(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電流コレクタおよび第２の電流コレクタと、
前記第１の電流コレクタに電気的に結合されている正極と、
前記第２の電流コレクタに電気的に結合されている負極と、
前記正極と前記負極との間に位置付けられているセパレータと、
前記正極および前記負極とイオン的に接触している第４級アンモニウム塩を含む電解質（ここで、前記電解質は１Ｍ未満の塩を含む。）と、
前記正極、前記負極、前記セパレータおよび前記電解質を保持するためのハウジング構成要素と
を備えるウルトラキャパシタであって、
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、未処理炭素材料よりも表面の少なくとも一つの官能基の数が約１０％〜約６０％少ない処理済み炭素材料を含み、
前記ウルトラキャパシタは、６５℃において３ボルト以上において動作し、１５００時間超にわたってその初期キャパシタンスの８０％超を維持するように構成されている、約２．８ボルト〜約３ボルトで動作するように構成されているウルトラキャパシタ。
【請求項２】
第１の電流コレクタおよび第２の電流コレクタと、
前記第１の電流コレクタに電気的に結合されている正極と、
前記第２の電流コレクタに電気的に結合されている負極と、
前記正極と前記負極との間に位置付けられているセパレータと、
前記正極および前記負極とイオン的に接触している第４級アンモニウム塩を含む電解質（ここで、前記電解質は１Ｍ未満の塩を含む。）と、
前記正極、前記負極、前記セパレータおよび前記電解質を保持するためのハウジング構成要素と
を備えるウルトラキャパシタであって、
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、未処理炭素材料よりも表面の少なくとも一つの官能基の数が約１０％〜約６０％少ない処理済み炭素材料を含み、
前記ウルトラキャパシタは、６５℃において３ボルト以上において動作し、１５００時間超にわたってその初期等価直列抵抗の２００％未満を維持するように構成されている、約２．８ボルト〜約３ボルトで動作するように構成されているウルトラキャパシタ。
【請求項３】
前記少なくとも一つの官能基は、水素含有官能基、窒素含有官能基、または酸素含有官能基である、請求項１または２に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項４】
前記処理済み炭素材料は、その約１％未満が水素を含む官能基を有する、請求項３に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項５】
前記処理済み炭素材料は、その約０．５％未満が窒素を含む官能基を有する、請求項３に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項６】
前記処理済み炭素材料は、その約５％未満が酸素を含む官能基を有する、請求項３に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項７】
前記処理済み炭素材料は、前記未処理炭素材料よりも約３０％少ない水素含有官能基を有する、請求項３に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項８】
前記正極および前記負極の少なくとも１つは、その内部のイオン移動度に対して最適化されたマイクロ多孔性およびメソ多孔性を含む炭素ベースの層を有する、請求項１または２に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項９】
前記炭素ベースの層は、約６０％〜約８５％のマイクロ多孔性を含む、請求項８に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１０】
前記炭素ベースの層は、約７０％または約８０％のマイクロ多孔性を含む、請求項９に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１１】
前記炭素ベースの層は、約１０％〜約３５％のメソ多孔性を含む、請求項８に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１２】
前記炭素ベースの層は、約２０％または約２５％のメソ多孔性を含む、請求項１１に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１３】
前記炭素ベースの層は、約５％未満のマクロ多孔性を含む、請求項８に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１４】
前記炭素ベースの層は、約１％未満のマクロ多孔性を含む、請求項１３に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１５】
第１の電流コレクタおよび第２の電流コレクタと、
前記第１の電流コレクタに電気的に結合されている正極と、
前記第２の電流コレクタに電気的に結合されている負極と、
前記正極と前記負極との間に位置付けられているセパレータと、
前記正極および前記負極とイオン的に接触している第４級アンモニウム塩を含む電解質（ここで、前記電解質は１Ｍ未満の塩を含む。）と、
前記正極、前記負極、前記セパレータおよび前記電解質を保持するためのハウジング構成要素と
を備えるウルトラキャパシタであって、
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、約１％未満が水素を含む官能基、約０．５％未満の窒素を含む官能基、または約５％未満の酸素を含む官能基のいくらかを表面に有する処理済み炭素材料を含み、
前記ウルトラキャパシタは、１５００時間超にわたってその初期等価直列抵抗の２００％未満を維持しながら、６５℃以上の温度で３ボルトにおいて動作することが可能である、ウルトラキャパシタ。
【請求項１６】
第１の電流コレクタおよび第２の電流コレクタと、
前記第１の電流コレクタに電気的に結合されている正極と、
前記第２の電流コレクタに電気的に結合されている負極と、
前記正極と前記負極との間に位置付けられているセパレータと、
前記正極および前記負極とイオン的に接触している第４級アンモニウム塩を含む電解質（ここで、前記電解質は１Ｍ未満の塩を含む。）と、
前記正極、前記負極、前記セパレータおよび前記電解質を保持するためのハウジング構成要素と
を備えるウルトラキャパシタであって、
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、約２０％〜約２５％のメソ多孔性、および約７０％〜約８０％のマイクロ多孔性を有する炭素ベースの層を含み、
前記ウルトラキャパシタは、１５００時間超にわたってその初期等価直列抵抗の２００％未満を維持しながら、６５℃以上の温度で３ボルトにおいて動作することが可能である、ウルトラキャパシタ。
【請求項１７】
前記炭素ベースの層は、約５％未満のマクロ多孔性を含む、請求項１６に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１８】
前記炭素ベースの層は、約１％未満のマクロ多孔性を含む、請求項１６に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項１９】
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、未処理炭素材料よりも表面の少なくとも一つの官能基の数が約１０％〜約６０％少ない処理済み炭素材料を含む、請求項１６〜１８のいずれかに記載。
【請求項２０】
前記処理済み炭素材料は、その約１％未満が水素を含む官能基を有する、請求項１９に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２１】
前記処理済み炭素材料は、その約０．５％未満が窒素を含む官能基を有する、請求項１９に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２２】
前記処理済み炭素材料は、その約５％未満が酸素を含む官能基を有する、請求項１９に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２３】
前記処理済み炭素材料は、前記未処理炭素材料よりも約３０％少ない水素含有官能基を有する、請求項１９に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２４】
前記正極は第１の厚さを含み、前記負極は第２の厚さを含み、前記正極の前記第１の厚さは前記負極の前記第２の厚さよりも大きい、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２５】
前記第１の厚さは、前記第２の厚さよりも１０％だけ大きい、請求項２４に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２６】
前記ハウジング構成要素は、前記電解質に曝される内面と、外面とを備え、前記内面の少なくとも一部分に沿って保護コーティングが被着される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２７】
前記保護コーティングは、非導電性材料を含むバリア膜を含む、請求項２６に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２８】
前記非導電性材料は、ポリマー材料を含む、請求項２７に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項２９】
前記ポリマー材料は、ポリエポキシド、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリウレタン、エチレンプロピレンゴム、ポリ（ｐ−キシリレン）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン、それらの共重合体、及びセラミック被覆のうちの少なくとも１つを含む、請求項２８に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３０】
前記保護コーティングは、約５μｍ〜約５５μｍの厚さを有する、請求項２６〜２９のいずれか一項に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３１】
前記ウルトラキャパシタは、５００ｋサイクル超のサイクル寿命で６５℃において動作するように構成されている、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３２】
前記ウルトラキャパシタは、６５℃において３ボルト以上において動作し、１５００時間超にわたってその初期キャパシタンスの８０％超を維持するように構成されている、請求項２〜３１のいずれか一項に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３３】
前記処理済み炭素材料は、未処理炭素材料よりも表面の少なくとも一つの官能基の数が約１０％〜約６０％少ない、請求項１５に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３４】
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、約２０％〜約２５％のメソ多孔性を有する炭素ベースの層を含む、請求項１５に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３５】
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、約７０％〜約８０％のマイクロ多孔性を有する炭素ベースの層を含む、請求項１５に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項３６】
前記正極および前記負極の少なくとも一つは、約５％未満のマクロ多孔性を有する炭素ベースの層を含む、請求項１５に記載のウルトラキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電気エネルギー貯蔵デバイスに関し、より詳細には、二重層キャパシタのような電気エネルギー貯蔵デバイスのための電解質の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギー貯蔵電池は、電子機器、電気機械装置、電気化学的装置、および他の有用なデバイスに電力を提供するのに広く使用されている。そのような電池は、一次化学電池、二次（再充電可能）電池、燃料電池、およびウルトラキャパシタを含む様々な種類のキャパシタを含む。電気エネルギー貯蔵電池のいくつかの特性は、エネルギー密度、電力密度、充電率、内部漏れ電流、等価直列抵抗（ＥＳＲ）、および、複数の充放電サイクルに耐えることが可能であることを含む。いくつかの理由から、スーパーキャパシタおよびウルトラキャパシタとして既知である相対的に大量の電荷を貯蔵することができるキャパシタが、様々な電気エネルギー貯蔵電池の中でも注目を集めている。
【０００３】
ウルトラキャパシタの動作電圧を増大させることによって、エネルギー貯蔵および電力容量を増強することが可能になり得る。しかしながら、キャパシタの様々な構成要素は、電圧増大の動作条件を受けると不安定性を呈する場合がある。たとえば、キャパシタの１つまたは複数の構成要素における不安定性が、限定ではないが、過剰なキャパシタンス減衰、サイクル中またはカレンダー寿命とも称されるＤＣ寿命における等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増大、自己放電、疑似容量、および／または気体発生を含む、キャパシタ性能の劣化に寄与するおそれがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
いくつかの実施形態において、ハウジング構成要素は、電解質に曝される内面と、外面とを備え、内面の少なくとも一部分に沿って保護コーティングが被着される。保護コーティングは、ポリマー材料または導電性材料を含んでもよい。ポリマー材料は、ポリエポキシド、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリウレタン、エチレンプロピレンゴム、ポリ（ｐ−キシリレン）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン、および／またはそれらの共重合体のうちの少なくとも１つを含んでもよい。導電性材料は、グラファイトを含む導電性カーボンを含んでもよい。
【０００５】
いくつかの実施形態において、電解質は、第４級アンモニウム塩を含む。この塩は、トリチルメチルアンモニウム、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウムおよびテトラエチルアンモニウムから成る群から選択されるカチオンを含んでもよい。第４級アンモニウム塩は、テトラフルオロホウ酸塩およびヨウ化物から成る群から選択されるアニオンを含むことができる。電解質は、アセトニトリルを含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質の塩濃度は、約０．７ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）〜約１．０Ｍであり得る。いくつかの実施形態において、電解質の塩濃度は約０．８Ｍであり得る。
【０００６】
電解質塩のカチオンは、たとえば、トリエチルメチルアンモニウムを含む対称カチオンを含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質塩のカチオンは、たとえば、トリエチルメチルアンモニウムを含む非対称カチオンを含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質塩は、対称および非対称スピロ化合物を含むスピロ化合物を含むことができる。たとえば、電解質は、５員環を有する対称Ｎ−スピロ二環式化合物を含むＮ−スピロ二環式化合物を含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質は、不均等なサイズの環構造を有する非対称スピロ化合物を含む、非対称スピロ化合物を含むことができる。対称スピロ化合物は、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウムを含むことができる。
【０００７】
いくつかの実施形態において、セパレータは、紙を含む膜を含む。いくつかの実施形態において、セパレータは、セルロースを含む膜を含む。いくつかの実施形態において、セパレータは、セルロース繊維を含む膜を含む。
【０００８】
いくつかの実施形態において、正極または負極は、電流コレクタおよび炭素系材料のうちの少なくとも１つを含む。炭素系材料は、活性炭、カーボンブラックおよびバインダー樹脂のうちの少なくとも１つを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態において、正極または負極は、その内部のイオン移動度に対して最適化されたマクロ多孔性、メソ多孔性およびマイクロ多孔性を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態において、正極は、負極の第２の厚さよりも大きい第１の厚さを含む。第１の厚さは、第２の厚さよりも約１０％だけ大きくてもよい。第１の厚さは、第２の厚さよりも約２０％だけ大きくてもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態において、キャパシタは、正極と電解質との間の界面に形成される第１のサブキャパシタと、負極と電解質との間の界面に形成される第２のサブキャパシタと、第１のサブキャパシタに対する正電圧制限および第２のサブキャパシタに対する負電圧制限を決定すること、第１のサブキャパシタに対する第２のサブキャパシタの第１の比を得るために、正電圧制限を負電圧制限で除算すること、ならびに、第２のサブキャパシタのキャパシタンスが、第１の比および第１のサブキャパシタのキャパシタンスの積に実質的に等しくなるように、正極層および負極層の相対厚さを設定することによって選択される第１の厚さおよび第２の厚さとを含む。
【００１２】
いくつかの実施形態において、炭素系材料は、処理済み炭素材料であって、当該処理済み炭素材料上に存在する官能基の数が低減されている、処理済み炭素材料を含む。処理済み炭素材料は、当該処理済み炭素材料上に存在する官能基の数を低減するために、少なくとも３００℃の温度において反応ガスおよびマイクロ波エネルギーに曝されてもよい。処理済み炭素材料の官能基は約５０％だけ低減されてもよい。処理済み炭素材料の官能基は約８０％だけ低減されてもよい。いくつかの実施形態において、反応ガスは水素および窒素を含む。いくつかの実施形態において、反応ガスはフッ素を含む。
【００１３】
いくつかの実施形態において、電気化学二重層キャパシタのセパレータ膜は、セルロース繊維を含む。
【００１４】
３ボルト以上の動作電圧において所望の性能をもたらすように構成されているキャパシタは、第１の電流コレクタと第２の電流コレクタとを含むことができる。いくつかの実施形態において、キャパシタは、第１の電流コレクタに電気的に結合されている正極と、第２の電流コレクタに電気的に結合されている負極とを含み、正極および負極は、炭素表面官能基の数が低減されている処理済み炭素材料を含む。いくつかの実施形態において、キャパシタは、正極と負極との間に位置付けられているセパレータを含み、セパレータはセルロースを含む。いくつかの実施形態において、キャパシタは、アセトニトリルと、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラフルオロホウ酸トリチルメチルアンモニウム、および／またはテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムとを含む電解質を含み、電解質は、正極および負極とイオン的に接触している。いくつかの実施形態において、キャパシタは、正極、負極、セパレータおよび電解質を保持するように構成されているハウジング構成要素を含み、ハウジング構成要素は、電解質に曝されている内面の少なくとも一部分上に保護コーティングを含む。
【００１５】
さらなる一実施形態は、約２．８〜約３ボルトで動作するように構成されているウルトラキャパシタを作成する方法である。方法は、セパレータによって分離されている第１の電流コレクタおよび第２の電流コレクタをハウジング内に設けるステップと、ハウジングに電解質を添加するステップとを含み、電解質は正極および負極とイオン的に接触している第４級アンモニウム塩を含み、電解質は１Ｍ未満の塩を含む。
【００１６】
本発明および従来技術にまさって達成される利点を要約する目的で、特定の目的および利点が本明細書において説明される。無論、任意の特定の実施形態に従ってすべてのそのような目的または利点が必ずしも達成される必要はないことは理解されたい。したがって、たとえば、本発明は、必ずしも他の目的または利点を達成することなく、１つの利点または一群の利点を達成または最適化することができるように具現化または実行されてもよいことが、当業者には認識されよう。
【００１７】
これらの実施形態のすべてが、本明細書に開示されている本発明の範囲内に入ることが意図されている。これらのおよび他の実施形態は、添付の図面を参照している以下の詳細な説明から、当業者には容易に諒解されよう。本発明は、開示されているいかなる特定の実施形態（複数の場合もあり）にも限定されない。
【００１８】
本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、特定の実施形態の図面を参照して説明され、これらは、特定の実施形態を例示するように意図されており、本発明を限定するようには意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】例示的な電気二重層ウルトラキャパシタの簡略化された断面ビューを示すブロック図である。
【００２０】
【図２】電気二重層ウルトラキャパシタの例示的なハウジング構成要素を示す断面斜視図である。
【００２１】
【図３Ａ】ハウジング構成要素の内面の一部分を被覆するバリア膜を有する電気二重層ウルトラキャパシタのキャパシタンス性能を示す図である。
【００２２】
【図３Ｂ】ハウジング構成要素の内面の一部分を被覆するバリア膜を有する電気二重層ウルトラキャパシタの抵抗性能を示す図である。
【００２３】
【図４】電解質濃度が低減されている電気二重層ウルトラキャパシタのキャパシタンス性能を示す図である。
【００２４】
【図５】ジェリーロール構成にある電気二重層ウルトラキャパシタの上断面図である。
【００２５】
【図６】ジェリーロール構成にある電気二重層ウルトラキャパシタの様々な層を示す斜視図である。
【００２６】
【図７】ウルトラキャパシタ電極の炭素表面特性を改変した結果を示す線グラフである。
【００２７】
【図８】非対称電極を備える簡略化された例示的な電気二重層ウルトラキャパシタを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
特定の実施形態および実施例を下記に説明するが、本発明は、具体的に開示されている実施形態および／または用途、ならびに、その自明の改変形態および均等物を超えて拡大することが、当業者には諒解されよう。したがって、本明細書において開示されている本発明の範囲は、下記に説明するいかなる特定の実施形態によっても限定されるべきではないことが意図されている。
【００２９】
図１は、例示的な電気二重層ウルトラキャパシタ１０の一部分の簡略化された断面ビューを示す。二重層ウルトラキャパシタ１０の例示的な部分は、第１の活性電極部分１４を有する第１の電極２２、たとえば、正極と、第２の活性電極部分１８を有する第１の電極２４、たとえば、負極とを含む。第１の電極２２と第２の電極２４との間の分離を維持するために、電極２２、２４の間にセパレータ１６が位置付けられている。電極は、電極と外部回路との間の電気的接触を促進するために、電流コレクタを備えてもよい。図１を参照すると、たとえば、正極２２は、第１の活性電極部分１４に電気的に結合されている第１の電流コレクタ１２を含み、第２の電流コレクタ２０は第２の活性電極部分１８に電気的に結合されている。セパレータ１６および両方の電極２２、２４は、電解質（図示せず）内に浸漬され得る。電解質は、セパレータ１６および活性電極部分１４、１８に浸透することができ、たとえば、電極２２、２４の間のイオン移動度が促進される。
【００３０】
本発明の実施形態は、ウルトラキャパシタの動作電圧を３ボルト以上に増大させるための技法に関する。これらの技法は、下記に説明するように、そのような相対的に高い電圧がウルトラキャパシタに及ぼす可能性がある不利な副作用を最小限に抑えながら、ウルトラキャパシタが３ボルト以上で動作することを可能にする。特に、電圧が増大することによって、ウルトラキャパシタ内で発生する二次電気化学反応の割合が増大することが分かっている。たとえば、二次電気化学反応は、ウルトラキャパシタ電解質（たとえば、アセトニトリルベースの電解質）と、ウルトラキャパシタの１つまたは複数の他の材料との間で発生する可能性がある。これらの反応は、動作電圧の影響を受けやすいことが分かっており、キャパシタ上の電圧が増大すると、反応率が増大する可能性がある。反応の副産物によって、たとえば、Ｈ２およびＣＯ２を含む、ウルトラキャパシタ内の様々な成分から成る気体の蓄積が増大し、これによって、デバイス内の圧力上昇および／またはデバイスの漏れが発生するおそれがある。加えて、アルミニウム電流コレクタを有するウルトラキャパシタにおいて、アルミニウム電流コレクタが二次反応に寄与するおそれがあり、この結果として、デバイスの内部抵抗が増大する可能性がある。最後に、二次反応の結果として炭素系電極および電極構造が物理的および／または化学的に改変されるおそれがあり、これは、たとえば、ウルトラキャパシタのキャパシタンスを含むウルトラキャパシタの性能に有害な影響を及ぼす。
【００３１】
別個に、または互いと組み合わせて使用される以下の技法は、１５００時間にわたるウルトラキャパシタの初期キャパシタンスの８０％を超えるキャパシタンス、多数のサイクル（たとえば、キャパシタの定格電圧から半分の電圧までの間のサイクリング）にわたるウルトラキャパシタの初期キャパシタンスの８０％を超えるキャパシタンス、１５００時間にわたるその初期ウルトラキャパシタ等価直列抵抗（ＥＳＲ）の２００％未満、および／または、多数のサイクル（たとえば、キャパシタの定格電圧から半分の電圧までのサイクリング）にわたるその初期ウルトラキャパシタ等価直列抵抗（ＥＳＲ）の２００％未満を維持しながら、特に６０℃、６５℃、７０℃、７５℃以上の温度のような高い温度において、３ボルト以上でウルトラキャパシタを動作させることによって引き起こされる問題を軽減または低減することができる。いくつかの実施形態において、別個に、または互いと組み合わせて使用される、本明細書において説明される技法は、一定期間にわたって目標を下回る漏れ電流を実証しながら（たとえば、７２時間のような数時間にわたる１８ミリアンペア（ｍＡ）未満の漏れ電流）、かつ／または、７２時間のような一定期間にわたる２５％を下回る自己放電を実証しながら、３ボルトにおけるウルトラキャパシタの動作を促進する。
【００３２】
本明細書において説明される技法はまた、５００ｋサイクル以上にわたる約６５℃の温度における３ボルト以上の動作電圧でのウルトラキャパシタの所望の動作を可能にするために、別個に、または互いと組み合わせて使用されてもよい。たとえば、ウルトラキャパシタは、約１，５００時間の期間にわたって、かつ／または５００ｋサイクル以上にわたって、かつ約６５℃の温度において３ボルト以上の電圧で動作しているときに、ウルトラキャパシタが、その初期キャパシタンスの約８０％を超えるキャパシタンスおよび／またはその初期等価直列抵抗の２００％未満を維持または実質的に維持することを可能にするための、本明細書において説明される１つまたは複数の技法を含んでもよい。他の実施形態において、ウルトラキャパシタは、６５℃以上において、１５００時間の期間にわたって、かつ／または５００ｋサイクル以上にわたって動作しているときに、その初期キャパシタンスの少なくとも７５％、８５％、９０％、９５％または９９％を維持することを可能にされる。
【００３３】
定義
本明細書において使用される場合、キャパシタンス（Ｆ−ファラド）は、ジュール単位のエネルギー貯蔵量の測定値である。Ｃ＝ｑＶ
【００３４】
本明細書において使用される場合、電圧は、単一のキャパシタの最大動作電圧である。定格電圧は、性能データが測定される電圧である。キャパシタが、定格電圧を超える電圧を経験する可能性がある。その影響は、時間およびこの曝露の間の温度に応じて決まる。
【００３５】
本明細書において使用される場合、サージ電圧は、ウルトラキャパシタが最小限の損傷または電池開放で短期間にわたって動作することができる最大電圧である。
【００３６】
本明細書において使用される場合、内部抵抗（ＤＣ）は、ウルトラキャパシタ内のすべての抵抗成分に対応する抵抗Ｒｔｏｔである。この測定は、デバイスの放電の終わりに、具体的には、放電電流の流れが止まった数秒後、一般的に５秒後に行われる（ＥＳＲ＝ΔＶ／ａｂｓ（Ｉ））。ウルトラキャパシタの時定数は約１秒であるため、貯蔵されているエネルギーの９９．７％を実効的に除去するには約５時定数または５秒かかる。Ｒｔｏｔは、接触または相互接続抵抗、電極導通抵抗、電解質導通およびイオン抵抗、ならびに他の材料抵抗に起因する抵抗成分から構成される。
【００３７】
本明細書において使用される場合、サイクル寿命は、ウルトラキャパシタを定格電圧から半定格電圧までサイクルするときに、５０ｋサイクル、５００ｋサイクル、１００万（Ｍ）サイクルまたは任意のサイクル数にわたって定格電圧から半定格電圧までサイクルしたときのウルトラキャパシタの予測される性能特性化である。一実施形態において、サイクリングは、ウルトラキャパシタが６５℃に等しいまたは実質的に等しい温度を維持しながら、結果としてウルトラキャパシタの本体内および／または外温度がまったくまたは実質的にまったく上昇しないデューティサイクルおよび電流レベルにおいて実行される。
【００３８】
内部コーティングを有するハウジング
図２を参照すると、電気二重層ウルトラキャパシタ２９は、図１を参照して上述したような正極、負極、セパレータおよび電解質を受け入れて保持するように構成されているハウジング構成要素３０を含んでもよい。ハウジング構成要素３０は、外面４０および内面４２を有する１つまたは複数の壁３２、基部３６および上蓋３８を含んでもよく、内面４２は少なくとも部分的に、正極、負極、セパレータおよび電解質を保持するように構成されているハウジング内部空間３４を画定する。たとえば、ハウジング構成要素３０は、側壁３２、基部３６および上蓋３８を有する円筒形容器を含んでもよい。側壁３２、基部３６および／または上蓋３８は、導電性材料から作成されてもよい。たとえば、基部３６および／または上蓋は、１つまたは複数の電流コレクタ（たとえば、図１に示すような、電流コレクタ１２および２０）との電気的接触を可能にして、電流コレクタから外部回路へと電流が流れることを可能にする導電性材料を含んでもよい。側壁３２、基部３６および／または上蓋３８の導電性材料は、アルミニウム、ニッケル、銀、鋼、タンタル、他の適切な金属材料、および／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。ハウジング構成要素３０はまた、他の形状（たとえば、プリズム形状を有するハウジング構成要素）の形態をとってもよく、単に円筒形状には限定されない。
【００３９】
側壁３２の内面４２は電解質と接触し得る。この結果として、電解質と内面４２との間に化学的および／または電気化学的な相互作用が生じる場合があり、たとえば、キャパシタの性能を低下させるおそれがある副産物が生成される。本発明の一実施形態において、１つまたは複数の内面４２に保護コーティングを提供するために、電解質に曝露されるハウジング構成要素３０の内面４２の少なくとも一部分にバリア膜４４を被着することができる。
【００４０】
バリア膜４４は、側壁３２の内面、基部３６の内面、および／または上蓋３８の内面の一部分に被着され得る。いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、電解質に曝露されるハウジング構成要素３０の内面部分の全体または実質的に全体に被着されてもよい。いくつかの実施形態において、たとえば、ウルトラキャパシタの活性構成要素と外部回路との間の電気的結合の低下を低減するために、基部３６および／または上蓋３８の一部分はバリア膜４４によってコーティングされないか、または実質的にコーティングされない。
【００４１】
いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、ウルトラキャパシタの活性構成要素と外部回路との間の接触を可能にするように構成されている側壁３２の内面４２の部分を除いて、側壁３２の内面４２の全体または実質的に全体に被着される。たとえば、ウルトラキャパシタの１つまたは複数の電流コレクタへの電気的結合を可能にするように構成されている側壁３２の内面４２の部分を除いて、側壁３２の内面４２の全体または実質的に全体がバリア膜４４によってコーティングされてもよい。いくつかの実施形態において、側壁３２の内面４２のコーティングされていない部分は、電解質との相互作用の低減を促進するための側壁３２の内面４２の所望のコーティングを提供しながら、ウルトラキャパシタの活性構成要素と外部回路との間の電気的結合を受けて、バリア膜４４によって干渉の低減を可能にするように構成されている領域（たとえば、ウルトラキャパシタの１つまたは複数の電流コレクタと外部回路との間の電気的結合の分解を低減するように構成されている領域）を有することができる。
【００４２】
たとえば、ハウジング３０の基部３６に近接する、かつ／または基部３６に沿った、側壁３２の内面４２の一部分（たとえば、一定の幅を有する基部３６に沿った帯状部分を形成する部分）が、バリア膜４４によってコーティングされないようにされてもよい。いくつかの実施形態において、コーティングされていない帯状部分は、約１０ミリメートル（ｍｍ）未満の幅を有する。たとえば、ハウジング３０の基部３６に沿った側壁３２の内面４２のコーティングされていない部分は、幅約５ｍｍの幅を有する帯状部分を形成することができる。無論、他の形状および／または寸法のコーティングされていない部分が適切である場合もある。いくつかの実施形態において、側壁３２の内面４２のコーティングされていない部分は、側壁３２上の別の箇所にあってもよい。
【００４３】
いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、１つまたは複数の内面４２と電解質との間の化学的および／または電気化学的な相互作用を低減することを可能にする（たとえば、１つまたは複数の内面４２の浸食の低減を促進する）。たとえば、バリア膜４４は、電解質に対する耐化学性を呈し得、内面４２と電解質との間の相互作用を低減し、副産物の生成を低減することを可能にするように、内面４２と電解質との間に物理的障壁をもたらすことができる。いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、特に内面４２がアルミニウム表面である場合に、内面４２と電解質との間のすべての化学的相互作用を防止または実質的に防止することができる。
【００４４】
バリア膜４４は、所望の機械的強度、下になるハウジング構成要素３０の内面４２に対する十分な接着、ならびに／または電解質に対する化学的および／もしくは電気化学的安定性を有する材料を含み得る。いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、ピンホール、クラック、および／または他の欠陥がないか、または実質的にない。
【００４５】
バリア膜４４は、バリア膜４４によって占められるハウジング内部空間３４の容積に対する影響が低減されているコーティングを提供しながら、電解質と内面４２との間の所望の分離をもたらすのに十分な厚さを有することができる。バリア膜４４によって占められるハウジング内部空間３４の容積は、ウルトラキャパシタの他の構成要素にとって利用可能な容積を低減する場合がある。いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、内面４２の部分に均一にまたは実質的に均一に被着される。様々な厚さが適切であり得る。たとえば、約５マイクロメートル（μｍ）〜約４０μｍのバリア膜。いくつかの実施形態において、バリア膜４４は約５μｍ〜約５５μｍの厚さを有することができる。たとえば、側壁３２の内面４４の一部分に被着されるバリア膜４４は、約１０μｍの厚さを有することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、ポリマー材料のような非導電性材料を含み得る。たとえば、バリア膜４４は、ポリエポキシド（たとえば、エポキシ樹脂）、ポリオレフィン（たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ、たとえば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ））、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリウレタン、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ、ＥＰＲ）、ポリ（ｐ−キシリレン）（たとえば、パリレン）、フッ素化ポリマー（たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ））、それらの共重合体、および／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００４７】
いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、導電性膜を含み得る。 導電性膜は、内面４２の部分が、別のウルトラキャパシタ構成要素（たとえば、電流コレクタ）および／または外部回路との所望の電気的接触を維持するかまたは実質的に維持することを可能にし得る。いくつかの実施形態において、膜は、電解質に対する化学的および／または電気化学的耐性を有する導電性材料、たとえば、導電性カーボン材料を含む。導電性膜は、グラファイト（たとえば、黒鉛インク、黒鉛スラリー、グラフェン）から作成することができる。たとえば、膜は、導電性カーボン材料（たとえば、グラファイトおよび／またはグラフェン）およびバインダー材料（たとえば、熱可塑性バインダー材料）を含む混合物を含んでもよい。いくつかの実施形態において、混合物は、水系分散体のような、熱可塑性バインダー中の導電性カーボンの分散体であってもよい。たとえば、バリア膜４４は、熱可塑性バインダー材料中のグラファイトの水系分散体から作成されてもよい。導電性カーボンから作成されるバリア膜４４は、所望の導電性、たとえば、約２５μｍの厚さにおける約３０オーム毎スクエア（「Ω／ｓｑ」）未満のシート抵抗を有することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態において、バリア膜４４は、非導電性膜、導電性膜、および／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。 たとえば、バリア膜４４は、非導電性材料のみ（たとえば、１つまたは複数のポリマー膜）、導電性材料のみ（たとえば、導電性カーボン材料から作成される１つまたは複数の導電性膜）、または、導電性膜の上の非導電性膜（たとえば、１つまたは複数の導電性カーボンベースの膜の上の１つまたは複数のポリマー膜）を含んでもよい。たとえば、内面４２の一部分は、ポリマー膜の下に導電性膜を含むバリア膜４４を用いてコーティングされてもよく、導電性膜が、ポリマー膜による、内面４２のその部分とウルトラキャパシタの電流コレクタとの間の電気的接触との干渉の低減を促進する。
【００４９】
いくつかの実施形態において、保護酸化物バリア層を形成するために、アルミニウム内面が陽極酸化され得る。いくつかの実施形態において、バリア層を提供するために、ステンレス鋼内面が不動態化され得る。
【００５０】
図３Ａは、ハウジングの内面の部分がバリア膜によってコーティングされているウルトラキャパシタのキャパシタンス性能（たとえば、キャパシタンス減衰性能）を示す。バリアファイルは、グラファイトを含む炭素材料から作成された導電性バリア膜であった。ウルトラキャパシタは、キャパシタの活性構成要素と外部回路との間の電気的結合との干渉も低減しながら、側壁と電解質との間の相互作用を低減するために、バリア膜によってコーティングされたハウジング側壁の内面の部分を有していた。 ハウジング内面の任意の部分上にバリアコーティングを有するウルトラキャパシタと、バリア膜を有しない対照ウルトラキャパシタとの間の比較が示されている。図３Ａは、グラファイト導電性バリア膜を用いてコーティングされたウルトラキャパシタが経時的なキャパシタンスを改善したことを示している。たとえば、実証されたバリア膜によって側壁の内面をコーティングされたウルトラキャパシタは、同じ条件下で１０００時間の動作時間でそれらのキャパシタンスの６８％しか保持しなかったコーティングされていないウルトラキャパシタと比較して、３ボルトおよび６５℃において１０００時間の動作時間でそれらのキャパシタンスの約７５％を保持することが分かった。コーティングされたウルトラキャパシタは、同じ約６８％のキャパシタンスに達する約１５００時間前まで動作することが可能であることが分かった。これは、コーティングが、３ボルトおよび６５℃において作動するウルトラキャパシタのキャパシタンス寿命を延ばしたことを示している。
【００５１】
図３Ｂは、バリア膜を有しないウルトラキャパシタと比較した、ハウジングの内面を炭素黒鉛から作成されるバリア膜によってコーティングされているウルトラキャパシタの静電耐性性能（たとえば、ＥＳＲ）を示す。図３Ｂは、コーティングされているウルトラキャパシタが、コーティングされていないウルトラキャパシタと比較して、経時的に低下したＥＳＲを維持することが可能であったことを示している。示されている、３ボルトおよび６５℃における１５００時間の動作でのコーティングされているウルトラキャパシタのＥＳＲは、同じ条件下の１０００時間だけの動作でのコーティングされていないウルトラキャパシタのＥＳＲよりも低かった。
【００５２】
ハウジング構成要素３０の内面部分にバリア膜４４を被着する適切な方法は、たとえば、浸漬コーティング、噴霧コーティング、ブラシコーティング、液分散コーティング、蒸着、スピンコーティング、拭き上げ、塗装および／または滴下を含んでもよい。
【００５３】
電解質
上述したように、電気二重層ウルトラキャパシタは、正極（たとえば、図１に示す正極２２）と負極（たとえば、図１に示す負極２４）との間でイオンを輸送することが可能である電解質を含む。電解質は、溶媒および塩を有する溶液であってもよく、塩は、正極と負極との間のイオン伝導および接触のためのイオン種を提供する。適切な電解質はまた、低い粘度および／または高いイオン伝導度をも呈することができ、それによって、キャパシタの充放電の間にキャパシタ内部抵抗を低減し、キャパシタ電圧を増大させることが可能である。たとえば、溶液中の塩の溶解性を増大させることによって、正負極間のイオン伝導率を増大させることが可能であり得る。適切な電解質は、上記ウルトラキャパシタの動作条件下で化学的および／または電気化学的安定性を呈することができ、ウルトラキャパシタの繰り返される充放電サイクルに耐えることが可能であり得る。
【００５４】
アセトニトリル溶媒および様々な塩を有する電解質
本発明の一実施形態は、３ボルト以上で動作するときに安定した性能を呈し、電解質溶媒中の溶解性の増大を呈する塩を有し、３ボルトの動作電圧において化学的および／または電気化学的に安定であり得る電解質を含む、ウルトラキャパシタである。この電解質は、イオン移動度を増大させることが可能であり得、かつ／または上記ウルトラキャパシタの動作条件下で化学的および／もしくは電気化学的安定性の増大を呈することができる。一実施形態において、キャパシタ電解質溶媒はアセトニトリルである。
【００５５】
いくつかの実施形態において、電解質塩はイオン液体を含み得る。たとえば、適切な電解質塩は、３ボルト以上の動作電圧において所望の安定性を実証し、ウルトラキャパシタの電極間で十分なイオン伝導率をもたらし、かつ／またはアセトニトリル電解質溶媒中で所望の溶解性を実証するイオン液体を含むことができる。
【００５６】
電解質塩は、アセトニトリル溶媒中で所望の溶解性を有する第４級アンモニウム塩を含んでもよい。
【００５７】
いくつかの実施形態において、電解質塩のカチオンは、スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム（ＳＰＢ）、トリエチルメチルアンモニウム（ＴＥＭＡ）、および／またはテトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）を含む。いくつかの実施形態において、電解質塩のアニオンは、テトラフルオロホウ酸塩および／またはヨウ化物を含む。たとえば、電解質は、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム、ヨウ化スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、ヨウ化トリエチルメチルアンモニウム、および／またはヨウ化テトラエチルアンモニウムを含む塩を含んでもよい。たとえば、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム、および／またはテトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウムを含む電解質は、増大した動作電圧における増大した塩溶解性ならびに改善した化学的および／または電気化学的安定性を有する電解質を提供することができ、電解質はアセトニトリル溶媒を含む。
【００５８】
いくつかの実施形態において、電解質塩のカチオンは、たとえば、トリエチルメチルアンモニウムを含む対称カチオンを含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質塩のカチオンは、たとえば、トリエチルメチルアンモニウムを含む非対称カチオンを含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質塩は、対称および非対称スピロ化合物を含むスピロ化合物を含むことができる。たとえば、電解質は、５員環を有する対称Ｎ−スピロ二環式化合物を含むＮ−スピロ二環式化合物を含むことができる。いくつかの実施形態において、電解質は、不均等なサイズの環構造を有する非対称スピロ化合物を含む、非対称スピロ化合物を含むことができる。対称スピロ化合物は、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウムを含むことができる。
【００５９】
塩濃度が低減した電解質
本発明の別の実施形態は、３ボルト以上の動作電圧で所望の動作を可能にすることができるウルトラキャパシタであり、当該ウルトラキャパシタは、一般的なウルトラキャパシタと比較して塩濃度が低下している電解質を含む。電解質は、電解質溶媒中での改善した溶解性、たとえば、アセトニトリルベースの溶媒中での改善した溶解性を有する塩を含むことができ、それによって、電解質は、ウルトラキャパシタの正極と負極との間の所望のイオン伝導率を維持または実質的に維持しながら低減した塩濃度を有することができる。これによって、ウルトラキャパシタが空乏することなく、電極間で十分なイオン輸送を可能にしながら、イオンの濃度を低減することが可能になる。塩濃度が低減した電解質は、電解質とウルトラキャパシタの１つまたは複数の他の構成要素との間の化学的相互作用を低減することが可能であり得る。化学的相互作用が低減することによって、たとえば、副産物生成の割合を低減することが可能になり得、それゆえ、ウルトラキャパシタの性能を改善することが可能になり得る。
【００６０】
いくつかの実施形態において、塩濃度が低減した電解質は、電解質が、電解質濃度の不均質性を低減することを可能にする。不均質性は、ウルトラキャパシタ内の不均一な電流密度下で生じ得る。電解質濃度が不均質であることによって、１つまたは複数の電極表面上への塩の沈殿が促進され得る。この沈殿は、たとえば、電極上の１つまたは複数の電気活性部位を塞ぎ、ウルトラキャパシタの性能に悪影響を与える可能性がある。塩濃度が低減した電解質を使用することによって、ウルトラキャパシタは、ウルトラキャパシタがたとえば、高電流の充放電サイクル下で増大した電圧で動作しているときに、電解質濃度の不均質性を回避することができる。
【００６１】
たとえば、電解質は、アセトニトリルを含む溶媒中の、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム（ＴＥＭＡ）、ヨウ化スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、ヨウ化トリエチルメチルアンモニウム、および／またはヨウ化テトラエチルアンモニウムを含んでもよい。この実施形態において、電解質は、約０．７ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）〜約０．９Ｍを含む、約０．５Ｍ〜約１．０Ｍの範囲内の濃度を有してもよい。たとえば、電解質は、アセトニトリル中のテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウムおよび／またはテトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウムの０．８Ｍ溶液を含んでもよい。
【００６２】
図４は、異なる電解質濃度を有するウルトラキャパシタ間のキャパシタンス性能の比較を示す線グラフである。図示のように、経時的なキャパシタンス減衰を測定するために、アセトニトリル中の０．８Ｍテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）の電解質溶液を有するいくつかのウルトラキャパシタが、１．０Ｍ  ＴＥＡを有するいくつかのウルトラキャパシタと比較された。各ウルトラキャパシタは、３．０ボルトおよび６５℃において作動された。図示のように、０．８Ｍの電解質濃度が低減されているウルトラキャパシタは、１Ｍ  ＴＥＡ電解質を有するウルトラキャパシタと比較して、経時的なキャパシタンス減衰が低減されていることが分かった。５００時間において示されているように、０．８Ｍ  ＴＥＡを有するウルトラキャパシタは、約７８％のキャパシタンス減衰を有しており、一方で、１．０Ｍ  ＴＥＡを有するウルトラキャパシタは、約８４％のキャパシタンス減衰を有することが分かった。
【００６３】
他の適切な溶媒は、γ−ブチロラクトン、ジメトキシエタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ヘキサメチルリン酸トリアミド、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラ−ヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、亜硫酸ジメチル、スルホラン（テトラ−メチレンスルホン）、ニトロメタン、および／またはジオキソランを含んでもよい。他の適切な塩は、テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウム、テトラアルキルホスホニウム塩（たとえば、テトラフルオロホウ酸テトラエチルホスホニウム、テトラフルオロホウ酸テトラプロピルホスホニウム、テトラフルオロホウ酸テトラブチルホスホニウム、テトラフルオロホウ酸テトラヘキシルホスホニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルホスホニウム、トリフルオロメチルスルホン酸テトラエチルホスホニウム）および／またはリチウム塩（たとえば、テトラフルオロホウ酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム）を含んでもよい。
【００６４】
セパレータ
本明細書において説明されるように、電気二重層ウルトラキャパシタは、電解質中に浸漬されており、正極と負極と（たとえば、図１に示す正極２２と負極２４と）の間に位置付けられているセパレータを有してもよい。セパレータは、２つの電極間のイオンの輸送を可能にしながら、ウルトラキャパシタ内の１つの電極をもう１つから電気的に遮断することを可能にし、たとえば、正極と負極との間の電気的短絡が防止される。たとえば、セパレータは、正極と負極との間のイオン移動度を促進するように、電解質に対する十分な湿潤性を有する多孔質材料を含んでもよい。セパレータは、たとえば、キャパシタの製造工程の条件および／または動作条件下でその物理的、電気的および／または化学的特性を維持または実質的に維持する材料を含む、機械的強度、化学的安定性および／または電気化学的安定性を有する材料から作成されてもよい。いくつかの実施形態において、セパレータは、たとえば、セルロース繊維を含む、セルロースから作成される。
【００６５】
セパレータは、（たとえば、ウルトラキャパシタの体積および／もしくは重量を低減すること、ならびに／またはウルトラキャパシタがその他の構成要素のための容積を増大させることを促進するために）体積を低減しながらウルトラキャパシタの電極間の十分な分離を提供するように最適化された厚さを有することができる。たとえば、セパレータは、約２０μｍ〜約５０μｍの厚さを有することができる。たとえば、セルロースから作成されるセパレータは、約３０μｍの厚さを有することができる。
【００６６】
電極
電気二重層ウルトラキャパシタのキャパシタンスは、少なくとも部分的に、電荷を貯蔵するのに利用可能な表面積、特に、キャパシタの電極上で利用可能な表面積に応じて決まる。図５を参照すると、正極５２と負極５６との間にセパレータ５４が位置付けられている電気二重層ウルトラキャパシタ５０が示されている。この場合、ウルトラキャパシタ５０は、「ジェリーロール」構成になるように湾曲してまたは巻かれているように示されている。ジェリーロール構成は、増大した表面積をコンパクトな空間に格納することを可能にし得る。いくつかの実施形態において、正極５２および／または負極５６は、単位体積あたりの非常に大きい実効面積、すなわち、非常に大きい正規化実効表面積を有する多孔質材料を含むウルトラキャパシタの活性部分を含む。
【００６７】
最適化された電極カーボンマイクロ多孔性、メソ多孔性およびマクロ多孔性
別の実施形態において、３ボルトにおいて作動するウルトラキャパシタは、所望のマイクロ多孔性（たとえば、約２ナノメートル（ｎｍ）未満の直径を有する細孔）、メソ多孔性（たとえば、約２ｎｍ〜約５０ｎｍの直径を有する細孔）および／またはマクロ多孔性（たとえば、約５０ｎｍよりも大きい直径を有する細孔）を有する炭素材料を含むウルトラキャパシタ電極内の１つまたは複数の炭素ベースの層（たとえば、図６の炭素ベースの層８２、８４）を有してもよい。たとえば、電極は、少なくとも部分的に、３ボルト以上における性能を改善するために、最適化されたマイクロ多孔性、メソ多孔性および／またはマクロ多孔性を有する活性炭から作成されてもよい。炭素ベースの層のマイクロ多孔性、メソ多孔性および／またはマクロ多孔性は、層内のイオン移動度および／または層のキャパシタンス値を促進するために最適化されてもよい。キャパシタの電解質内のイオンは、いくつかの充放電サイクル後、キャパシタの電極内に移動し得、電極の細孔（たとえば、微小孔）内にトラップされることになる。トラップされたイオンは、さらなる充放電サイクルには利用不可能になり得、少なくとも部分的に、たとえば、等価直列抵抗（ＥＳＲ）値の増大および／またはキャパシタンス性能の低減を含む、キャパシタの動作特性の低下に寄与し得る。いくつかの実施形態において、炭素材料は、イオンがトラップされ得る空間を低減するために低減されたマイクロ多孔性を有することができる。炭素ベースの層のマイクロ多孔性を低減することによって、電極の活性表面へのイオンのアクセスを促進することができる。炭素ベースの層は、所望の炭素ベースの層のキャパシタンス性能を提供しながら、炭素ベースの層の細孔内へのイオンのトラップを低減するために、最適化されたマイクロ多孔性、メソ多孔性、および／またはマクロ多孔性を有することができる。
【００６８】
いくつかの実施形態において、炭素ベースの層は、約６０％〜約８５％、たとえば、約７０％または約７５％または約８０％のマイクロ多孔性を有することができる。いくつかの実施形態において、炭素ベースの層は、約１０％〜約３５％、たとえば、約２０％〜約２５％のメソ多孔性を有することができる。いくつかの実施形態において、炭素ベースの層は、約５％未満、たとえば、約１％のマクロ多孔性を有することができる。いくつかの実施形態において、マイクロ多孔性（ｍｉｃｒｏｐｒｏｓｉｔｙ）を低減すること、および、メソ多孔性を増大させることで、ＥＳＲ性能および／またはキャパシタンス性能の改善をもたらすことができる。たとえば、マイクロ多孔性を約２０〜約２５％だけ低減することによって、３ボルト以上および約６５℃において動作するウルトラキャパシタについて、ＥＳＲ値の約２０％〜約３０％の低減を促進することができる。いくつかの実施形態において、電極の炭素ベースの層は、約７０％〜約８５％の範囲内のマイクロ多孔性、約１０％〜約３０％のメソ多孔性、および、約５％未満の範囲内、たとえば、約１％のマクロ多孔性を有することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態において、最適化された組成、充填密度、マイクロ多孔性、および／またはマクロ多孔性を有する、コンパクトにされた炭素ベースの層が、電流コレクタ（たとえば、図６に示す電流コレクタ８４、８２）の１つまたは複数の表面に接着される。たとえば、第１の炭素ベースの層および／または第２の炭素ベースの層が、積層工程を通じて電流コレクタの表面上に接着されてもよい。第１の炭素ベースの層および／または第２の炭素ベースの層は、電流コレクタの表面と炭素ベースの層との間の接着を促進し、かつ／またはシート抵抗を低減することを可能にするために、たとえば、接着層（たとえば、導電性接着層）を含んでいてもよい、電流コレクタの表面上に直接的にまたは間接的に接着されてもよい。たとえば、接着層は溶媒、接着成分（たとえば、熱可塑性材料）、および／または導電性エンハンサ（たとえば、グラファイトおよび／または他の導電性炭素粉末）を含む。接着層はまた、市販されている場合もある。たとえば、最適化された組成、充填密度、マイクロ多孔性、および／またはマクロ多孔性を有する、コンパクトにされた第１の炭素ベースの層が、電流コレクタの第１の表面に接着されてもよく、最適化された組成、充填密度、マイクロ多孔性、および／またはマクロ多孔性を有する、コンパクトにされた第２の炭素ベースの層が、電流コレクタの第１の表面の反対の、電流コレクタの第２の表面に接着されてもよい。いくつかの実施形態において、最適化された組成、充填密度、マイクロ多孔性、および／またはマクロ多孔性を有する炭素ベースの層が、等価直列抵抗の改善、炭素ベースの層の構造的完全性、イオン移動度の改善および／またはウルトラキャパシタサイクル寿命の増大を可能にする。
【００７０】
非対称な電極の厚さ
本発明の一実施形態において、ウルトラキャパシタは、負極の厚さよりも大きい厚さを有する正極を含む。図８に示すように、電気二重層キャパシタ１５０は、第１の厚さＴ１を有する正極１５２と、第２の厚さＴ２を有する負極１５４とを備えてもよい。いくつかの実施形態において、正極１５２の第１の厚さＴ１は、負極１５４の第２の厚さＴ２よりも大きい。
【００７１】
たとえば、第１のサブキャパシタが、正極１５２と電解質（たとえば、図１に示す電解質２６）との間の界面に形成されてもよく、第２のサブキャパシタが、負極１５４と電解質との間の界面に形成されてもよい。第１の厚さＴ１および第２の厚さＴ２を選択するための例示的な方法は、第１のサブキャパシタに対する正電圧制限および第２のサブキャパシタに対する負電圧制限を決定すること、第１のサブキャパシタに対する第２のサブキャパシタの第１の比を得るために、正電圧制限を負電圧制限で除算すること、ならびに、第２のサブキャパシタのキャパシタンスが、第１の比および第１のサブキャパシタのキャパシタンスの積に実質的に等しくなるように、正極層および負極層の相対厚さを設定することを含む。第１の厚さＴ１および第２の厚さＴ２を決定する１つまたは複数の方法に関するさらなる実施形態は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２００６／０１４８１１２号明細書において提供されている。
【００７２】
いくつかの実施形態において、正極１５２の炭素ベースの層（たとえば、炭素ベースの層は、活性炭、バインダー材料および／または導電性添加剤から作成することができる）は、負極１５４の炭素ベースの層の厚さよりも、約２０μｍ〜約１００μｍだけ大きい厚さを有することができる。たとえば、正極１５２の炭素ベースの層の厚さは、約８０μｍ〜約２００μｍとすることができ、負極１５４の炭素ベースの層の厚さは、約６０μｍ〜約１６０μｍとすることができる。たとえば、正極１５２の第１の厚さＴ１は、正極１５２の電流コレクタの厚さと、電流コレクタの２つの対向する表面の各々の上の炭素ベースの層の厚さとを含み得る。負極１５４の第２の厚さＴ２は、負極１５４の電流コレクタの厚さと、負極１５４の電流コレクタの２つの対向する表面の各々の上の炭素ベースの層の厚さとを含み得る。
【００７３】
いくつかの実施形態において、正極１５２の第１の厚さＴ１は、負極１５４の第２の厚さＴ２よりも、約２０％〜約３０％を含む、約１５％〜約４０％の範囲内の割合だけ大きい。 たとえば、第１の厚さＴ１は、第２の厚さＴ２よりも約２５％だけ大きい。たとえば、第１の厚さＴ１は、第２の厚さＴ２よりも約３５％だけ大きい。
【００７４】
いくつかの実施形態において、非対称電極（たとえば、異なる厚さを有する正極および負極）を有するウルトラキャパシタは、キャパシタンスおよび／または抵抗性能の改善を実証することができる。たとえば、負極よりも厚い正極を有するウルトラキャパシタは、３ボルト以上および約６５℃の温度において動作されるとき、約５％〜約１０％のキャパシタンス性能の改善、および／または、５％〜約１０％の抵抗性能の改善を実証することができる。
【００７５】
炭素表面修飾
炭素表面官能基の低減
本発明の一実施形態において、ウルトラキャパシタの１つまたは複数の電極に使用される炭素は、ウルトラキャパシタ性能の改善を可能にするために炭素表面官能基の数を低減するように処理される。本明細書において説明されるように、いくつかの実施形態において、電極（たとえば、図８に示す正極１５２および／または負極１５４）は、活性炭を含む。化学および／または熱酸化過程の工程を通じて活性炭上に大きい表面積を生成することができる。炭素の不完全な酸化によって、炭素表面に、カルボキシル基、カルボン酸塩、ヒドロキシル基、ラクトン、キノンおよびフェノールを含む酸素含有官能基が生成され得る。残留酸素が、キャパシタの有害な性能特性に寄与し得る。たとえば、残留酸素は、サイクリングにおけるキャパシタンス減衰、自己放電、疑似容量、高電位電圧における気体形成、および／または、吸湿を促進する親水性表面特性の増大に寄与する場合がある。  いくつかの実施形態において、窒素（Ｎ）および／または水素（Ｈ）を有する表面官能基は、ウルトラキャパシタの性能をその動作中に低下させるおそれがある。
【００７６】
いくつかの実施形態において、電極（たとえば、図８に示す正極１５２および／または負極１５４）に使用される処理済み炭素材料は、低減された数の表面官能基を含む。たとえば、電極に使用される活性炭材料が、当該処理済み炭素材料上に存在する官能基の数を低減するために、少なくとも３００℃の温度において反応ガス（たとえば、ＣＯ２および／またはＮ２を含む反応ガス）およびマイクロ波エネルギーに曝されてもよい。いくつかの実施形態において、反応ガスは還元ガスを含む。いくつかの実施形態において、電極炭素材料は、たとえば、炭素表面官能基の数を低減することを可能にするために、還元ガスを含む反応ガスを用いて高温で処理されてもよい。たとえば、電極炭素材料は、約５００℃〜約１０００℃を含む、約３００℃〜約１０００℃の範囲内の温度で処理されてもよい。たとえば、電極の活性炭材料は、活性炭表面官能基の数を低減することを可能にするために、反応ガスを用いて約５００℃〜約１０００℃の範囲内の温度で処理されてもよい。炭素表面修飾の方法に関するさらなる説明は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２００９／００９７１８８号明細書において提供されている。
【００７７】
いくつかの実施形態において、処理済み炭素材料は、そのうち約１％未満が水素を含み（たとえば、約０．５％未満）、そのうち約０．５％未満が窒素を含み（たとえば、約０．１％未満）、かつ／またはそのうち約５％が酸素を含む（たとえば、約３％未満）、官能基を有し得る。いくつかの実施形態において、処理済み炭素材料は、処理済み活性炭の１つまたは複数の表面上における官能基の数を約２０％〜約５０％低減することができる。たとえば、処理済み炭素材料は、約３０％少ない水素含有官能基を有することができる。
【００７８】
一実施例において、様々な官能基を有するウルトラキャパシタが、各ウルトラキャパシタがデバイス内で経時的に増大させた圧力の量について試験された。 以下の表は、各試験カーボンに対する炭素官能基修飾を示す。各圧力試験は、３ボルトおよび６５℃において実行された。
【表１】
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【００７９】
図７に示すように、表面官能基濃度がより低いカーボンを有する電極について性能の改善が見出された。たとえば、３ボルトおよび６５℃において、カーボン１は２５０動作時間後に、同じ動作量について７ｂａｒ超の内部圧力を有することが見出されたカーボン３と比較して、約４．５ｂａｒの電池内圧力を有するだけであることが見出された。これは、表面官能基濃度が低下した炭素電極が、ウルトラキャパシタパッケージ内の内部圧力を低減しながら、より長い間動作し得るデバイスをもたらすことが見出されたことを示している。
【００８０】
電極の電気化学ポテンシャルを低減するための炭素表面官能基の修飾
本発明の一実施形態は、３ボルト以上の動作電圧において動作するように構成されているウルトラキャパシタを含み、ウルトラキャパシタは１つまたは複数の電極を含み、当該電極は、当該１つまたは複数の電極が、ウルトラキャパシタの動作中に低減された電気化学ポテンシャルを維持することを可能にするために、反応ガスを用いて処理されている炭素材料を含む。たとえば、電極炭素材料の１つまたは複数の表面官能基は、電極の電気化学ポテンシャルを変化させるように修飾することができる。いくつかの実施形態において、電極の炭素材料は、炭素の表面特性を修飾するためにフッ素および／または窒素を含む反応ガスを用いて処理されてもよい。フッ素および／または炭素を含む反応ガスを用いて処理されている電極炭素材料は、電極が、ウルトラキャパシタの動作中に、１つまたは複数の二次寄生反応が発生する可能性がある電圧よりも低い電気化学ポテンシャルを維持または実質的に維持することを可能にし得、たとえば、増大した動作電圧における電極の性能改善が促進される。 たとえば、フッ素および／または窒素を含む反応ガスを用いて処理されている炭素材料を含むウルトラキャパシタの正極は、ウルトラキャパシタの動作中に、１つまたは複数の二次寄生反応が発生する可能性がある電圧よりも低い電気化学ポテンシャルを維持または実質的に維持することが可能であり得、たとえば、増大した動作電圧におけるウルトラキャパシタの性能改善が促進される。
【００８１】
いくつかの実施形態において、電極炭素材料は、炭素材料の１つまたは複数の表面上に１つまたは複数の好適な官能基を付加するために、反応ガスを用いて処理されてもよい。たとえば、電極の活性炭材料の１つまたは複数の表面は、電極の湿潤性、導電性および／または抵抗を改善するために修飾されてもよい。
【００８２】
炭素表面コーティング
本発明の一実施形態において、３ボルト以上の動作電圧において所望の動作を可能にするように構成されているウルトラキャパシタは、炭素材料の１つまたは複数の表面に保護コーティングを提供するために処理されている炭素材料を含む１つまたは複数の電極を含む。いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタの１つまたは複数の電極は、炭素表面の化学分解を低減するために炭素材料の表面上に１つまたは複数のコーティングを提供するための処理済み炭素材料を含む。炭素表面を分解から保護するのに適切な材料は、たとえば、ウルトラキャパシタが動作し、かつ／または電極内の炭素表面積および／もしくはイオン移動度を維持もしくは実質的に維持する温度において電気化学的安定性を有する材料を含むことができる。処理済み炭素材料は、たとえば、活性炭、グラファイト、および／またはカーボンブラックを含む、電極を作成するのに使用される任意の炭素材料を含んでもよい。
【００８３】
たとえば、保護コーティングは、多孔質セラミック材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、保護コーティングは、炭素表面を保護し、かつ／または、処理済み炭素材料の導電性を増強することを可能にすることができる金属材料を含む（たとえば、銀原子を使用した炭素表面の金属装飾）。いくつかの実施形態において、保護コーティングは、炭化ケイ素および／または金属酸化物（たとえば、スズの酸化物、チタンの酸化物、酸化亜鉛）を含む。
【００８４】
炭素材料がウルトラキャパシタ電極内に組み込まれる前に、および／または、炭素材料が電極内に組み込まれた後に（たとえば、ｉｎ−ｓｉｔｕで）１つまたは複数の保護コーティングが炭素材料に被着されてもよい。たとえば、炭素表面のｉｎ−ｓｉｔｕ修飾は、１つまたは複数の電解質添加剤（たとえば、本明細書において説明されるような１つまたは複数の添加剤）を使用することを含んでもよい。１つまたは複数の添加剤は、炭素材料の１つまたは複数の表面上に、たとえば、副産物の形成を低減すること、および／または、炭素表面の汚染を低減することを可能にする保護コーティングを形成し得る。
【００８５】
３Ｖウルトラキャパシタの改善
一実施形態は、本明細書において説明される特徴の１つまたは複数を含み得る、増大した動作電圧、たとえば、３ボルト（Ｖ）の動作電圧において所望の動作を提供するように構成されている電気二重層ウルトラキャパシタである。デバイスは、その初期キャパシタンスの８０％超、および／または、その初期等価直列抵抗の約２００％未満を維持しながら、たとえば、１５００時間超、および／または５００ｋサイクル以上にわたって６５℃において動作することができる。この実施形態において、電気ウルトラキャパシタは、約０．８ｍｏｌ／Ｌ（Ｍ）の濃度において、アセトニトリル中のテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムおよび／またはテトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウムを含む電解質を含む。加えて、デバイスはハウジング構成要素内に配置され、ハウジング構成要素は、電解質に曝露される、当該ハウジングの内面上のバリア膜を有する。このバリアは、電解質と、キャパシタハウジングの金属内面との間の反応からデバイスを保護する。
【００８６】
デバイス内にはセパレータがあり、セパレータは、当該セパレータを劣化させる場合がある任意の反応の割合も低減するセルロース繊維から作成される。これらの特徴に加えて、デバイスはまた、最適化された組成、充填密度、マイクロ多孔性、および／またはマクロ多孔性を有する炭素層を有する電極も含み、それによって、炭素電極は、３．０ボルトにおいて作動しているときに最も有利な特性を提供するように構成される。
【００８７】
加えて、正極の厚さは、増大した動作電圧において所望の動作を提供するために、負極の厚さよりも厚くされる。
【００８８】
本発明が特定の実施形態および実施例の文脈において開示されてきたが、本発明は、具体的に開示されている実施形態を超えて他の代替的な実施形態および／ならびに本発明およびその自明な改変形態および均等物の使用まで拡大ことが、当業者には理解されよう。加えて、本発明の実施形態のいくつかの変形形態が詳細に図示および説明されてきたが、本開示に基づいて、本発明の範囲内に入る他の改変形態が、当業者には容易に諒解されよう。実施形態の特定の特徴および態様の様々な組み合わせまたは部分組み合わせが行われてもよく、これらは依然として本発明の範囲内に入り得ることも企図されている。開示されている発明の実施形態の様々なモードを形成するために、開示されている実施形態の様々な特徴および態様は、互いと組み合わせることができ、または、互いに置き換えることができることが理解されるべきである。したがって、本明細書において開示されている本発明の範囲は、上記に説明されている特定の実施形態によって限定されるべきではないことが意図されている。
【００８９】
本明細書に見出しが設けられている場合、これは、便宜上のものに過ぎず、必ずしも、本明細書に開示されているデバイスおよび方法の範囲または意味に影響を及ぼすとは限らない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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