(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温耐性のスーパーキャパシタであって、
少なくとも８０℃と３００℃との間で熱的に安定な第１の電極と、
少なくとも８０℃と３００℃との間で熱的に安定な第２の電極と、
少なくとも８０℃と３００℃との間で熱的に安定なイオン導電性セパレータと、
少なくとも３００℃より高い沸点を有するピロリジニウム系の陽イオンおよびイミダゾリウム系の陽イオンから選択されるイオン液体のいずれかを含む電解質溶液と、を備え、
前記第１の電極および第２の電極の少なくとも１つは、ポリテトラフルオロエチレンバインダーと併せて使用される複合材料を含み、
前記第１及び第２の電極は、前記第１及び第２の電極が物理的に接触しないよう前記イオン導電性セパレータで分離され、
各前記第１及び第２の電極は、前記電解質溶液内に少なくとも部分的に浸漬されている、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項２】
請求項１に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも１つは、炭素を含む、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項３】
請求項２に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記炭素は、織炭素布、炭素エアロゲル及び活性炭のうちの１つの形態である、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項４】
請求項３に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記炭素は多孔性である、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項５】
請求項４に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記炭素の単位質量当たりの表面積は１０００ｍ２／ｇより大きい、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項６】
請求項５に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記炭素の単位質量当たりの表面積は２０００ｍ２／ｇより大きい、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項７】
請求項６に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記炭素は、スペクトラカーブ２２２５で具現化される、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項８】
請求項１に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記第１及び第２の電極の両方はポリテトラフルオロエチレンバインダーを有する複合材料を含む、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項９】
請求項１に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩｍ）及び１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）のうちの１つである、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項１０】
請求項１に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記イオン導電性セパレータは、ジルコニア、シリカ、ガラスマット繊維、炭化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム及びポリマーのうちの１つを含む、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項１１】
請求項１に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記イオン導電性セパレータは、Ｚｉｒｃａｒ社のタイプＺＹＫ−１５を含む、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項１２】
請求項１に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記第１の電極、前記第２の電極、前記イオン導電性セパレータ及び前記電解質溶液は、前記高温耐性のスーパーキャパシタの動作を総体で可能にするように配置される、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の高温耐性のスーパーキャパシタにおいて、前記第１の電極、前記第２の電極、前記イオン導電性セパレータ及び前記電解質溶液は、１．５ボルトより高い充電電圧に耐えられる前記高温耐性のスーパーキャパシタの動作を総体で可能にするように配置される、高温耐性のスーパーキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［連邦支援研究の記載］
ここに記載される本発明は、ＮＡＳＡの契約下での研究成果によってなされたものであり、パブリック・ロー９６−５１７（３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．  ２０２）の規定を受け、契約者が権利を保持するように選択されている。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、概して、高温耐性のスーパーキャパシタに関する。
【背景技術】
【０００３】
キャパシタは、電荷を保存できるデバイスである。一般的に、従来のキャパシタは、直接接触しないようにして互いに近くに配置された２つの導電性物体から構成され、これにより、導電体の両端に電位差が生じ、その結果、電場に対応する電気的なエネルギーがキャパシタに蓄えられるといえる。キャパシタは、電気回路で広く使用されている。例えば、キャパシタは、カメラのフラッシュライトでの使用のように、後の使用のためにエネルギーを保存するよう使用することができ、又は、代替的に、電力障害のケースにおけるエネルギーバックアップとして使用することができる。キャパシタは、また、回路を保護するために電力サージを遮断するよう使用することができ、ラジオの一部を形成するよう使用することができ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）内のバイナリコードのメモリとして役立てることができる。従来のキャパシタに保存されるエネルギーは、その容量及びその導電体の両端の電位差の関数であり、これは、概して、キャパシタの固有の性質である。容量は、典型的にはファラッドで測定され、これは、１ボルト当たりのクーロンに等しい。
【０００４】
スーパーキャパシタ（ウルトラキャパシタ、電気化学キャパシタ又は二重層キャパシタとしても知られている）は、キャパシタの分野において、近年、発展が比較的に進んでいる。スーパーキャパシタは、静電場にエネルギーを保存するよう構成されるという点では、従来のキャパシタと同様の原理を適用する。しかしながら、スーパーキャパシタは、異なる構造を実装し、これにより、より高い容量を達成する。例えば、従来のキャパシタが典型的にはマイクロファラッドの範囲の容量を有するのに対して、スーパーキャパシタは、数百ファラッドのオーダーの容量を有することができる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態に従うシステム及び方法によって、高温耐性のスーパーキャパシタが実装される。一実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定な第１の電極と、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定な第２の電極と、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定なイオン導電性セパレータと、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定な電解質とを含み、前記第１及び第２の電極は、前記第１及び第２の電極が物理的に接触しないよう前記イオン導電性セパレータで分離され、各前記第１及び第２の電極は、前記電解質の溶液内に少なくとも部分的に浸漬される。
【０００６】
別の実施形態では、前記第１及び第２の電極の少なくとも１つは、炭素を含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、前記炭素は、織炭素布、炭素エアロゲル及び活性炭のうちの１つの形態である。
【０００８】
さらに別の実施形態では、前記炭素は多孔性である。
【０００９】
さらに別の実施形態では、前記炭素の単位質量当たりの表面積は約１０００ｍ２／ｇより大きい。
【００１０】
さらなる実施形態では、前記炭素の単位質量当たりの表面積は約２０００ｍ２／ｇより大きい。
【００１１】
さらなる実施形態では、前記炭素は、スペクトラカーブ２２２５で具現化される。
【００１２】
さらなる実施形態では、前記第１及び第２の電極の少なくとも１つは複合材料を含む。
【００１３】
さらなる実施形態では、前記第１及び第２の電極の少なくとも１つは、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定なバインダーと併せて使用される複合材料を含む。
【００１４】
別の実施形態では、前記バインダーはポリテトラフルオロエチレンである。
【００１５】
さらに別の実施形態では、前記電解質は、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定な溶媒と併せて使用される。
【００１６】
さらに別の実施形態では、前記電解質はイオン液体の形態である。
【００１７】
さらに別の実施形態では、前記イオン液体は、ピロリジニウム系の陽イオンを含む。
【００１８】
さらなる実施形態では、前記イオン液体は、イミダゾリウム系の陽イオンを含む。
【００１９】
さらなる実施形態では、前記イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩｍ）及び１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）のうちの１つである。
【００２０】
さらなる実施形態では、前記イオン導電性セパレータは、ジルコニア、シリカ、ガラスマット繊維、炭化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム及びポリマーのうちの１つを含む。
【００２１】
さらなる実施形態では、前記イオン導電性セパレータは、Ｚｉｒｃａｒ社のタイプＺＹＫ−１５を含む。
【００２２】
別の実施形態では、前記第１の電極、前記第２の電極、前記イオン導電性セパレータ及び前記電解質は、前記高温耐性のスーパーキャパシタの動作を総体で可能にするように配置される。
【００２３】
さらに別の実施形態では、前記第１の電極、前記第２の電極、前記イオン導電性セパレータ及び前記電解質は、約１．５ボルトより高い充電電圧に耐えられる前記高温耐性のスーパーキャパシタの動作を総体で可能にするように配置される。
【００２４】
さらに別の実施形態では、前記第１の電極、前記第２の電極、前記イオン導電性セパレータ及び前記電解質は、約９０％より大きい往復（round-trip）効率を示すことができる前記高温耐性のスーパーキャパシタの動作を総体で可能にするように配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明のある実施形態に従うスーパーキャパシタ内で発生し得る二重層現象の基本的な原理の概要を示す。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態に従うスーパーキャパシタ内で発生し得る二重層現象の基本的な原理の概要を示す。
【図１Ｃ】本発明のある実施形態に従うスーパーキャパシタ内で発生し得る二重層現象の基本的な原理の概要を示す。
【図２Ａ】本発明のある実施形態に従う高温耐性のスーパーキャパシタ内の電解質として実装することができる、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩｍ）の分子構造を描写する。
【図２Ｂ】本発明のある実施形態に従う高温耐性のスーパーキャパシタ内の電解質として実装することができる、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）の分子構造を描写する。
【図３】本発明のある実施形態に従い構成された高温耐性のスーパーキャパシタの代表的なデータを描写する。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図面を参照すると、高温耐性のスーパーキャパシタを実装するためのシステム及び方法が示されている。多くの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、スーパーキャパシタが約８０℃より高い温度で動作を維持できるような材料から構成され若しくは設計される。幾つかの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、スーパーキャパシタが約８５℃より高い温度で動作を維持できるような材料から構成され若しくは設計される。多数の実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、スーパーキャパシタが少なくとも約８０℃と約３００℃の間の温度で動作を維持できるような材料から構成され若しくは設計される。多くの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、約１．０ファラッドより大きい容量を有する。多数の実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、約１．５ボルトより高い印加電圧に耐えることができる。幾つかの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、高い表面積を特徴の少なくとも１つとし、熱的に安定な電極を含む。多数の実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、ジルコニア及びシリカのうちの１つをベースとする、熱的に安定なイオン導電性セパレータを含む。多くの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、高い沸点及び低い蒸気圧によって特徴付けられ熱的に安定な溶媒を含む熱的に安定な電解質溶液を利用し、熱的に安定な塩をさらに含む。ある実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、熱的に安定な塩を含んでも含まなくてもよい熱的に安定なイオン導電性液体を利用する。
【００２７】
高温で電気エネルギーを保存及び供給することは、依然として工業技術上の大きな挑戦である。実際に、多くのアプリケーションは、高温において電気エネルギーをより確実に保存及び供給することができるシステムの発展から実質的に利益を得るだろう。例として、多くの航空／航空宇宙アプリケーションは、例えば、ロボット宇宙船（惑星大気プローブ）の発展から利益を得ることができ、電気航空機の開発は、高温において電気エネルギーを保存及び供給するための実行可能な解決策から利益を得ることができる。同様に、これらの実行可能な解決策は、石油、ガス及び地熱産業と同様に自動車産業におけるアプリケーションへ拡張することができる。
【００２８】
現在、リチウムイオンバッテリの化学的性質は、典型的に、約６５℃まで安全に動作することができ、一方、あるポリマーバッテリは、典型的に、約８０℃まで安全に動作することができる。ナトリウム陽極と、硫黄又は金属塩化物系の陰極と、ナトリウムイオン導電性固体電解質／分離とに基づく溶融塩バッテリは、３００℃よりも高い温度でも動作することができる。さらに、より小さい容量ではあるが、高温で動作するよう構成されたキャパシタが幾つか存在する。例えば、マノハラ（Manohara）らによる「細長いボディを有する導電性要素の配列を組み込むマイクロ及びナノスケールのキャパシタ（Micro- and Nanoscale Capacitors that Incorporate an Array of Conductive Elements Having Elongated Bodies）」とのタイトルの米国特許出願番号１３／８０４，３０１のタイトルには、高温で動作するよう構成することができるキャパシタが記載されている。米国特許出願番号１３／８０４，３０１の開示は、参照によりここに完全に組み込まれる。一般的には、約室温から約４００℃までの範囲内で動作することができるある電解質及びセラミックキャパシタが存在する。しかしながら、これらのキャパシタは、典型的には、マイクロファラッドのオーダーの容量を有し、一秒未満のオーダーの放電時間を維持するように構成されている。従って、高温においてより頑強な性能特性を示す、より有力なキャパシタ（つまり、スーパーキャパシタ）の必要性が存在する。
【００２９】
本願は、この必要性を満たすスーパーキャパシタを開示する。例えば、多くの実施形態において、少なくとも約８０℃と３００℃との間の温度範囲で動作可能であり、かつ約１．５ボルトより高い充電電圧に耐えることができる高温耐性のスーパーキャパシタは、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定な第１及び第２の電極と、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定で、かつジルコニア、シリカ又は同様のそのような材料に基づくイオン導電性セパレータと、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定な電解質とを含む。多数の実施形態では、少なくとも１つの電極は、炭素電極であり、電解質は、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）である。以下、スーパーキャパシタ動作の一般的な原理を説明する。
【００３０】
［スーパーキャパシタの一般的な原理］
従来のキャパシタは、２つの導電性プレートの両端で確立される電圧差から直接生じる電場にエネルギーを保存するが、スーパーキャパシタは、一般的に、二重層容量現象及び疑似容量現象の組み合わせに相当する電場にエネルギーを広く保存すると理解されている。背景を提供するため、図１Ａ〜１Ｃは、スーパーキャパシタ内の二重層容量の基本的な原理を示す。特に、図１Ａは、枯渇状態におけるスーパーキャパシタを描写する。より具体的には、スーパーキャパシタ１００は、電極１０４にそれぞれ電気的に接触する２つの電流コレクタ１０２と、電解質溶液１０６に少なくとも部分的に浸漬される各電極１０４とを含む。電解質溶液１０６は、陰イオン１０８及び陽イオン１１０を含む。セパレータ１１２は、物理的に接触しないように、２つの電極を物理的に分離する。
【００３１】
図１Ｂは、図１Ａに示されるスーパーキャパシタの充電を示す。特に、スーパーキャパシタ１００は、バッテリ１５０に結合するように描写されている。より具体的には、各電流コレクタ１０２は、バッテリ１５０の各端子に結合される。結果的に、電極１０４の１つは正に帯電するようになり、電極１０４の他方は負に帯電するようになる。電極の帯電は、固体／流体界面で「二重層」１２０として知られる現象を引き起こすように、電解質溶液１０６内の陰イオン１０８及び陽イオン１１０の再配置に影響を与える。言い換えれば、電極１０４の第１の電極が正に帯電すると、第１の電極は第１の正帯電層を規定し、これにより、第１の電極は、第２の負帯電層を規定する陰イオン１０８のコーティングを引き付ける。重要なことは、これらの層が、ナノメータのオーダーの距離で分離されていることである。この小さな分離距離が、スーパーキャパシタが極めて高い容量を有することができる原理的な理由である（キャパシタの容量は、構成電荷を分離する距離に反比例することを思い出すこと）。
【００３２】
図１Ｃは、充電されたキャパシタ１００が負荷に電力を供給するために使用することができることを描写する。特に、スーパーキャパシタ１００の電流コレクタ１０２が、負荷１６０の対向する端子に電気的に結合させられていることが描写されている。
【００３３】
もちろん、図１Ａ〜１Ｃは、スーパーキャパシタ内で生じる二重層容量現象を描写するが、本発明の実施形態は、この現象の発生に依拠するスーパーキャパシタに制限されないことを理解されたい。例えば、多くのスーパーキャパシタは、所望の性能特性を達成するために、疑似容量現象に依拠する。本発明の実施形態は、電気エネルギーを保存及び供給する任意の適切なスーパーキャパシタと併せて実施され、任意の適切なスーパーキャパシタには、二重容量に依拠するもの、疑似容量に依拠するもの及びこれらの現象の組み合わせを利用するものが含まれる。以下、高温耐性のスーパーキャパシタの構成要素をより詳細に説明する。
【００３４】
［高温耐性のスーパーキャパシタ―電極］
スーパーキャパシタは、望ましいエネルギー貯蔵及び電力供給特性の主体となるが、既存のスーパーキャパシタは、８５℃下の温度で動作するよう大きく制約されている。例えば、既存のスーパーキャパシタは、約２５℃で１００万サイクルと同程度のサイクル寿命を示すけれども、既存のスーパーキャパシタは、約８５℃周辺の温度で動作するときは、顕著な性能の低下を示す。これらのスーパーキャパシタの多くは、適切な構成要素を有していないため、高温動作を維持することができない。例えば、多くの既存のスーパーキャパシタは、低い沸点の溶媒（例えば、アセトニトリル）を有する電解質溶液、及び／又は、十分に安定したバインダーを有さない電極に依拠する。高温耐性を改善するために、電解質溶液として特定のイオン液体を使用するこれまでの取り組みは、これまでに試されたイオン液体が容量維持率の減少及び／又は約１．５ボルトより高い電圧でのクーロン効率の減少を生じており、不十分であった。従って、高温動作を実行可能にする適切な要素の組み合わせが、未だに要求されている。
【００３５】
従って、本願は、所望の結果を達成するような組み合わせを開示する。例えば、多くの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、約８０℃と約３００℃との間の温度範囲に耐えることができる熱的に安定な電極を含む。多くの場合において、電極の熱的安定性は、その関連するバインダー（バインダーは、典型的に、関連する電流コレクタへの電極の接着を容易にする目的で使用されることを思い出すこと）の安定性次第であることが観測される。従って、電極の熱的安定性は、（１）このようなバインダーを要求しない電極を実装すること、又は、（２）所望の温度範囲内で熱的に安定なバインダーを利用する電極を実装すること、の何れかによって高めることができる。
【００３６】
例えば、多くの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタは、バインダーを使用しない炭素電極を実装し、例えば、織炭素布、ナノ構造炭素材料及び／又は炭素エアロゲル材料を実装する。多くの実施形態では、電極は、活性炭である。活性炭の特徴は、その多孔性及びその対応する広い表面積である。活性炭は、ナノ多孔、マイクロ多孔又はメソ多孔となり得る。多くの場合、細孔径は、特に、電解質の陽イオン／陰イオンのサイズを受け入れるよう選択する。一般的に、活性炭は、細孔径の範囲で構成することができる。理解されるように、キャパシタの容量は、電極の露出した表面積に大きく比例する。言い換えれば、電極の多孔性は、上述の二重層を発達させられる表面積に関連する。従って、多くの場合、広い表面積を有する電極を実装することが望ましい。従って、例えば、多くの実施形態では、電極はスペクトラカーブ（Spectracarb）２２２５（スペクトラカーブ２２２５は、織炭素布であり、約２０００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する）から構成される。もちろん、約２０００ｍ２／ｇと同程度の表面積を有する電極を実装することは前提条件ではなく、例えば、多くの実施形態では、約１０００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する電極が実装される。多くの場合、このような大きな表面積は、約１．０ファラッドより大きい容量を達成する高温耐性のスーパーキャパシタを可能にする。ある例では、大きな表面積は、約１．５ファラッドより大きい容量を達成する高温耐性のスーパーキャパシタを可能にする。さらに、大きな表面積を有する電極が多くの場合で好適であるが、本発明の実施形態は、そのように制約されない。さらに、本発明の実施形態は、ある特定の容量値（例えば、１．０ファラッド）を有するスーパーキャパシタを達成するよう制約されなく、本発明の多くの実施形態に従う高温耐性のスーパーキャパシタは、任意の最適な容量を有する。例えば、理解されるように、高温耐性のスーパーキャパシタの容量は、任意の最適な値に調整することができる。加えて、炭素電極を記載するが、本発明の実施形態は、炭素系の電極を実装することに制限されないことは明らかである。例えば、ある実施形態では、少なくとも１つの電極は、熱的に安定なバインダーと併せて複合材料を含む。例えば、ある実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（例えば、テフロン）が熱的に安定なバインダーとして使用される。しかしより一般的には、約８０℃と３００℃との間の温度でスーパーキャパシタに関連する動作を維持することができる任意の適切な電極が、本発明の多くの実施形態に従い、実装することができる。
【００３７】
多くの実施形態では、特別な電極を、（上述のように）キャパシタの高温動作の実行可能性を推進するよう実装することができ、同時に、スーパーキャパシタ内の電解質溶液を、高温動作の実行可能性を推進するよう選択することができる。以下、これをより詳細に説明する。
【００３８】
多くの現在利用可能なスーパーキャパシタは、高温動作を可能にしない電解質溶液を利用している。例えば、多くの既存のスーパーキャパシタでは、アセトニトリルが溶媒として使用されている。しかしながら、この溶媒は、沸点が比較的低いため、高温動作において有用ではない。上述のように、イオン液体の実装をベースとした高温動作が可能であるスーパーキャパシタを開発する取り組みがある。しかしながら、上述のように、これらの取り組みは、その結果のセルが容量維持率の減少及び／又は最も高い作用電圧（典型的には、約１．５ボルトより高い）でのクーロン効率の減少を示しており、不十分であった。従って、本発明の多くの実施形態では、スーパーキャパシタは、従来の電解質溶液又は高温動作のために良く構成されたイオン液体の何れかを実装する。例えば、多くの実施形態では、電解質溶液は、８０℃と３００℃との間で熱的に安定なものが選択され、（例えば、約３００℃より高い）高い沸点、低い蒸気圧及び高い熱的安定性を有する（例えば、電解質の構成要素―電解質及び溶媒―は、それらの特性を有する）。低い蒸気圧を有する電解質溶液は、スーパーキャパシタのセル内の不用意な蒸気圧上昇のリスクをより低減する点で望ましい。イオン液体が実装される場合、ピロリジニウム系の陽イオンを有するイオン液体が、イミダゾリウム系のイオン液体と比較して、（より高い陰極限界に基づく）より高い最大充電電圧を容易にすることが観測される。従って、多くの実施形態では、ピロリジニウム系の陽イオンを有するイオン液体が電解質として使用される。ある実施形態では、イミダゾリウム系のイオン液体が使用される。多くの実施形態では、実装される電解質溶液は、約４．５ボルトより高い電気化学的ウインドウを有する。多くの実施形態では、電解質は、約６．０ボルトより高い電気化学的ウインドウを有する。多くの場合、広い電気化学的ウインドウは、より高い最大充電電圧に関連することができるため、電解質溶液は、広い電気化学的ウインドウを有することが好適である。ある実施形態では、選択された電解質溶液は、熱的に安定な溶媒から構成され、熱的に安定な塩と同様に３００℃より高い熱分解温度を有し、つまり、少なくとも約８０℃と３００℃との間で熱的に安定である。多くの実施形態では、熱的に安定なイオン導電性液体が使用される。イオン導電性液体は、熱的に安定な塩を含んでも含まなくてもよい。ある実施形態では、イオン液体は、次のうちの１つである：１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩｍ）及び１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）。以下の表１は、各イオン液体に関するデータを含む。
【００３９】
【表１】
0006526634.tif 000002
*ジメチルスルホキシドにおけるＡｇ／Ａｇ＋に対する値
**Ａｇ／Ａｇ＋に対する値
【００４０】
図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩｍ）及び１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）の分子構造を描写する。
【００４１】
もちろん、高温動作に適合する最適な電解質及び電解質溶液の特定の例が提供されているが、多くの任意の電解質及び電解質溶液を実装することができることは明らかである。例えば、少なくとも約８０℃から約３００℃の間で安定し、かつ高い沸点、低い蒸気圧及び高い熱的安定性を有する任意の適した電解質及び電解質溶液が、本発明の実施形態に従い実装することができる。
【００４２】
上記の議論に沿って、多くの実施形態では、セパレータが高温動作を推奨するために選択され、以下、この側面をより詳細に説明する。
【００４３】
［高温耐性のスーパーキャパシタ―セパレータ］
多くの実施形態では、高温耐性のスーパーキャパシタ内の構成セパレータは、高温動作に耐えることができるものが特別に選択される。例えば、多くの実施形態では、セパレータは、少なくとも約８０℃と約３００℃との間で熱的に安定である。例えば、多くの実施形態では、セパレータは、ジルコニア系の材料及びシリカ系の材料のうちの１つから製造される。しかしながら、所望の温度範囲内で高温動作を維持することができる任意の材料も、本発明の実施形態に従い実装することができる。例えば、セパレータは、ガラスマット繊維、炭化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム等を含むことができる。さらに、セパレータは、熱的に安定なイオン導電性ポリマーを含むことができる。一般的には、約８０℃と３００℃との間の温度範囲内で熱的に安定な任意のセパレータが、本発明の実施形態に従いスーパーキャパシタにおいて実装することができる。
【００４４】
この開示に対して、本発明の実施形態に従い、高温動作を維持することができる特別なスーパーキャパシタの開発の例を以下に提示する。
【００４５】
［高温耐性のスーパーキャパシタ―例］
２０３２のコインセルが組み立てられ、約１６０℃まで試験された。電極は、大きな表面積の織炭素布として特徴付けられるスペクトラカーブ２２２５から製造された。電極材料は、約２０００ｍ２／ｇより大きい表面積を有した。接触抵抗を低減するために白金をセルケースにスパッタ蒸着させることに続き、約０．５ｍｍの厚さを有する１．６ｃｍの直径の電極が、スペクトラカーブ２２２５のシートから打ち抜かれ、１００℃の真空オーブンで乾燥させられた。セパレータは、ジルコニア布（Ｚｉｒｃａｒ社のタイプＺＹＫ−１５）から同様に準備された。スーパーキャパシタの２つのグループが製造され、１つは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩｍ）を使用し、他方は、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＰＩｍ）を使用した。
【００４６】
セルは、アルゴンで満たされた不活性雰囲気グローブボックス内で組み立てられた。シール圧着後、セルの端は、試験中においてセルの強度をさらに改善するために、高温のエポキシ材（パーマテックス（Permatex）社の室温加硫シリコーンシーラント）で密閉され、室温で曲げられた。ニッケルタブが、試験リードとの相互接続を容易にするために、コインセルにスポット溶接された。試験は、定電流の充電／放電を用いて、１６０℃のサーマルチャンバ内で行われた。幾つかの最大充電電圧制限（Ｖｍａｘ）が、１Ｖと２．５Ｖとの間で用いられた。容量は、ｄＶ／ｄｔ＝Ｃ／ｉによる放電曲線の線形領域から抽出され、ここで、Ｖ＝電圧、ｔ＝時刻、Ｃ＝容量及びｉ＝電流である。往復効率は、０からＶｍａｘの完全な電圧範囲にわたり、充電された電荷と放電された電荷の比率で決定された。代表的な充電／放電データは、図３に描写され、以下の表２に記載される。より具体的には、図３は、１６０℃における高温耐性のスーパーキャパシタの代表的な充電／放電データを描写する。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
本質的に、上述の製造工程によって、結果として得られた高温耐性のスーパーキャパシタは、約１．４ファラッドより大きい容量、約１．５ボルトより高い最大電圧で９０％より大きい往復効率を達成することができる。
【００４９】
特定の例について説明を行っているが、本発明の実施形態は、説明した例に制限されないことは十分に明らかである。確実に、上記の説明から分かるように、上述の構想は、本発明の実施形態に従う多様な配置において実装することができる。従って、本発明はある特定の態様において説明されているが、多くの追加の修正及び変形が当業者にとっては明らかであろう。従って、本発明は、特定の記載とは異なる他の態様でも、実施できることが理解されよう。従って、本発明の実施形態は、例示として全ての態様において考慮すべきであり、制限ではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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