、様々な電流密度で異なる質量負荷を有する例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の質量及び面積容量、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタについての容積出力密度対エネルギー密度のＲａｇｏｎｅ線図を示す。
【図２３】１００Ａ／ｇの電流密度での例示的なＲＧＯ膜及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のガルバノスタット充放電プロファイルを示す。
【図２４】異なる時間アスコルビン酸による前還元に曝された後のＧＯ分散液の例示的な図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０１３８】
本明細書では、改善された性能を有するグラフェン材料、製造プロセス及びデバイスを提示する。いくつかの実施形態で、本開示は、グラフェン材料及びその製造プロセスを含むスーパーキャパシタを提示している。このようなスーパーキャパシタにより、現在のエネルギー貯蔵技術の欠点を回避することができる。本開示のスーパーキャパシタは、１つ以上のスーパーキャパシタセルを含むことができる。スーパーキャパシタは、電解質を含むセパレータによって分離された正極及び負極を含むことができる。正極は、放電中カソードとすることができる。陰極は、放電中アノードとすることができる。いくつかの実施形態では、複数のスーパーキャパシタセルをパック内に配置（例えば、相互接続）することができる。
【０１３９】
本明細書で、スーパーキャパシタデバイス及びその製造方法を提示している。スーパーキャパシタデバイスは、電気化学デバイスであってもよい。スーパーキャパシタデバイスは、高エネルギー及び／または出力密度のために構成することができる。本開示のスーパーキャパシタデバイスは、３次元（３Ｄ）の階層的な多孔質膜（複数可）からなる電極を含むことができる。本開示のスーパーキャパシタデバイスは、相互接続されたデバイスを備えることができる。
【０１４０】
本明細書では、グラフェンを３次元の階層的な多孔質電極膜に調製し処理するための方法、デバイス及びシステムを提示している。いくつかの実施形態は、制御された多孔率及び広い表面積を有する電極膜を製造するためのシステム及び方法を提示する。いくつかの実施形態は、部分的に還元した酸化グラフェンの濾過及び凍結鋳造によって３Ｄの階層的な多孔質膜を製造するためのシステム及び方法を提示する。本明細書に記載のプロセスは、酸化グラフェンの製造（または合成）；還元型酸化グラフェンの製造（または合成）；及び／または３次元還元型酸化グラフェンの製造（または合成）を含み得る。
【０１４１】
本明細書に記載している開示の様々な態様は、以下に記載している特定の用途のいずれかに適用しても、他のいずれかのタイプの製造、合成または処理の設定で適用してもよい。材料の他の製造、合成または処理は、本明細書に記載している特徴から等しく利益を得ることができる。例えば、本明細書の方法、デバイス及びシステムは、様々な形態の酸化グラフェンの製造（または合成）に有利に適用することができる。本発明は、独立型の方法、デバイスまたはシステムとして、または一体型の製造または材料（例えば、化学物質）処理システムの一部として適用することができる。本発明の様々な態様は、個別に、集合的に、または互いに組み合わせて認識できることを理解されたい。
【０１４２】
本発明の態様は、各々が３次元の階層的な多孔質膜（複数可）からなる１本以上の電極と、電極の間に配置された電解質とを含むスーパーキャパシタデバイスを提示している。
【０１４３】
ここで図面を参照する。図面及びその中の特徴は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを認識されよう。本明細書で参照する概略図、画像、公式、チャート及びグラフは、製造された例示的なデバイスを表す。それは、本明細書に記載している例示的な方法で製造するデバイスの外観、特性及び機能性を表すものとして役立つ。
【０１４４】
デバイスの能力
本開示のエネルギー貯蔵デバイス（例えば、スーパーキャパシタ）は、市場で入手可能なスーパーキャパシタ（例えば、１〜１０ｋＷ／ｋｇの出力密度を有するスーパーキャパシタ）よりも少なくとも約１．５、２、５、１０、２０、５０、１００、２００または３００倍大きい出力密度を有することができる。本開示のエネルギー貯蔵デバイス（例えば、スーパーキャパシタ）は、市場で入手可能なスーパーキャパシタ（例えば、サイクル安定性または５００サイクルのサイクル寿命のスーパーキャパシタ）より少なくとも約１．５、２または２．５倍大きいサイクル安定性またはサイクル寿命を有することができる。例えば、本開示のエネルギー貯蔵デバイス（例えば、スーパーキャパシタ）は、競合する技術の５００のみのサイクルに比べて、電子デバイス（複数可）を２倍の長さ動作させることができ、５０００サイクル超使用することができる。
【０１４５】
本明細書に記載しているスーパーキャパシタは、１つまたは複数の用途または領域において重要な役割を果たすことができる。例えば携帯式電子装置（例えば、携帯電話、コンピュータ、カメラなど）、医療機器（例えば、生命維持及び生活向上医療機器、例えばペースメーカ、除細動器、補聴器、疼痛管理装置、薬物ポンプ）、電気自動車（例えば、電気自動車産業を改善するために必要な、寿命の長いエネルギー貯蔵デバイス）、宇宙（例えば、エネルギー貯蔵デバイスは、ローバー、ランダー、宇宙服及び電子機器を含む宇宙システムに電力を供給すべく宇宙で使用することができる）、軍用エネルギー貯蔵デバイス（例えば、軍隊が多数の電子装置及び設備に電力を供給するために特別なエネルギー貯蔵デバイスを使用する；本明細書に記載の低減した質量／体積のエネルギー貯蔵デバイスは非常に好ましい）、電気航空機（例えば、電気が太陽電池またはエネルギー貯蔵デバイス由来で、内燃機関ではなく電気モータで動作する航空機）、グリッドスケールのエネルギー貯蔵（例えば、エネルギー貯蔵デバイスは、（発電所からの）生産量が消費量を超えるときに、電気エネルギーを貯蔵するために使用でき、消費量が生産量を超過したときに貯蔵エネルギーを使用することができる）、再生可能エネルギー（例えば、太陽が夜間に輝かず、風が常には吹かないので、グリッド以外の電力システムのエネルギー貯蔵デバイスは、日没後及び風が吹いていない時間の間、使用するために再生可能エネルギー源からの余剰電力を貯蔵することができる；高出力エネルギー貯蔵デバイスは、現在の最先端のエネルギー貯蔵デバイスよりも高い効率で太陽電池からエネルギーを集めることができる）、電動工具（例えば、本明細書に記載のエネルギー貯蔵デバイスは、ドリル、スクリュードライバ、ソー、レンチ、グラインダなどのコードレスの電動工具を急速充電することができる；現在のエネルギー貯蔵デバイスは、再充電時間が長い）、またはそれらの任意の組合せが挙げられる。
【０１４６】
エネルギー貯蔵デバイス
本開示のエネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１本の電極（例えば、正極及び負極）を含むことができる。本開示のグラフェン材料は、正極（放電中のカソード）、負極（放電中のアノード）または両方に設けることができる。特定の実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスはスーパーキャパシタであってもよい。
【０１４７】
いくつかの実施形態で、他に電気化学キャパシタとも呼ばれるスーパーキャパシタは、通常のキャパシタよりも、はるかに高い容量を有するソリッドステートのエネルギー貯蔵デバイスであり、１００倍から１０００倍高速で充電することができる。いくつかのスーパーキャパシタは、１０ｋＷ／ｋｇ、現在のリチウムイオンバッテリの１０倍を超える出力密度を含むことができる。充電と放電の速度が化学反応によって制限される可能性があるバッテリとは異なり、スーパーキャパシタは、高い可逆的なイオン吸収及び／または酸化還元反応によって電荷を蓄え、それによってエネルギーを迅速に捉えて送ることができる。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、高出力密度及び優れた低温性能を示すことができ、したがって、携帯式電子デバイス、医療機器、バックアップ電源デバイス、フラッシュ付きカメラ、工場、回生制動システム及びハイブリッド電気自動車などの用途におけるエネルギー貯蔵リソースとしていっそう使用されるようになっている。現在のスーパーキャパシタの中には、エネルギー密度の大幅な向上を示しているものもあるが、これらのデバイスは、経時的に電力及び／またはサイクル能力を喪失する可能性がある。特に、新しくスマートな電気グリッドの負荷を平準化する、フラッシュ付き充電電子装置及び電気自動車の迅速な加速など、限られた時間に大量のエネルギーを入力または出力する必要のある状況では、高い出力密度が注目を集め続ける可能性がある。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは可撓性があり、壊れたり劣化したりすることなく、ある範囲の動きにわたって曲げる（ｂｅｎｄ、ｆｌｅｘ）ことができる。フレキシブル回路としても知られているこのようなフレキシブルエレクトロニクスは、フレキシブル基板に取り付けられた、または印刷された電子回路で構成されて、携帯式及び頑丈な製品を製造することができる。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、イオン透過性膜（セパレータ）によってそれぞれ分離された２本以上の電極と、電極をイオンで接続する電解質とからなり、電解質中のイオンは、印加した電圧により電極が分極されたときに、電極の極性に対して反対の極の電気の二重層を形成する。
【０１５１】
スーパーキャパシタは、電荷蓄積のメカニズムに応じて、酸化還元スーパーキャパシタと電気二重層キャパシタの２つの主要なカテゴリに分けることができる。さらに、スーパーキャパシタは、対称で同一の電極であっても、非対称で類似していない電極であってもよい。
【０１５２】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタ電極は、活性材料及び／または基板を含むことができる。スーパーキャパシタ電極の活性材料は、遷移金属酸化物、導電性ポリマー、高表面炭素またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。活性材料は、典型的には多孔質であり、したがって脆弱で貧弱な導体であるので、基板または集電体は、スーパーキャパシタの抵抗を減少させるための支持構造及び導電路として使用できる。集電体は、炭素布シリコン、金属酸化物、ガリウム砒素、ガラス、鋼、ステンレス鋼、またはそれらの任意の組み合わせからなるのでもよい。いくつかのスーパーキャパシタの電極コレクタは、応力を受けて曲がるように設計できる。電子がセル内の活性材料を離れて酸化が生じる電気化学セルの電極は、アノードと呼ばれることがある。電子がセル内の活性材料に入り、還元が生じる電気化学セルの電極は、カソードと呼ばれることがある。各電極は、セルに流れる電流の方向に応じて、アノードまたはカソードのいずれかになり得る。
【０１５３】
いくつかの実施形態では、電極の材料は、スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵性能に強く影響し得る。広い表面積を有する電極の材料により、電荷量及び電荷蓄積速度の増加が可能になる。現在利用可能なスーパーキャパシタの中には、活性炭電極が限られた微孔構造を含んでいることから、出力密度が限られているものがある。高いエネルギー密度を有するスーパーキャパシタデバイス用の制御可能な孔径、電子伝導率、及び負荷質量を有する電極にはニーズがあり、それが現在満たされていないのである。
【０１５４】
いくつかの実施形態では、電極はグラフェン、つまり高い導電率、高い表面積対重量比、及び広い安定した電位窓を呈し得る炭素の１原子の薄い２次元フレークからなる。グラフェン膜、つまり別にグラフェン・ペーパーとも呼ばれるグラフェンの重要な巨視的構造は、ブレードコーティング、スプレーコーティング、層状の組立て、界面自動組立て、濾過組立てまたはそれらの任意の組み合わせを含む複数の方法によって製造することができる。しかし、現在のグラフェン膜製造方法に固有のせん断応力、界面張力または真空圧縮方法は頻繁に、２次元の層状グラフェンシートを再度積層して、ラメラ微小構造がグラフェンフレークよりも小さい表面積を呈する高密度な層状グラフェン膜を形成し得る。現在の方法によって製造された高密度層状グラフェン膜は、効果的な電気化学的動態プロセスでイオン緩衝リザーバ及び高速イオン輸送チャネルとして機能する、十分に開いた連続した階層構造の細孔を欠いている可能性がある。したがって、高密度層状グラフェン膜を使用するスーパーキャパシタデバイスは、低出力密度及び長い充電時間を含む低い電気容量性能を呈することがある。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタ内に３Ｄ階層的多孔質膜を適用すると、高出力密度を有するスーパーキャパシタが得られる可能性がある。図２Ａ〜図２Ｂに示す概略図は、例示的なＲＧＯ膜と比較して、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のイオン拡散が容易になり、電子輸送抵抗が最小化することを示している。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の独自な特性により、スーパーキャパシタ電極としての優れた性能が実現できる。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタデバイスは電解質を含む。電解質は、例えば、水性、有機、及び／またはイオン液体ベースの電解質を含み得る。電解質は、液体であっても、固体であっても、ゲルであってもよい。いくつかの実施形態では、グラフェン電極を有するスーパーキャパシタの性能は、グラフェンシート間の不可逆的なｎ−ｎの積層を防止する有効な「スペーサ」として役立ち得る不揮発性の液状電解質を使用することによって改善し得る。
【０１５６】
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスはセパレータを含むことができる。例えば、エネルギー貯蔵デバイスは、ポリエチレンのセパレータ（例えば、超高分子量ポリエチレンセパレータ）を含むことができる。セパレータの厚さは、約１６μｍ、１５μｍ、１４μｍ、１３μｍ、１２μｍ、１１μｍ、１０μｍ、９μｍまたは８μｍ（例えば、約１２±２．０μｍ）以下を有し得る。セパレータは、所定の透過性を有していてもよい。セパレータは、約１５０ｓｅｃ／１００ｍｌ、１６０ｓｅｃ／１００ｍｌ．１７０ｓｅｃ／１００ｍｌ、１８０ｓｅｃ／１００ｍｌ、１９０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２００ｓｅｃ／１００ｍｌ、２１０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２２０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２３０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２４０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２５０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２６０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２７０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２８０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２９０ｓｅｃ／１００ｍｌ、または３００ｓｅｃ／１００ｍｌ（例えば、１８０±５０ｓｅｃ／１００ｍｌ）以上の透過性（例えば、ガーレータイプ）を有してもよい。あるいは、セパレータは、約１５０ｓｅｃ／１００ｍｌ、１６０ｓｅｃ／１００ｍｌ．１７０ｓｅｃ／１００ｍｌ、１８０ｓｅｃ／１００ｍｌ、１９０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２００ｓｅｃ／１００ｍｌ、２１０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２２０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２３０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２４０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２５０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２６０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２７０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２８０ｓｅｃ／１００ｍｌ、２９０ｓｅｃ／１００ｍｌｏｒ３００ｓｅｃ／１００ｍｌ未満の透過性（例えば、ガーレータイプ）を有してもよい。セパレータは、所定の多孔率を有していてもよい。セパレータは、約３５％、４０％、４５％または５０％（例えば、４０±５％）以上の多孔率を有することができる。あるいは、セパレータは、約３５％、４０％、４５％または５０％未満の多孔率を有することができる。セパレータは、所定のシャットダウン温度（例えば、シャットダウン温度より上では、セパレータが正常に機能しないことがある）を有することができる。いくつかの実施形態では、セパレータは、約１５０℃、１４０℃、１３０℃、１２０℃、１１０℃または１００℃以下のシャットダウン温度（実際）を有することができる。いくつかの実施形態では、セパレータは、約１３０℃〜１５０℃、１３０℃〜１４０℃、または１３６℃〜１４０℃のシャットダウン温度（ＤＳＣ）を有することができる。
【０１５７】
図５は、第１の集電体５０１、第１の電極５０２、電解質５０３、セパレータ５０４、第２の電極５０５及び第２の集電体５０６を含む例示的なスーパーキャパシタのアーキテクチャを概略的に示す。図５における例示的な説明で、第１の電極５０２はカソードとして機能し、第２の電極５０５はアノードとして機能する。
【０１５８】
スーパーキャパシタ電極の形成方法
図１は、酸化グラフェン（ＧＯ）の分散１０１、ＧＯの部分的前還元１０２、還元したＧＯの濾過１０３、及び凍結鋳造の工程を含む多孔質グラフェン膜１０５の形成を概略的に示す。水相の図は、異なる処置の間の水溶液の状態及び例示的な多孔質グラフェン膜の典型的な断面ＳＥＭ画像を示す。
【０１５９】
いくつかの実施形態では、酸化グラフェン（ＧＯ）は、多孔質グラフェン膜を製造するための前駆体として、低コストでグラファイトから大量に製造することができる。図１１は、ＧＯシートの例示的な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像を示し、図１２Ａ〜図１２Ｂは、図１１の例示的なＡＦＭ画像から得た例示的な高さ分布図及びライン走査のプロファイルを示すが、ＧＯシートは数マイクロメートルの厚さであってよく、典型的には約１．２ｎｍの厚さである。
【０１６０】
いくつかの実施形態では、ＧＯ単分子層は、官能基及び吸着分子の存在に起因して、グラフェンの理想的な単分子層（厚さ約０．３４ｎｍ）よりも大きい、約１〜１．４ｎｍの厚さを呈している。官能基により、ＧＯが強度の親水性になり、負に帯電することができるので、単一層のＧＯシートは、水溶液中に均一に分散１０１し得る。
【０１６１】
グラフェン膜内の細孔の階層構造を形成するために凍結鋳造する前の前還元工程１０２の必要条件は、ＧＯの２つの特性から生じ得る。第１に、３Ｄマイクロゲル構造は、濾過組立て中のＧＯシートの凝集に効果的に抵抗し、水の凝固のための十分な空間を残し得る。対照的に、濾過された２ＤのＧＯシートの簡素な構成は、凍結処置中の再分散を妨害する可能性がある。第２に、ＧＯシートをマイクロゲルに成長させる間に、粒子サイズが増大する可能性があり、２Ｄのラメラシートが３Ｄマイクロネットワークになる可能性がある。一体的な多孔質グラフェン膜に組み立てるために、凍結中に前進する凝固フロントから懸濁液中のＧＯ粒子が拒絶されることが可能になる。ＧＯ粒子が凝固フロントにより拒絶される熱力学的条件は、界面の自由エネルギーが以下の基準を満たすことである：
【数１】
2019507081.tif 000003
式中、σＳＰ、σＬＰ及びσＳＬは、それぞれ固体（氷）粒子（前還元したＧＯマイクロゲルまたはＧＯシート）、液体（水）粒子及び固液界面に関連する界面自由エネルギーである。図４Ａ〜図４Ｂに示すように、サイズの増加及び形態的な変化により、ＧＯ粒子と固相との間の接触界面面積が減少し、液相と固相との接触界面面積がより大きくなり、場合によってσＳＰが増大し、σＳＬが低下する可能性がある。さらに、濾過組立てプロセスは、懸濁液の粒子の密度を上昇させてパーコレーション閾値に近づけ、凍結鋳造プロセスの間に連続的な３Ｄ多孔質ネットワークを形成するのに、有用な方法とすることができる。
【０１６２】
例示的な方法では、図６Ａ〜図６Ｄ、及び図２４に示すように、前還元したラメラ酸化グラフェンシート６０１、６０２、６０３、６０４は、それぞれ５分、１０分、２０分、３０分の前還元した時間で、部分的に還元したＧＯマイクロゲルに徐々に変換される。
【０１６３】
真空濾過１０３は、その容易な操作に起因して、グラフェンまたはグラフェンベースの膜を調製するための一般的な方法である。濾過方法の利点の１つは、分散液の体積を調整することで、濾過された状態の膜の厚さ及び質量負荷を制御する際に、利便性があることである。
【０１６４】
図１の例示的な方法によれば、前還元したＧＯ分散液を濾過１０３した後、膜を液体窒素に浸漬させて、マイクロゲルの内部及び間で水分子を凝固させ、そのとき連続した氷結晶が形成され、前還元したＧＯネットワークに成長し得る。前還元したＧＯシートは、前進する凝固フロントから拒絶され、成長する氷結晶の空隙の間に収集され得る。この枠組みは、凝固した氷結晶に変化する液状水の９％の正の凝固体積膨張に対応することが可能である。
【０１６５】
いくつかの実施形態では、凍結鋳造は、懸濁液の結晶化を制御し、規則的な階層的多孔質アーキテクチャを誘導する、多目的で、容易に利用可能で、安価な溶液−相技術であり得る。いくつかの実施形態では、凍結鋳造は相分離プロセスであり、液状懸濁液が凍結すると、自発的な相分離により分散粒子が溶媒結晶間の空間に集まり、続いて凝固した凍結溶媒テンプレートの減圧下における昇華が、細孔が溶媒結晶のレプリカとなる３次元のネットワークを作出する。
【０１６６】
ＧＯ分散液を直接凍結鋳造すると、ランダムに配向した多孔質の脆いモノリスに至るだけである。ＧＯ粒子のサイズ、形状、密度及びサイズの分散を含む複数のパラメータは、溶液との相互作用及び反応に影響を及ぼすことがあり、凍結処置の凝固動力学及び結果として得られる細孔構造を変える可能性がある。懸濁液中のＧＯ粒子の一部のみが、特定のパーコレーション閾値を達成し、連続した３Ｄ多孔質ネットワークを形成すべく凍結プロセス中に「捕捉される」ようになる。したがって、ＧＯ粒子のサイズ、形状、及びサイズの分散を調整するための前還元工程１０２、及び濾過工程１０３を導入すると、パーコレーション閾値を達成することができる分散液の密度を増加させることができる。
【０１６７】
凝固した氷結晶の形態は、最終的なグラフェン膜の多孔質特性を大きく左右することがある。ハイドロ膜の完全な凝固が達成されると、氷結晶が存在する場所に細孔が形成され得る。最終的に、例示的な方法によれば、引き続くより高温の長期間の還元が、前還元したＧＯゲル間の結合を強化し、還元の程度をさらに増加させ得る。
【０１６８】
本明細書に記載される２次元グラフェンシートの組立ては、単純なベンチトップ化学を用いて実行でき、従来型のスーパーキャパシタの組立てに必要なバインダ、導電性添加剤を必要とせずに、スーパーキャパシタで使用できるセル式グラフェン膜を含む電極を形成することができる。
【０１６９】
本明細書に記載している例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、高出力密度のスーパーキャパシタ電極の主な要件を満たすことができる。開いていて接続されている細孔により、高速の電解質イオン輸送と、電気二重層を形成するための自由に利用可能なグラフェンの表面とが得られる。高い導電性と頑丈な機械的強度は、外部の負荷へ電子を輸出する際の高い効率を保証することができる。さらに、これらの例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯネットワークは、制御可能な濾過プロセスに起因して、それらの負荷質量及び／または厚さをさらに拡大することができる。
【０１７０】
デバイスの特性
図７Ａ〜図７Ｄは、それぞれ５分、１０分、２０分及び３０分前に前還元した例示的な還元型ＧＯの３Ｄ多孔質グラフェン膜７０１、７０２、７０３、７０４のＳＥＭ画像を示す。
【０１７１】
図８Ａ〜図８Ｂは、例示的な還元したＧＯ３Ｄ多孔質グラフェン膜の低倍率及び高倍率ＳＥＭ画像をそれぞれ示すが、一方で例示的なＲＧＯ膜は、積層のラメラグラフェンシートからなる。
【０１７２】
図１０Ａは、低倍率での例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜１００１の典型的な断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を提示し、約１２．６μｍの均一な厚さを有する連続した開いたネットワークを示し得る。ハニカム様構造は、細孔が氷結晶のレプリカであることを示し得る。図１０Ａ〜図１０Ｄの高倍率ＳＥＭ画像に示すように、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜１００１の孔径は数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲であり、細孔壁はグラフェンシートの薄層からなり、これは図１０Ｅによる例示的な透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の結果と一貫性がある。図１０Ｅ及び図１０Ｆの例示的なＴＥＭ画像はまた、数十ナノメートルの厚さのグラフェン壁の表面上に積層したいくつかのくぼんだ５〜１０ｎｍのグラフェンシートを示す。これは、おそらくは、分散させた前還元したＧＯシートを、凍結プロセス中に形成された氷結晶間の空隙に押し込む、凝固フロントからの拒絶に起因する。図１０Ｇ及び図１０Ｈの例示的な明瞭な格子縞、及び例示的な典型的な６回対称回折パターンは、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜１００１のほぼ完全な還元についてのさらなる証拠を提示することができる。還元プロセスは、膜の電気的特性の顕著な変化に関連し得る。
【０１７３】
電気化学的性能の増した例示的なスーパーキャパシタデバイスは、分散液の体積を増加させて負荷質量を増加させることで調製した。図９Ａ〜図９Ｂによると、断面ＳＥＭ画像に見られるように、例示的な調製されたままの高負荷質量膜は、厚さが２０．４μｍ、すなわち負荷の２倍、及び４４．７μｍ、つまり負荷の５倍の増加量に増加するとき、その特に多孔質の微小構造を維持し得る。
【０１７４】
ＧＯの図１３による例示的なＸ線回折（ＸＲＤ）のパターンは、２θ＝１１．７°における強いピークを特徴とする。例示的な前還元したＧＯは、１０．８°での「ＧＯ」ピークの強度の著しい低下、及び２４°での広範なピークの発現を呈する。それは、ＧＯの部分的な還元及び伸長したグラフェンシートの作出を示し得る。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のＸＲＤパターンは、主に広範な「グラフェン」ピークからなり、これは、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の高度の還元が生じたことを示唆している。図１４Ａ〜図１４ＣによるＸＰＳ  Ｃ１ｓスペクトルは、図１３の例示的な結果を確証するものであり、酸素含有基Ｃに対応するピークにおいて、また図１５によるラマン分光におけるＤピークとＧピークの強度比によって、変化は観察される。
【０１７５】
図１７Ａ〜図１７Ｄは、例示的なＧＯ膜、前還元したＧＯ膜、及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のＩ−Ｖ導電率試験を示す。例示的なＧＯ膜は、非線形で非対称な挙動を呈し、ゲート電圧に依存してｘからｙの範囲の特異的な導電率値を有する。例示的な前還元したＧＯ膜は、約１０．３Ｓ／ｍの安定した導電率を有するより線形で対称なＩ−Ｖ曲線を示す。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のＩ−Ｖ曲線は、概ね線形であり、これは、約１，９０５Ｓ／ｍの高い導電率に関連し得る。したがって、製造されたグラフェン膜は、高性能スーパーキャパシタ電極として有望である可能性がある。
【０１７６】
図２１Ａ、図２０Ａ〜図２０Ｄに示される０．２〜２０Ｖ／ｓの走査速度で得られたサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線は、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極が、２０Ｖ／秒の非常に高い走査速度であっても、その矩形形状及び高い電流密度を保持することを実証している。ＣＶ曲線の矩形の性質は、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜についての良好な電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）挙動を示し得る。
【０１７７】
図１９Ａ〜図１９Ｄ、図２０Ａ〜図２１Ｄ、及び図２１ＢによるＣ−Ｖ曲線、及び図２３のガルバノスタット充放電曲線は、例示的なＲＧＯ膜と比較した場合、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の顕著な電気化学的性能の向上を示すことができる。１，０００ｍＶ／ｓの高速走査速度でのＣＶ曲線のより矩形の形状、及び１００Ａ／ｇの高電流密度でのガルバノスタット充放電曲線のより三角形の形状は、より優れた容量性能、及び例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の電解質イオン輸送を示し得る。また、ＣＶ曲線の面積が大きく放電時間が長いほど、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極のより高い容量が決定され得る。高速走査速度までの走査速度における放電電流の高い線形依存性（Ｒ２＝０．９９８６）は、例示的な多孔質ＲＧＯ電極の超高出力能力を示し得る。これらの２つの例示的なスーパーキャパシタ電極の活性材料に基づいた特殊な容量は、ガルバノスタット充放電のデータに由来し、図２１Ｃにまとめている。
【０１７８】
例示的な多孔質の高負荷質量膜の中での高い導電性及び優れたイオン輸送のために、図２２ＡのＣＶ曲線は、走査速度を１．０Ｖ／ｓまで増加させた場合でもその矩形の形状を維持する。電流密度は、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の負荷質量が増加するにつれて、著しく増加する。その結果、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の質量容量は、図２２Ｂによるとそれぞれ２倍及び５倍の質量負荷で、６．６％（２６５．５Ｆ／ｇまで）及び１５％（２４１．５Ｆ／ｇまで）だけ減少した。一方、面積容量は、図２２Ｃによると、それぞれ５６．８ｍＦ／ｃｍ２〜１０９ｍＦ／ｃｍ２及び２４６ｍＦ／ｃｍ２に増加する。
【０１７９】
例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、約１Ａ／ｇの電流密度で約２８４．２Ｆ／ｇの超高質量容量を呈し、電流密度を５００Ａ／ｇに増加させたとき初期の容量の約６１．２％（１７３．８Ｆ／ｇ）を保持した。対照的に、例示的なＲＧＯは、１Ａ／ｇで１８１．３Ｆ／ｇの質量容量及び５００Ａ／ｇで２７．８％（５０．４Ｆ／ｇ）のみの容量保持を有していた。図２１Ｃは、２５Ａ／ｇの電流における１０，０００回の充放電サイクル中の例示的電極のサイクル安定性を示す。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、図２１Ｄの例示的なＲＧＯ膜によって示される８６．２％と比較して、９７．６％の容量保持を呈した。
【０１８０】
さらに、図１８によると、それらの高度に多孔質の微細構造にもかかわらず、調製されたままの例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、約１８．７ＭＰａの良好な引張強さを呈し、これは多孔質グラフェン膜についての以前の報告よりも高い。
【０１８１】
計算方法
２電極システムにおけるスーパーキャパシタ（Ｃｃｅｌｌ）の容量は、以下を使用して、異なる電流密度でのそのガルバノスタット充放電曲線から計算される：
【数２】
2019507081.tif 000004
式中、ｉｄｉｓｃｈａｒｇｅは放電電流であり、ｔは放電時間であり、Ｖの電位範囲は、ＪＲ降下を除いた放電時の電圧降下であり、ｄＶ／ｄｔは、放電曲線の勾配（ボルト／秒、Ｖ／ｓ）である。
【０１８２】
あるいは、Ｃｃｅｌｌは、以下の式を用いて、放電電流（ｉ）対電位（Ｖ）のプロットを積分することによって、ＣＶ曲線から計算することができる：
【数３】
2019507081.tif 000005
式中、ｉは負のＣＶ曲線の電流であり、ｖは走査速度であり、Ｖ（Ｖ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）は電位窓を表す。
【０１８３】
単一電極活性材料の比容量は、それらの質量と面積または体積に基づいて計算した。対称的な２電極スーパーキャパシタは直列の２つの等価な単一電極キャパシタからなるので、２本の電極の総容量及び正及び負の電極の容量は、以下の式を使用して計算することができる：
【数４】
2019507081.tif 000006
【０１８４】
したがって、Ｃｐｏｓｉｔｉｖｅ＝Ｃｎｅｇａｔｉｖｅ＝２Ｃｃｅｌｌである。
【０１８５】
さらに、単一電極の質量及び体積は、２電極システムの総質量及び総体積の半分を占める（Ｍｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＝１／２Ｍｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ、Ｖｓｉｎｇｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＝１／２Ｖｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）。単一の電極の面積は、以下の式に従って算出された活性材料の比容量を有する２電極システム（Ｓｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＝Ｓｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）の面積に等しい：
【数５】
2019507081.tif 000007
【０１８６】
同様に、２電極システムの比容量は、次の式に従って、２本の電極の質量及び面積または体積に基づいて計算される：
【数６】
2019507081.tif 000008
【０１８７】
したがって、
【数７】
2019507081.tif 000009
【０１８８】
活性物質の質量及び面積または体積に基づく電極膜の比エネルギー密度は、以下の式から得られる：
【数８】
2019507081.tif 000010
式中、Ｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｘ及びＣｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｘは、異なる評価単位（質量、面積または体積）に基づいた２本の電極のエネルギー密度及び比容量を表し、Ｖはボルトの電位窓であり、ＶＩＲｄｒｏｐはガルバノスタット充放電曲線の放電部分の始めの電圧ＩＲの下降である。
【０１８９】
ベースのエネルギー密度及び出力密度は、２本の電極、集電体、電解質、及びセパレータを含む総体積により正規化することによって、例示的なデバイス全体について計算した。異なる単位に基づく電極の材料の出力密度は、以下の式を使用して計算した：
【数９】
2019507081.tif 000011
式中、ｔｄｉｓｃｈａｒｇｅは、異なる充放電電流密度でのガルバノスタット曲線からの放電時間である。
【０１９０】
本明細書での計算は、エネルギー密度を放電時間で除算して得られる出力密度に基づいているので、上述の例示的な出力密度値は実際に達成されている。いくつかの報告されたデバイス出力密度は、電位窓の２乗をＥＳＲの４倍で割ったものから計算している。これは、スーパーキャパシタの理論上の理想最大出力密度である。スーパーキャパシタによって達成される実際の最高出力密度は、一般に、この理想的な最大値よりもはるかに低い。
【０１９１】
各々の例示的なデバイスの比容量は、積層したデバイスの全体（質量、面積または体積）を考慮に入れて計算した。これには、活性材料、集電体、セパレータ、及び電解質が含まれる。したがって、デバイスの比容量は、以下の式から計算した：
【数１０】
2019507081.tif 000012
【０１９２】
したがって、全デバイスのエネルギー密度及び出力密度を、以下の式により計算した：
【数１１】
2019507081.tif 000013
【０１９３】
図２２Ｄによれば、Ｒａｇｏｎｅ線図に概説しているように、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタは、約（７．８〜１４．３ｋＷ／ｋｇ）の高出力密度を呈している。さらに、活性材料の質量負荷を増加させることで、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタは、１．１１Ｗｈ／Ｌまでの高エネルギー密度を貯蔵することができる。これは、有機電解質またはイオン液体に基づくスーパーキャパシタに匹敵する。
【０１９４】
図３に示す概略図は、例示的なデバイスのＲａｎｄｌｅｓ回路を示す。いくつかの実施形態では、Ｒａｎｄｌｅｓ回路は、二重層容量とファラデー反応のインピーダンスの並列的な組合せを伴う直列の活性電解質抵抗ＲＳからなる等価電気回路である。Ｒａｎｄｌｅｓ回路は、インピーダンスのスペクトルの解釈のために、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）で一般に使用されている。
【０１９５】
電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、別にインピーダンス分光法や誘電分光法と呼ばれ、電気化学システムのエネルギー貯蔵及び散逸特性を特徴付ける実験的方法である。ＥＩＳは、外部電界と試料の電気双極子モーメントとの相互作用に基づいて、周波数の関数としてシステムのインピーダンスを測定し、頻繁に誘電率で表される。ＥＩＳによって得られたデータは、ボード線図またはナイキスト線図でグラフに表すことができる。
【０１９６】
測定されたナイキスト線図は、以下の等式を使用して、図３の等価Ｒａｎｄｌｅｓ回路に基づいて適合させた。
【数１２】
2019507081.tif 000014
式中、Ｒｓはセル内部抵抗、Ｃｄｌは二重層容量、Ｒｃｔは電荷移動抵抗、ＷｏはＷａｒｂｕｒｇ要素、Ｃ１は低周波質量容量、Ｒｌｅａｋは低周波リーク抵抗である。等価回路のこれらの抵抗とキャパシタの要素は、ナイキスト線図の特定の部分に関連している可能性がある。高周波では、実軸上の交点は内部抵抗Ｒｓを表し、これは電極の材料の固有電気抵抗、電解質のオーム抵抗、及び電極と集電体との間の界面抵抗を含む。高周波領域の半円形は、界面電荷移動抵抗Ｒｃｔと二重層容量Ｃｄｌの挙動を提供する。半円の後、例示的なナイキスト線図は、ｘ軸に対して概ね垂直であり、低周波数領域に伸張する、直線の長い尾部を呈する。この垂線は、質量容量Ｃｌを表し、傾斜角は、リーク抵抗Ｒｌｅａｋである抵抗要素を示唆する。高周波数から中間周波数までのｘ軸に対してほぼ４５度の角度を有する伝送線路は、Ｗａｒｂｕｒｇ要素Ｗｏを表すことができ、以下のように表せる：
【数１３】
2019507081.tif 000015
式中ＡはＷａｒｂｕｒｇ係数であり、ωは角周波数であり、ｎは一定の位相要素である。指数の電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、電解質イオン輸送及び他の電気化学的挙動を分析するための非常に有用な方法であり得る。図２１Ｅは、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜及び例示的なＲＧＯ膜の電極のナイキスト線図の比較を示す。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のナイキスト線図は、概ね垂直な曲線を特徴とし、良好な容量性能を示す可能性がある。高周波数レジームのクローズアップ観察では、約４５°のＷａｒｂｕｒｇ領域の半円が現れている。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極のナイキスト線図は、例示的なＲＧＯ電極と比較したとき、より短いＷａｒｂｕｒｇ領域及びより小さな半円を示し、それはより低い電荷移動抵抗及びより効率的な電解質イオン拡散を示すことができる。ナイキスト線図は、図３の等価回路に適合されている。内部抵抗（Ｒｓ）は約０．２０２Ωと約０．２４４Ωである：例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜及び例示的なＲＧＯ膜スーパーキャパシタをそれぞれ適合させることによって得られた約０．１８１Ω及び約１．０４Ωの電荷輸送抵抗（Ｒｃｔ）を有する。これらの低抵抗値は、グラフェン壁に沿った高い電子伝導率、及び３Ｄの開いた細孔を通じた高速イオン移動を示すことができる。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の開いた表面は、拡散の限界なく電解質イオンにより容易にアクセスされることが可能で、このことは高い電流密度／走査速度で大きな容量を保証することができる。対照的に、ＲＧＯ膜の凝縮した層構造は、狭いネック様チャネル、及び電解質イオン輸送用の限定された細孔を提供するだけの可能性があり、抵抗が増加して容量が減少するに至る場合がある。図２１Ｆの例示的なボード線図は、−４５°の位相角で特性周波数ｆ０を表示し、これは抵抗挙動から容量挙動への移行点を呈する。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタは、約５５．７Ｈｚのｆ０を呈する。これは、１７．８ｍｓの時定数（τ０＝１／ｆ０）に対応し、例示的なＲＧＯスーパーキャパシタにより呈される９１．７ｍｓよりも著しく低い。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタのこの時定数は、オニオン状炭素のいくつかの純炭素ベースのマイクロスーパーキャパシタ（例えば、２６ｍｓ）及び活性炭の７００ｍｓよりも低い。この極度に低い時定数は、３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極内部での高速イオン拡散及び輸送のさらなる証拠を提供し得る。
【０１９７】
ＲｓとＲｃｔの合計は、主にスーパーキャパシタの比出力密度を制限する等価直列抵抗（ＥＳＲ）の主な要因となる可能性がある。したがって、例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の低ＥＳＲ、高容量及び概ね理想的な電解質イオン輸送は、水性電解質を使用した、ほんの１．０Ｖの電位窓でさえ、２８２ｋＷ／ｋｇの極めて高い出力密度及び９．９Ｗｈ／ｋｇの高エネルギー密度をもたらす。例示的な３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタに由来するこの高出力密度は、アルミニウム電解キャパシタに近く、以前に報告された大半のＥＤＬＣ、疑似キャパシタ、さらには非対称スーパーキャパシタよりもはるかに高い。
【０１９８】
例示的な測定デバイス
電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、ＪＥＯＬ６７０１Ｆ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＦＥＩ  ＴＦ２０）を用いて、例示的に調製した膜の形態及び微細構造を特徴付けた。Ｃｕ−Ｋα線（／ｃ＝１．５４１８４Ａ）を有するＰａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｘ’Ｐｅｒｔ  Ｐｒｏ  Ｘ線粉末回折計を用いて、Ｘ線回折パターンを収集した。例示的なラマン分光測定は、６３３ｎｍの励起波長でレーザーマイクロラマンシステム（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）を用いて行った。原子間力顕微鏡画像を走査型プローブ顕微鏡（Ｂｒｕｋｅｒ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ５０００）を用いて記録した。引張試験機（Ｑ８００  ＤＭＡ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｚｅｒ））を用いて各膜の引張強さを検証した。Ｘ線光電子分光データは、単色のＡｌＫａ  Ｘ線源（ｈｖ  １４８６．６ｅＶ）を用いて分光計（Ｋｒａｔｏｓ  ＡＸＩＳ  Ｕｌｔｒａ  ＤＬＤ）で収集した。
【０１９９】
すべての電気化学的実験は、ポテンシオスタット（Ｂｉｏ−Ｌｏｇｉｃ  ＶＭＰ３）を用いた図１６の２電極システムを用いて行った。ＥＩＳ測定は、１０ｍＶの振幅で１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数範囲にわたる正弦波信号を用いて、開回路電位で行った。サイクル寿命試験は、ガルバノスタット充放電測定によって行った。
【０２００】
本明細書に記載しているデバイスは、代替的に、任意の代替的な同等の手段、デバイス及び機器によって、測定、特徴付け及び検証できる。
【０２０１】
用語と定義
他に定義されない限り、本明細書で使用するすべての技術用語は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用している場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」には、文脈上他に明確に指示されていない限り、複数の言及が含まれる。「または」へのいかなる言及も、他に記載がない限り、「及び／または」を含むことを意図している。
【０２０２】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＧＯという用語は、酸化グラフェンを示す。
【０２０３】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＲＧＯという用語は、還元型酸化グラフェンを示す。
【０２０４】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、３Ｄという用語は３次元を示す。
【０２０５】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＳＥＭという用語は、走査型電子顕微鏡を示す。
【０２０６】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＴＥＭという用語は、透過型電子顕微鏡を示す。
【０２０７】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＡＦＭという用語は、原子間力顕微鏡を示す。
【０２０８】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＣＶチャートは、サイクリックボルタモグラムチャートを示す。
【０２０９】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＥＩＳは、電気化学インピーダンス分光法を示す。
【０２１０】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＥＤＬＣは、電気二重層キャパシタを示す。
【０２１１】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＸＲＤは、Ｘ線回折を示す。
【０２１２】
本明細書で使用している場合、他に特定しない限り、ＸＰＳは、Ｘ線光電子分光を示す。
【０２１３】
本発明の好ましい実施形態を本明細書に示し説明したが、当業者には、そのような実施形態は単なる例示として提供されることが明らかであろう。本発明から逸脱することなく、当業者はこれから、数多くの変形、変更、及び置換を生じさせるであろう。本明細書に記載している本発明の実施形態に対する様々な代替物が、本発明を実施する際に採用できることを理解されたい。以下の特許請求の範囲は、本発明の範囲を定義し、これらの特許請求の範囲内の方法及び構造及びそれらの均等物を網羅することを意図している。
【０２１４】
本明細書で使用しているように、他に特定しない限り、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、当業者が判断する特定の値に対する許容可能な誤差を意味し、いかに値が測定または判断されるかに部分的に依拠する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、１、２、３または４標準偏差以内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、または０．０５％内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の４０．０グラム、３０．０グラム、２０．０グラム、１０．０グラム、５．０グラム、１．０グラム、０．９グラム、０．８グラム、０．７グラム、０．６グラム、０．５グラム、０．４グラム、０．３グラム、０．２グラム、または０．１グラム、０．０５グラム、０．０１グラム内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の６０Ｆ／ｇ、５０Ｆ／ｇ、４０Ｆ／ｇ、３０Ｆ／ｇ、２０Ｆ／ｇ、１０Ｆ／ｇ、９Ｆ／ｇ、Ｆ／ｇ、８Ｆ／ｇ、７Ｆ／ｇ、６Ｆ／ｇ、５Ｆ／ｇ、４Ｆ／ｇ、３Ｆ／ｇ、２Ｆ／ｇ、１Ｆ／ｇ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の３０．０Ａ／ｇ、２０．０Ａ／ｇ、１０．０Ａ／ｇ、５．０Ａ／ｇ１．０Ａ／ｇ、０．９Ａ／ｇ、０．８Ａ／ｇ、０．７Ａ／ｇ、０．６Ａ／ｇ、０．５Ａ／ｇ、０．４Ａ／ｇ、０．３Ａ／ｇ、０．２Ａ／ｇまたは０．１Ａ／ｇ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の２０ｋＷ／ｋｇ、１５ｋＷ／ｋｇ、１０ｋＷ／ｋｇ、９ｋＷ／ｋｇ、８ｋＷ／ｋｇ、７ｋＷ／ｋｇ、６ｋＷ／ｋｇ、５ｋＷ／ｋｇ、４ｋＷ／ｋｇ、３ｋＷ／ｋｇ、２ｋＷ／ｋｇ、１ｋＷ／ｋｇ、０．５ｋＷ／ｋｇ、０．１ｋＷ／ｋｇ、または０．０５ｋＷ／ｋｇ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の２０Ｗｈ／ｋｇ、１５Ｗｈ／ｋｇ、１０Ｗｈ／ｋｇ、９Ｗｈ／ｋｇ、８Ｗｈ／ｋｇ、７Ｗｈ／ｋｇ、６Ｗｈ／ｋｇ、５Ｗｈ／ｋｇ、４Ｗｈ／ｋｇ、３Ｗｈ／ｋｇ、２Ｗｈ／ｋｇ、１Ｗｈ／ｋｇ、０．５Ｗｈ／ｋｇ、０．１Ｗｈ／ｋｇ、または０．０５Ｗｈ／ｋｇ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所与の値または範囲の５Ｖ、４Ｖ、３Ｖ、２Ｖ、１Ｖ、０．５Ｖ、０．１Ｖまたは０．０５Ｖ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の１００ｎｍ、９０ｎｍ、８０ｎｍ、７０ｎｍ、６０ｎｍ、５０ｎｍ、４０ｎｍ、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、７ｎｍ、６ｎｍ、５ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍ、１ｎｍ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の４０℃、３０℃、２０℃、１０℃、９℃、８℃、７℃、６℃、５℃、４℃、３℃、２℃、１℃内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の５０分、６０分、４０分、３０分、２０分、１０分、９分、８分、７分、６分、５分、４分、３分、２分、１分内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所定の値または範囲の５０時間、６０時間、４０時間、３０時間、２０時間、１０時間、９時間、８時間、７時間、６時間、５時間、３時間、２時間、１時間内を意味する。特定の実施形態では、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、５Ｌ、４Ｌ、３Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、０．５Ｌ、０．１Ｌまたは０．０５Ｌ内を意味する。特定の実施形態において、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、５ｃｍ２、４ｃｍ２、３ｃｍ２、２ｃｍ２、１ｃｍ２、０．５ｃｍ２、０．１ｃｍ２、または０．０５ｃｍ２内を意味する。特定の実施形態では、「約（ａｂｏｕｔまたはａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、所与の値または範囲の５Ｍ、４Ｍ、３Ｍ、２Ｍ、１Ｍ、０．５Ｍ、０．１Ｍ、または０．０５Ｍを意味する。
【０２１５】
他の非限定的な実施形態
１０年前にグラフェンが発見されて以来ずっと、研究者らは、より速いコンピュータチップ及びフレキシブルなタッチスクリーンから並外れて効果的な太陽電池及び脱塩膜まで、数十個の潜在的な用途を提案してきた。重要な関心を呼んできた１つの高揚を覚える用途は、グラフェンが電荷を蓄える能力である。サッカー場全体を覆うのに十分な大きさのグラフェンの１枚のシートは、約６グラムの重さにすぎない。このわずかな量のグラフェンに関連したこの巨大な表面積により、ＡＡサイズのバッテリの内部で圧迫され、膨大な量の電荷を蓄える新しいエネルギー貯蔵デバイスの実現が可能になる。しかし、現在の３次元（３Ｄ）グラフェン膜は、導電性が乏しく、機械的強度が弱く、破滅的な多孔率という問題を抱えている。
【０２１６】
本発明者らは、様々な用途で使用するために、制御された多孔率と広い表面積を有する電極へグラフェンを調製及び処理するための新しい方法を開発する必要性を認識し、解決策を提供した。
【０２１７】
本開示は、部分的に還元した酸化グラフェンの濾過組立て及びその後の凍結鋳造プロセスによる３次元（３Ｄ）階層多孔質膜を製造する手法に関する。この製造プロセスは、電極の材料の孔径、電子伝導性、及び負荷質量を制御するための効果的な手段を提供し、高エネルギー密度のデバイスを設計する機会を提供する。これらの優れた特性は、これまでに報告された最高位の値のうちの２８０ｋＷ／ｋｇを超える出力密度を有するスーパーキャパシタをもたらす。
【０２１８】
当業者は、本開示の範囲を認識し、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を読んだ後で、その追加の態様を実現するであろう。
【０２１９】
本開示は、部分的に還元した酸化グラフェンの濾過組立て及びその後の凍結鋳造プロセスによる３次元（３Ｄ）階層多孔質膜を製造する手法に関する。この製造プロセスは、電極の材料の孔径、電子伝導性、及び負荷質量を制御するための効果的な手段を提供し、高エネルギー密度のデバイスを設計する機会を提供する。これらの優れた特性は、これまでに報告された最高値のうちの２８０ｋＷ／ｋｇを超える出力密度を有するスーパーキャパシタをもたらす。
【０２２０】
スーパーキャパシタとしても知られている電気化学キャパシタは、バッテリと似たエネルギー貯蔵デバイスであるが、１００倍から１０００倍高速で充電することができる。高出力密度と優れた低温性能により、バックアップ電源、コールドスタート、フラッシュ付きカメラ、回生制動のための技術の選択肢となった。ハイブリッド車や電気自動車の進歩にも重要な役割を果たしている。過去数十年間のあらゆる進歩により、市販のスーパーキャパシタは現在、１０ｋＷ／ｋｇ未満の出力密度を提供している。本発明者らは、２８０ｋＷ／ｋｇを超える出力密度を提供できるセル式グラフェン膜を用いたスーパーキャパシタを開発した。グラフェンスーパーキャパシタの出力密度のこのような大幅な向上は、既存のスーパーキャパシタ技術だけでなく、多数の用途におけるバッテリ及びキャパシタと競合することを可能にする。加えて、これらの３Ｄ多孔質膜は、エネルギー変換及び貯蔵（例えば、コンデンサ及び／または電池）、触媒作用、感知、環境修復、及び電子及び医療用途の足場を含む広範囲の用途に有用であることを想定している。
【０２２１】
セル式３Ｄグラフェンの他の可能な、非限定的な用途は、次のとおりである：携帯式電子装置：携帯電話、コンピュータ、カメラ。医療機器：生命維持及び生活向上医療機器、例えばペースメーカ、除細動器、補聴器、疼痛管理装置、及び薬物ポンプ。電気自動車：電気自動車産業を改善するために必要な、寿命の長い高出力バッテリ。宇宙：セル式グラフェンスーパーキャパシタは、ローバー、ランダー、宇宙服及び電子機器を含む宇宙システムに電力を供給すべく宇宙で使用することができる。軍用バッテリ：軍隊は多数の電子装置及び設備に電力を供給するために特別なバッテリを使用する。当然、質量／体積の減少が非常に好ましい。電気航空機：電気が太陽電池またはバッテリ由来で、内燃機関ではなく電気モータで動作する航空機。グリッドスケールのエネルギー貯蔵：バッテリは、（発電所からの）生産量が消費量を超えるときに、電気エネルギー貯蔵のために広く使用され、消費量が生産量を超過したときに貯蔵エネルギーを使用する。再生可能エネルギー：太陽が夜間に輝かず、風が常には吹かないので、バッテリは、日没後及び風が吹いていない時間の間、使用のために再生可能エネルギー源からの余剰電力を貯蔵するべくグリッド以外の電力システムに至る方法を探してきた。当然、高出力バッテリは、現在の最先端のバッテリよりも高い効率で太陽電池からエネルギーを集めることができる。電動工具：セル式３０グラフェンスーパーキャパシタは、ドリル、スクリュードライバ、ソー、レンチ、及びグラインダなどのコードレスの電動工具を急速充電することができる。現在のバッテリの抱える困難は、長い再充電時間である。リチウムイオンバッテリを含むバッテリ：特定の用途では、場合によっては、バッテリの代わりに、または組み合わせて、スーパーキャパシタが使用されることがある。
【０２２２】
最先端のスーパーキャパシタは、複雑な微孔構造によって制限される活性炭製の電極を使用しており、それにより出力密度が制限されている。活性炭に基づく技術は過去４０年間使用されており、最大出力密度は依然として１０ｋＷ／ｋｇに制限されている。単純なベンチトップ化学を用いた２次元のグラフェンシートの組立ては、従来のスーパーキャパシタの組立てに必要なバインダ、導電性添加剤を必要とせずに、スーパーキャパシタに直接使用できるセルグラフェン膜をもたらす。これらの膜は、超高出力で非常に高速な周波数応答を示す（商用技術での約１秒と比較して約０．０１７秒）。本開示は、以下の態様において従来のキャパシタに勝る利点をさらに提供する。本開示に記載されたプロセスは、より効率的なスケールアップに役立つ改良である。グラフェン膜（＞２８０ｋＷ／ｋｇ）で達成される出力密度は、以前に他の形態のグラフェンで報告されたものよりもはるかに高い。
【０２２３】
当業者であれば、本開示に対する改善及び修正を認識するであろう。そのような改良及び改変はすべて、本明細書に開示される概念の範囲内であると見なされる。
【０２２４】
ＧＯは、以前に記載したように、Ｈｕｍｍｅｒｓの方法の改変により天然のグラファイトフレークから調製した。典型的な処理では、合成されたままのＧＯを水中に懸濁させて、濃度３ｍｇ／ｍｌの均一な水性分散液を得た。次いで、ＧＯ分散液１ｍｌを、２０ｍｌ円筒ガラスバイアルでアスコルビン酸７ｍｇと混合した。数分間激しく振盪させた後、混合物を５０℃のオーブンに５〜５０分間入れて、異なる程度の還元、すなわち部分的に還元したＧＯを得た。次いで、部分的に還元したＧＯ分散液を、セルロース膜（孔径０．２２μｍ）を通して真空濾過した。濾紙上に自由な分散物が残っていなければ、ただちに真空を切り離した。フィルタの薄膜及び部分的に還元したＧＯ膜の両方を液体窒素浴に垂直に浸漬して３０分間凍結させた。室温で融解した後、膜を円筒状のガラスバイアルに移し、１００℃のオーブンに一晩置いてさらなる還元を得た。次いで、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜をペトリ皿に移し、脱イオン水に１日間浸漬して、残りのいかなるアスコルビン酸をも除去した。ＧＯの量を２ｍｌまたは５ｍｌに、アスコルビン酸を１４ｍｇまたは３５ｍｇに単純に増加させることにより、より厚い３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜を調製した。断面ＳＥＭ画像から測定した３次元多孔質ＲＧＯ膜の厚さは、それぞれ約１２．６、２０．４及び４４．７μｍであることが判明した。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の面積負荷質量は、それぞれ約０．２、０．４１及び１．０２ｍｇ／ｃｍ−２である。対照として、化学的に還元したＧＯシートを真空濾過することにより、化学的に還元したグラフェン膜を作製した。このＲＧＯの負荷質量及び厚さは、それぞれ約０．２ｍｇ／ｃｍ−２及び約２．１μｍである。
【０２２５】
３Ｄ多孔質ＲＧＯ及びＲＧＯスーパーキャパシタの作製。３Ｄ多孔質ＲＧＯ及びＲＧＯ膜を１ｃｍ×１ｃｍの正方形の断片に切断し、次いでフィルタの薄膜から注意深く剥がした。次に、フリースタンディングの電極膜を１．０ＭのＨ２ＳＯ４水性電解質に一晩浸漬して、内部の水を電解質と交換した。続いて、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のスライスを白金箔上に置いた。別個の金属箔上の２つの類似の３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜を、他の添加剤またはさらなる処理を一切加えずに電極として直接使用した。これらの２本の電極をイオン多孔質セパレータ（ポリプロピレン膜、ＮＫＫ  ＭＰＦ３０ＡＣ１００）で分離し、サンドイッチ構造のスーパーキャパシタに組み込み、カプトンテープで密封した。
【０２２６】
電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、ＪＥＯＬ  ６７０１Ｆ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＦＥＩ  ＴＦ２０）を用いて、調製した膜の形態及び微細構造を調べた。Ｃｕ−Ｋα線（λ＝１．５４１８４Ａ）を有するＰａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｘ’Ｐｅｒｔ  Ｐｒｏ  Ｘ線粉末回折計でＸ線回折パターンを収集した。ラマン分光測定は、６３３ｎｍの励起波長で、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  Ｖｉａレーザーマイクロラマンシステム（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）を用いて行った。原子間力顕微鏡画像は、タッピングモード（Ｂｒｕｋｅｒ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ５０００）でＢｒｕｋｅｒ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ５０００  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅを用いて記録した。各膜の引張強さを引張試験機（Ｑ８００  ＤＭＡ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｚｅｒ））で試験した。Ｘ線光電子分光のデータは、単色のＡ１ＫαＸ線源（ｈｖ＝１４８６．６ｅＶ）を用いてＫｒａｔｏｓ  ＡＸＩＳ  Ｕｌｔｒａ  ＤＬＤ分光器で収集した。
【０２２７】
すべての電気化学的実験は、Ｂｉｏ−Ｌｏｇｉｃ  ＶＭＰ３ポテンシオスタットを備えた２電極システムを用いて行った。ＥＩＳ測定は、１０ｍＶの振幅で１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数範囲にわたる正弦波信号を用いて開回路電位で行った。サイクル寿命試験は、ガルバノスタット充放電測定により行った。比容量とエネルギー密度と出力密度の計算については、以降のセクションで詳しく説明する。
【０２２８】
過去１０年間にスーパーキャパシタ研究の分野で目覚しい発展が見られたにもかかわらず、一貫性のない計算が誤解を招き、異なる研究グループの結果を比較することが困難になっている。したがって、ここでは、スーパーキャパシタの性能を評価するために必要な様々なパラメータを判定するための計算方法を詳細に注意深く説明する。
【０２２９】
２電極システムにおけるスーパーキャパシタ（Ｃｃｅｌｌ）の容量は、以下を使用して、異なる電流密度でのそのガルバノスタット充放電曲線から計算した：
【数１４】
2019507081.tif 000016
式中、ｉｄｉｓｃｈａｒｇｅは放電電流であり、ｔは放電時間であり、Ｖの電位範囲は、ＪＲ下降を除いた放電時の電圧降下であり、ｄＶ／ｄｔは、放電曲線の勾配（ボルト／秒、Ｖ／ｓ）である。
【０２３０】
あるいは、Ｃｃｅｌｌは、以下の式を用いて、放電電流（ｉ）対電位（Ｖ）のプロットを積分することによって、ＣＶ曲線から計算することができる：
【数１５】
2019507081.tif 000017
式中、ｉは負のＣＶ曲線の電流であり、ｖは走査速度であり、Ｖ（Ｖ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）は電位窓を表す。
【０２３１】
単一の電極活性材料の比容量は、それらの質量と面積または体積に基づいて計算した。対称的な２電極スーパーキャパシタは直列の２つの等価な単一電極キャパシタからなるので、２本の電極の総容量及び正極と負極の容量は、以下の式を使用して計算することができる：
【数１６】
2019507081.tif 000018
【０２３２】
したがって、Ｃｐｏｓｉｔｉｖｅ＝Ｃｎｅｇａｔｉｖｅ＝２Ｃｃｅｌｌである。
【０２３３】
さらに、単一の電極の質量及び体積は、２電極システムの総質量及び総体積の半分を占める（Ｍｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＝１／２Ｍｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ、Ｖｓｉｎｇｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＝１／２Ｖｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）。単一の電極の面積は、以下の式に従って算出された活性材料の比容量を有する２電極システム（Ｓｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＝Ｓｔｗｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）の面積に等しい：
【数１７】
2019507081.tif 000019
【０２３４】
同様に、２電極システムの比容量を、以下の式により、２本の電極の質量及び面積または体積を基に計算する：
【数１８】
2019507081.tif 000020
【０２３５】
したがって、
【数１９】
2019507081.tif 000021
【０２３６】
したがって、全デバイスのエネルギー密度及び出力密度を、以下の式により計算した：
【数２０】
2019507081.tif 000022
【０２３７】
測定されたナイキスト線図は、以下の等式を使用して、図３の等価Ｒａｎｄｌｅｓ回路に基づいて十分に適合させた：
【数２１】
2019507081.tif 000023
【０２３８】
式中、Ｒｓはセル内部抵抗、Ｃｄｌは二重層容量、Ｒｃｔは電荷移動抵抗、ＷｏはＷａｒｂｕｒｇ要素、Ｃ１は低周波質量容量、Ｒｌｅａｋは低周波リーク抵抗である。図３に示すように、等価回路のこれらの抵抗とキャパシタの要素は、ナイキスト線図の特定の部分に関連している。高周波では、実軸上の交点は内部抵抗Ｒｓを表し、これは電極の材料の固有電気抵抗、電解質のオーム抵抗、及び電極と集電体との間の界面抵抗を含む。高周波領域の半円形は、界面電荷移動抵抗Ｒｃｔと二重層容量Ｃｄｌの挙動を提供する。半円の後、ナイキスト線図は、ｘ軸に対して概ね垂直であり、低周波数領域に伸張する、直線の長い尾部を呈する。この概ね理想的な垂線は、質量容量Ｃ１を表し、傾斜角は、リーク抵抗Ｒｌｅａｋである抵抗要素を示唆する。高周波数から中間周波数までのｘ軸に対してほぼ４５度の角度を有する伝送線路は、Ｗａｒｂｕｒｇ要素Ｗｏを表し、以下のように表される：
【数２２】
2019507081.tif 000024
【０２３９】
式中ＡはＷａｒｂｕｒｇ係数であり、ωは角周波数であり、ｎは指数である。
【０２４０】
３次元多孔質微細構造を構築することは、個々のグラフェンシートの特異なナノスケール特性を利用する有効な方法である。しかし、現在の３Ｄグラフェン膜は、導電性が乏しく、機械的強度が弱く、破滅的な多孔率であるという問題を抱えている。ここで、凍結鋳造と濾過を組み合わせて、開いた細孔の多孔率、高い導電率（＞１９００Ｓｍ−１）、及び良好な引張強さ（１８．７ＭＰａ）を有する３Ｄ還元型酸化グラフェン（ＲＧＯ）膜を合成する方法を示す。電解質／イオン輸送のための豊富な相互接続経路を利用して、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜をベースとして得られたスーパーキャパシタは、水性電解質中にて著しく高い比出力密度（＞２８０ｋＷ  ｋｇ−１）と高エネルギー密度（９．９Ｗｈ  ｋｇ−１まで）を呈する。この製造プロセスにより、電極の材料の孔径、電子伝導性及び負荷質量を制御するための有効な手段が得られ、高いエネルギー密度を有するデバイスを設計する機会が得られる。本発明者らは、これらの３Ｄ多孔質膜が、エネルギーの変換及び貯蔵、触媒作用、感知及び環境修復を含む広範囲の用途に有用であることを想定している。
【０２４１】
再生可能な供給源からの発電の変動が大きいために、高出力密度を有するエネルギー貯蔵デバイスは、エネルギーを貯蔵し、必要に応じて電力を供給するために緊急に必要とされている。スーパーキャパシタとして知られている電気化学キャパシタは、その高い出力密度、長い寿命及び速い充電能力のためにかなりの注目を集めている。スーパーキャパシタは、１０ｋＷ  ｋｇ−１を超える出力密度を提供することができ、これは現在リチウムイオンバッテリで可能なものの１０倍である。これは、ハイブリッド車、電気自動車、スマートグリッド、及び電力会社や工場のバックアップ電力などのエネルギー回収や配電など、高い出力密度が必要な用途では理想的なエネルギー貯蔵候補である。遅い化学反応によって制限されるバッテリとは異なり、スーパーキャパシタは、特に可逆的なイオン吸着または高速酸化還元反応によって電荷を蓄える。これにより、エネルギーの取り込みと放出が速くなる。
【０２４２】
昨今、重要な研究努力は、スーパーキャパシタのエネルギー密度の増加に集中している。残念なことに、これらのエネルギー密度の向上は、通常、スーパーキャパシタの最も重要な特性である電力またはサイクリング能力の損失という犠牲を払って行われている。高い出力密度と長いサイクリング能力がなければ、スーパーキャパシタは一般的なバッテリのようなエネルギー貯蔵デバイスに戻る。実際には、高出力スーパーキャパシタは、高負荷の負荷用途、回生制動エネルギーの収穫、及びスマート電気グリッドにおける負荷平準化を含む多数の用途に望ましい。このような状況では、大量のエネルギーを高出力密度のエネルギー貯蔵デバイスに貯蔵または供給する必要がある。したがって、高出力密度は、スーパーキャパシタの実用的な用途にとって依然として不可欠な特性である。
【０２４３】
電極の材料は、スーパーキャパシタの中心成分であり、それらの最終的なエネルギー貯蔵性能を大きく左右する。高い導電率、ならびに高い比表面積、広い安定した電位窓などの優れた特性のために、炭素の１原子の薄い２次元フレークであるグラフェンは、スーパーキャパシタ用の高性能の電極の材料として非常に有望である。
【０２４４】
頻繁にグラフェン・ペーパーと呼ばれるグラフェン膜は、グラフェンの重要な巨視的構造である。グラフェン膜を製造するために、ブレードコーティング、スプレーコーティング、層状の組立て、界面自動組立て、及び濾過組立てなどの複数の方法が開発されている。しかし、製造プロセス中のせん断応力、界面張力または真空圧縮のために、２次元（２Ｄ）層状グラフェンシートは容易に再積層して高密度ラメラ微細構造を形成する可能性があり、それは元のグラフェンシートの表面積の大部分を失わせる。最近、Ｌｉらは、グラフェンシート間に不可逆的なπ−πの積層を防止する有効な「スペーサ」として機能し得る不揮発性の液状電解質の存在を実証した。しかし、これらの製造された高密度層状グラフェン膜は、有効な電気化学的動態プロセスのためのイオン緩衝リザーバ及び高速イオン輸送チャネルとして機能する十分に開いた階層的な細孔を欠いている。これらの階層的な細孔の存在は、高出力密度及び短い充電時間を得るための重要な要素である。したがって、連続した階層的な細孔を有するグラフェン膜電極を製造すること、特に高出力密度のスーパーキャパシタを達成することが重要である。
【０２４５】
ここでは、部分的に還元した酸化グラフェンの濾過組立て及びその後の凍結鋳造プロセスによって、３Ｄ階層多孔質グラフェン膜を容易に製造できることを示している。得られた多孔質グラフェン膜は、優れた導電性、高い機械的強度、及びスーパーキャパシタでの極端な高性能を含む有用な特性の組み合わせを呈する。さらに、この新規の３Ｄ多孔質グラフェン膜は、スーパーキャパシタに有用であるばかりでなく、センサ、触媒、バッテリ、ガスの吸収、水素の貯蔵、及び電子及び医療用途の足場などの広い用途において有望な可能性を秘めている。
【０２４６】
多孔質材料の製造のために開発された様々な方法の中で、凍結鋳造は、懸濁液の制御された結晶化を利用して規則的な階層状の多孔質アーキテクチャを誘導することができる多目的で容易に利用可能で安価な溶液−相技術であるため、相当な関心を昨今集めている。
【０２４７】
一般に、凍結鋳造技術は、相分離プロセスである。液状懸濁液が凍結すると、自発的な相分離により、分散した粒子が溶媒結晶間の空間に集まり、続いて凝固した凍結溶媒テンプレートが減圧下で固相から気相に昇華する。これにより、細孔が溶媒結晶のレプリカとなる３次元ネットワークが作出される。
【０２４８】
今日まで、凍結鋳造は、様々な簡素な材料に高い多孔率を導入し、それらにいくつかの新規な特性を付与し、新しい用途の可能性を開くために採用されている。例えば、高温に耐え、高い圧縮強度を呈することのできる軽量の絶縁体またはフィルタとして有用なセル状セラミックが形成されている。さらに、無機ナノフィラー（例えば、カーボンナノチューブまたは粘土）を有するまたは有さないポリマーが、エネルギー貯蔵電極用の組織工学基板または足場として作製されている。これらの先行の結果によると、この技術によってうまく処理された材料の多様性は、多孔質構造の形成機構を支配する基本原則が、化学的な特性ではなく、物理的パラメータ、「粒子」の形態、及び溶液との相互作用に依存していることを示唆している。
【０２４９】
酸化グラフェン（ＧＯ）は、多孔質グラフェン膜を製造するための前駆体として、低コストでグラファイトから大量に製造することができる。ＧＯシートの直径は数マイクロメートルの範囲であり、典型的な厚さは約１．２ｎｍである。文献での報告によると、ＧＯ単分子層の厚さは約１〜１．４ｎｍであり、官能基及び吸着分子の存在により、グラフェンの理想的な単分子層（厚さ約０．３４ｎｍ）よりも厚い。官能基により、ＧＯが強度に親水性になり、負に帯電するので、単一層のＧＯシートは、水溶液中に均一に分散することができる。しかし、ＧＯ分散液を直接凍結鋳造すると、ランダムに配向した多孔質の脆いモノリスが得られるだけである。「粒子」のサイズ及び密度、それらのサイズの分散、及びそれらの形状を含む複数のパラメータは、「粒子」と溶液との間の相互作用に影響を及ぼし、凍結処理の凝固動態及び得られる細孔構造を改変するに至る。凍結プロセス中に閉じ込められた「粒子」として知られている特定のパーコレーション閾値まで至った懸濁液中の「粒子」の一部のみが、連続的な３Ｄ多孔質ネットワークを形成できる。したがって、前還元を導入し、還元時間を制御してサイズ、形状、及びサイズの分散を調整し、また分散液の密度を高めてパーコレーション閾値を達成するために濾過組立てを実施する。
【０２５０】
ラメラ酸化グラフェンシートは、前還元の時間が５分〜３０分増加すると、部分的に還元したＧＯマイクロゲルまで徐々に成長する。次に、これらすべての前還元したＧＯ試料を、グラフェン膜が得られるまで、図１に示すのと同じ手順で処理する。これらの前還元したＧＯ分散液を濾過した後、膜を液体窒素中に下降させてマイクロゲルの内部及び間に水分子を凝固させる。理想的な条件下では、連続した氷結晶が形成され、前還元したＧＯネットワークに成長する。前還元したＧＯシートは、前進する凝固フロントから拒絶され、成長する氷結晶の空隙の間に収集された。この枠組みは、凝固した氷結晶に変えられた液状水のための９％の正の凝固体積膨張にも対応するはずである。凝固した氷結晶の形態は、最終的なグラフェン膜の多孔質特性を大きく左右する。ハイドロ膜の完全な凝固が達成されると、氷結晶が存在するところで多孔性が作出される。次いで、その後の高温での長期間の還元により、前還元したＧＯゲル間の結合が強化され、さらに減少の程度が増加する。
【０２５１】
比較可能な一連の実験の後、３０分前還元した試料のみが理想的な３Ｄ多孔質グラフェン膜に組み立てられることを見出した。凍結鋳造による多孔性の形成機構によれば、グラフェン膜の多孔性を形成するために前還元が必要である２つの主な理由が結論づけられる。第１に、３Ｄマイクロゲル構造は、濾過組立て中の酸化グラフェンシートの凝集に有効に抵抗し、水の凝固のための十分な空間を残す。対照的に、濾過された２ＤのＧＯシートの簡素な構成は、凍結処理中の再分散を妨害する。第２に、ＧＯシートがマイクロゲルへ成長する間に、粒子サイズが増大し、２Ｄラメラシートが３Ｄマイクロネットワークに変化した。一体型の多孔質グラフェン膜に組み立てるためには、凍結処理において、前進する凝固フロントから懸濁液中の「粒子」が拒絶されなければならない。凝固フロントによって拒絶される「粒子」の熱力学的条件は、界面自由エネルギーが以下の基準を満たすことである：
【数２３】
2019507081.tif 000025
【０２５２】
式中、σＳＰ、σＬＰ、及びσＳＬは、それぞれ固体（氷）粒子（前還元したＧＯマイクロゲルまたはＧＯシート）、液体（水）粒子及び固液界面に関連する界面自由エネルギーである。
【０２５３】
サイズの増加と形態の変化は、「粒子」と固相との間の接触界面面積を減少させ、液相と固相との間の接触界面面積をより大きくし、σＳＰを増大させ、σＳＬを低下させる。これにより、前還元したＧＯマイクロゲルシステムは、前述の基準を満たす傾向がより強くなる。さらに、濾過組立てプロセスは、懸濁液中の粒子の密度を増加させ、パーコレーション閾値に近づけるために有用な方法である。この閾値は、凍結鋳造プロセス中に連続的な３Ｄ多孔質ネットワークを形成するためのもう１つの重要な条件である。
【０２５４】
ＧＯのＸ線回折（ＸＲＤ）パターンは、２θ＝１１．７°における強いピークを特徴とする。前還元したＧＯは１０．８°での「ＧＯ」ピークの強度の著しい低下を呈するが、広範なピークは２４°で発現し、それは、ＧＯの部分的な還元、及び伸長したグラフェンシートの作出を示す。還元プロセスの完了後、ＸＲＤパターンは広範の「グラフェン」ピークのみを示し、これは３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の高度の還元が生じたことを示唆している。ＸＰＳ  Ｃ１ｓスペクトルでは、酸素含有基に対応するピークにおいて、また２．ラマン分光法におけるＤピークとＧピークの強度比において、変化が観察される。
【０２５５】
低倍率での３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の典型的な断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像は、１２．６μｍの均一な厚さを有する連続した開いたネットワークを呈する。ハニカム様構造は、細孔が氷結晶のレプリカであることを示している。高倍率ＳＥＭ画像に示すように、孔径は数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲であり、細孔壁はグラフェンシートの薄層からなり、過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の結果と一致する。ＴＥＭ及び高解像度ＴＥＭ画像はまた、数十ナノメートルの厚さのグラフェン壁の表面に積層されている多くのくぼんだ５〜１０ｎｍのグラフェンシートが存在していることを明らかにしている。これは、分散した前還元したＧＯシートを、凍結プロセス中に形成された氷結晶間の空隙に押し込む凝固フロントからの拒絶による可能性が高い。明瞭な格子縞及び典型的な６回対称回折パターンは、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の概ね完全な還元のさらなる証拠を提供する。還元プロセスは、膜の電気的特性の著しい変化に関連する。比較のために、２本の電極のＩ−Ｖ導電率試験を、図１６及び図１７Ａ〜図１７Ｄに示すように、ＧＯ膜、前還元したＧＯ膜、及び３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜について行った。ＧＯ膜は、非線形で非対称な挙動を呈し、ゲート電圧に依拠してｘからｙの範囲の特異的な導電率値を有する。前還元したＧＯ膜は、１０．３Ｓ／ｍの安定した導電率を有する、より線形かつ対称的な曲線を示す。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、１，９０５Ｓ／ｍの高い導電率に関連して完全に線形のＩ−Ｖ曲線をなす。その高い導電性と連続的な開いた多孔構造のために、製造されたグラフェン膜は、高性能スーパーキャパシタ電極として有望である。さらに、それらの高度に多孔質の微細構造にもかかわらず、調製したままの３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、１８．７ＭＰａの良好な引張強さを呈した。
【０２５６】
３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の独特な特性により、スーパーキャパシタ電極としての優れた性能が実現する。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜を活性材料とし、１．０ＭのＨ２ＳＯ４を電解質として使用することで対称的な２電極スーパーキャパシタを作製した。０．２〜２０Ｖ／ｓの走査速度でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線が得られた。それらは、３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極が、２０Ｖ／ｓの非常に高い走査速度であっても、それらの矩形形状及び高い電流密度を保持することを実証している。ＣＶ曲線の矩形の性質は、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜にとって理想的な電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）挙動を示す。対照実験では、積層したＲＧＯ膜は、化学的に還元されたＧＯシートの真空濾過を用いて、以前に報告した方法により製造した。断面ＳＥＭ画像に示されているように、ＲＧＯは、積層されたラメラグラフェンシートからなり、これは本研究における３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜とは異なる。概略図は、ＲＧＯ膜と比較して、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のイオン拡散が容易になり、電子輸送抵抗が最小化することを示している。ＣＶ及びガルバノスタット充放電曲線は、ＲＧＯ膜電極と比較した場合、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の電気化学的性能の顕著な向上を示す。高い走査速度１，０００ｍＶ／ｓでＣＶ曲線がより矩形の形状であること、及び１００Ａ／ｇの高電流密度でガルバノスタット充放電曲線がより三角形の形状であることは、３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の容量の能力及び電解質イオン輸送がより優れていることを示している。ＣＶ曲線の面積が大きくなり、放電時間が長くなることは、より大きな容量も予測させる。高い走査速度までの走査速度における放電電流の高い線形依存性（Ｒ２＝０．９９８６）は、３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の超高出力の能力を示す。これらの２つのスーパーキャパシタ電極の活性材料に基づく比容量は、ガルバノスタット充放電データから導出され、以下に要約している。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、電流密度１Ａ／ｇで超高質量容量２８４．２Ｆ／ｇを呈し、電流密度を５００Ａ／ｇまで増加させたとき、初期容量の約６１．２％（１７３．８Ｆ／ｇ）を保持していた。対照的に、ＲＧＯは、１Ａ／ｇで１８１．３Ｆ／ｇの質量容量しかなく、５００Ａ／ｇで２７．８％（５０．４Ｆ／ｇ）の容量保持しか有していなかった。２５Ａ／ｇの電流で１０，０００回の充放電サイクルを行うことにより、電極のサイクル安定性を調べた。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は９７．６％の容量保持を呈し、これはＲＧＯ膜により示されている８６．２％に、好ましいことに匹敵する。
【０２５７】
電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、電解質イオン輸送及び他の電気化学的挙動を分析するための非常に有用な方法である。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜のナイキスト線図は、概ね垂直な曲線を特徴とし、理想的な容量性能を示している。高周波数レジームのクローズアップ観察では、約４５°のＷａｒｂｕｒｇ領域の半円が現れている。３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極のナイキスト線図は、ＲＧＯ電極と比較した場合、より短いＷａｒｂｕｒｇ領域及びより小さな半円を示し、それはより低い電荷移動抵抗及びより効率的な電解質イオン拡散を示す。スーパーキャパシタの界面電気化学的挙動をよりよく理解するために、本発明者らはナイキスト線図を等価回路に適合させ、異なる回路要素の特定の値を要約している。ナイキスト線図と等価回路の関係の詳細は、補足ＥＩＳ解析セクションに示している。内部抵抗（Ｒｓ）は０．２０２Ωと０．２４４Ωである：３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜及びＲＧＯ膜スーパーキャパシタをそれぞれ適合させることによって得られた０．１８１Ω及び１．０４Ωの電荷輸送抵抗（Ｒｃｔ）を有する。これらの低抵抗値は、グラフェン壁に沿った高い電子伝導率、及び３Ｄの開いた細孔を通じた高速イオン移動を示している。３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の開いた表面は、拡散の限界なしに電解質イオンにより容易にアクセスでき、このことが高い電流密度／走査速度での大きな容量を保証する。対照的に、ＲＧＯ膜の凝縮層構造は、狭いネック様チャネル、及び電解質イオン輸送のための限定された細孔を提供するだけであり、抵抗が増加し、容量が抑制されるに至る。これは、ボード線図によってさらに確認された（図４ｉ）。−４５°の位相角での特性周波数ｆ０は抵抗挙動から容量挙動への移行点を記す。３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタは、５５．７Ｈｚのｆ０を呈する。これは、１７．８ｍｓの時定数（τ０＝１／ｆ０）に対応し、ＲＧＯスーパーキャパシタによって呈される９１．７ｍｓよりも著しく低い。３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタのこの時定数は、オニオン状炭素のいくつかの純炭素ベースのマイクロスーパーキャパシタ、例えば、２６ｍｓ、及び活性炭の７００ｍｓよりも顕著に低い。この非常に低い時定数は、３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極内部での高速イオン拡散及び輸送のさらなる証拠を提供する。
【０２５８】
ＲｓとＲｃｔの合計は、主にスーパーキャパシタの比出力密度を制限する等価直列抵抗（ＥＳＲ）の主な要因である可能性がある。したがって、３Ｄ多孔質ＲＧＯ電極の低ＥＳＲ、高容量及び概ね理想的な電解質イオン輸送は、水性電解質を使用したほんの１．０Ｖの電位窓でさえ、２８２ｋＷ／ｋｇの極めて高い出力密度及び９．９Ｗｈ／ｋｇの高エネルギー密度を提供する。３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタのこの高出力密度は、アルミニウム電解キャパシタに近く、以前に報告されたほとんどのＥＤＬＣ、疑似キャパシタ、さらには非対称スーパーキャパシタよりもはるかに高い。本発明者らの計算は、エネルギー密度を放電時間で割って得られる出力密度に基づいており、この点は注目に値する。これは、出力密度の値が、デバイスにより実際に達成されたことを意味する。以前に報告された非常に高い出力密度のいくつかは、電位窓の２乗をＥＳＲの４倍で割った値から計算されている。これは、スーパーキャパシタの理論上の理想最大出力密度である。スーパーキャパシタによって達成される実際の最高出力密度は、一般に、この理想的な最大値よりもはるかに低い。
【０２５９】
以前の論文に記載されているように、高負荷質量の活性材料は、スーパーキャパシタの全性能において重要な要素である。電極を製造するためにこの研究で使用されている方法である真空濾過は、その操作が容易であるために、グラフェンまたはグラフェンベースの膜を調製するための一般的な方法である。濾過方法の利点の１つは、単に使用される分散液の体積を調節することによって、濾過された膜の厚さ及び質量負荷を制御する利便性である。したがって、全デバイスの電気化学的性能を向上させるために、単純に分散液の体積を増加させることによって活性の電極の材料の負荷質量を増加させた。断面ＳＥＭ画像に見られるように、厚さが２０．４μｍ、すなわち負荷の２倍（３Ｄ多孔質ＲＧＯ−２）に増加し、４４．７μｍに、つまり負荷が５倍（３Ｄ多孔質ＲＧＯ−５）増加すると、調製されたままの膜は、その特に多孔質の微細構造を維持する。高い導電性と多孔質電極内部の優れたイオン輸送のために、ＣＶ曲線は、走査速度を１．０Ｖ／ｓまで増加させても、その矩形の形状を維持する。電流密度は、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜の負荷質量が増加するにつれて、著しく増加する。その結果、質量容量はそれぞれ２倍及び５倍の質量負荷で６．６％（２６５．５Ｆ／ｇまで）及び１５％（２４１．５Ｆ／ｇまで）だけ減少した。一方、面積容量は５６．８ｍＦ／ｃｍ２〜１０９ｍＦ／ｃｍ２、及び２４６ｍＦ／ｃｍ２に各々増加する。
【０２６０】
３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタの実用的な可能性をさらに評価するために、本発明者らは、全デバイスに基づいてエネルギー密度及び出力密度を計算した。これは、２本の電極、集電体、電解質及びセパレータを含む全体積により値が正規化されたことを意味する。Ｒａｇｏｎｅ線図にまとめているように、本発明者らのデバイスは高い出力密度（７．８〜１４．３ｋＷ  ｋｇ−１）を呈する。さらに、活性物質の質量負荷を増加させることによって、３Ｄ多孔質ＲＧＯスーパーキャパシタは、１．１１ＷｈＬ−１までの高エネルギー密度を貯蔵することができる。これは、有機電解質またはイオン性の液体に基づくスーパーキャパシタに匹敵しさえする。
【０２６１】
３Ｄ多孔質グラフェン膜を製造するのに用いられる凍結鋳造及び濾過技術は、主として、元の材料の形状及びサイズ、ならびにそれらの表面張力及び分散性などのいくつかの基本パラメータに関連する。したがって、この方法は、２Ｄ材料を３Ｄ多孔質マクロ構造に組み立てる普遍的な経路を提供することができる。現在の方法は、水熱法、ＣＶＤ、界面ゲル化、及びテンプレート指向の規則的な組立てなどの、３Ｄグラフェン膜を製造するための従来の経路よりも適応性が高いように見える。高度に多孔質の微細構造、高い導電率及び強力な機械的特性は、３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜に多くの用途の可能性を与える。
【０２６２】
高出力密度スーパーキャパシタは、上述の利点のすべてを利用する理想的な応用である。特に、新しくスマートな電気グリッドの負荷の平準化、フラッシュ付き充電電子装置及び電気自動車での迅速な加速など、限られた時間に大量のエネルギーを入力または出力する必要がある状況では、高い出力密度がいっそうの注目を集め続ける。しかし、大半の以前に報告されたスーパーキャパシタの出力密度は、一般に、狭いまたは限定された電解質イオン輸送チャネルによって制限されている。本発明者らの３Ｄ多孔質ＲＧＯ膜は、高出力密度スーパーキャパシタの電極の主な要件を満たすことができる。開いていて接続されている細孔は、高速の電解質イオン輸送と、電気二重層を形成するための自由に利用可能なグラフェンの表面とをもたらす。高い導電性と頑丈な機械的強度は、外部の負荷への電子の輸出における高い効率を保証する。さらに、これらの３Ｄ多孔質ＲＧＯネットワークは、制御可能な濾過プロセスのために、それらの負荷質量及び／または厚さをさらに拡大することができる。
【０２６３】
要約すると、本発明者らは、凍結鋳造と濾過を組み合わせて３Ｄ多孔質グラフェン膜を効果的に合成する方法を開発した。この簡単でスケーラブルな製造方法は、２Ｄ材料を組み立てることによって３Ｄ多孔質膜を合成するための一般的な経路となり得る。これら３Ｄ多孔質グラフェン膜を活性材料として用いることで、高性能スーパーキャパシタを作製した。非常に多孔質の微細構造、優れた導電性、及びその例外的な機械的強度を有するスーパーキャパシタは、非常に高い出力密度とエネルギー密度の両方を呈した。本研究は、３Ｄ多孔質膜の製造と広範囲の高出力密度の用途のための高揚する機会を実現する。
【図１】
2019507081.tif 000026
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４−１】
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【図１４−２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７−１】
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【図１７−２】
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【図１８】
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【図１９−１】
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【図１９−２】
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【図２０−１】
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【図２０−２】
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【図２１−１】
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【図２１−２】
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【図２１−３】
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【図２１−４】
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【図２２−１】
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【図２２−２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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