(57)【要約】  スーパーキャパシタセル用の電極を製造するための方法であって、（Ａ）複数の導電性多孔質層と、液体またはゲル電解質と混合された電極活性材料および任意選択の導電性添加剤からなる複数の湿潤電極層とを用意するステップであって、導電性多孔質層が、相互接続された導電経路と、少なくとも８０体積％の細孔とを含むステップと、（Ｂ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤電極層を交互の順序で積層して圧密化して、１００μｍ以上の（好ましくは２００μｍ超、より好ましくは４００μｍ超、さらに好ましくは６００μｍ超、および最も好ましくは１，０００μｍ超）厚さを有する電極を形成するステップを含む方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スーパーキャパシタセルを製造するための方法であって、
（Ａ）複数の導電性多孔質層と、第１の液体またはゲルの電解質と混合されたアノード活性材料および任意選択の導電性添加剤の複数の湿潤アノード層と、第２の液体またはゲルの電解質と混合されたカソード活性材料および任意選択の導電性添加剤の複数の湿潤カソード層とを用意するステップであって、前記導電性多孔質層が、相互接続された電子伝導経路と、少なくとも８０体積％の細孔とを含むステップと、
（Ｂ）所望の数の前記導電性多孔質層および所望の数の前記湿潤アノード層を積層して圧密化して、１００μｍ以上の厚さを有するアノード電極を形成するステップと、
（Ｃ）多孔質セパレータ層を前記アノード電極と接触させて配置するステップと、
（Ｄ）所望の数の前記導電性多孔質層および所望の数の前記湿潤カソード層を積層して圧密化して、前記多孔質セパレータ層と接触するカソード電極を形成するステップであって、ここで、前記カソード電極が１００μｍ以上の厚さを有し；ステップ（Ｄ）がステップ（Ｂ）の前または後に行われるステップと、
（Ｅ）前記アノード電極、前記多孔質セパレータ層、および前記カソード電極を組み立ててハウジング内に封止して、前記スーパーキャパシタセルを製造するステップと
を含み、
前記アノード電極および／または前記カソード電極が、７ｍｇ／ｃｍ２以上の材料質量装填量を有する、方法。
【請求項２】
前記アノード活性材料および／または前記カソード活性材料が、複数の炭素材料粒子および／または複数のグラフェンシートを含み、ここで、前記複数のグラフェンシートが、単層グラフェン、または１〜１０個のグラフェン面をそれぞれが有する少数層グラフェンを含み、前記複数の炭素材料粒子が、乾燥状態で測定したとき、５００ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
スーパーキャパシタセル用の電極を製造するための方法であって、
（ａ）複数の導電性多孔質層と、液体またはゲル電解質と混合された電極活性材料および任意選択の導電性添加剤からなる複数の湿潤電極層とを用意するステップであって、前記導電性多孔質層が、相互接続された導電経路と、少なくとも８０体積％の細孔とを含むステップと、
（ｂ）所望の数の前記多孔質層および所望の数の前記湿潤アノード層を積層して圧密化して、１００μｍ以上の厚さを有する電極を形成するステップと
を含む方法。
【請求項４】
前記電極活性材料が、複数の炭素材料粒子および／または複数のグラフェンシートを含み、ここで、前記複数のグラフェンシートが、単層グラフェン、または１〜１０個のグラフェン面をそれぞれが有する少数層グラフェンを含み、前記複数の炭素材料粒子が、乾燥状態で測定したとき、５００ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電極がカソード電極であり、前記方法がさらに、（ｃ）プレリチウム化またはプレナトリウム化されたアノード活性材料を含むアノード電極を供給するステップと、（ｄ）前記アノード電極と、多孔質セパレータと、前記カソード電極とを積層して、リチウムイオンキャパシタまたはナトリウムイオンキャパシタを形成するステップとを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記導電性多孔質層が２００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも８５体積％の細孔を有し、および／または前記電極活性材料装填量が１０ｍｇ／ｃｍ２以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記導電性多孔質層が３００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９０体積％の細孔を有し、および／または前記電極活性材料装填量が１５ｍｇ／ｃｍ２以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記導電性多孔質層が４００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９５体積％の細孔を有し、および／または前記電極活性材料装填量が２０ｍｇ／ｃｍ２以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記導電性多孔質層が、金属発泡体、金属ウェブまたはスクリーン、穿孔された金属シートベースの３Ｄ構造、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、導電性ポリマーナノファイバマット、導電性ポリマー発泡体、導電性ポリマー被覆ファイバ発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素ゼロックスゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記グラフェンシートが、純粋グラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープされたグラフェン、窒素ドープされたグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、それらの物理的または化学的に活性化またはエッチングされたバージョン、およびそれらの組合せからなる群から選択される請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記グラフェンシートが、純粋グラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープされたグラフェン、窒素ドープされたグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、それらの物理的または化学的に活性化またはエッチングされたバージョン、およびそれらの組合せからなる群から選択される請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記アノード活性材料またはカソード活性材料が、（ａ）グラフェンシートのみ；（ｂ）炭素材料と混合されたグラフェンシート；（ｃ）擬似容量を生成するためにグラフェンシートとの酸化還元対を形成するパートナー材料と混合されたグラフェンシート；または（ｄ）擬似容量を生成するためにグラフェンシートまたは炭素材料との酸化還元対を形成するパートナー材料と混合されたグラフェンシートおよび炭素材料から選択され、ここで、前記アノード電極内に他のアノード活性材料がなく、前記カソード電極内に他のカソード活性材料がない、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記湿潤アノード層内の前記アノード活性材料と前記電解質との体積比が、１／５〜２０／１であり、および／または前記湿潤カソード層内の前記カソード活性材料と前記電解質との体積比が１／５〜２０／１である請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記湿潤アノード層内の前記アノード活性材料と前記電解質との体積比が、１／３〜５／１であり、および／または前記湿潤カソード層内の前記カソード活性材料と前記電解質との体積比が１／３〜５／１である請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記アノード活性材料またはカソード活性材料が、金属酸化物、導電性ポリマー、有機材料、非グラフェン炭素材料、無機材料、またはそれらの組合せから選択される酸化還元対パートナー材料をさらに含み、前記パートナー材料が、グラフェンまたは炭素材料と組み合わさって、擬似容量のための酸化還元対を形成する、請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
前記アノード活性材料またはカソード活性材料が、金属酸化物、導電性ポリマー、有機材料、非グラフェン炭素材料、無機材料、またはそれらの組合せから選択される酸化還元対パートナー材料をさらに含み、前記パートナー材料が、グラフェンまたは炭素材料と組み合わせて、擬似容量のための酸化還元対を形成する、請求項４に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属酸化物が、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、ＭｎＯ２、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｖ３Ｏ８、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｂＯ２、Ａｇ２Ｏ、またはそれらの組合せから選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記無機材料が、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ジカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属酸化物または無機材料が、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態での、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、またはニッケルの酸化物、ダイカルコゲナイド、トリカルコゲナイド、硫化物、セレン化物、またはテルル化物から選択される請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記無機材料が、（ａ）セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、（ｂ）遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、（ｃ）ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物、（ｄ）窒化ホウ素、または（ｅ）それらの組合せ、から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートから選択され、ここで、前記ディスク、プレートレット、またはシートが１００ｎｍ未満の厚さを有する請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記アノード活性材料および／または前記カソード活性材料が、（ｉ）セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、（ｉｉ）遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、（ｉｉｉ）ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物、（ｉｖ）窒化ホウ素、または（ｖ）それらの組合せ、から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートを含み、ここで、前記ディスク、プレートレット、コーティング、またはシートが、乾燥状態で測定したときに、１００ｎｍ未満の厚さと、２００ｍ２／ｇ以上の比表面積とを有する請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記アノード活性材料またはカソード活性材料が、純粋グラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープされたグラフェン、窒素ドープされたグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、またはそれらの組合せから選択されるグラフェンシートをさらに含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記アノード活性材料またはカソード活性材料が、炭素材料、グラフェン材料、金属酸化物、導電性ポリマー、有機材料、またはそれらの組合せから選択される酸化還元対パートナー材料をさらに含み、前記パートナー材料が、前記無機材料と組み合わさって、擬似容量を得るための酸化還元対を形成する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記金属酸化物が、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、ＭｎＯ２、ＶＯｘ、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｂＯ２、Ａｇ２Ｏ、またはそれらの組合せから選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記炭素材料が、活性炭、活性化メソカーボンマイクロビーズ、活性化黒鉛、活性化または化学的にエッチングされたカーボンブラック、活性化硬質炭素、活性化軟質炭素、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、活性化カーボン繊維、活性化黒鉛繊維、剥離黒鉛ワーム、活性化黒鉛ワーム、活性化膨張黒鉛フレーク、またはそれらの組合せから選択される請求項２に記載の方法。
【請求項２６】
前記炭素材料が、活性炭、活性化メソカーボンマイクロビーズ、活性化黒鉛、活性化または化学的にエッチングされたカーボンブラック、活性化硬質炭素、活性化軟質炭素、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、活性化カーボン繊維、活性化黒鉛繊維、剥離黒鉛ワーム、活性化黒鉛ワーム、活性化膨張黒鉛フレーク、またはそれらの組合せから選択される請求項４に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の液体電解質または前記第２の液体電解質が、水性液体、有機液体、イオン性液体、または有機液体とイオン性液体の混合物から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記アノード活性材料が前記カソード活性材料と異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１つの保護被膜を供給して、前記少なくとも１つの多孔質表面を覆って、保護された電極を形成するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項３０】
前記アノード活性材料または前記カソード活性材料が、１０ｍｇ／ｃｍ２よりも高い電極活性材料装填量を構成し、および／または前記アノード電極または前記カソード電極が２００μｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記アノードまたはカソード活性材料装填量が１５ｍｇ／ｃｍ２よりも大きく、前記アノード活性材料と前記カソード活性材料の合計が、前記スーパーキャパシタセルの４０重量％を超え、および／または前記アノード電極またはカソード電極が３００μｍ以上の厚さを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項３２】
前記アノード活性材料またはカソード活性材料の装填量が２０ｍｇ／ｃｍ２よりも大きく、前記アノード活性材料と前記カソード活性材料の合計が、前記スーパーキャパシタセルの５０重量％を超え、および／または前記アノード電極またはカソード電極が４００μｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記アノード活性材料と前記カソード活性材料との合計が、前記スーパーキャパシタセルの６０重量％を超え、および／または前記アノード電極またはカソード電極が５００μｍ以上の厚さを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項３４】
請求項１に記載の方法によって製造されたスーパーキャパシタセル。
【請求項３５】
リチウムイオンキャパシタまたはナトリウムイオンキャパシタである、請求項５に記載の方法によって製造されたスーパーキャパシタセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本出願は、参照により本明細書に援用する２０１５年１１月２３日出願の米国特許出願第１４／７５７，１２４号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタの分野に関し、より詳細には、スーパーキャパシタ電極およびセルのための製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ウルトラキャパシタやスーパーキャパシタとも呼ばれる電気化学的キャパシタ（ＥＣ）は、ハイブリッド電気自動車（ＥＶ）での使用が考えられており、ここで、ＥＣは、急加速に必要とされる電力の突発を可能にするために、電気自動車で使用されるバッテリを補助することができる。そのような急加速は、バッテリ駆動車を商業的に実現可能にするための最大の技術的障害である。バッテリはそれでも走行用に使用されるが、スーパーキャパシタ（バッテリよりもはるかに迅速にエネルギーを解放する能力を備える）は、合流、追い越し、緊急操縦、および上り坂のために車が加速する必要があるときはいつでも起動する。また、ＥＣは、許容できる運転範囲を提供するのに十分なエネルギーを貯蔵しなければならない。追加のバッテリ容量に比べてコスト、体積、および重量面で効果的となるように、適切なエネルギー密度（体積および重量）および電力密度を長いサイクル寿命と組み合わせ、かつコスト面での目標も満たさなければならない。
【０００４】
エレクトロニクス業界でも、ＥＣは、システム設計者がそれらの属性や利益を熟知するにつれて受け入れられている。ＥＣは本来、軌道レーザ用の大量の駆動エネルギーを提供するために開発された。例えば、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）メモリのバックアップ用途では、１／２立方インチの体積を有する１ファラドのＥＣが、ニッケルカドミウムまたはリチウムバッテリの代わりとなり、数カ月間のバックアップ電力を供給することができる。所与の印加電圧に関して、所与の電荷に関連するＥＣ内の貯蔵エネルギーは、同じ電荷を通過させるための対応するバッテリシステムに貯蔵可能なエネルギーの半分である。それにも関わらず、ＥＣは非常に魅力的な電源である。ＥＣは、バッテリに比べ、メンテナンスが不要であり、サイクル寿命がはるかに長く、充電回路が非常に簡単であり、「メモリ効果」がなく、一般にはるかに安全である。化学的ではなく物理的なエネルギー貯蔵が、ＥＣの安全な動作と非常に高いサイクル寿命の主な理由である。おそらく最も重要なことに、キャパシタはバッテリよりも高い電力密度を提供する。
【０００５】
従来のキャパシタに比べて高いＥＣの容量密度（従来のキャパシタの１０倍〜１００倍）は、多孔質電極を使用して大きな実効「プレート面積」を形成すること、および拡散二重層にエネルギーを貯蔵することにより生じる。電圧が印加されたときに固体電解質界面に自然に形成されるこの二重層は、約１ｎｍの厚さしか有さず、したがって非常に小さい実効「プレート分離」を形成する。そのようなスーパーキャパシタは、一般に、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）と呼ばれる。二重層キャパシタは、液体電解質中に浸漬された活性炭などの高表面積の電極材料に基づいている。電極−電解質界面に極性二重層が形成され、高い容量を提供する。これは、スーパーキャパシタの比容量が電極材料の比表面積に正比例することを示唆する。しかし、この表面領域は電解質が到達可能でなければならず、得られる界面区域は、いわゆる電気二重層電荷を収容するのに十分に大きくなければならない。
【０００６】
幾つかのＥＣでは、貯蔵されたエネルギーは、擬似容量効果によってさらに増大され、これは、酸化還元電荷移動などの電気化学的現象によりやはり固体電解質界面で生じる。
【０００７】
しかし、現況技術水準のＥＣまたはスーパーキャパシタに関連する幾つかの重大な技術的問題がある。
【０００８】
（１）活性炭電極に基づくＥＣを用いた経験から、実験で測定された容量は、測定された表面積と双極子層の幅とから計算される幾何学上の容量よりも常にはるかに低いことが示されている。非常に高い表面積の炭素については、典型的には「理論上の」容量の約１０〜２０％しか観察されなかった。この残念な性能は、微細孔（＜２ｎｍ、主に＜１ｎｍ）の存在に関連しており、電解質が幾つかの細孔に到達できないこと、湿潤欠陥、および／または逆に帯電した表面が約１ｎｍ未満しか離れていない細孔内に二重層をうまく形成できないことに起因する。活性炭では、炭素源および熱処理温度に応じて、驚くべき量の表面がそのような微細孔の形態であり得る。
【０００９】
（２）公開されている文献および特許文献で頻繁に主張されているように（活性材料の重量のみに基づく）電極レベルでの重量容量が高いにも関わらず、これらの電極は、残念ながら、（総電池セル重量またはパック重量に基づく）スーパーキャパシタセルまたはパックレベルでの高い容量をエネルギー貯蔵デバイスに提供することができない。これは、これらの報告では電極の実際の質量装填量、および活性材料に関する見かけの密度が低すぎるという考えによるものである。大抵は、電極の活性材料質量装填量（面密度）は１０ｍｇ／ｃｍ２よりもかなり低く（面密度＝電極厚さ方向に沿った電極断面積当たりの活性材料の量）、活性材料の見掛けの体積密度またはタップ密度は、比較的大きい活性炭粒子に関してでさえ、典型的には０．７５ｇ／ｃｍ−３未満（より典型的には、０．５ｇ／ｃｍ−３、最も典型的には、０．３ｇ／ｃｍ−３未満）である。
【００１０】
低い質量負荷は、主として、従来のスラリコーティング手順を使用して比較的厚い電極（１００〜２００μｍよりも厚い）を得ることができないことが原因である。これは、思うほど簡単な作業ではなく、現実には、電極の厚さは、セル性能を最適化するために任意にかつ自由に変えることができる設計パラメータではない。反対に、より厚い試料は、非常に脆くなりやすく、または構造的完全性が低くなりやすく、また大量の粘結剤樹脂の使用を必要とする。これらの問題は、グラフェン材料ベースの電極にとって特に重大である。１５０μｍよりも厚く、かつ液体電解質が完全に到達可能な細孔を有する高い多孔率であるグラフェンベースの電極を製造することは従来不可能であった。低い面密度および低い体積密度（薄い電極および低い充填密度に関連する）により、スーパーキャパシタセルの体積容量は比較的低く、体積エネルギー密度は低い。
【００１１】
よりコンパクトでポータブルなエネルギー貯蔵システムに対する要求の高まりと共に、エネルギー貯蔵デバイスの体積の利用率を高めることに強い関心が持たれている。セルの体積容量およびエネルギー密度の改良を実現するために、高い体積容量および高い質量装填量を可能にする新規の電極材料および設計が不可欠である。
【００１２】
（３）ここ１０年の間、グラフェン、カーボンナノチューブ複合材料、多孔質酸化黒鉛、多孔質メソカーボンなどの多孔質炭素ベース材料を利用して体積容量を増加させた電極材料を開発する努力が盛んに行われてきた。そのような電極材料を特徴とするこれらの実験用スーパーキャパシタは、高速で充電および放電することができ、大きな体積電極容量（大抵の場合、電極体積に基づいて１００〜２００Ｆ／ｃｍ３）も示すが、それらの典型的な活性質量装填量＜１ｍｇ／ｃｍ２、タップ密度＜０．２ｇ／ｃｍ−３、および最大数十マイクロメートル（＜＜１００μｍ）の電極厚さは、市販されている大半の電気化学的キャパシタで使用されているもの（すなわち、１０ｍｇ／ｃｍ２、１００〜２００μｍ）よりも依然としてかなり低く、その結果、面積および体積容量が比較的低く、体積エネルギー密度が低いエネルギー貯蔵デバイスが得られる。
【００１３】
（４）グラフェンベースのスーパーキャパシタに関しては、以下に説明する未解決のさらなる問題がある。
【００１４】
ナノグラフェン材料は、非常に高い熱伝導率、高い導電率、および高い強度を示すことが最近発見された。グラフェンの別の顕著な特徴は、その非常に高い比表面積である。単一のグラフェンシートは、対応する単壁ＣＮＴによって提供される約１３００ｍ２／ｇの外面表面積（内面は電解質が到達不可能）とは対照的に、（液体電解質が到達可能な）約２，６７５ｍ２／ｇの特定の外部表面積を提供する。グラフェンの導電率は、ＣＮＴの導電率よりもわずかに高い。
【００１５】
本出願人ら（Ａ．  ＺｈａｍｕおよびＢ．  Ｚ．  Ｊａｎｇ）およびその研究チームは、スーパーキャパシタ用のグラフェンおよび他のナノ黒鉛ベースのナノ材料の研究を最初に行った［以下の参考文献１〜５参照。最初の特許文献は２００６年に出願され、２００９年に付与された］。２００８年以降、研究者らはスーパーキャパシタ用途に関するナノグラフェン材料の有意性を認識し始めた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第７，６２３，３４０号
【特許文献２】米国特許出願第１１／９０６，７８６号
【特許文献３】米国特許出願第１１／８９５，６５７号
【特許文献４】米国特許出願第１１／８９５，５８８号
【特許文献５】米国特許出願第１２／２２０，６５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、個々のナノグラフェンシートは、それ自体が再積層する強い傾向があり、スーパーキャパシタ電極での電解質が到達可能な比表面積を実質的に減少させる。このグラフェンシート重畳の問題の重大さは、以下のように示すことができる：寸法ｌ（長さ）×ｗ（幅）×ｔ（厚さ）と密度ρとを有するナノグラフェンプレートレットに関して、質量当たりの推定の表面積は、Ｓ／ｍ＝（２／ρ）（１／ｌ＋１／ｗ＋１／ｔ）である。ρ≒２．２ｇ／ｃｍ３、ｌ＝１００ｎｍ、ｗ＝１００ｎｍ、ｔ＝０．３４ｎｍ（単層）の場合、Ｓ／ｍ値は２，６７５ｍ２／ｇと高く、これは、現況技術水準のスーパーキャパシタに使用される大半の市販のカーボンブラックまたは活性炭材料のものよりもはるかに高い。２枚の単層グラフェンシートを積層して２層グラフェンを形成する場合、比表面積は、１３４５ｍ２／ｇに減少される。３層グラフェンの場合、ｔ＝１ｎｍであり、Ｓ／ｍ＝９０６ｍ２／ｇである。より多くの層が積層される場合、比表面積はさらに大きく減少する。
【００１８】
これらの計算は、個々のグラフェンシートが再積層するのを防止する方法を見つけることが非常に重要であること、また、それらの一部が再積層しても、得られる多層構造はまだ適切なサイズの層間細孔を有することを示唆している。これらの細孔は、電解質による到達可能性を与え、典型的には少なくとも１ｎｍ、より好ましくは少なくとも２ｎｍの孔径を必要とする電気二重層電荷の形成を可能にするのに十分に大きくなければならない。しかし、これらの細孔またはグラフェン間の間隔も、大きなタップ密度（単位体積当たりの電極質量）を保証するのに十分に小さくなければならない。残念ながら、グラフェンベースの電極の典型的なタップ密度は、０．３ｇ／ｃｍ３未満であり、最も典型的には、０．１ｇ／ｃｍ３未満である。大抵、大きい孔径および高い多孔率レベルを有するという要件、ならびに高いタップ密度を有するという要件は、スーパーキャパシタでは互いに排他的であると考えられている。
【００１９】
グラフェンシートをスーパーキャパシタの電極活性材料として使用することに対する別の主な技術的障壁は、従来のグラフェン−溶媒スラリコーティング手順を用いて固体集電体（例えばＡｌ箔）の表面上に厚い活性材料層を堆積させるという問題である。このような電極では、グラフェン電極は、典型的には、多量の粘結剤樹脂を必要とする（したがって、非活性またはオーバーヘッド材料／構成要素に対する活性材料比率が大幅に減少される）。さらに、このようにして用意された任意の電極は、いずれも５０μｍよりも厚く、脆く、弱く、剥離およびマイクロクラックを生じやすい。これらの特性により、スーパーキャパシタの電極の厚さは設計パラメータではなく、製造に限定された特性になっている。スーパーキャパシタの設計者は、電極の厚さを自由に増加させることができない。これらの問題の効果的な解決策はなかった。
【００２０】
したがって、高い活性材料質量装填量（高い面密度）、高い見掛けの密度（高いタップ密度）を有する活性材料、構造的完全性を有すると共に電子およびイオン輸送速度を大幅に低下させることのない（例えば大きい電子輸送抵抗のない）高い電極厚さ、高い体積容量、および高い体積エネルギー密度を有するスーパーキャパシタセルおよび電極の必要性は明白であり、急を要する。また、グラフェンベースの電極では、グラフェンシートの再積層、大きな比率の粘結剤樹脂の必要性、および厚いグラフェン電極層の製造の難しさなどの問題も克服しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、スーパーキャパシタ電極を製造するため、さらに、高い活性材料質量装填量、（活性材料重量および体積に比べて）非常に低いオーバーヘッド（補助構成要素）重量および体積、高い体積容量、ならびに先例のないほど高い体積エネルギー密度を有するスーパーキャパシタセルを製造するための方法を提供する。このプロセスは、拡張性が高く、コスト効率の良い方法でスーパーキャパシタ電極およびセルを大量生産するのに適している。
【００２２】
一実施形態では、本発明によるスーパーキャパシタセルを製造するための方法は、
（ａ）複数の導電性多孔質層（例えば、高多孔率のＮｉ発泡体）と、第１の液体またはゲル電解質と混合されたアノード活性材料および任意選択の導電性添加剤の複数の湿潤アノード層（例えば、活性炭粒子および／またはグラフェンシート）と、第２の液体またはゲル電解質と混合されたカソード活性材料および任意選択の導電性添加剤の複数の湿潤カソード層とを用意するステップであって、導電性多孔質層が、相互接続された電子伝導経路と、少なくとも８０体積％の細孔とを含むステップと、
（ｂ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤アノード層を好ましくは交互の順序で積層して圧密化して、１００μｍ以上（好ましくは＞２００μｍ、より好ましくは＞５００μｍ；理論上の厚さの限度はなく、実用上の限度は１ｍである）の厚さを有するアノード電極を形成するステップと、
（ｃ）多孔質セパレータ層をアノード電極と接触させて配置するステップと、
（ｄ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤カソード層を交互の順序で積層して圧密化して、多孔質セパレータと接触するカソード電極を形成するステップであって、カソード電極が１００μｍ以上の厚さを有し；ステップ（ｄ）がステップ（ｂ）の前または後に行われるステップと、
（ｅ）アノード電極、多孔質セパレータ、およびカソード電極を組み立ててハウジング内に封止して、スーパーキャパシタセルを製造するステップと
を含み、
アノード電極および／またはカソード電極が、７ｍｇ／ｃｍ２以上の（好ましくは１０ｍｇ／ｃｍ２超、より好ましくは２０ｍｇ／ｃｍ２超、さらに好ましくは３０ｍｇ／ｃｍ２超、および最も好ましくは５０ｍｇ／ｃｍ２超）材料質量装填量を有する。
【００２３】
幾つかの実施形態では、アノード活性材料および／またはカソード活性材料が、複数の炭素材料粒子および／または複数のグラフェンシートを含み、ここで、上記複数のグラフェンシートが、単層グラフェン、または１〜１０個のグラフェン面をそれぞれが有する少数層グラフェンを含み、複数の炭素材料粒子が、乾燥状態で測定したとき、５００ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する。
【００２４】
このスーパーキャパシタ製造プロセスでは、ステップ（ａ）とステップ（ｂ）の組合せ、またはステップ（ａ）とステップ（ｄ）の組合せはそれぞれ、本質的に電極（アノードまたはカソード）のための製造プロセスを成す。したがって、本発明の別の実施形態は、スーパーキャパシタセル用の電極を製造するための方法であって、（Ａ）複数の導電性多孔質層と、液体またはゲル電解質と混合された電極活性材料および任意選択の導電性添加剤からそれぞれなる複数の湿潤電極層とを用意するステップであって、導電性多孔質層が、相互接続された導電経路と、少なくとも８０体積％の細孔とを含むステップと、（Ｂ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤電極層を交互の順序で積層して圧密化して、１００μｍ以上の厚さを有する電極を形成するステップを含む方法である。ここでもまた、電極活性材料が、複数の炭素材料粒子および／または複数のグラフェンシートから選択されることがあり、ここで、上記複数のグラフェンシートが、単層グラフェン、または１〜１０個のグラフェン面をそれぞれが有する少数層グラフェンを含み、上記複数の炭素材料粒子が、乾燥状態で測定したとき、５００ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する。
【００２５】
アノードの導電性多孔質層とカソードの導電性多孔質層は、同じ材料から形成されても異なる材料から形成されてもよい。各層は、液体またはゲル電解質およびカソード活性材料またはアノード活性材料を収容するための細孔を有するカソード集電体またはアノード集電体として、電子伝導経路の相互接続された２Ｄまたは３Ｄネットワークを含む。導電性多孔質層は、１００μｍ以上（好ましくは２００μｍ超、より好ましくは３００μｍ超、さらに好ましくは４００μｍ超、さらに好ましくは５００μｍ超、および最も好ましくは最大５，０００μｍまたは５ｍｍ（実際、多孔質層厚さまたは最終電極厚さに対する制限はない））の厚さを有する。導電性多孔質層は、好ましくは、少なくとも７０体積％（より好ましくは少なくとも８０％、さらにより好ましくは少なくとも９０％、および最も好ましくは少なくとも９５％）の細孔を有する。
【００２６】
幾つかの実施形態では、アノード活性材料および／またはカソード活性材料が、複数の炭素材料粒子および／または複数のグラフェンシートを含み、ここで、複数のグラフェンシートが、単層グラフェンまたは少数層グラフェン（１〜１０個のグラフェン面をそれぞれが有する）を含み、複数の炭素材料粒子が、乾燥状態で測定したとき、５００ｍ２／ｇ以上（好ましくは＞１，０００ｍ２／ｇ、より好ましくは＞１，５００ｍ２／ｇ、さらに好ましくは＞２，０００ｍ２／ｇ、さらに好ましくは＞２，５００ｍ２／ｇ、および最も好ましくは＞３，０００ｍ２／ｇ）の比表面積を有する（実際の限度は、炭素ベース材料に関して３，５００ｍ２／ｇである）。最終電極では、アノード活性材料またはカソード活性材料は、アノードまたはカソードで、７ｍｇ／ｃｍ２以上の（好ましくは１０ｍｇ／ｃｍ２超、より好ましくは２０ｍｇ／ｃｍ２以上、さらに好ましくは３０ｍｇ／ｃｍ２超、さらに好ましくは５０ｍｇ／ｃｍ２超、および最も好ましくは１００ｍｇ／ｃｍ２超）電極活性材料装填量を成す。そのような高い質量装填量は、従来考えられていた方法によっては実現可能でなかった。
【００２７】
本明細書では、導電性細孔層とは、高い細孔体積（＞７０％以上）と、電子伝導経路の相互接続ネットワークとを含む構造を表す。これは、例えば、端部接続された２Ｄマット、ウェブ、チキンワイヤ状金属スクリーンなどでよい。例えば、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、これは金属発泡体、導電性ポリマー発泡体、黒鉛発泡体、炭素発泡体、またはグラフェン発泡体などでよく、細孔壁は導電性材料を含む。導電性多孔質層（集電体として働く）の細孔体積（例えば、＞７０％）は、大きい比率の活性材料が集電体に収容されることを保証するために非常に重要な要件である。この基準に基づくと、天然および／または合成繊維から形成された従来の紙または織物は、十分な量の適切なサイズの細孔を有さないので、この要件を満たさない。
【００２８】
導電性多孔質層の孔径は、好ましくは１０ｎｍ〜５０μｍ、より好ましくは１００ｎｍ〜２０μｍ、さらに好ましくは５００ｎｍ〜１０μｍ、および最も好ましくは１μｍ〜５μｍの範囲内である。これらの孔径範囲は、グラフェンシートを収容するように設計され、これらのグラフェンシートは、典型的には長さ／幅が１０ｎｍ〜５０μｍ、最も典型的には１００ｎｍ〜２０μｍ、さらに典型的には２００ｎｍ〜１０μｍ、および最も典型的には０．５μｍ〜５μｍである。しかし、より重大なことに、全ての活性材料粒子（例えば、グラフェンシート、炭素粒子など）が平均で３Ｄ発泡体構造内の細孔壁から２５μｍ以内にあるので、活性材料−電解質界面付近の電気二重層から電子（電荷）を容易に収集することができる。これは、従来技術のスーパーキャパシタの従来の厚い電極（例えば、＞１００μｍの厚さの活性炭層が、厚さ１２μｍの固体Ａｌ箔集電体の表面上にコーティングされる）内の幾らかの電子が、集電体によって収集されるために少なくとも１００μｍ進まなければならない（より大きい内部抵抗と、より高い電力を送給する機能の低下とを意味する）という考え方とは対照的である。
【００２９】
一般に、湿潤アノード層と湿潤カソード層は、対称スーパーキャパシタ（例えば、電気二重層キャパシタ、ＥＤＬＣ、または酸化還元擬似キャパシタ）と組成が同一であるが、異なっていてもよい。液体電解質は、水性液体、有機液体、イオン性液体（１００℃よりも低い、好ましくは室温２５℃よりも低い融解温度を有するイオン性塩）、または１／１００〜１００／１の比でのイオン性液体と有機液体との混合物でよい。有機液体が望ましいが、イオン性液体も好ましい。
【００３０】
スーパーキャパシタ活性材料は、近くの電気二重層によって、またはスーパーキャパシタセル内の酸化還元メカニズムによって電荷を貯蔵する役割を担う材料である。活性材料として、炭素材料は、活性炭、活性化メソカーボンマイクロビーズ（活性化ＭＣＭＢ）、活性化黒鉛、活性化または化学的にエッチングされたカーボンブラック、活性化硬質炭素、活性化軟質炭素、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、活性化カーボン繊維、活性化黒鉛繊維、剥離黒鉛ワーム、活性化黒鉛ワーム、活性化膨張黒鉛フレーク、またはそれらの組合せから選択することができる。
【００３１】
好ましい実施形態では、第１および／または第２の導電性多孔質層は、２００μｍ以上の厚さを有し、（湿潤電極活性材料混合物の含浸前に）少なくとも８５体積％の細孔を有し、および／または電極活性材料装填量が１０ｍｇ／ｃｍ２以上である。好ましくは、組み合わされた２つの電極（アノードとカソード）中の活性材料は、スーパーキャパシタセル全体の少なくとも３０重量％または体積％を占める。この活性材料のこの重量または体積比率は、好ましくは４０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上である。これらは従来のスーパーキャパシタでは不可能であった。
【００３２】
さらに好ましい実施形態では、第１および／または第２の導電性多孔質層構造は、３００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９０体積％の細孔を有し、および／または電極活性材料装填量は１５ｍｇ／ｃｍ２以上である（本発明による方法で実現可能な活性材料質量のこの面密度に対する理論上の上限はない）。
【００３３】
より好ましい実施形態では、第１および／または第２の導電性多孔質層構造は、４００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも９５体積％の細孔を有し、および／または電極活性材料装填量は２０ｍｇ／ｃｍ２以上である。導電性多孔質層の厚さは、最も好ましくは４００μｍ〜５ｍｍである。
【００３４】
特定の実施形態では、導電性多孔質層は、金属発泡体、金属ウェブまたはスクリーン、穿孔された金属シートベースの３Ｄ構造、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、導電性ポリマーナノファイバマット、導電性ポリマー発泡体、導電性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゾル、炭素ゼロックスゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択される。
【００３５】
スーパーキャパシタ活性材料として、グラフェンシートは、純粋グラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、ホウ素ドープされたグラフェン、窒素ドープされたグラフェン、化学的に官能化されたグラフェン、それらの物理的または化学的に活性化またはエッチングされたバージョン、およびそれらの組合せから選択することができる。一実施形態では、アノードまたはカソードは、唯一の電極活性材料としてグラフェンシートを含み、他の電極活性材料を含まない。
【００３６】
特定の実施形態では、アノードまたはカソードは、アノードまたはカソード中の唯一の電極活性材料として以下の材料を含む：（ａ）グラフェンシートのみ；（ｂ）炭素材料と混合されたグラフェンシート；（ｃ）擬似容量を生成するためにグラフェンシートとの酸化還元対を形成するパートナー材料と混合されたグラフェンシート；または（ｄ）擬似容量を生成するためにグラフェンシートまたは炭素材料との酸化還元対を形成するパートナー材料と混合されたグラフェンシートおよび炭素材料。ここで、アノードまたはカソード中に他の電極活性材料はない。
【００３７】
アノード活性材料とカソード活性材料とは、同じ材料でも異なる材料でもよい。好ましくは、第１の分散液中のアノード活性材料と液体電解質との体積比は、１／５〜２０／１（好ましくは１／３〜５／１）であり、および／または第２の分散液中のカソード活性材料と液体電解質との体積比は、１／５〜２０／１（好ましくは１／３〜５／１）である。
【００３８】
特定の実施形態では、アノード活性材料またはカソード活性材料が、金属酸化物、導電性ポリマー、有機材料、非グラフェン炭素材料、無機材料、またはそれらの組合せから選択される酸化還元対パートナー材料をさらに含み、パートナー材料が、グラフェンまたは炭素材料と組み合わさって、擬似容量を生成するための酸化還元対を形成する。金属酸化物は、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、ＭｎＯ２、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｖ３Ｏ８、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｂＯ２、Ａｇ２Ｏ、またはそれらの組合せから選択することができる。無機材料は、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ジカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択することができる。導電性ポリマーは、好ましくは、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、またはそれらの誘導体などの本来的に導電性のポリマーを含む。
【００３９】
幾つかの実施形態では、金属酸化物または無機材料は、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態での、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、またはニッケルの酸化物、ジカルコゲナイド、トリカルコゲニド、硫化物、セレン化物、またはテルル化物から選択することができる。好ましくは、無機材料は、（ａ）セレン化ビスマスもしくはテルル化ビスマス、（ｂ）遷移金属ダイカルコゲナイドもしくはトリカルコゲナイド、（ｃ）ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、もしくは遷移金属の硫化物、セレン化物、もしくはテルル化物、（ｄ）窒化ホウ素、または（ｅ）それらの組合せ、から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、ナノコーティング、またはナノシートから選択され、ここで、ディスク、プレートレット、またはシートが１００ｎｍ未満の厚さを有する。
【００４０】
一実施形態では、スーパーキャパシタタイプのカソード（電気二重層または酸化還元対タイプの電極）を有するが、アノードは、リチウムまたはナトリウムイオンをインターカレート／デインターカレートするバッテリ状のアノード（例えば、プレリチウム化黒鉛粒子、プレナトリウム化炭素粒子、またはプレリチウム化Ｓｉ粒子を含む）であり、得られるスーパーキャパシタは、リチウムイオンキャパシタまたはナトリウムイオンキャパシタ（まだバッテリではなくキャパシタである）である。したがって、本発明は、特別なクラスのスーパーキャパシタセル（すなわち、リチウムイオンキャパシタ、ＬＩＣ、またはナトリウムイオンキャパシタ、ＮＩＣ）を製造するための方法も提供する。
【００４１】
そのような方法は、（Ａ）複数の導電性多孔質層と、液体またはゲル電解質と混合されたカソード活性材料（例えば、活性炭粒子および／またはグラフェンシート）および任意選択の導電性添加剤からなる複数の湿潤カソード層とを用意するステップであって、導電性多孔質層が、相互接続された導電経路と、少なくとも８０体積％の細孔とを含むステップと、（Ｂ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤カソード層を交互の順序で積層して圧密化して、１００μｍ以上の厚さを有するカソード電極を形成するステップと、（Ｃ）アノード電極を供給するステップであって、アノード電極が、プレリチウム化またはプレナトリウム化アノード活性材料を含むステップと、（Ｄ）アノード電極、多孔質セパレータ、およびカソード電極を積層して、リチウムイオンキャパシタまたはナトリウムイオンキャパシタを形成するステップであって、カソード電極が、１００μｍ以上（好ましくは＞２００μｍ、より好ましくは＞３００μｍ、さらに好ましくは＞４００μｍ、さらに好ましくは５００μｍ、および最も好ましくは＞６００μｍ）の厚さを有し、カソード活性材料が、上記カソード電極中で７ｍｇ／ｃｍ２以上の電極活性材料装填量を構成する。好ましくは、カソード活性材料は、１０ｍｇ／ｃｍ２以上（好ましくは＞２０ｍｇ／ｃｍ２以上、より好ましくは＞３０ｍｇ／ｃｍ２以上、さらに好ましくは＞５０ｍｇ／ｃｍ２以上、最も好ましくは＞１００ｍｇ／ｃｍ２以上）の電極活性材料装填量を構成する）。
【００４２】
アノード電極層を用意するには少なくとも２つの方法がある。すなわち、従来の方法と、本発明による方法とである。従来の方法は、黒鉛粒子をＮＭＰ溶媒中で混合してスラリを形成し、これをアノード集電体（例えば、多孔質でない薄いＣｕ箔）の１つまたは２つの表面上にコーティングすることを含む。次いで、溶媒を除去して乾燥した電極を得て、バッテリセルを組み立ててパッケージ封体に収容した後に液体電解質をアノード側に注入する。より好ましくは、本発明によるＬＩＣまたはＮＩＣ用のアノード電極もまた、上述した本発明による方法によって作製される。本発明の方法は、（Ａ）第２の導電性多孔質層を、アノード材料含浸区域に連続的に供給するステップであって、第２の導電性多孔質層が、２つの対向する多孔質表面を有し、相互接続された電子伝導経路と、好ましくは少なくとも７０体積％の細孔とを含むステップと、（Ｂ）電極を形成するために、２つの多孔質表面の少なくとも１つから、第２の導電性多孔質層に湿潤アノード活性材料混合物を含浸するステップとを含む。湿潤アノード活性材料混合物は、液体電解質およびアノード活性材料を含み、アノード活性材料は、黒鉛粒子、炭素粒子、Ｓｉナノ粒子、Ｓｎナノ粒子、またはリチウムイオン電池もしくはナトリウムイオン電池用の任意の他の一般的に使用されるアノード活性材料のプレリチウム化またはプレナトリウム化バージョンから選択される。
【００４３】
リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）では、アノード活性材料は、以下のものからなる群から選択される。（ａ）天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、および炭素のプレリチウム化粒子；（ｂ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、およびカドミウム（Ｃｄ）のプレリチウム化粒子またはコーティング；（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、またはＣｄと他の元素とのプレリチウム化合金または金属間化合物。ここで、上記合金または化合物は化学量論的または非化学量論的である；（ｄ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｎ、またはＣｄのプレリチウム化酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、およびテルル化物、およびそれらの混合物または複合材料；および（ｅ）プレリチウム化グラフェンシート；ならびにそれらの組合せ。
【００４４】
ナトリウムイオンキャパシタでは、アノード活性材料は、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、硬質炭素、軟質炭素、テンプレート化炭素、中空炭素ナノワイヤ、中空炭素球、もしくはチタン化物のプレナトリウム化バージョン、または、ＮａＴｉ２（ＰＯ４）３、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、Ｎａ２Ｃ８Ｈ４Ｏ４、Ｎａ２ＴＰ、ＮａｘＴｉＯ２（ｘ＝０．２〜１．０）、Ｎａ２Ｃ８Ｈ４Ｏ４から選択されるナトリウムインターカレーション化合物、カルボン酸塩ベースの材料、Ｃ８Ｈ４Ｎａ２Ｏ４、Ｃ８Ｈ６Ｏ４、Ｃ８Ｈ５ＮａＯ４、Ｃ８Ｎａ２Ｆ４Ｏ４、Ｃ１０Ｈ２Ｎａ４Ｏ８、Ｃ１４Ｈ４Ｏ６、Ｃ１４Ｈ４Ｎａ４Ｏ８、またはそれらの組合せを含む。
【００４５】
ナトリウムイオンキャパシタでは、アノード活性材料は、以下の材料の群から選択されるナトリウムインターカレーション化合物を含む：（ａ）ナトリウムドープされたケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、およびそれらの混合物；（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄ、およびそれらの混合物のナトリウム含有合金または金属間化合物；（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｄのナトリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、またはアンチモナイド、ならびにそれらの混合物または組成物；（ｄ）ナトリウム塩；および（ｅ）ナトリウムまたはカリウムを予め装填されたグラフェンシート。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（Ａ）は従来技術のスーパーキャパシタセルの概略図である。（Ｂ）は湿潤アノード活性材料混合物（例えば液体電解質、アノード活性材料、および任意選択の導電性添加剤）を含浸させた導電性多孔質層（例えば高多孔率発泡体の形態でのアノード集電体、または互いに積層された複数の多孔質発泡体シート）からなるアノード電極２５１と、多孔質セパレータと、湿潤カソード活性材料混合物を含浸させた高多孔率発泡体（または互いに積層された複数の発泡体シート）の形態での集電体からなるカソード電極２５３とを備える、本発明によるスーパーキャパシタセルの概略図である。（Ｃ）はアノード電極を形成するためにアノード活性材料および液体電解質（および任意選択の導電性添加剤）による多孔質層の浸潤を実現するために複数の多孔質層（集電体のバックボーンとして）および湿潤電極層の圧密化（例えば圧縮による）を行う前、およびカソード電極を形成するためにカソード活性材料および液体電解質（および任意選択の導電性添加剤）による多孔質層の浸潤を行う前の、（ｉ）交互に配置された導電性多孔質層および湿潤アノード層の積層体と、（ｉｉ）多孔質セパレータと、（ｉｉｉ）交互に構成された導電性多孔質層および湿潤カソード層の積層体を備える本発明によるスーパーキャパシタセルの概略図である。（Ｄ）は（Ｃ）に示される本発明によるスーパーキャパシタセルの概略図であるが、アノード電極を形成するためにアノード活性材料および液体電解質（および任意選択の導電性添加剤）によって多孔質層の浸潤を実現するために複数の多孔質層（集電体のバックボーンとして）および湿潤電極層の圧密化（例えば圧縮による）を行った後の、およびカソード電極を形成するためにカソード活性材料および液体電解質（および任意選択の導電性添加剤）によって多孔質層の浸潤を行った後の図である。（Ｅ）はアノード電極と、セパレータと、カソード電極とを組み合わせてラミネートすることによってスーパーキャパシタセル（リチウムイオンまたはナトリウムイオンキャパシタ）を製造するための本発明によるプロセスの概略図であって、交互に積層された導電性多孔質層および湿潤カソード層を圧縮する本発明による方法によってカソード電極が用意される図である。
【図２】典型的なグラフェンシートの電子顕微鏡画像を示す図である。
【図３】（Ａ）は導電性多孔質層の例、すなわち金属グリッド／メッシュ、カーボンナノファイバマットを示す図である。（Ｂ）は導電性多孔質層の例、すなわちグラフェン発泡体と炭素発泡体を示す図である。（Ｃ）は導電性多孔質層の例、黒鉛発泡体およびＮｉ発泡体を示す図である。（Ｄ）は導電性多孔質層の例、すなわちＣｕ発泡体およびステンレス鋼発泡体を示す図である。
【図４】（Ａ）は剥離黒鉛、膨張黒鉛フレーク（厚さ＞１００ｎｍ）、およびグラフェンシート（厚さ＜１００ｎｍ、より典型的には＜１０ｎｍであり、０．３４ｎｍの薄さでもよい）を製造するための一般に使用されている方法の概略図である。（Ｂ）は剥離黒鉛、膨張黒鉛フレーク、およびグラフェンシートを製造するための方法を示す概略図である。
【図５】電極活性材料としての還元酸化グラフェン（ＲＧＯ）シートと、ＥＭＩＭＢＦ４イオン性液体電解質とを含む対称スーパーキャパシタ（ＥＤＬＣ）のＲａｇｏｎｅプロット（重量および体積電力密度対エネルギー密度）を示す図である。スーパーキャパシタは、本発明の一実施形態に従って、および比較のために電極の従来のスラリコーティングによって用意した。
【図６】電極活性材料としての活性炭（ＡＣ）粒子と有機液体電解質とを含む対称スーパーキャパシタ（ＥＤＬＣ）セルのＲａｇｏｎｅプロット（重量および体積電力密度対エネルギー密度）を示す。スーパーキャパシタは、本発明の一実施形態に従って、および電極の従来のスラリコーティングによって用意した。
【図７】（Ａ）は電極活性材料としての純粋グラフェンシートと、リチウム塩−ＰＣ／ＤＥＣ有機液体電解質とを含むリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）セルのＲａｇｏｎｅプロット（重量および体積電力密度対エネルギー密度）を示す図である。スーパーキャパシタは、本発明の一実施形態に従って、および電極の従来のスラリコーティングによって用意した。（Ｂ）は電極活性材料としての純粋グラフェンシートと、ナトリウム塩−ＰＣ／ＤＥＣ有機液体電解質とを含むナトリウムイオンキャパシタ（ＮＩＣ）セルのＲａｇｏｎｅプロット（重量および体積電力密度対エネルギー密度）を示す図である。
【図８】従来の方法および本発明による方法によって用意されたＡＣベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタの実現可能な電極厚さ範囲に対してプロットされたセルレベルの重量および体積エネルギー密度を示す図である。凡例：従来のスーパーキャパシタの重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度、ならびに本発明によるスーパーキャパシタの重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度。本発明による方法では、実現することができる電極の厚さに理論上の制限はない。典型的には、実際の電極の厚さは、１０μｍ〜１，０００μｍ、より典型的には１００μｍ〜８００μｍ、最も典型的には２００μｍ〜６００μｍである。
【図９】従来の方法および本発明による方法によって用意されたＲＧＯベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（有機液体電解質）の実現可能な電極厚さ範囲にわたってプロットされた、セルレベルの重量および体積エネルギー密度を示す図である。凡例：従来のスーパーキャパシタ（約０．２５ｇ／ｃｍ３の実現される最高電極タップ密度）の重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度、ならびに本発明によるスーパーキャパシタ（約０．７５ｇ／ｃｍ３の容易に実現される電極タップ密度）の重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度。
【図１０】従来の方法および本発明による方法によって用意された純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（有機液体電解質）の実現可能な電極厚さ範囲にわたってプロットされたセルレベルの重量および体積エネルギー密度を示す図である。凡例：従来のスーパーキャパシタ（約０．２５ｇ／ｃｍ３の実現される最高電極タップ密度）の重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度、ならびに本発明によるスーパーキャパシタ（約１．１５ｇ／ｃｍ３の電極タップ密度）の重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度。
【図１１】従来の方法および本発明による方法によって用意された純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（イオン性液体電解質）の実現可能な電極厚さ範囲にわたってプロットされたセルレベルの重量および体積エネルギー密度を示す図である。凡例：従来のスーパーキャパシタ（約０．２５ｇ／ｃｍ３の実現される最高電極タップ密度）の重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度、ならびに本発明によるスーパーキャパシタ（約１．１５ｇ／ｃｍ３の容易に電極タップ密度）の重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度。
【図１２】活性炭ベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（有機液体電解質を有する）に関する実現可能な活性材料比率（活性材料重量／全セル重量）にわたってプロットされたセルレベルの体積エネルギー密度を示す図である。
【図１３】２連の純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（全て有機液体電解質を用いた）に関する、スーパーキャパシタセルにおける実現可能な活性材料比率（活性材料重量／総電池重量）にわたってプロットされたセルレベルの重量エネルギー密度を示す図である。
【図１４】純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（イオン性液体電解質を用いた）に関する実現可能な活性材料比率（活性材料重量／総電池重量）にわたってプロットされたセルレベルの体積エネルギー密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明は、本開示の一部を成す添付図面に関連してなされる本発明の以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解することができる。本発明は、本明細書に記載および／または図示される特定のデバイス、方法、条件、またはパラメータに限定されず、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を単に例として説明するためのものであり、特許請求される発明の限定を意図するものではない。
【００４８】
図１（Ａ）に概略的に示されるように、従来技術のスーパーキャパシタセルは、典型的には、アノード集電体２０２（例えば厚さ１２〜１５μｍのＡｌ箔）と、アノード活性材料層２０４（活性炭粒子２３２などのアノード活性材料と、ＰＶＤＦなどの樹脂粘結剤によって結合された導電性添加剤とを含む）と、多孔質セパレータ２３０と、カソード活性材料層２０８（活性炭粒子２３４などのカソード活性材料と、樹脂粘結剤によって全て結合された導電性添加剤（図示せず）とを含む）と、カソード集電体２０６（例えばＡｌ箔）と、アノード活性材料層２０４（または単に「アノード層」とも呼ぶ）とカソード活性材料層２０８（または単に「カソード層」）との両方に配設された液体電解質とから構成される。セル全体は、薄いプラスチック−アルミニウム箔ラミネートベース封体など、保護ハウジング内に収納される。従来技術のスーパーキャパシタセルは、典型的には、以下のステップを含むプロセスによって形成される。
ａ）第１のステップは、アノード活性材料（例えば活性炭）、導電性フィラー（例えば黒鉛フレーク）、および樹脂粘結剤（例えばＰＶＤＦ）の粒子を溶媒（例えばＮＭＰ）中で混合して、アノードスラリを形成することである。それとは別に、カソード活性材料（例えば活性炭）、導電性フィラー（例えばアセチレンブラック）、および樹脂粘結剤（例えばＰＶＤＦ）の粒子を溶媒（例えばＮＭＰ）中で混合して分散させて、カソードスラリを形成する。
ｂ）第２のステップは、アノード集電体（例えばＣｕまたはＡｌ箔）の一方または両方の主面にアノードスラリをコーティングし、溶媒（例えばＮＭＰ）を蒸発させることによってコーティングされた層を乾燥させて、ＣｕまたはＡｌ箔上にコーティングされた乾燥アノード電極を形成することである。同様に、カソードスラリを塗布し、乾燥させて、Ａｌ箔上にコーティングされた乾燥カソード電極を形成する。
ｃ）第３のステップは、アノード／Ａｌ箔シート、多孔質セパレータ層、およびカソード／Ａｌ箔シートをラミネートし合わせて、３層または５層アセンブリを形成し、これを所望のサイズに切断してまたは細く裂いて積層し、（形状の一例として）矩形の構造を形成するか、または巻いて円筒形のセル構造にすることを含む。
ｄ）次いで、矩形または円筒形のラミネート構造を、アルミニウム−プラスチックラミネート封体または鋼ケーシングに収納する。
ｅ）次いで、液体電解質をラミネート構造に注入して、スーパーキャパシタセルを形成する。
【００４９】
この従来のプロセスおよび得られるスーパーキャパシタセルに関連する幾つかの重大な問題がある。
【００５０】
１）１００μｍよりも厚い活性炭ベースの電極層（アノード層またはカソード層）を製造することは非常に難しく、２００μｍよりも厚い電極層を製造することは実際には不可能または非実用的である。これには幾つかの理由がある。
ａ．厚さ１００μｍの電極は、典型的には、スラリコーティング施設において長さ３０〜５０メートルの加熱区域を必要とし、これは、時間がかかりすぎ、エネルギーを消費しすぎ、費用対効果が良くない。
ｂ．より厚い電極は、層間剥離および割れが生じる傾向が高い。
ｃ．グラフェンシートなど幾つかの電極活性材料に関しては、５０μｍよりも厚い電極を実際の製造環境で連続的に製造することはできていない。これは、公開または特許文献において、幾つかより厚い電極が特許請求されているにも関わらず、これらの電極は、小規模の実験室で用意された。実験室環境では、おそらく新たな材料をある層に繰り返し追加し、その層を手作業で圧密化して電極の厚さを増加することができる。しかし、そのような手作業（大量生産には適さない）でさえ、得られる電極は非常に壊れ易く脆弱になる。
ｄ．繰り返しの圧縮がグラフェンシートの再積層をもたらし、ひいては比表面積が大幅に減少し、比容量も減少するので、グラフェンベースの電極ではこの問題がさらに悪化する。
【００５１】
２）図１（Ａ）に示されるような従来のプロセスでは、電極の実際の質量装填量、および活性材料に関する見掛けの密度は低すぎる。大抵は、比較的大きい活性炭に関してさえ、電極の活性材料質量装填量（面密度）は１０ｍｇ／ｃｍ２よりもかなり低く、活性材料の見掛けの体積密度またはタップ密度は典型的には０．７５ｇ／ｃｍ３（より典型的には、０．５ｇ／ｃｍ３、最も典型的には、０．３ｇ／ｃｍ３未満）未満である。さらに、電池容量に寄与せずに電極に追加の重量および体積を加える他の非活性材料（例えば導電性添加剤および樹脂粘結剤）が存在する。これらの低い面密度および低い体積密度は、比較的低い体積容量および低い体積エネルギー密度をもたらす。
【００５２】
３）従来のプロセスは、電極活性材料（アノード活性材料とカソード活性材料）を液体溶媒（例えばＮＭＰ）中で分散させてスラリにする必要があり、集電体表面にコーティングした後に液体溶媒を除去して電極層を乾燥させなければならない。アノードおよびカソード層をセパレータ層と共にラミネートし合わせて、ハウジング内にパッケージングしてスーパーキャパシタセルを形成した後、セル内に液体電解質を注入する。実際には、２つの電極を濡らし、次いで電極を乾燥させ、最後に再び濡らす。そのような湿潤−乾燥−湿潤プロセスは、良好なプロセスとは思えない。
【００５３】
４）現在のスーパーキャパシタ（例えば対称スーパーキャパシタまたは電気二重層キャパシタ、ＥＤＬＣ）は、重量エネルギー密度が比較的低く、体積エネルギー密度が低いという欠点が依然としてある。市販のＥＤＬＣは、約６Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を示し、実験下でのＥＤＬＣセルは、室温で１０Ｗｈ／ｋｇ（全セル重量に基づく）よりも高いエネルギー密度を示すことが報告されている。実験下でのスーパーキャパシタは（セルレベルではなく）電極レベルで大きい体積電極容量（ほとんどの場合には１００〜２００Ｆ／ｃｍ３）を示すが、これらの実験下でのセルの１ｍｇ／ｃｍ２未満の典型的な活性質量装填量、０．１ｇ／ｃｍ−３未満のタップ密度、および最大数十マイクロメートルの電極厚さは、大抵の市販の電気化学キャパシタに使用されているものよりも大幅に低く、その結果、セル（デバイス）重量に基づいて比較的低い面積および体積容量ならびに低い体積エネルギー密度を有するエネルギー貯蔵デバイスとなる。
【００５４】
文献では、活性材料重量のみまたは電極重量に基づいて報告されたエネルギー密度データから、実用的なスーパーキャパシタセルまたはデバイスのエネルギー密度を直接導くことはできない。「オーバーヘッド重量」、すなわち他のデバイス構成要素（粘結剤、導電性添加剤、集電体、セパレータ、電解質、およびパッケージング）の重量も考慮に入れなければならない。従来の製造プロセスでは、活性材料比率は、総セル重量の３０重量％未満（幾つかの場合には１５％未満；例えば、グラフェンベースの活性材料の場合）となる。
【００５５】
本発明は、高い電極厚さ（電極活性材料を含む電極の厚さ）、高い活性材料質量装填量、低いオーバーヘッド重量および体積、高い体積容量、ならびに高い体積エネルギー密度を有するスーパーキャパシタセルを製造する方法を提供する。さらに、本発明によるプロセスによって製造されるスーパーキャパシタの製造コストは、従来のプロセスによる製造コストよりも大幅に低い。
【００５６】
図１（Ｂ）に示されるように、本発明によるスーパーキャパシタセルは、湿潤アノード活性材料混合物（例えば液体電解質、アノード活性材料、および任意選択の導電性添加剤）を含浸させた導電性多孔質層（例えば高多孔率発泡体の形態でのアノード集電体）と、多孔質セパレータと、湿潤カソード活性材料混合物を含浸させた別の導電性多孔質層（例えば、高多孔率発泡体の形態でのカソード集電体）とを備える。アノード側での細孔（例えば２５０ａ）は、アノード活性材料（例えばグラフェンシート、２５２ａ）および液体電解質（２５４ａ）、ならびに任意の改質添加剤で充填される。
【００５７】
本発明は、高い電極厚さ、高い活性材料質量装填量、（活性材料に比べて）低いオーバーヘッド重量および体積、高い体積容量、ならびに高い体積エネルギー密度を有するスーパーキャパシタセルを製造するための方法を提供する。一実施形態では、図１（Ｃ）および１（Ｄ）に示されるように、本発明の方法は以下のことを含む。
（Ａ）複数の導電性多孔質層（例えば、アノード側での２４０ａ、２４０ｂ、カソード側での２４２ａ、２４２ｂ）と、第１の液体電解質と混合されたアノード活性材料および任意選択の導電性添加剤の複数の湿潤アノード層（例えば２３６ａ、２３６ｂ）と、第２の液体電解質と混合されたカソード活性材料および任意選択の導電性添加剤の複数の湿潤カソード層（例えば２３８ａ、２３８ｂ）とを用意するステップであって、導電性多孔質層が、相互接続された電子伝導経路と、少なくとも７０体積％（好ましくは少なくとも８０体積％）の細孔を含むステップ。
（Ｂ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤アノード層を好ましくは交互の順序で積層して圧密化して（例えば圧密化前の状態で示された２４４）、１００μｍ以上（好ましくは＞２００μｍ、さらに好ましくは＞３００μｍ、より好ましくは＞４００μｍ；さらに好ましくは＞５００μｍ、６００μｍ、さらには＞１，０００μｍ；このアノード厚さに対する理論上の制限はない）の厚さを有するアノード電極（例えば、圧密化後の図１（Ｄ）の２６４）を形成するステップ。圧密化は、湿潤アノード層構成要素を複数の導電性多孔質層の細孔内に浸潤させるための圧縮応力の印加を含むことがある。これらの複数の導電性多孔質層も一緒に圧縮されて、実質的にアノード電極２６４全体の厚さにわたって広がるアノード集電体を形成する。
（Ｃ）多孔質セパレータ層（図３（Ｃ）または図３（Ｄ）での２４１）をアノード電極と接触させて配置するステップ。
（Ｄ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤アノード層を好ましくは交互の順序で積層して圧密化して（例えば圧密化前の状態で示された２４６）、多孔質セパレータ２４１と接触するカソード電極（例えば、圧密化後の図１（Ｄ）の２６２）を形成するステップであって、ここで、カソード電極が、１００μｍ以上の厚さを有し；ステップ（Ｄ）が、ステップ（Ｂ）の前または後に行われ；カソード厚さが、好ましくは、＞２００μｍ、さらに好ましくは＞３００μｍ、より好ましくは＞４００μｍ；さらに好ましくは＞５００μｍ、６００μｍ、さらには＞１，０００μｍであり；このカソード厚さに対する理論上の制限はない、ステップ。圧密化は、湿潤カソード層構成要素を複数の導電性多孔質層の細孔内に浸潤させるための圧縮応力の印加を含むことがある。これらの複数の導電性多孔質層も一緒に圧縮されて、実質的にカソード電極２６２の厚さ全体にわたって広がるカソード集電体を形成する。
（Ｅ）アノード電極、多孔質セパレータ、およびカソード電極を組み立ててハウジング内に封止して、リチウム電池を製造するステップ。この電池では、アノード活性材料またはカソード活性材料は、７ｍｇ／ｃｍ２以上の（好ましくは典型的には１０ｍｇ／ｃｍ２超、より好ましくは典型的には２０ｍｇ／ｃｍ２以上、さらに好ましくは典型的には３０ｍｇ／ｃｍ２超）材料質量装填量を有する。
【００５８】
例示として、アノード２６４内の小さな区域２５０を見ると、液体電解質中に分散されたアノード活性材料粒子２５２（および任意の導電性添加剤）がある。また、集電体（実質的にアノード電極全面に広がる導電性多孔質層）の細孔内に、活性材料と液体電解質の両方が収められている。カソード内の小さな区域２６０を見ると、液体電解質中に分散されたカソード材料粒子（および任意の導電性添加剤）があり、（やはり実質的にカソード電極の厚さ全体にわたって広がる）集電体の細孔内にカソード活性材料と液体電解質の両方がある。
【００５９】
導電性多孔質層は、金属発泡体、金属ウェブまたはスクリーン、穿孔された金属シートベースの構造、金属繊維マット、金属ナノワイヤマット、導電性ポリマーナノファイバマット、導電性ポリマー発泡体、導電性ポリマー被覆繊維発泡体、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゾル、炭素ゼロックスゲル、グラフェン発泡体、酸化グラフェン発泡体、還元酸化グラフェン発泡体、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体、またはそれらの組合せから選択することができる。多孔質層は、高多孔率のマット、スクリーン／グリッド、不織布、発泡体などの形態での炭素、黒鉛、金属、金属被覆繊維、および導電性ポリマーなどの導電性材料から形成しなければならない。導電性多孔質層の例は、図３（Ａ）、３（Ｂ）、３（Ｃ）、および３（Ｄ）に示されている。多孔率レベルは、少なくとも７０体積％、好ましくは８０％超、さらに好ましくは９０％超、最も好ましくは９５体積％超でなければならない。バックボーンまたは発泡体の壁が、電子伝導経路のネットワークを形成する。
【００６０】
好ましくは、元の導電性多孔質層の細孔の実質的に全てが、電極（アノードまたはカソード）活性材料、任意選択の導電性添加剤、および液体電解質（粘結剤樹脂は不要）で充填される。細孔壁または導電性経路（１〜２０％）に対して細孔の量が多い（８０〜９９％）ので無駄な空間がほとんどなく（「無駄」とは、電極活性材料および電解質が占有していないことを意味する）、その結果、多量の電極活性材料−電解質区域（高い活性材料装填量質量）が得られる。
【００６１】
図１（Ｅ）に概略的に示されている代替構成は、本発明によるリチウムイオンキャパシタセルであり、上に堆積されたアノード活性材料（例えばプレリチウム化黒鉛粒子）の層２８２を含むアノード集電体２８０と、多孔質セパレータ２８４と、カソード集電体の構成要素としての使用を意図された導電性多孔質層（例えば２７４ａ、２７４ｂ）と湿潤カソード層（例えば２７２ａ、２７２ｂ）とが交互に配置された積層体２８８とを備え、圧密化（圧縮）される前である。圧密化の後、カソード活性材料および液体電解質（任意選択の導電性添加剤と共に）が導電性多孔質層の細孔に浸透させられ、これもまた圧縮されて、カソード層２９０を形成する。ここで示されるように、この発泡集電体の細孔２７０には、カソード活性材料粒子と液体電解質との混合物が含浸されている。
【００６２】
そのような構成（図１（Ｃ）〜（Ｅ））では、細孔壁が集電体全体（またアノード層全体）の至る所に存在するので、電子は、短い距離（平均で孔径の半分；例えば数マイクロメートル）だけ移動すれば、集電体（細孔壁）によって収集される。さらに、各湿潤アノード層または湿潤カソード層において、全ての電極活性材料粒子が液体電解質（濡れ性の問題なし）中に予備分散され、湿潤コーティング、乾燥、充填、および電解質注入の従来の方法によって用意される電極で一般に存在する乾燥ポケットの存在をなくす。したがって、本発明による方法は、従来のスーパーキャパシタセル製造法に勝る全く予想外の利点を生み出す。
【００６３】
以上は、本発明によるスーパーキャパシタ電極およびスーパーキャパシタセルを自動化して連続的に製造することができる方法を例示するための幾つかの例にすぎない。これらの実施形態は、本発明の範囲を限定するものとは解釈されないものとする。
【００６４】
第１および／または第２の導電性多孔質層は、１００μｍ以上（好ましくは２００μｍ超、より好ましくは３００μｍ超、さらに好ましくは４００μｍ超、および最も好ましくは５００μｍ超；電極厚さに対する理論上の制限はない）の厚さ、および好ましくは少なくとも８０体積％の細孔（好ましくは少なくとも８５体積％、より好ましくは少なくとも９０体積％、および最も好ましくは少なくとも９５体積％の多孔率）を有する。これらの多孔質層構造は、本質的に８０％〜９９％の多孔率レベルを有し、残りの１％〜２０％は細孔壁（例えば金属または黒鉛骨格）である。これらの細孔は、活性材料（例えばグラフェンシート）と液体電解質の混合物を収容するために使用され、ここで、スーパーキャパシタが充電されたときに電荷または酸化還元対の電気二重層が存在する。
【００６５】
好ましくは、多孔質層の細孔の実質的に全てが、電極（アノードまたはカソード）活性材料および液体電解質で充填される。アノード活性材料は、カソード活性材料と同じでも異なっていてもよい。細孔壁（１〜２０％）に対して細孔の量が多い（８０〜９９％）ので無駄な空間がほとんどなく（「無駄」とは、電極活性材料および電解質が占有していないことを意味する）、その結果、多量の電極活性材料−電解質区域（高い活性材料装填量質量）が得られる。
【００６６】
大きい電極厚さおよび大きい長さを有する本発明によるスーパーキャパシタセルの一実施形態が図１（Ｂ）に概略的に示されている。セルの厚さまたは長さに制限はない。アノード（例えばアノード集電体発泡体）の導電性多孔質層とカソード（例えばカソード集電体発泡体）の導電性多孔質層はどちらも、それぞれの湿潤電極活性材料混合物で含浸されている。一例として、拡大図において、細孔２５０は、交互に稠密されたグラフェンシート２５２（電極活性材料の一例）と液体電解質層２５４とを含む湿潤アノード活性材料混合物で充填されている。そのような稠密により、既存のプロセスでは実現できない活性材料の高いタップ密度（充填密度）を実現することが可能になる。
【００６７】
そのような構成では、電荷（電子）は、短い距離（平均で孔径の半分；例えば数マイクロメートル）だけ移動すれば、集電体（細孔壁）によって収集される。さらに、各湿潤電極活性材料混合物において、グラフェンシートは液体電解質中に分散される（すなわち、各グラフェンシートが液体電解質によって取り囲まれる）。（アノードまたはカソード集電体としての）多孔質層の細孔への含浸後、スラリ（湿潤混合物）は分散または懸濁状態のままであり、個々のグラフェンシートが液体電解質によって取り囲まれており、グラフェンシートが完全に再積層される可能性を完全になくす。そのような再積層は、比表面積を大幅に減少させることになる。したがって、本発明によるプロセスは、従来のスーパーキャパシタセル製造プロセスに勝る全く予想外の利点を生み出す。
【００６８】
好ましい実施形態では、グラフェン電極材料は、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、またはそれらの組合せから選択される。上記のグラフェン材料の任意の１つを製造するための出発グラフェン材料は、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズカーボン、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、ソフトカーボン、ハードカーボン、コークス、炭素繊維、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、またはそれらの組合せから選択することができる。
【００６９】
本発明はまた、２つの電極の少なくとも一方が本発明によるプロセスによって形成されたリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）またはナトリウムイオンキャパシタ（ＮＩＣ）も提供する。より好ましくは、本発明によるＬＩＣまたはＮＩＣのためのアノード電極とカソード電極がどちらも、上述した本発明による方法によって形成される。
【００７０】
本発明の方法は、（Ａ）複数の導電性多孔質層と、液体またはゲル電解質と混合された電極活性材料（すなわちカソード活性材料）および任意選択の導電性添加剤からなる複数の湿潤電極層とを用意するステップであって、導電性多孔質層が、相互接続された導電経路および少なくとも８０体積％の細孔を含むステップと、（Ｂ）所望の数の多孔質層および所望の数の湿潤アノード層を積層して圧密化して、１００μｍ以上の厚さを有する電極を形成するステップと、（Ｃ）プレリチウム化またはプレナトリウム化アノード活性材料を含むアノード電極を供給するステップと、（Ｄ）アノード電極、多孔質セパレータ、およびカソード電極を積層して、リチウムイオンキャパシタまたはナトリウムイオンキャパシタを形成するステップとを含む。
【００７１】
一実施形態では、カソード活性材料は、複数の炭素材料粒子および／または複数のグラフェンシートを含み、ここで、複数のグラフェンシートは、単層グラフェン、または１〜１０個のグラフェン面をそれぞれが有する少数層グラフェンを含み、上記複数の炭素材料粒子は、乾燥状態で測定したとき、５００ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する。
【００７２】
アノード電極は、湿潤アノード電極層を有する多孔性導電層の本発明による順次積層を使用し、次いで圧密化することによって用意することもできる。導電性多孔質層の細孔内に収められた湿潤アノード活性材料混合物は、好ましくは液体電解質およびアノード活性材料を含み、アノード活性材料は、好ましくは、黒鉛粒子、炭素粒子、Ｓｉナノ粒子、Ｓｎナノ粒子、またはリチウムイオン電池もしくはナトリウムイオン電池用の任意の他の一般的に使用されるアノード活性材料のプレリチウム化またはプレナトリウム化バージョンから選択される。これらのアノード活性材料は微粒子状にすることができ、複数の粒子を、導電性添加剤粒子と共に液体電解質に容易に混合して、導電性多孔質層と積層するための湿潤アノード活性材料混合物層を形成することができる。
【００７３】
リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）において、アノード活性材料は、以下のものからなる群から選択することができる。（ａ）天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、および炭素のプレリチウム化粒子；（ｂ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、およびカドミウム（Ｃｄ）のプレリチウム化粒子またはコーティング；（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、またはＣｄと他の元素とのプレリチウム化合金または金属間化合物。ここで、上記合金または化合物は化学量論的または非化学量論的である；（ｄ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｎ、またはＣｄのプレリチウム化酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、およびテルル化物、およびそれらの混合物または複合材料；および（ｅ）プレリチウム化グラフェンシート；ならびにそれらの組合せ。作用電極としてのグラフェンシートと、対向電極としてのリチウム金属との小型質量を使用することによって、プレリチウム化を電気化学的に達成することができる。プレリチウム化は、リチウム粉末またはチップを、アノード活性材料（例えばＳｉ粒子）および導電性添加剤粒子と共に液体電解質に添加することによって達成することもできる。
【００７４】
好ましいナトリウムイオンキャパシタでは、アノード活性材料は、石油コークス、カーボンブラック、非晶質炭素、活性炭、硬質炭素、軟質炭素、テンプレート化炭素、中空炭素ナノワイヤ、中空炭素球、もしくはチタン化物のプレナトリウム化バージョン、または、ＮａＴｉ２（ＰＯ４）３、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、Ｎａ２Ｃ８Ｈ４Ｏ４、Ｎａ２ＴＰ、ＮａｘＴｉＯ２（ｘ＝０．２〜１．０）、Ｎａ２Ｃ８Ｈ４Ｏ４から選択されるナトリウムインターカレーション化合物、カルボン酸塩ベースの材料、Ｃ８Ｈ４Ｎａ２Ｏ４、Ｃ８Ｈ６Ｏ４、Ｃ８Ｈ５ＮａＯ４、Ｃ８Ｎａ２Ｆ４Ｏ４、Ｃ１０Ｈ２Ｎａ４Ｏ８、Ｃ１４Ｈ４Ｏ６、Ｃ１４Ｈ４Ｎａ４Ｏ８、またはそれらの組合せを含む。
【００７５】
バルク天然黒鉛は、各黒鉛粒子が複数の結晶粒（結晶粒は黒鉛単結晶または結晶子である）から構成された３Ｄ黒鉛材料であり、粒界（アモルファスまたは欠陥区域）が、隣接する黒鉛単結晶を画定する。各結晶粒は、互いに平行に配向された複数のグラフェン面から構成される。黒鉛結晶子中のグラフェン面は、２次元の六方格子を占める炭素原子から構成される。所与の結晶粒または単結晶において、グラフェン面は、結晶学的ｃ方向（グラフェン面または基底面に垂直）でファンデルワールス力によって積層されて結合される。１つの結晶粒内の全てのグラフェン面が互いに平行であるが、典型的には、ある結晶粒内のグラフェン面と隣接する結晶粒内のグラフェン面とは異なる向きに傾けられている。すなわち、黒鉛粒子中の様々な結晶粒の配向は、典型的には結晶粒ごとに異なる。
【００７６】
面間ファンデルワールス力を克服することができると仮定して、天然または人造黒鉛粒子中の黒鉛結晶の構成グラフェン面を剥離し、抽出または単離して、六角形を成す炭素原子の個々のグラフェンシートを得ることができ、これらのシートは単原子厚である。炭素原子の単離された個々のグラフェン面は、一般に、単層グラフェンと呼ばれる。厚さ方向で約０．３３５４ｎｍのグラフェン面間隔でファンデルワールス力によって結合された複数のグラフェン面の積層は、一般に多層グラフェンと呼ばれる。多層グラフェンプレートレットは、最大３００層のグラフェン面（１００ｎｍ未満の厚さ）、しかしより典型的には最大３０層のグラフェン面（１０ｎｍ未満の厚さ）、さらにより典型的には最大２０層のグラフェン面（７ｎｍ未満の厚さ）、および最も典型的には最大１０層のグラフェン面（科学界では一般に数層グラフェンと呼ばれる）を有する。単層グラフェンおよび多層グラフェンシートは、総称して「ナノグラフェンプレートレット」（ＮＧＰ）と呼ばれる。グラフェンシート／プレートレット（総称してＮＧＰ）は、０Ｄフラーレン、１Ｄ  ＣＮＴまたはＣＮＦ、および３Ｄ黒鉛とは異なる新しいクラスのカーボンナノ材料（２Ｄナノカーボン）である。特許請求の範囲を定義する目的で、また当技術分野で一般に理解されるように、グラフェン材料（単離されたグラフェンシート）は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）またはカーボンナノファイバ（ＣＮＦ）ではない（それらを含まない）。
【００７７】
本発明者らの研究グループは、２００２年から、グラフェン材料および関連の製造プロセスの開発を先駆けて進めた。（１）Ｂ．  Ｚ．  ＪａｎｇおよびＷ．  Ｃ．  Ｈｕａｎｇ、発明の名称「Ｎａｎｏ−ｓｃａｌｅｄ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｐｌａｔｅｓ」、米国特許第７，０７１，２５８号（０７／０４／２００６）、２００２年１０月２１日出願；（２）Ｂ．  Ｚ．  Ｊａｎｇ他、発明の名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｎａｎｏ−ｓｃａｌｅｄ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｐｌａｔｅｓ」、米国特許出願公開第１０／８５８，８１４号（０６／０３／２００４）；ならびに（３）Ｂ．  Ｚ．  Ｊａｎｇ、Ａ．  Ｚｈａｍｕ、およびＪ．  Ｇｕｏ、発明の名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｎａｎｏ−ｓｃａｌｅｄ  Ｐｌａｔｅｌｅｔｓ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」、米国特許出願第１１／５０９，４２４号（０８／２５／２００６）。
【００７８】
１つの方法では、図４（Ａ）および図４（Ｂ）（概略図）に示されるように、グラフェン材料は、天然黒鉛粒子を強酸および／または酸化剤でインターカレーションして黒鉛インターカレーション化合物（ＧＩＣ）または酸化黒鉛（ＧＯ）を得ることによって得られる。ＧＩＣまたはＧＯ中のグラフェン面間の間隙空間に化学種または官能基が存在することが、グラフェン間隔（ｄ００２；Ｘ線回折によって決定される）を増加させる働きをし、それにより、通常であればｃ軸方向に沿ってグラフェン面を一体に保持するファンデルワールス力を大幅に減少させる。ＧＩＣまたはＧＯは、硫酸、硝酸（酸化剤）、および別の酸化剤（例えば、過マンガン酸カリウムまたは過塩素酸ナトリウム）の混合物中に天然黒鉛粉末（図４（Ｂ）での参照番号１００）を浸漬することによって生成されることが最も多い。インターカレーション手順中に酸化剤が存在する場合、得られるＧＩＣ（１０２）は、実際には、ある種の酸化黒鉛（ＧＯ）粒子である。次いで、このＧＩＣまたはＧＯを繰り返し洗浄し、水中ですすいで余剰の酸を除去すると、酸化黒鉛懸濁液または分散液が得られ、これは、水中に分散された、離散した視覚的に区別可能な酸化黒鉛粒子を含む。グラフェン材料を製造するために、このすすぎステップ後に２つの処理ルートの一方をたどることができ、以下に簡単に説明する。
【００７９】
ルート１は、本質的に乾燥ＧＩＣまたは乾燥酸化黒鉛粒子の塊である「膨張黒鉛」を得るために懸濁液から水を除去することを含む。膨張黒鉛を典型的には８００〜１，０５０℃の範囲内の温度に約３０秒〜２分間曝すと、ＧＩＣは、３０〜３００倍に急速に体積膨張して、「黒鉛ワーム」（１０４）を形成する。黒鉛ワーム（１０４）はそれぞれ、剥離されてはいるがほとんど分離されておらず、相互接続されたままの黒鉛フレークの集合である。
【００８０】
ルート１Ａでは、これらの黒鉛ワーム（剥離された黒鉛または「相互接続された／分離されていない黒鉛フレークのネットワーク」）を再び圧縮して、典型的には０．１ｍｍ（１００μｍ）〜０．５ｍｍ（５００μｍ）の範囲内の厚さを有する可撓性黒鉛シートまたは箔（１０６）を得ることができる。代替として、１００ｎｍよりも厚い（したがって定義によりナノ材料ではない）黒鉛フレークまたはプレートレットを主として含むいわゆる「膨張黒鉛フレーク」（１０８）を製造する目的で、低強度エアミルまたはせん断機を使用して黒鉛ワームを単に破砕することを選択することもできる。
【００８１】
ルート１Ｂでは、同一出願人の米国特許出願第１０／８５８，８１４号明細書（２００４年３月６日）に開示されているように、剥離された黒鉛は、（例えば、超音波装置、高せん断ミキサ、高強度エアジェットミル、または高エネルギーボールミルを使用した）高強度の機械的せん断を受けて、分離された単層および多層グラフェンシート（総称してＮＧＰ１１２と呼ぶ）を形成する。単層グラフェンが０．３４ｎｍの薄さであり得る一方、多層グラフェンは、最大１００ｎｍ、しかしより典型的には１０ｎｍ未満の厚さを有することがある（一般に数層グラフェンと呼ばれる）。複数のグラフェンシートまたはプレートレットが、製紙法を使用して１枚のＮＧＰ紙として形成されることがある。このＮＧＰ紙は、本発明による方法で利用される多孔質グラフェン構造層の一例である。
【００８２】
ルート２は、個々の酸化グラフェンシートを酸化黒鉛粒子から分離／単離する目的で、酸化黒鉛懸濁液（例えば、水中に分散された酸化黒鉛粒子）を超音波処理することを含む。これは、グラフェン面の離間距離が天然黒鉛での０．３３５４ｎｍから高度に酸化された酸化黒鉛での０．６〜１．１ｎｍに増加されており、隣接する面を一体に保持するファンデルワールス力を大幅に弱めるという見解に基づいている。超音波出力は、完全に分離された、単離された、または離散した酸化グラフェン（ＧＯ）シートを形成するために、グラフェン面シートをさらに分離するのに十分なものでよい。次いで、これらの酸化グラフェンシートを化学的または熱的に還元して、「還元酸化グラフェン」（ＲＧＯ）を得ることができ、これは、典型的には、０．００１重量％〜１０重量％、より典型的には０．０１重量％〜５重量％の酸素含有量を有し、最も典型的にはかつ好ましくは２重量％未満の酸素を含む。
【００８３】
本出願の特許請求の範囲を定義する目的で、ＮＧＰまたはグラフェン材料は、単層および多層（典型的には１０層未満）の純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン（ＲＧＯ）、フッ化グラフェン、塩化グラフェン、臭化グラフェン、ヨウ化グラフェン、水素化グラフェン、窒素化グラフェン、化学官能化グラフェン、ドープされた（例えば、ＢまたはＮをドープされた）グラフェンの離散シート／プレートレットを含む。純粋なグラフェンは、本質的に０％の酸素を有する。ＲＧＯは、典型的には０．００１重量％〜５重量％の酸素含有量を有する。酸化グラフェン（ＲＧＯを含む）は、０．００１重量％〜５０重量％の酸素を有することができる。純粋なグラフェンを除き、全てのグラフェン材料が、非炭素元素（例えば、Ｏ、Ｈ、Ｎ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉなど）を０．００１重量％〜５０重量％含む。本明細書では、これらの材料を不純グラフェン材料と呼ぶ。
【００８４】
純粋なグラフェンは、より小さい離散グラフェンシート（典型的には０．３μｍ〜１０μｍ）として、黒鉛粒子の直接超音波処理（液相剥離または生成としても知られている）または超臨界流体剥離によって製造することができる。これらの方法は、当技術分野でよく知られている。
【００８５】
酸化グラフェン（ＧＯ）は、反応容器内で、ある期間（出発材料の性質および使用される酸化剤のタイプに応じて典型的には０．５〜９６時間）にわたって所望の温度で、出発黒鉛材料の粉末またはフィラメント（例えば、天然黒鉛粉末）を酸化性液体媒体（例えば、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物）中に浸漬することによって得ることができる。上述したように、次いで、得られた酸化黒鉛粒子に熱剥離または超音波誘発剥離を施して、単離ＧＯシートを生成することができる。次いで、これらのＧＯシートは、ＯＨ基を他の化学基（例えば、ＢｒやＮＨ２など）で置換することによって様々なグラフェン材料に変換することができる。
【００８６】
本明細書では、ハロゲン化グラフェン材料群の一例として、フッ素化グラフェンまたはフッ化グラフェンが使用される。フッ素化グラフェンを生成するために採用されている２つの異なる手法がある。（１）予め合成されたグラフェンのフッ素化：この手法は、機械的剥離またはＣＶＤ成長によって用意されたグラフェンをＸｅＦ２またはＦベースのプラズマなどのフッ素化剤で処理することを必要とする。（２）多層フッ化黒鉛の剥離：フッ化黒鉛の機械的剥離と液相剥離の両方を容易に達成することができる。
【００８７】
低温で黒鉛インターカレーション化合物（ＧＩＣ）ＣｘＦ（２≦ｘ≦２４）が生成されるのに対し、高温でのＦ２と黒鉛との相互作用は、共有結合性フッ化黒鉛（ＣＦ）ｎまたは（Ｃ２Ｆ）ｎをもたらす。（ＣＦ）ｎでは、炭素原子はｓｐ３混成であり、したがって、フルオロカーボン層は波形であり、トランスリンクされたシクロヘキサンのいす型立体配座からなる。（Ｃ２Ｆ）ｎでは、Ｃ原子の半分のみがフッ素化され、隣接する炭素シートの対はどれもＣ−Ｃ共有結合により結合される。フッ素化反応に関する系統的研究から、得られたＦ／Ｃ比が、フッ素化温度、フッ素化ガス中のフッ素の分圧、ならびに黒鉛前駆体の物理的特性、例えば黒鉛化度、粒度、および比表面積に大きく依存することが示された。フッ素（Ｆ２）に加え、他のフッ素化剤も使用することができるが、入手できる文献のほとんどは、時としてフッ化物の存在下で、Ｆ２ガスによるフッ素化を含む。
【００８８】
層状の前駆体材料を個々の層または数層の状態に剥離するためには、隣接する層間の引力を克服すること、および層をさらに安定させることが必要である。これは、官能基によるグラフェン表面の共有結合修飾によって、または特定の溶媒、界面活性剤、ポリマー、もしくはドナー−アクセプタ芳香族分子を使用する非共有結合修飾によって実現されることがある。液相剥離のプロセスは、液体媒体中のフッ化黒鉛の超音波処理を含む。
【００８９】
グラフェンの窒素化は、酸化グラフェンなどのグラフェン材料を高温（２００〜４００℃）でアンモニアに曝すことによって行うことができる。窒素化グラフェンは、水熱法によって、より低温で生成することもできる。これは、例えば、オートクレーブ内にＧＯおよびアンモニアを封止し、次いで温度を１５０〜２５０℃に上昇させることによって行われる。窒素ドープされたグラフェンを合成する他の方法は、グラフェンに対する窒素プラズマ処理、アンモニアの存在下での黒鉛電極間のアーク放電、ＣＶＤ条件下での酸化グラフェンのアンモノリシス、および様々な温度での酸化グラフェンおよび尿素の水熱処理を含む。
【００９０】
上記の特徴は、以下のようにさらに詳細に記述および説明される。図４（Ｂ）に示されるように、黒鉛粒子（例えば、１００）は、典型的には、複数の黒鉛結晶または微粒子からなる。黒鉛結晶は、炭素原子の六方晶ネットワークの層面から構成されている。六角形状に配列された炭素原子のこれらの層平面は実質的に平坦であり、特定の結晶において互いに実質的に平行かつ等距離になるように配向または秩序化されている。一般にグラフェン層または基底面と呼ばれる六方晶構造の炭素原子のこれらの層は、弱いファンデルワールス力によってそれらの厚さ方向（結晶学的ｃ軸方向）で弱く結合され、これらのグラフェン層の群は結晶として配列される。黒鉛結晶構造は通常、２つの軸または方向に関して特徴付けられる。すなわち、ｃ軸方向およびａ軸（またはｂ軸）方向である。ｃ軸は、基底面に垂直な方向である。ａ軸またはｂ軸は、基底面に平行（ｃ軸方向に垂直）な方向である。
【００９１】
高次の黒鉛粒子は、結晶学的ａ軸方向に沿った長さＬａ、結晶学的ｂ軸方向に沿った幅Ｌｂ、および結晶学的ｃ軸に沿った厚さＬｃを有するかなりのサイズの結晶子からなることがある。結晶子の成分グラフェン面は、互いに対して非常によく整列または配向されており、したがって、これらの異方性構造は、高い指向性の多くの特性を生じる。例えば、結晶子の熱伝導率および導電率は、面方向（ａ軸またはｂ軸方向）に沿って大きいが、垂直方向（ｃ軸）では比較的低い。図４（Ｂ）の左上部に示されているように、黒鉛粒子中の異なる結晶子は、典型的には異なる方向に配向されており、したがって、多結晶子黒鉛粒子の特定の特性は、全ての成分結晶子の指向性平均値である。
【００９２】
平行なグラフェン層を保持する弱いファンデルワールス力により、天然黒鉛を処理してグラフェン層間の間隔をかなり開き、それにより、ｃ軸方向での顕著な膨張を可能にし、したがって炭素層の層状特性が実質的に保持された膨張黒鉛構造を形成することができる。可撓性黒鉛を製造するための方法は、当技術分野でよく知られている。一般に、天然黒鉛のフレーク（例えば、図４（Ｂ）での参照番号１００）を酸溶液中にインターカレーションして、黒鉛インターカレーション化合物（ＧＩＣ、１０２）を生成する。ＧＩＣを洗浄し、乾燥させ、次いで、高温に短時間曝すことによって剥離させる。これにより、フレークは、それらの元の寸法の８０〜３００倍まで黒鉛のｃ軸方向で膨張または剥離する。剥離された黒鉛フレークは、見た目が虫のようであり、したがって一般に黒鉛ワーム１０４と呼ばれる。大きく膨張されている黒鉛フレークのこれらのワームは、ほとんどの用途に関して、粘結剤を使用せずに、約０．０４〜２．０ｇ／ｃｍ３の典型的な密度を有する膨張黒鉛の粘着性または一体型のシート、例えばウェブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マットなど（典型的には「可撓性黒鉛」１０６と呼ばれる）として形成することができる。
【００９３】
硫酸などの酸は、ＧＩＣを得るためにグラフェン面間の空間に浸透する唯一のタイプのインターカレーション剤（インターカラント）というわけではない。黒鉛をステージ１、ステージ２、ステージ３などにインターカレーションするために、アルカリ金属（Ｌｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｃｓ、およびそれらの合金または共晶）など多くの他のタイプのインターカレート剤を使用することができる。ステージｎは、ｎ個のグラフェン面ごとに１つのインターカラント層があることを示唆する。例えば、ステージ１のカリウムインターカレーションされたＧＩＣは、グラフェン面ごとに１つのＫ層があることを意味する。すなわち、Ｇ／Ｋ／Ｇ／Ｋ／Ｇ／ＫＧ…の順列で２つの隣接するグラフェン面間に挿入された１つのＫ原子層を見つけることができる。ここで、Ｇはグラフェン面であり、Ｋはカリウム原子面である。ステージ２のＧＩＣは、ＧＧ／Ｋ／ＧＧ／Ｋ／ＧＧ／Ｋ／ＧＧ…の順列を有する。ステージ３のＧＩＣは、ＧＧＧ／Ｋ／ＧＧＧ／Ｋ／ＧＧＧ…の順列を有する。以下同様である。次いで、これらのＧＩＣを水または水−アルコール混合物と接触させて、剥離された黒鉛および／または分離／単離されたグラフェンシートを生成することができる。
【００９４】
剥離された黒鉛ワームに、高強度エアジェットミル、高強度ボールミル、または超音波デバイスを使用した高強度の機械的せん断／分離処理を施して、分離されたナノグラフェンプレートレット（ＮＧＰ）を生成することができ、グラフェンプレートレットは全て、１００ｎｍよりも薄く、大抵は１０ｎｍよりも薄く、多くの場合には単層グラフェンである（図４（Ｂ）では参照番号１１２としても示されている）。ＮＧＰは、グラフェンシートまたは複数のグラフェンシートから構成され、各シートは、炭素原子の２次元の六角形構造である。フィルム形成または製紙法を使用して、単層および／または数層のグラフェンまたは酸化グラフェンの離散シート／プレートレットを含む複数のＮＧＰの塊をグラフェンフィルム／紙（図４（Ｂ）の参照番号１１４）に形成することができる。代替として、低強度せん断では、黒鉛ワームは、厚さ１００ｎｍ超のいわゆる膨張黒鉛フレーク（図４（Ｂ）での参照番号１０８）に分離される傾向がある。これらのフレークは、樹脂粘結剤有りまたは無しの製紙またはマット製造法を使用して黒鉛紙またはマット１０６として形成することができる。
【００９５】
個々のグラフェンシートは比表面積が非常に高いにも関わらず、グラフェンシートは互いに再び積層する、または重なり合う傾向が強く、それにより、電解質が到達可能な比表面積が大幅に減少するため、比容量が大幅に減少する。再積層するこの傾向は、スーパーキャパシタセル電極製造プロセス中に特に強い。このプロセスでは、グラフェンシートは、他の導電性添加剤および樹脂粘結剤（例えばＰＶＤＦ）と共に溶媒（典型的にはＮＭＰ）中に分散されてスラリを形成し、これが次いで固体集電体（例えばＡｌ箔）の表面上に塗布される。次いで、溶媒が除去（気化）されて、活性材料電極の乾燥層を形成し、これが次いで圧縮機内の一対のローラに通されて、電極層が圧密化される。これらの乾燥および圧縮手順は、重大なグラフェン再積層を誘発する。科学レポートの多くでは、元の粉末形態のグラフェンシートが非常に高い比表面積を示すことが判明したものの、結果として得られる電極は予想外に低い比容量しか示さない。理論的には、単層グラフェンベースのスーパーキャパシタの最大比容量は５５０Ｆ／ｇ（ＥＤＬＣ構造に基づく。酸化還元対または擬似容量はない）であるが、実験で実現された値は、９０〜１７０Ｆ／ｇの範囲内にすぎなかった。これは、スーパーキャパシタの技術分野において長年にわたる問題であった。
【００９６】
本発明は、このグラフェンシート再積層の問題を克服するために非常に革新的でエレガントなプロセスを提供する。本発明によるプロセスは、スラリコーティング、乾燥、および圧縮手順を経る必要性を完全になくす。環境的に望ましくない溶媒（すなわちＮＭＰ）を含むスラリを生成せずに、本プロセスは、グラフェンシートを液体電解質中に分散させて、電極活性材料−液体電解質混合物の湿潤層を形成することを含む。次いで、複数の湿潤混合物層が複数の導電性多孔質層と交互の順序で積層され、次いで、得られた積層体が圧縮されて圧密化を可能にする（活性材料−電解質が導電性発泡体ベースの集電体の細孔に含浸される）。その後の溶媒除去および電解質注入は必要なく、グラフェンシートが互いに再積層される可能性はほとんどまたは全くない。さらに、グラフェンシートは液体電解質中に既に予め分散されており、これは、本質的に全てのグラフェン表面に電解質が自然に到達可能であり、「ドライポケット」を残さないことを示唆する。また、このプロセスにより、（電解質を間に有する）グラフェンシートを非常にコンパクトにパッケージングすることが可能であり、予想外に高い電極活性材料タップ密度をもたらす。
【００９７】
上記のプロセスで使用されるグラフェンシートは、液体またはゲル電解質と混合する前に、以下の処理を個別にまたは組み合わせて行うことができる。
（ａ）化学的に官能化される、または原子、イオン、または分子種でドープされる。有用な表面官能基として、キノン、ヒドロキノン、四級化芳香族アミン、メルカプタン、またはジスルフィドを挙げることができる。このクラスの官能基は、グラフェンベースのスーパーキャパシタに擬似容量を与えることができる。
（ｂ）本来的に導電性のポリマー（ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、およびそれらの誘導体などの導電性ポリマーが、本発明での使用に良好な選択肢である）でコーティングまたはグラフトされる。これらの処理は、酸化還元反応などの擬似容量効果によって容量値をさらに増加させるためのものである。
（ｃ）グラフェンシートとの酸化還元対を形成し、それにより電極に擬似容量を与えるための、ＲｕＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、およびＣｏ２Ｏ３などの遷移金属酸化物または硫化物との堆積。
（ｄ）活性化処理（カーボンブラック材料の活性化と同様）を施して追加の表面を作製し、場合によってはこれらの表面に化学的官能基を付与する。活性化処理は、ＣＯ２物理的活性化、ＫＯＨ化学的活性化、または硝酸、フッ素、もしくはアンモニアプラズマへの露出によって達成することができる。
【００９８】
本発明者らは、本発明による活性材料−電解質含浸プロセスによって用意された本発明によるスーパーキャパシタで、多様な２次元（２Ｄ）無機材料を使用することができることを発見した。層状材料は、予想外の電子特性、およびスーパーキャパシタ用途に重要な高い比表面積を示すことができる２Ｄ系の多様な素材となる。黒鉛が最も良く知られている層状材料であるが、遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤ）、遷移金属酸化物（ＴＭＯ）、ならびにＢＮ、Ｂｉ２Ｔｅ３、およびＢｉ２Ｓｅ３などの広範な他の化合物も２Ｄ材料源となり得る。
【００９９】
単層または数層（最大２０層）の非グラフェン２Ｄナノ材料は、以下のような幾つかの方法によって製造することができる。機械的切断、レーザーアブレーション（例えば、レーザパルスを使用してＴＭＤを単一層までアブレーションする）、液相剥離、および薄膜技法の合成、例えば、ＰＶＤ（例えば、スパッタリング）、蒸着、気相エピタキシ、液相エピタキシ、化学蒸着エピタキシ、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、原子層エピタキシ（ＡＬＥ）、およびそれらのプラズマ型。
【０１００】
本発明者らは、意外にも、これらの無機材料が通常は非導電性とみなされており、したがってスーパーキャパシタ電極材料の候補ではないにも関わらず、２Ｄナノディスク、ナノプレートレット、ナノベルト、またはナノリボンの形態のときにはこれらの無機材料の大半が顕著なＥＤＬＣ値を示すことを発見した。スーパーキャパシタンス値は、これらの２Ｄナノ材料が少量のナノグラフェンシート（特に単層グラフェン）と組み合わせて使用されるときに非常に高い。必要な単層グラフェンは、０．１重量％〜５０重量％、より好ましくは０．５重量％〜２５重量％、最も好ましくは１重量％〜１５重量％でよい。
【０１０１】
本発明では、水性、有機、ゲル、およびイオン性の液体など、スーパーキャパシタに使用することができる液体電解質の種類に制限はない。典型的には、スーパーキャパシタ用の電解質は、溶媒と、陽イオン（カチオン）および陰イオン（アニオン）に解離して電解質を導電性にする溶解化学物質（例えば塩）とからなる。電解質が含むイオンが多くなればなるほど、その導電率はより良くなり、これもキャパシタンスに影響を及ぼす。スーパーキャパシタでは、電解質はヘルムホルツ二重層（電気二重層）内の分離単層のための分子を提供し、擬似容量のためのイオンを送給する。
【０１０２】
水は、無機化学物質を溶解するのに比較的良い溶媒である。硫酸（Ｈ２ＳＯ４）などの酸、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ、または四級ホスホニウム塩、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ４）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、または六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ６）などの塩と共に添加されるとき、水は比較的高い導電率値を提供する。水性電解質は、電極あたり１．１５Ｖの解離電圧および比較的低い動作温度範囲を有する。水電解質ベースのスーパーキャパシタは、低いエネルギー密度を示す。
【０１０３】
代替として、電解質は、アセトニトリル、炭酸プロピレン、テトラヒドロフラン、炭酸ジエチル、γ−ブチロラクトンなどの有機溶媒、および、第四級アンモニウム塩またはアルカリアンモニウム塩、例えばテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート（Ｎ（Ｅｔ）４ＢＦ４）またはトリエチル（メチル）テトラフルオロボラート（ＮＭｅ（Ｅｔ）３ＢＦ４）を含む溶質を含むことがある。有機電解質は水性電解質よりも高価であるが、典型的には電極あたり１．３５Ｖ（２．７Ｖのキャパシタ電圧）のより高い解離電圧、およびより高い温度範囲を有する。有機溶媒（１０〜６０ｍＳ／ｃｍ）の導電率が低いほど電力密度は低くなるが、エネルギー密度は電圧の２乗に比例するので、エネルギー密度は高くなる。
【０１０４】
イオン液体はイオンのみから構成されている。イオン液体は、所望の温度を超えたときには融解状態または液体状態になる低融解温度の塩である。例えば、塩は、その融点が１００℃未満である場合にイオン液体とみなされる。融解温度が室温（２５℃）以下である場合、塩は室温イオン液体（ＲＴＩＬ）と呼ばれる。ＩＬ塩は、大きなカチオンと電荷非局在化アニオンとの組合せによる弱い相互作用によって特徴付けられる。これは、可撓性（アニオン）および非対称性（カチオン）による結晶化の傾向を低減する。
【０１０５】
典型的なよく知られているイオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）カチオンと、Ｎ，Ｎ−ビス（トリフルオロメタン）スルホンアミド（ＴＦＳＩ）アニオンとの組合せによって形成される。この組合せにより、最大約３００〜４００℃で、多くの有機電解質溶液と同等のイオン導電率、ならびに低い分解性および低い蒸気圧を有する流体が得られる。これは、一般に低い揮発性および非引火性、したがって電池に関してはるかに安全な電解質を示唆する。
【０１０６】
イオン液体は、基本的には、多様な成分の調製が容易であることにより、本質的に無制限の数の構造変化を生じる有機イオンから構成される。したがって、様々な種類の塩を使用して、所与の用途に合わせて所望の特性を有するイオン液体を設計することができる。これらは、とりわけ、カチオンとしてのイミダゾリウム、ピロリジニウム、および第四級アンモニウム塩と、アニオンとしてのビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド、およびヘキサフルオロホスフェートとを含む。それらの組成に基づいて、イオン液体は、基本的には非プロトン性型、プロトン性型、および双性イオン型を含む異なるクラスに入り、それぞれが特定の用途に適している。
【０１０７】
室温イオン液体（ＲＴＩＬ）の一般的なカチオンとしては、限定はしないが、テトラアルキルアンモニウム、ジ−、トリ−、およびテトラ−アルキルイミダゾリウム、アルキルピリジニウム、ジアルキルピロリジニウム、ジアルキルピペリジニウム、テトラアルキルホスホニウム、ならびにトリアルキルスルホニウムが挙げられる。ＲＴＩＬの一般的なアニオンとしては、限定はしないが、ＢＦ４−、Ｂ（ＣＮ）４−、ＣＨ３ＢＦ３−、ＣＨ２ＣＨＢＦ３−、ＣＦ３ＢＦ３−、Ｃ２Ｆ５ＢＦ３−、ｎ−Ｃ３Ｆ７ＢＦ３−、ｎ−Ｃ４Ｆ９ＢＦ３−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＣＯ２−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２−、Ｎ（ＣＯＣＦ３）（ＳＯ２ＣＦ３）−、Ｎ（ＳＯ２Ｆ）２−、Ｎ（ＣＮ）２−、Ｃ（ＣＮ）３−、ＳＣＮ−、ＳｅＣＮ−、ＣｕＣｌ２−、ＡｌＣｌ４−、Ｆ（ＨＦ）２．３−などが挙げられる。相対的に言えば、イミダゾリウムまたはスルホニウムベースのカチオンと、ＡｌＣｌ４−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＣＯ２−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＮＴｆ２−、Ｎ（ＳＯ２Ｆ）２−、またはＦ（ＨＦ）２．３−などの錯体ハロゲン化物アニオンとの組合せが、良好な動作伝導率を有するＲＴＩＬをもたらす。
【０１０８】
ＲＴＩＬは、高い固有のイオン導電率、高い熱安定性、低い揮発性、低い（実質的にゼロの）蒸気圧、非引火性、室温よりも上および下の広い温度範囲で液体を維持する機能、高い極性、高い粘度、および広い電気化学的窓など、典型的な特性を有することができる。高い粘度を除いて、これらの特性は、スーパーキャパシタにおける電解質成分（塩および／または溶媒）としてＲＴＩＬを使用する際に望ましい特性である。
【０１０９】
擬似キャパシタ（酸化還元対形成による擬似容量の生成に寄与するスーパーキャパシタ）を形成するために、アノード活性材料またはカソード活性材料は、グラフェンシートと、金属酸化物、導電性ポリマー、有機材料、非グラフェン炭素材料、無機材料、またはそれらの組合せから選択される酸化還元対パートナー材料とを含むように設計することができる。還元されたグラフェン酸化物シートと対になり得る材料の多くは、当技術分野で周知である。この研究では、本発明者らは、グラフェンハロゲン化物（例えばフッ化グラフェン）、水素化グラフェン、および窒素化グラフェンが、多様なパートナー材料と協働して、擬似容量を生成するための酸化還元対を形成することができることを認識した。
【０１１０】
例えば、そのような役割を果たす金属酸化物または無機材料としては、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、ＭｎＯ２、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｖ３Ｏ８、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＰｂＯ２、Ａｇ２Ｏ、ＭｏＣｘ、Ｍｏ２Ｎ、またはこれらの組合せが挙げられる。一般に、無機材料は、金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属ジカルコゲナイド、またはそれらの組合せから選択することができる。好ましくは、所望の金属酸化物または無機材料は、ナノワイヤ、ナノディスク、ナノリボン、またはナノプレートレットの形態での、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、コバルト、マンガン、鉄、またはニッケルの酸化物、ジカルコゲナイド、トリカルコゲニド、硫化物、セレン化物、またはテルル化物から選択される。これらの材料は、グラフェン材料のシートとの単純な混合物の形態でよいが、好ましくはナノ粒子またはナノコーティング形態であり、これは、グラフェンシートの表面に物理的または化学的に結合された後、（例えばスラリの形態での）湿潤活性材料混合物として形成されて、導電性多孔質層の細孔に含浸される。
【０１１１】
以下に、幾つかの異なるタイプのグラフェン材料、他のタイプの電極活性材料（例えば活性炭および選択した無機材料）、酸化還元対パートナー材料、および多孔質集電体材料（例えば黒鉛発泡体、グラフェン発泡体、および金属発泡体）の幾つかの例を提示して、本発明を実施する最良の形態を例示する。これらの例示的な実施例、ならびに本明細書および図面の他の部分は、個別にまたは組み合わせて、当業者が本発明を実践できるようにするのに十分なものである。しかしながら、これらの実施例は、本発明の範囲を限定するとは解釈されないものとする。
【実施例】
【０１１２】
実施例１：還元グラフェン酸化物（ＲＧＯ）シートを含むスーパーキャパシタ
単層還元グラフェン酸化物シートを、Ａｎｇｓｔｒｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．（米国オハイオ州デイトン）から入手した。電極活性材料としてのＲＧＯおよびＲＧＯ−炭素混合物を特徴とするスーパーキャパシタセルを用意するために、２つの別個のプロセスを実施した。１つのプロセスは、本発明による活性材料−電解質混合物層と発泡集電体層（導電性多孔質層）との交互の積層によって実施した。比較のために、他方のプロセスは従来のものとした。これは、固体集電体（Ａｌ箔、厚さ１２μｍ）にスラリコーティングするステップと、ＮＭＰ溶媒を除去して、集電体にコーティングされた乾燥電極層を生成するステップと、コーティングされた集電体と、２つの集電体の間に配設されたセパレータとをラミネートするステップと、ラミネート構造を収納するステップと、収納されたセルに液体電解質を注入するステップとを含むものとした。
【０１１３】
一連の試料では、それぞれＡＣ対ＧＯ比５／９５およびＣＮＴ対ＲＧＯ比１０／９０で、活性炭（ＡＣ）粒子および多壁カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をＲＧＯ電解質懸濁液に別々に添加して、活性材料−電解質層を用意した。典型的には、１〜６層のＮｉ発泡体（各層２００μｍの厚さで、導電性多孔質層として９５％の多孔率レベルを有する）を活性材料−電解質混合物層と共に積層して、約２００〜１，２００μｍの厚さの電極層を得た。電極活性材料として純粋ＲＧＯシートのみを含むスーパーキャパシタセルも作製して試験した。
【０１１４】
また、本研究では、無機材料と組み合わせたグラフェンシートをベースとして電極活性材料を選択した。それらの無機材料には、（ａ）セレン化ビスマス；（ｂ）遷移金属ジカルコゲナイド：ジルコニウム、モリブデン、チタン、コバルト、マンガン、鉄、およびニッケルの硫化物またはセレン化物；および（ｃ）窒化ホウ素から選択される無機材料のナノディスク、ナノプレートレット、またはナノシートが含まれていた。
【０１１５】
実施例２：天然黒鉛粉末からの酸化グラフェン（ＧＯ）および還元酸化グラフェン（ＲＧＯ）ナノシートの調製
Ｈｕａｄｏｎｇ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｃｏ．（中国、青島）製の天然黒鉛を出発材料として使用した。よく知られているｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｈｕｍｍｅｒｓ法に従うことによってＧＯが得られた。この方法は、２つの酸化段階を含んでいた。典型的な手順において、以下の条件で第１の酸化を実現した。１，１００ｍｇの黒鉛を１，０００ｍＬの沸騰フラスコに入れた。次いで、Ｋ２Ｓ２Ｏ８、２０ｇのＰ２Ｏ５、および４００ｍＬの濃縮Ｈ２ＳＯ４水溶液（９６％）をフラスコに加えた。混合物を還流下で６時間加熱し、次いで室温で２０時間安置した。酸化黒鉛を濾過し、中性ｐＨになるまで多量の蒸留水ですすいだ。この最初の酸化の終わりに、ウェットケーキ状物質が回収された。
【０１１６】
第２の酸化プロセスでは、前に収集されたウェットケーキを、６９ｍＬの濃縮Ｈ２ＳＯ４水溶液（９６％）を含む沸騰フラスコに入れた。９ｇのＫＭｎＯ４をゆっくりと加えながら、フラスコを氷浴内で保った。過熱を避けるように注意した。得られた混合物を３５℃で２時間撹拌し（試料の色が暗い緑色に変わった）、続いて１４０ｍＬの水を加えた。１５分後、４２０ｍＬの水および１５ｍＬの３０ｗｔ％Ｈ２Ｏ２水溶液を加えることによって反応を停止させた。この段階での試料の色は、明るい黄色に変わった。金属イオンを除去するために、混合物を濾過し、１：１０ＨＣｌ水溶液ですすいだ。収集した物質を２７００ｇで穏やかに遠心分離し、脱イオン水ですすいだ。最終生成物は、乾燥抽出物から推定されるように、１．４ｗｔ％のＧＯを含むウェットケーキであった。その後、脱イオン水で希釈したウェットケーキ物質を軽く超音波処理することによって、ＧＯプレートレットの液体分散液を得た。
【０１１７】
純水の代わりに界面活性剤水溶液でウェットケーキを希釈することによって、界面活性剤で安定化されたＲＧＯ（ＲＧＯ−ＢＳ）を得た。Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈによって提供されているコール酸ナトリウム（５０ｗｔ％）とデオキシコール酸ナトリウム（５０ｗｔ％）の塩の市販の混合物を使用した。界面活性剤の重量画分は、０．５ｗｔ％であった。全ての試料に関してこの画分を一定に保った。１３ｍｍステップディストラクタホーンと、３ｍｍテーパ付きマイクロチップとを備え、２０ｋＨｚの周波数で動作するＢｒａｎｓｏｎ  Ｓｏｎｉｆｉｅｒ  Ｓ−２５０Ａを使用して超音波処理を行った。例えば、０．１ｗｔ％のＧＯを含む水溶液１０ｍＬを１０分間超音波処理し、その後、２７００ｇで３０分間遠心分離して、溶解していない大きな粒子、凝集物、および不純物を除去した。０．１ｗｔ％のＧＯ水溶液１０ｍＬを５０ｍＬ沸騰フラスコに入れることを含む方法に従うことによって、ＲＧＯを生成するために、上記のようにして得られたＧＯの化学的還元を行った。次いで、界面活性剤によって安定化させた混合物に、３５ｗｔ％のＮ２Ｈ４（ヒドラジン）水溶液１０μＬおよび２８ｗｔ％のＮＨ４ＯＨ（アンモニア）水溶液７０ｍＬを加えた。溶液を９０℃に加熱し、１時間還流させた。反応後に測定されたｐＨ値は約９だった。還元反応中、試料の色は暗黒色に変わった。
【０１１８】
ＲＧＯになるようにＧＯを化学的に還元した後、乾燥したＲＯＧ粉末を有機電解質（アセトニトリル＋Ｎ（Ｅｔ）４ＢＦ４）中で分散させて、有機電解質−ＲＧＯ混合物の粘性（ゲル状）層を生成した。それとは別に、ＧＯ粉末を硫酸ベースの電解質混合物と別々に混合して、水性電解質−ＧＯゲルを生成した。次いで、ゲル状層を、別個の２組の導電性多孔質層（Ｎｉ発泡体）と順次に別々に積層して、２つの別個のＥＤＬＣスーパーキャパシタセルを作製した。
【０１１９】
比較のために、従来のスラリコーティングおよび乾燥手順を行って従来の電極を作製した。電極と、２つの電極間に配設されたセパレータとを組み立てて、Ａｌ−プラスチックラミネートパッケージング封体に収納し、その後、液体電解質を注入してスーパーキャパシタセルを形成した。
【０１２０】
実施例３：メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）からの単層グラフェンシートの調製
メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）はＣｈｉｎａ  Ｓｔｅｅｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（台湾、高雄市）から供給された。この材料は、約２．２４ｇ／ｃｍ３の密度を有し、中央値粒径は約１６μｍである。４８〜９６時間、ＭＣＭＢ（１０グラム）を酸溶液（４：１：０．０５の比での硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウム）とインターカレートした。反応が完了した後、混合物を脱イオン水中に注いで濾過した。インターカレーションされたＭＣＭＢを、ＨＣｌの５％溶液中で繰り返し洗浄して、大半の硫酸イオンを除去した。次いで、濾液のｐＨが４．５以上になるまで、試料を脱イオン水で繰り返し洗浄した。次いで、スラリを１０〜１００分間超音波処理して、ＧＯ懸濁液を生成した。ＴＥＭおよび原子間力顕微鏡検査により、酸化処理が７２時間を超えるとＧＯシートの大半が単層グラフェンとなり、酸化時間が４８〜７２時間であったときには２層または３層グラフェンであったことが示されている。
【０１２１】
ＧＯシートは、４８〜９６時間の酸化処理時間で約３５重量％〜４７重量％の酸素比率を含んでいる。ＧＯシートを水中に懸濁させ、次いで乾燥させてＧＰ粉末を作製した。次いで、ＧＯ粉末を様々な期間にわたって２００〜７００℃で熱的に還元して、約１％〜２０％の酸素含有量を有する還元酸化グラフェン（ＲＧＯ）粉末の試料を作製した。これらのＲＧＯを、ＥＤＬＣ型スーパーキャパシタ電極活性材料として直接使用した。または、これらのＲＧＯをパートナー材料（例えば、ＲＧＯ表面に結合された金属酸化物、ＮｉＯ２、または導電性ポリマー、ポリピロール）と接合して、擬似容量ベースのスーパーキャパシタでの酸化還元対を形成した。本発明によるプロセスと従来のプロセスとの両方を使用して、スーパーキャパシタセルを製造し、それらを電気化学的に試験して比較した。
【０１２２】
実施例４：スーパーキャパシタ電極活性材料としての純粋グラフェンシート（酸素０％）の調製
個々のグラフェン面の導電率を減少させるように作用するＧＯシート中の高欠陥群の可能性を認識して、本発明者らは、純粋グラフェンシート（非酸化および酸素フリー、非ハロゲン化およびハロゲンフリーなど）の使用が、より高い熱伝導率を有するグラフェン発泡体をもたらすことができるかを研究することに決めた。純粋グラフェンシートは、よく知られている直接超音波処理または液相剥離プロセスを使用することによって作製した。
【０１２３】
典型的な手順では、約２０μｍ以下のサイズに粉砕した５グラムの黒鉛フレークを１，０００ｍＬの脱イオン水（０．１重量％の分散剤を含む。ＤｕＰｏｎｔ社製のＺｏｎｙｌ（登録商標）ＦＳＯ）中に分散させて、懸濁液を得た。グラフェンシートの剥離、分離、およびサイズ減少のために、８５Ｗの超音波エネルギーレベル（Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｓ４５０  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｏｒ）を１５分〜２時間の期間にわたって使用した。得られたグラフェンシートは、一度も酸化されておらず、酸素を含まず、比較的欠陥のない純粋なグラフェンである。純粋なグラフェンは、非炭素元素を本質的に含まない。次いで、活性材料−電解質層と導電性多孔質層を交互に積層して圧密化する本発明による手順と、従来のスラリコーティング、乾燥、および積層手順との両方を用いて、スーパーキャパシタに純粋グラフェンシートを組み込んだ。スーパーキャパシタのＥＤＬＣタイプと擬似容量タイプ（ポリアニリンまたはＭｎＯ２との酸化還元対）の両方を調べた。
【０１２４】
実施例５：Ｎｉ発泡体テンプレート上に用意されたＣＶＤグラフェン発泡体ベースの集電体（導電性多孔質層）
ＣＶＤグラフェン発泡体を製造するための手順は、以下の公開されている文献に開示されているものから適合させた：Ｃｈｅｎ，  Ｚ．他“Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ  ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，”  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  １０，  ４２４−４２８  （２０１１）。ニッケル発泡体、ニッケルの相互接続された３Ｄ足場を有する多孔質構造を、グラフェン発泡体の成長のためのテンプレートとして選択した。簡潔には、周囲圧力下で１，０００℃でＣＨ４を分解することによって炭素をニッケル発泡体に導入し、次いでニッケル発泡体の表面にグラフェン被膜を堆積させた。ニッケルとグラフェンの熱膨張係数の相違により、グラフェン被膜に波形や皺が生じた。この実施例で形成された４つのタイプの発泡体、すなわちＮｉ発泡体、ＣＶＤグラフェン被覆Ｎｉ発泡体、ＣＶＤグラフェン発泡体（Ｎｉはエッチング除去される）、および導電性ポリマー結合ＣＶＤグラフェン発泡体を、本発明によるスーパーキャパシタでの集電体として使用した。
【０１２５】
Ｎｉテンプレートからグラフェン発泡体を回収（分離）するために、Ｎｉテンプレートをエッチング除去した。Ｃｈｅｎらによって提案された手順では、高温ＨＣｌ（またはＦｅＣｌ３）溶液によってニッケル骨格をエッチング除去する前に、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）の薄層を、支持体としてグラフェン被膜の表面に堆積して、ニッケルエッチング中にグラフェンネットワークが崩壊するのを防止した。高温のアセトンによってＰＭＭＡ層を注意深く除去した後、脆弱なグラフェン発泡体試料が得られた。ＰＭＭＡ支持層の使用は、グラフェン発泡体の自立被膜を用意するのに重要であると考えられていた。代わりに、本発明者らは、粘結剤樹脂として導電性ポリマーを使用して、グラフェンを一体に保持すると共に、Ｎｉをエッチング除去した。本明細書で使用されるＣＶＤグラフェン発泡体は、液体電解質と共に炭素粒子またはグラフェンシートを収容する発泡集電体として意図されていることに留意されたい。しかし、本発明者らは、意外にも、導電性ポリマーの有無に関わらずそのようなグラフェン発泡体自体がスーパーキャパシタ電極材料であることを見出した。そのような組合せは、スーパーキャパシタセルに組み込まれた活性材料の量を最大にできる。
【０１２６】
実施例６：ピッチベースの炭素発泡体からの黒鉛発泡体ベースの集電体
ピッチ粉末、顆粒、またはペレットを、発泡体の所望の最終形状を有するアルミニウム鋳型に入れた。三菱ＡＲＡ−２４メソフェーズピッチを利用した。試料を１トール未満に排気し、次いで約３００℃の温度に加熱した。この時点で、真空を解放して窒素ブランケットとし、次いで１，０００ｐｓｉまでの圧力を加えた。次いで、系の温度を８００℃に上昇させた。これは２℃／分の速度で行った。温度を少なくとも１５分間一定に保ち、次いで炉の電力を切って、約２ｐｓｉ／分の速度で圧力解放速度で、約１．５℃／分の速度で室温まで冷却した。最終発泡体の温度は６３０℃および８００℃であった。冷却サイクル中、圧力は大気条件に徐々に放出される。次いで、発泡体を窒素ブランケット下で１０５０℃まで熱処理（炭化）し、次いで、黒鉛るつぼ内で、アルゴン中で２５００℃および２８００℃（黒鉛化）まで別々に熱処理した。
【０１２７】
実施例７：スーパーキャパシタ活性材料としてのフッ化グラフェンシートの調製
ＧＦを製造するために幾つかの方法を使用したが、ここでは一例として１つの方法のみを述べる。典型的な手順では、インターカレート化合物Ｃ２Ｆ・ｘＣｌＦ３から、大きく剥離された黒鉛（ＨＥＧ）を調製した。ＨＥＧを三フッ化塩素の蒸気によってさらにフッ素化して、フッ素化された大きく剥離された黒鉛（ＦＨＥＧ）を生成した。予冷されたテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）反応器に２０〜３０ｍＬの予冷された液体ＣｌＦ３を充填し、反応器を閉じ、液体窒素温度まで冷却した。次いで、ＣｌＦ３ガスが反応炉の内部に入り込めるようにする穴を有する容器に、１ｇ以下のＨＥＧを入れた。７〜１０日で、近似式Ｃ２Ｆを有するグレーベージュの生成物が形成された。
【０１２８】
その後、少量のＦＨＥＧ（約０．５ｍｇ）を２０〜３０ｍＬの有機溶媒（別々に、メタノールとエタノール）と混合し、超音波処理（２８０Ｗ）を３０分間行って、均質な黄色っぽい分散液を生成した。溶媒の除去後、分散液は茶色っぽい粉末になった。
【０１２９】
実施例８：スーパーキャパシタ電極活性材料としての窒素化グラフェンシートの調製
実施例２で合成した酸化グラフェン（ＧＯ）を、様々な割合の尿素で微粉砕し、ペレット化した混合物をマイクロ波反応器（９００Ｗ）で３０秒間加熱した。生成物を脱イオン水で数回洗浄し、真空乾燥させた。この方法では、酸化グラフェンが同時に還元され、窒素でドープされる。１：０．５、１：１、および１：２のグラフェン：尿素質量比で得られた生成物を、それぞれＮＧＯ−１、ＮＧＯ−２、およびＮＧＯ−３と表し、これらの試料の窒素含有量は、元素分析で分かるようにそれぞれ１４．７、１８．２、および１７．５ｗｔ％であった。これらの窒素化グラフェンシートは、水中に分散可能なままである。次いで、得られた懸濁液を乾燥させて、窒素化グラフェン粉末を得た。この粉末をイオン性液体電解質と混合して、ゲル状層を形成し、順次積層操作において導電性多孔質層の細孔に含浸させた。
【０１３０】
実施例９：スーパーキャパシタ活性材料としてのＭｏＳ２／ＲＧＯハイブリッド材料の調製
この実施例では、多様な無機材料を調べた。例えば、２００℃で、酸化された酸化グラフェン（ＧＯ）のＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶液中での（ＮＨ４）２ＭｏＳ４とヒドラジンとの１段階のソルボサーマル反応により、超薄ＭｏＳ２／ＲＧＯハイブリッドを合成した。典型的な手順では、１０ｍｌのＤＭＦ中に分散された１０ｍｇのＤＭＦに２２ｍｇの（ＮＨ４）２ＭｏＳ４を加えた。混合物を、室温で約１０分間、透明で均質な溶液が得られるまで超音波処理した。その後、０．１ｍｌのＮ２Ｈ４・Ｈ２Ｏを加えた。反応溶液をさらに３０分間超音波処理した後、テフロン（登録商標）ライニングされた４０ｍＬのオートクレーブに移した。オーブン内で、系を２００℃で１０時間加熱した。生成物を８０００ｒｐｍで５分間の遠心分離によって収集し、ＤＩ水で洗浄し、遠心分離により再収集した。ほとんどのＤＭＦが確実に除去されるように、洗浄ステップを５回繰り返した。最後に、製品を乾燥させ、液体電解質と混合して、活性材料−電解質混合物層を形成し、それをＡｌ発泡体層と交互に積層して圧密化した。それとは別に、幾つかの異なる量（５重量％〜４５重量％）のＭｏＳ２プレートレットを活性炭粒子と組み合わせて、複合電極活性材料を形成した。次いで、この複合活性材料を、本発明による方法と従来の方法の両方を使用して電極にした。
【０１３１】
実施例１０：２次元（２Ｄ）層状のＢｉ２Ｓｅ３カルコゲナイドナノリボンの調製
（２Ｄ）層状のＢｉ２Ｓｅ３カルコゲナイドナノリボンの調製は、当技術分野でよく知られている。例えば、蒸気−液体−固体（ＶＬＳ）法を用いてＢｉ２Ｓｅ３ナノリボンを成長させた。本明細書で製造されるナノリボンは、平均で厚さが３０〜５５ｎｍであり、幅および長さが数百ナノメートル〜数マイクロメートルの範囲である。比較的大きいナノリボンにはボールミル加工を施し、横方向寸法（長さおよび幅）を２００ｎｍ未満に減少させた。スーパーキャパシタ電極活性材料として、（グラフェンシートまたは剥離された黒鉛フレーク有りまたは無しの）これらの手順によって調製されたナノリボンを使用した。
【０１３２】
実施例１１：ＭＸｅｎｅ粉末＋化学的に活性化されたＲＧＯ
Ｔｉ３ＡｌＣ２など金属炭化物の層状構造から特定の元素を部分的にエッチング除去することによって、選択されたＭＸｅｎｅを生成した。例えば、Ｔｉ３ＡｌＣ２用のエッチャントとして、１ＭのＮＨ４ＨＦ２水溶液を室温で使用した。典型的には、ＭＸｅｎｅ表面は、Ｏ、ＯＨ、および／またはＦ基によって終端される。これは、それらが通常はＭｎ＋１ＸｎＴｘと呼ばれる理由であり、ここで、Ｍは前周期遷移金属であり、ＸはＣおよび／またはＮであり、Ｔは末端基（Ｏ、ＯＨ、および／またはＦ）であり、ｎ＝１、２、または３であり、ｘは末端基の数である。調べたＭＸｅｎｅ材料には、Ｔｉ２ＣＴｘ、Ｎｂ２ＣＴｘ、Ｖ２ＣＴｘ、Ｔｉ３ＣＮＴｘ、およびＴａ４Ｃ３Ｔｘが含まれる。典型的には、３５〜９５％のＭＸｅｎｅと５〜６５％のグラフェンシートを液体電解質と混合してゲル状層を形成し、導電性多孔質層（ステンレス鋼発泡体および黒鉛発泡体）と積層した。
【０１３３】
実施例１２：ＭｎＯ２−グラフェン酸化還元対の調製
ＭｎＯ２粉末を２つの方法（それぞれグラフェンシート有りまたは無し）によって合成した。１つの方法では、過マンガン酸カリウムを脱イオン水中に溶解することによって、０．１ｍｏｌ／ＬのＫＭｎＯ４水溶液を調製した。一方、高純度のビス（２−エチルヘキシル）スルホこはく酸ナトリウムの界面活性剤１３．３２ｇを３００ｍＬのイソオクタン（油）中に加え、よく撹拌して、光学的に透明な溶液を得た。次いで、その溶液中に、０．１ｍｏｌ／ＬのＫＭｎＯ４溶液３２．４ｍＬと、選択された量のＧＯ溶液とを加え、それを３０分間超音波処理して、暗褐色の沈殿物を調製した。生成物を分離し、蒸留水およびエタノールで数回洗浄し、８０℃で１２時間乾燥させた。試料は、粉末状のグラフェン担持ＭｎＯ２であり、これを液体電解質と混合して、電解質−活性材料層を形成した。
【０１３４】
実施例１３：様々なスーパーキャパシタセルの評価
調べた例の大半において、本発明によるスーパーキャパシタセルとそれらの従来型のスーパーキャパシタセルとの両方を製造して評価した。後者の電池は、比較の目的で、電極のスラリコーティング、電極の乾燥、アノード層、セパレータ、およびカソード層の組立て、組み立てられたラミネートのパッケージング、ならびに液体電解質の注入という従来の手順によって用意した。従来のセルでは、電極（カソードまたはアノード）は、典型的には、８５％の電極活性材料（例えば、グラフェン、活性炭、無機ナノディスクなど）、５％のＳｕｐｅｒ−Ｐ（アセチレンブラックベースの導電性添加剤）、および１０％のＰＴＦＥから構成され、これらを混合してＡｌ箔にコーティングした。電極の厚さは約１００μｍである。各試料ごとに、コインサイズセルとパウチセルの両方をグローブボックス中に組み立てた。Ａｒｂｉｎ  ＳＣＴＳ電気化学試験機器を使用した定電流実験で容量を測定した。サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）および電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）測定を、電気化学的ワークステーション（ＣＨＩ  ６６０  Ｓｙｓｔｅｍ、米国）で行った。
【０１３５】
電気化学的性能を評価するために、試料に対して定電流充放電試験を行った。定電流試験の場合、比容量（ｑ）は以下のように計算される。
ｑ＝Ｉ＊ｔ／ｍ      （１）
ここで、Ｉは、ｍＡ単位での定電流であり、ｔは、時間単位での時間であり、ｍは、グラム単位でのカソード活性材料質量である。電圧Ｖの場合、比エネルギー（Ｅ）は、以下のように計算される。
Ｅ＝∫Ｖｄｑ      （２）
比電力（Ｐ）は、以下のように計算することができる。
Ｐ＝（Ｅ／ｔ）（Ｗ／ｋｇ）      （３）
ここで、ｔは、時間単位での総充電または放電ステップ時間である。セルの比容量（Ｃ）は、電圧と比容量のプロットの各点での傾きによって表される。
Ｃ＝ｄｑ／ｄＶ      （４）
各試料ごとに、電気化学的応答を決定するために幾つかの電流密度（充電／放電速度を表す）を課し、Ｒａｇｏｎｅプロット（電力密度対エネルギー密度）の構築に必要なエネルギー密度および電力密度値の計算を可能にした。
【０１３６】
図５に、電極活性材料として還元酸化グラフェン（ＲＧＯ）シートを含み、電解質としてＥＭＩＭＢＦ４イオン性液体を含む２組の対称スーパーキャパシタ（ＥＤＬＣ）のＲａｇｏｎｅプロット（重量および体積電力密度対エネルギー密度）が示されている。２連のスーパーキャパシタの一方は、本発明の実施形態に従って用意され、他方は、スラリコーティング、乾燥、ラミネート（セルを形成する）、およびセルへの液体電解質の注入という従来の方法によるものとした。これらのデータから幾つかの重要な観察を行うことができる。
【０１３７】
（Ａ）本発明による方法（図の凡例では「本発明」と表される）によって用意されたスーパーキャパシタセルの重量および体積エネルギー密度および電力密度はどちらも、従来の方法（「従来」と表される）によって用意された相当物のものよりもかなり高い。その差は非常に顕著であり、主に、本発明によるセルに関連付けられる高い活性材料質量装填量（＞２０ｍｇ／ｃｍ２）、活性材料重量／体積に対するオーバーヘッド（非活性）構成要素の比率の減少、粘結剤樹脂が不要であること、本発明による方法が発泡集電体の細孔にグラフェンシートをより効果的にパッケージングすることができることに起因する。
【０１３８】
（Ｂ）従来の方法によって用意されたセルでは、従来のスラリコーティング法によって用意されたＲＧＯベースの電極のタップ密度が非常に低い（０．２５ｇ／ｃｍ３の充填密度）ため、体積エネルギー密度と体積電力密度の絶対的な大きさが、それらの重量エネルギー密度と重量電力密度よりも大幅に低い。
【０１３９】
（Ｃ）対照的に、本発明による方法によって用意されたセルでは、本発明の方法によって用意されたＲＧＯベース電極のタップ密度が比較的高い（１．１５ｇ／ｃｍ３の充填密度）ので、体積エネルギー密度（２７．４Ｗｈ／Ｌ）および体積電力密度（１０，１５５Ｗ／Ｌ）の絶対的な大きさは、それらの重量エネルギー密度および重量電力密度のものよりも高い。
【０１４０】
（Ｄ）従来のプロセスによって用意された対応するスーパーキャパシタの体積エネルギー密度および体積電力密度は、それぞれ３．１Ｗｈ／Ｌおよび１，１３９Ｗ／Ｌであり、これらは１桁小さい。これらは顕著であり予想外である。
【０１４１】
図６は、電極活性材料としての活性炭（ＡＣ）粒子と有機液体電解質とを含む対称スーパーキャパシタ（ＥＤＬＣ）セルのＲａｇｏｎｅプロット（重量および体積電力密度対エネルギー密度の両方）を示す。本発明による方法によって用意されたスーパーキャパシタと、電極の従来のスラリコーティングによるスーパーキャパシタとから実験データを得た。
【０１４２】
これらのデータも、本発明による方法によって用意されたスーパーキャパシタセルの重量および体積エネルギー密度および電力密度がどちらも、従来の方法によって用意されたそれらの相当物のものよりも有意に高いことを示している。ここでも、その差は大きく、主に、本発明によるセルに関連付けられる高い活性材料質量装填量（＞１５ｍｇ／ｃｍ２）、活性材料重量／体積に対するオーバーヘッド（非活性）構成要素の比率の減少、粘結剤樹脂が不要であること、本発明による方法が発泡集電体の細孔にグラフェンシートをより効果的にパッケージングすることができることに起因する。高い多孔率の活性炭粒子は、グラフェンシートほど圧密に適していない。したがって、ＡＣベースのスーパーキャパシタに関して、体積エネルギー密度と体積電力密度の絶対的な大きさが、対応する重量エネルギー密度と重量電力密度の大きさよりも低い。しかし、本発明による方法は、さらに驚くべきことに、本研究で従来のスラリコーティングプロセス（０．５５ｇ／ｃｍ３）で実現されたものよりも有意に高いタップ密度（０．７５ｇ／ｃｍ３）でＡＣ粒子を充填することを可能にする。
【０１４３】
図７（Ａ）に、カソード活性材料として純粋グラフェンシート、アノード活性材料としてプレリチウム化黒鉛粒子、および有機液体電解質としてリチウム塩（ＬｉＰＦ６）−ＰＣ／ＤＥＣ溶媒を含むリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）セルのＲａｇｏｎｅプロットが示されている。データは、本発明による方法によって用意されたＬＩＣと、電極の従来のスラリコーティングによるＬＩＣとの両方に関するものである。これらのデータは、本発明による方法によって用意されたＬＩＣセルの重量および体積エネルギー密度および電力密度がどちらも、従来の方法によって用意されたそれらの相当物よりも有意に高いことを示している。ここでも、その差は大きく、主に、本発明によるセルに関連付けられる高い活性材料質量装填量（アノード側では＞１５ｍｇ／ｃｍ２、カソード側では＞２５ｍｇ／ｃｍ２）、活性材料重量／体積に対するオーバーヘッド（非活性）構成要素の比率の減少、粘結剤樹脂が不要であること、本発明による方法が発泡集電体の細孔にグラフェンシートをより効果的にパッケージングすることができることに起因する。
【０１４４】
従来の方法によって用意されたＬＩＣセルでは、従来のスラリコーティング法によって用意された純粋グラフェンベースのカソードのタップ密度が非常に低い（０．２５ｇ／ｃｍ３の充填密度）ので、体積エネルギー密度と体積電力密度の絶対的な大きさが、それらの重量エネルギー密度と重量電力密度よりも大幅に低い。対照的に、本発明による方法によって用意されたＬＩＣセルでは、本発明の方法によって用意された純粋グラフェンベースの電極のタップ密度が比較的高いので、体積エネルギー密度および体積電力密度の絶対的な大きさは、それらの重量エネルギー密度および重量電力密度のものよりも高い。
【０１４５】
図７（Ｂ）に、カソード活性材料として純粋グラフェンシート、アノード活性材料としてプレナトリウム化黒鉛粒子、および有機液体電解質としてナトリウム塩（ＮａＰＦ６）−ＰＣ／ＤＥＣ溶媒を含むナトリウムイオンキャパシタ（ＮＩＣ）セルのＲａｇｏｎｅプロットが示されている。データは、本発明による方法によって用意されたＬＩＣと、電極の従来のスラリコーティングによるＬＩＣとの両方に関するものである。これらのデータは、本発明による方法によって用意されたＮＩＣセルの重量および体積エネルギー密度および電力密度がどちらも、従来の方法によって用意されたそれらの相当物のものよりも有意に高いことを示している。ここでも、その差は顕著であり、主に、本発明によるセルに関連付けられる高い活性材料質量装填量（アノード側では＞１５ｍｇ／ｃｍ２、カソード側では＞２５ｍｇ／ｃｍ２）、活性材料重量／体積に対するオーバーヘッド（非活性）構成要素の比率の減少、粘結剤樹脂が不要であること、本発明による方法が発泡集電体の細孔にグラフェンシートをより効果的にパッケージングすることができることに起因する。
【０１４６】
多くの研究者が行っているようなＲａｇｏｎｅプロット上での活性材料のみの重量当たりのエネルギーおよび電力密度の報告は、組み立てられたスーパーキャパシタセルの性能の現実的な状況を示さないことがあることを指摘しておくことは重要であろう。他のデバイス構成要素の重量も考慮に入れなければならない。集電体、電解質、セパレータ、粘結剤、コネクタ、およびパッケージングを含むこれらのオーバーヘッド構成要素は、非活性材料であり、電荷蓄積量に寄与しない。これらの構成要素は、デバイスに重量および体積を追加するだけである。したがって、オーバーヘッド構成要素の重量の相対比を減少し、活性材料の割合を増加させることが望ましい。しかしながら、従来のスーパーキャパシタ製造法を使用してこの目的を達成することは可能でなかった。本発明は、スーパーキャパシタの技術分野におけるこの長年にわたる最も重大な問題を克服する。
【０１４７】
電極の厚さが１５０〜２００μｍ（Ａｌ箔集電体の各面に７５〜１００μｍ）である市販のスーパーキャパシタでは、活性材料（すなわち活性炭）の重量は、パッケージされたセルの総質量の約２５％〜３０％を占める。したがって、活性材料重量のみに基づく特性から、デバイス（セル）のエネルギーまたは電力密度を外挿するために、係数３〜４が頻繁に使用される。大抵の科学論文では、報告されている特性は、典型的には活性材料重量のみに基づいており、電極は典型的には非常に薄い（＜＜１００μｍ、および大抵は＜＜５０μｍ）。活性材料重量は、典型的には総デバイス重量の５％〜１０％であり、これは、対応する活性材料重量ベース値を係数１０〜２０で割ることによって実際のセル（デバイス）エネルギーまたは電力密度を得ることができることを示唆する。この係数が考慮された後では、これらの論文で報告されている特性は、商用スーパーキャパシタの特性よりも良いものとは思えない。したがって、科学論文および特許出願で報告されているスーパーキャパシタの性能データを読んで解釈するに当たっては非常に慎重でなければならない。
【０１４８】
実施例１４：実現可能な電極の厚さと、スーパーキャパシタセルの電気化学的性能に対するその影響
スーパーキャパシタの電極厚さは、デバイス性能の最適化のために自由に調整できる設計パラメータであると考えてしまいそうである。しかし、現実には、スーパーキャパシタの厚さは製造上の制限を受け、特定の厚さレベルを超える良好な構造的完全性を有する電極を製造することができない。さらに、本発明者らの研究により、この問題はグラフェンベースの電極でさらに重大であることが示されている。本発明は、スーパーキャパシタに関連するこの非常に重要な問題を解決する。
【０１４９】
図８に、従来の方法によって用意された活性炭ベースの対称ＥＤＬＣスーパーキャパシタと、本発明によるスーパーキャパシタとの実現可能な電極厚さ範囲に対するセルレベルの重量（Ｗｈ／ｋｇ）および体積エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）が示されている。この図では、データ点は、従来のスーパーキャパシタの重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度、ならびに本発明によるスーパーキャパシタの重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度として表記されている。活性炭ベースの電極は、従来のスラリコーティングプロセスを使用して１００〜２００μｍの厚さまで製造することができる。しかし、対照的に、本発明による方法で実現することができる電極の厚さには理論上の制限はない。典型的には、実際の電極の厚さは１０μｍ〜５０００μｍ、より典型的には５０μｍ〜２，０００μｍ、さらに典型的には１００μｍ〜１，０００μｍ、最も典型的には２００μｍ〜８００μｍである。
【０１５０】
これらのデータにより、従来実現できなかった超厚スーパーキャパシタ電極を製造する際の本発明による方法の驚くべき有効性がさらに確認される。これら超厚電極は、典型的に有意には、＞１０ｍｇ／ｃｍ２（より典型的には＞１５ｍｇ／ｃｍ２、さらに典型的には＞２０ｍｇ／ｃｍ２、しばしば＞２５ｍｇ／ｃｍ２、およびさらには＞３０ｍｇ／ｃｍ２）の非常に高いカソード活性材料質量装填量をもたらす。これらの高い活性材料質量装填量は、スラリコーティングプロセスによって製造される従来のスーパーキャパシタでは得られなかった。
【０１５１】
さらに重要なことに、市販のＡＣベースのスーパーキャパシタの典型的なセルレベルのエネルギー密度は、３〜８Ｗｈ／ｋｇおよび１〜４Ｗｈ／Ｌである。対照的に、本発明による方法は、同じタイプの電極活性材料（ＡＣ）を含むスーパーキャパシタが最大２５Ｗｈ／ｋｇまたは２０Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度を送給することを可能にする。スーパーキャパシタ業界では、そのようなエネルギー密度の増加が可能であるとは考えられていなかった。
【０１５２】
また、還元酸化グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタについて図９に要約したデータも、非常に重要であり予想外のものである。セルレベルの重量および体積エネルギー密度を、従来の方法によって用意されたＲＧＯベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（有機液体電解質）および本発明による方法によるスーパーキャパシタとの実現可能な電極厚さ範囲にわたってプロットした。この図では、従来のスーパーキャパシタの重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度は、約０．２５ｇ／ｃｍ３の実現される最高の電極タップ密度に基づいており、本発明によるスーパーキャパシタの重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度は、約０．７５ｇ／ｃｍ３の電極タップ密度を有するものに関し、最高のものではない。未処理の非活性化のＲＧＯ電極に関してそのような高いタップ密度は従来報告されていなかった。
【０１５３】
これらのデータは、従来のスラリコーティング法によって製造されたＲＧＯベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタセルで実現される最高重量エネルギー密度が約１２Ｗｈ／ｋｇであるが、本発明による方法によって用意されるものは、室温で３１．６Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度であることを示している。これは、ＥＤＬＣスーパーキャパシタに関して先例のない高いエネルギー密度値である（電極重量または活性材料重量のみではなく、総セル重量に基づく）。さらに印象的なのは、本発明によるスーパーキャパシタセルの体積エネルギー密度が、従来の相当物によって実現される３．０Ｗｈ／Ｌの７倍超の２３．７Ｗｈ／Ｌであるという観察である。
【０１５４】
図１０に、従来の方法で用意された純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（有機液体電解質）と、本発明によるスーパーキャパシタとの実現可能な電極厚さ範囲にわたってプロットされたセルレベルの重量および体積エネルギー密度のデータが要約されている。凡例は、従来のスーパーキャパシタ（約０．２５ｇ／ｃｍ３の実現される最高電極タップ密度）の重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度、ならびに本発明によるスーパーキャパシタ（約１．１５ｇ／ｃｍ３の電極タップ密度）の重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度を含む。
【０１５５】
非常に重大なことに、これらのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（酸化還元または擬似キャパシタンスなし）は、４３．９Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を送給し、これは、先進の鉛蓄電池のエネルギー密度（２０〜４０Ｗｈ／ｋｇ）を既に上回っている。鉛蓄電池の典型的な１００〜４００サイクルとは対照的に、ＥＤＬＣスーパーキャパシタを２５０，０００〜５００，０００サイクル充電および放電することができるので、これは高い有用性を有する。この実現は、スーパーキャパシタの技術分野において非常に劇的で全く予想外である。さらに、鉛蓄電池に必要な典型的には数時間の再充電時間とは対照的に、炭素またはグラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタは数秒で再充電することができる。鉛蓄電池は環境への悪影響が非常に大きいと考えられているが、本発明のスーパーキャパシタは環境に優しい。
【０１５６】
さらなる重要な実施例は、図１１に要約されたデータを含み、このデータは、従来の方法によって用意された純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（イオン性液体電解質）と、本発明の方法によるスーパーキャパシタとの実現可能な電極厚さ範囲にわたってプロットされたセルレベルの重量および体積エネルギー密度に関する。重量（◆）および体積（▲）エネルギー密度は、従来のスーパーキャパシタ（約０．２５ｇ／ｃｍ３、より典型的には＜０．１ｇ／ｃｍ３の実現される最高電極タップ密度）に関するものであり、重量（■）および体積（Ｘ）エネルギー密度は、約１．１５ｇ／ｃｍ３の電極タップ密度を有する本発明によるスーパーキャパシタに関するものである。本発明による純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタは、９７．７Ｗｈ／ｋｇのセルレベルのエネルギー密度を貯蔵することができ、これは、従来のＡＣベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタによって実現することができるエネルギー密度の１５倍である。１１２．３Ｗｈ／Ｌの体積エネルギー密度値もまた先例のないものであり、市販のＡＣベースのスーパーキャパシタの３〜４Ｗｈ／Ｌの３０倍である。
【０１５７】
実施例１５：セル中で実現可能な活性材料重量百分率と、スーパーキャパシタセルの電気化学的性能に対するその影響
活性材料の重量は、パッケージングされた商用スーパーキャパシタの総質量の最大約３０％を占めるので、活性材料単独の性能データからデバイスのエネルギーまたは電力密度を外挿するためには係数３０％を使用しなければならない。したがって、活性炭の（すなわち活性材料重量のみに基づく）エネルギー密度２０Ｗｈ／ｋｇは、パッケージングされたセル約６Ｗｈ／ｋｇとなる。しかし、この外挿は、市販の電極（１５０μｍまたは約１０ｍｇ／ｃｍ２の炭素電極）のものと同様の厚さおよび密度を有する電極に対してのみ有効である。より薄いまたはより軽い同じ活性材料の電極は、セル重量に基づいてエネルギーまたは電力密度がさらに低いことを意味する。したがって、高い活性材料比率を有するスーパーキャパシタセルを製造することが望ましい。残念ながら、活性炭ベースのスーパーキャパシタに関して３０重量％を超える、またはグラフェンベースのスーパーキャパシタに関して１５重量％を超える活性材料比率を実現することは従来できなかった。
【０１５８】
本発明による方法は、調べた全ての活性材料についてスーパーキャパシタがこれらの限度を十分に上回ることを可能にする。事実、本発明は、望みに応じて活性材料比率を９０％超に高めることを可能にする。しかし、典型的には１５％〜８５％、より典型的には３０％〜８０％、さらにより典型的には４０％〜７５％、最も典型的には５０％〜７０％である。
【０１５９】
図１２に示されるように、活性炭ベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（有機液体電解質を有する）のセルレベルの重量エネルギー密度が、実現可能な活性材料比率（活性材料重量／全セル重量）にわたってプロットされており、これは１７．５％〜７５．４％である。また、本発明により、９．６重量％〜７８．２重量％のスーパーキャパシタセル中の純粋グラフェン含有量を実現することも可能になり、９．６Ｗｈ／ｋｇ〜９７．７Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度をもたらす。例えば、図１３は、２連の純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（全て有機液体電解質を用いた）に関する、スーパーキャパシタセルにおける実現可能な活性材料比率（活性材料重量／総電池重量）にわたってプロットされたセルレベルの重量エネルギー密度を示す。図１４は、純粋グラフェンベースのＥＤＬＣスーパーキャパシタ（イオン性液体電解質を用いた）に関する実現可能な活性材料比率（活性材料重量／総電池重量）にわたってプロットされたセルレベルの体積エネルギー密度を示す。
【０１６０】
実施例１６：様々な電極活性材料および／または集電体としての様々な多孔質または発泡構造に基づくスーパーキャパシタセルの電気化学的性能
発泡構造の効果を評価するために、電極活性材料の一例としてＲＧＯの使用を選択したが、集電体の種類と性質を変えた。以下のような多様な発泡体を使用した。金属発泡体（例えばＮｉおよびＴｉ発泡体）、金属ウェブまたはスクリーン（例えばステンレス鋼ウェブ）、穿孔金属シートベースの３次元構造体、金属繊維マット（鋼繊維）、金属ナノワイヤマット（Ｃｕナノワイヤ）、導電性ポリマーナノファイバマット（ポリアニリン）、導電性ポリマー発泡体（例えばＰＥＤＯＴ）、導電性ポリマー被覆繊維発泡体（ポリプロピレン被覆ナイロン繊維）、炭素発泡体、黒鉛発泡体、炭素エアロゲル、炭素ゼロックスゲル、グラフェン発泡体（Ｎｉ担持ＣＶＤグラフェンから）、酸化グラフェン発泡体（凍結乾燥ＧＯ水溶液によって得られる）、還元酸化グラフェン発泡体（ＲＧＯとポリマーとを混合し、次いで炭化したもの）、炭素繊維発泡体、黒鉛繊維発泡体、剥離黒鉛発泡体（炭化された樹脂によって結合された剥離黒鉛ワーム）である。この広範で綿密な研究から、以下の重要な観察がなされる。
（Ａ）発泡体材料の導電率は重要なパラメータであり、より高い導電率は、より高い電力密度とより速いスーパーキャパシタ応答時間をもたらす傾向がある。
（Ｂ）多孔率レベルも重要なパラメータであり、より高い細孔含有量は、同じ体積で、より多量の活性材料をもたらし、より高いエネルギー密度をもたらす。しかし、より高い多孔率レベルは、場合によってはより低い電子伝導力のため、応答時間をより遅くする可能性がある。
（Ｃ）黒鉛発泡体およびグラフェン発泡体は、スーパーキャパシタのより良い応答時間を提供する。しかし、金属発泡体は、タブ（端子リード）のより容易な形成またはタブへの接続を可能にする。各セルには２本のリード線が必要である。
【０１６１】
水性、有機、およびイオン性液体電解質と組み合わせた有機および無機材料を含め、ＥＤＬＣと酸化還元スーパーキャパシタの両方に関する広範な電極活性材料を調べた。以下の表（表１）に、例示の目的で、様々なクラスのスーパーキャパシタの幾つかの例をまとめた。これらは、本出願の範囲を限定するとは解釈されないものとする。
【０１６２】
【表１】
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【０１６３】
これらのデータは、質量装填量、電極厚さ、重量エネルギー密度、および体積エネルギー密度を大幅に改良するという点で、スーパーキャパシタセルを製造する本発明による方法の驚くべき優位性をさらに裏付けている。本発明によるスーパーキャパシタは、一貫して、電気化学的特性の面で従来のスーパーキャパシタよりもはるかに優れている。相違は驚くほど顕著である。
【０１６４】
結論として、本発明者らは、（以前は実現可能でなかった）予想外に厚い電極、（以前は実現可能でなかった）大きな活性材料質量装填量、（以前は実現可能でなかった）顕著な重量エネルギー密度、および先例のない高い体積エネルギー密度を有する新規の斬新なクラスのスーパーキャパシタの開発に成功した。また、活性材料−電解質混合物層を発泡集電体層と交互に積層する本発明による方法は、グラフェンシートベースのスーパーキャパシタに関連する長年の問題（すなわち、電極を厚くすることができないこと、グラフェンシートの再積層を防止するのが難しいこと、低いタップ密度、および低い体積エネルギー密度）を克服する。
【図１】
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【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】
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【国際調査報告】
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