(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１グラファイト膜、
第２グラファイト膜、および
前記第１グラファイト膜と前記第２グラファイト膜との間に配置された電極仕切りリング
を備えるエネルギー蓄積装置であって、
前記電極仕切りリングは前記第１グラファイト膜の周縁端よりも内側に且つ前記第２グラファイト膜の周縁端よりも内側に位置しており、
前記第１グラファイト膜、前記第２グラファイト膜、および前記電極仕切りリングは、密閉筐体を形成し、
前記電極仕切りリングが前記第１および第２グラファイト膜に埋め込まれるように、前記電極仕切りリングの第１縁部の少なくとも一部分は、前記第１グラファイト膜にめり込み、前記電極仕切りリングの、反対側の第２縁部の少なくとも一部分は、前記第２グラファイト膜にめり込む
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記第１縁部および反対側の前記第２縁部のうち少なくとも一方は、凸部および凹部のうち少なくとも一つを備える
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項３】
請求項２に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記少なくとも一つの凸部および凹部は、電極仕切りリング縁部の全長に沿って延びる  ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項４】
請求項１に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記第１グラファイト膜の、前記電極仕切りリングに面する表面上に設けられた第１電極膜、および
前記第２グラファイト膜の、前記電極仕切りリングに面する表面上に設けられた第２電極膜
をさらに備えることを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項５】
請求項４に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記第１電極膜と前記第２電極膜との間に設けられたセパレータ
をさらに備えることを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項６】
請求項４に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記第１電極膜および前記第２電極膜のうち少なくとも一つは、活性カーボン材料、グラフェン材料、および酸化材料のうち少なくとも一つをさらに含有する
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項７】
請求項１に記載のエネルギー蓄積装置であって、
水系電解質をさらに含有する
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項８】
請求項１に記載のエネルギー蓄積装置であって、
非水系電解質をさらに含有する
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項９】
請求項１に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタを備える
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のエネルギー蓄積装置であって、
前記エネルギー蓄積装置は、電池を有する
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１１】
複数の独立したエネルギー蓄積装置を、隣接する当該装置同士を重ねて積層構造にした状態で備えるエネルギー蓄積システムであって、
前記複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、
第１グラファイト膜、
第２グラファイト膜、および
前記第１グラファイト膜と前記第２グラファイト膜との間に配置された電極仕切りリングを備え、
前記電極仕切りリングは前記第１グラファイト膜の周縁端よりも内側に且つ前記第２グラファイト膜の周縁端よりも内側に位置しており、
前記第１グラファイト膜、前記第２グラファイト膜、および前記電極仕切りリングは、密閉筐体を形成し、
前記電極仕切りリングが前記第１および第２グラファイト膜に埋め込まれるように、前記電極仕切りリングの第１縁部の少なくとも一部分は、前記第１グラファイト膜にめり込み、前記電極仕切りリングの、反対側の第２縁部の少なくとも一部分は、前記第２グラファイト膜にめり込む
ことを特徴とするエネルギー蓄積システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のエネルギー蓄積システムであって、
前記互いに隣接する第１グラファイト膜および第２グラファイト膜は、互いに直接接触する
ことを特徴とするエネルギー蓄積システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のエネルギー蓄積システムであって、
前記複数の独立したエネルギー蓄積装置のうちの最初のエネルギー蓄積装置の第１グラファイト膜において、前記複数の独立したエネルギー蓄積装置の積層の上端に結合された第１導電性要素、および
前記複数の独立したエネルギー蓄積装置のうちの最後のエネルギー蓄積装置の第２グラファイト膜において、前記複数の独立したエネルギー蓄積装置の積層の下端に結合された第２導電性要素
をさらに備えることを特徴とするエネルギー蓄積システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載のエネルギー蓄積システムであって、
前記複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、ウルトラキャパシタを備える
ことを特徴とするエネルギー蓄積システム。
【請求項１５】
請求項１１に記載のエネルギー蓄積システムであって、
前記複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、電池を備える
ことを特徴とするエネルギー蓄積システム。
【請求項１６】
エネルギー蓄積装置を作製する方法であって、
電極仕切りリング、第１グラファイト膜、および第２グラファイト膜を準備する工程、
前記電極仕切りリングを前記第１グラファイト膜の周縁端よりも内側に位置させて、前記電極仕切りリングの第１縁部の少なくとも一部分が前記第１グラファイト膜にめり込むように、前記電極仕切りリングの第１縁部を、前記第１グラファイト膜の表面に押し込む工程、および
前記電極仕切りリングを前記第２グラファイト膜の周縁端よりも内側に位置させて、前記電極仕切りリングの、反対側の第２縁部の少なくとも一部分が前記第２グラファイト膜にめり込むように、前記電極仕切りリングにおける、反対側の第２縁部を、前記第２グラファイト膜の表面に押し込み、密閉筐体を形成する工程
を含む方法であって
前記密閉筐体は、対向する表面として、前記第１グラファイト膜の前記表面と、前記第２グラファイト膜の前記表面とを有する
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６の方法であって、
第１電極膜を、前記第１グラファイト膜の前記表面に取り付ける工程、および
第２電極膜を、前記第２グラファイト膜の前記表面に取り付ける工程
をさらに含む方法。
【請求項１８】
請求項１７の方法であって、
前記電極仕切りリングにおける反対側の前記第２縁部を、前記第２グラファイト膜の前記表面に押し込んで、前記密閉筐体を形成する前に、前記第１電極膜と前記第２電極膜とを含浸する工程
をさらに含む方法。
【請求項１９】
請求項１７の方法であって、
セパレータを、前記電極仕切りリング内の前記第１電極膜上に配置する工程
をさらに含む方法。
【請求項２０】
請求項１９の方法であって、
前記セパレータを前記第１電極膜上に配置する前に、前記セパレータを電解質に含浸する工程
をさらに含む方法。
【請求項２１】
請求項１６の方法であって、
前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１６の方法であって、
前記エネルギー蓄積装置は、電池を備える
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年３月１４日に出願された、発明の名称が「エネルギー蓄積装置の電極グラファイト膜および電極仕切りリング」である米国仮特許出願第６１／７８５，９５２号の利益を主張するものであり、当該出願の全文は、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
背景
分野
本発明は、概して、電気エネルギー蓄積装置に関し、より具体的には、エネルギー蓄積装置の一つまたはそれ以上の構成要素を密封するための密閉室を備えたエネルギー蓄積装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
ウルトラキャパシタ、電池、および／または電池−キャパシタ複合装置のようなエネルギー蓄積装置には、共通の外部ハウジングで囲まれた、独立したウルトラキャパシタセル、電池セル、および／または電池−キャパシタ併用セルのような独立したエネルギー蓄積セルが複数組み込まれ得る。当該複数の独立したエネルギー蓄積セルは、直列または並列に積層構成で配置してもよい。しかし、複数の独立したエネルギー蓄積セルが配置されたエネルギー蓄積装置の生産性、信頼性、および性能に関しては課題が生じ得る。そこで、生産性、信頼性、および性能が向上したエネルギー蓄積装置が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
概要
エネルギー蓄積装置は、第１グラファイト膜、第２グラファイト膜、および第１グラファイト膜と第２グラファイト膜との間に配置された電極仕切りリングを有し得る。第１グラファイト膜、第２グラファイト膜、および電極仕切りリングは、密閉筐体を形成し得る。エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタを有してもよい。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、電池を有してもよい。エネルギー蓄積装置は、二層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、および／または疑似キャパシタを有してもよい。
【０００５】
いくつかの実施形態において、電極仕切りリングの第１縁部の少なくとも一部分は、第１グラファイト膜にめり込み、電極仕切りリングの、反対側の第２縁部の少なくとも一部分は、第２グラファイト膜にめり込む。いくつかの実施形態において、第１縁部および反対側の第２縁部のうち少なくとも一つは、凸部および凹部のうち少なくとも一つを有する。前記少なくとも一つの凸部および凹部は、電極仕切りリング縁部の全長に沿って延びていてもよい。
【０００６】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、第１グラファイト膜の、電極仕切りリングに面する表面上に設けられた第１電極膜、および、第２グラファイト膜の、電極仕切りリングに面する表面上に設けられた第２電極膜を有し得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、第１電極膜と第２電極膜との間に設けられたセパレータを有し得る。
【０００７】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、水系電解質を含有し得る。エネルギー蓄積装置は、非水系電解質を含有し得る。
【０００８】
いくつかの実施形態において、第１電極膜および第２電極膜のうち少なくとも一つは、活性カーボン材料、グラフェン材料、および酸化材料のうち少なくとも一つを含有し得る。
【０００９】
エネルギー蓄積システムは、隣接するもの同士を重ねて積層構造にした複数の独立したエネルギー蓄積装置を有し得る。複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、第１グラファイト膜、第２グラファイト膜、および第１グラファイト膜と第２グラファイト膜との間に配置された電極仕切りリングを有し、第１グラファイト膜、第２グラファイト膜、および電極仕切りリングは、密閉筐体を形成し得る。
【００１０】
いくつかの実施形態において、複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つの第２グラファイト膜は、隣接する独立したエネルギー蓄積装置の第１グラファイト膜に隣接するし、互いに隣接する第１グラファイト膜および第２グラファイト膜は電気的に結合して、互いに隣接する独立したエネルギー蓄積装置同士を、電気的に直列に結合する。互いに隣接する第１グラファイト膜および第２グラファイト膜は、互いに直接接触してもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積システムは、最初のエネルギー蓄積装置の第１グラファイト膜において、複数の独立したエネルギー蓄積装置の積層の上端に結合された第１導電性要素、および複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち最後のエネルギー蓄積装置の第２グラファイト膜において、複数の独立したエネルギー蓄積装置の積層の下端に結合された第２導電性要素を有し得る。
【００１２】
複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、ウルトラキャパシタを有し得る。複数の独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、電池を有し得る。複数の互いに独立したエネルギー蓄積装置のうち少なくとも一つは、二層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、および／または疑似キャパシタを有し得る。
【００１３】
エネルギー蓄積装置を作製する方法は、電極仕切りリング、第１グラファイト膜、および第２グラファイト膜を準備する工程、電極仕切りリングの第１縁部を、第１グラファイト膜の表面に押し込む工程、および電極仕切りリングにおける、反対側の第２縁部を、第２グラファイト膜の表面に押し込んで、密閉筐体を形成する工程を含み、密閉筐体は、対向する表面として、第１グラファイト膜の表面と、第２グラファイト膜の表面とを有する。エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタを有し得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、電池を有し得る。エネルギー蓄積装置は、二層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、および／または疑似キャパシタを有してもよい。
【００１４】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置を作製する方法は、第１電極膜を、第１グラファイト膜の表面に取り付ける工程、および第２電極膜を、第２グラファイト膜の表面に取り付ける工程を有し得る。
【００１５】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置を作製する方法は、電極仕切りリングが有する反対側の第２縁部を、第２グラファイト膜の表面に押し込んで、密閉筐体を形成する前に、第１電極膜と第２電極膜とを含浸する工程を有し得る。
【００１６】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置を作製する方法は、セパレータを、電極仕切りリング内の第１電極膜上に配置する工程を有し得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置を作製する方法は、セパレータを第１電極膜上に配置する前に、セパレータを電解質に含浸する工程を有し得る。
【００１７】
先行技術ではなしえない本発明およびその効果を要約するために、本明細書中ではいくつかの目的および効果を説明する。これらすべての目的または効果が、特定の実施形態により達成される必要が必ずしもないということは、当然に理解されたい。従って、例えば、本発明は、一つの効果または一群の効果を、他の目的や効果を必ずしも達成することなく、達成または最適化するように、具現化または実施してもよいということを、当業者は認識されたい。
【００１８】
これらの実施形態はすべて、ここに開示の発明の範囲に包含されることを意図したものである。これらおよび他の実施形態は、添付の図面を参照する以下の詳細な説明から、当業者に容易に理解できるものである。ただし、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】一実施形態に係るエネルギー蓄積セルの一例の外側平面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ａのエネルギー蓄積セルの一例の斜視図を示す。
【図２】一実施形態に係るエネルギー蓄積セルの一例の一部分の上から見た平面図を示す。
【図３】一実施形態に係るエネルギー蓄積セルの一例の断面図を示す。
【図４】一実施形態に係る電極仕切りリングの一例の斜視図を示す。
【図５】エネルギー蓄積セルを作製するプロセスの一例を示す。
【図６Ａ】一実施形態にかかる積層構成を有するエネルギー蓄積装置の一例の断面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ａのエネルギー蓄積装置の一例の斜視図を示す。
【図７】エネルギー蓄積装置を作製するプロセスの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
詳細な説明
いくつかの実施形態及び実施例を以下で説明するが、当業者は、本発明の範囲が、具体的に開示された実施形態および／または用途、ならびに自明な改変およびその同等物を超えることを理解されたい。従って、ここに開示する本発明の範囲は、以下で説明する特定の実施形態のいずれによっても限定されないものとする。
【００２１】
同一の外部ハウジングに囲まれた複数の独立したエネルギー蓄積セルを備えたエネルギー蓄積装置を製造する際に、課題に直面し得る。例えば、電解質材料は、独立したセルの間から漏れる可能性があり、これにより、短絡および装置性能の低下や故障が引き起こされる。このため、上述のような短絡を防ぐため、独立したエネルギー蓄積セル間において信頼性があり繰返し可能な密閉を行うことが困難になる。
【００２２】
また、独立したエネルギー蓄積装置セルの一つまたはそれ以上の構成要素が、セルの電解質と相性がよくない可能性があり、その結果、エネルギー蓄積装置の動作中に、一つまたはそれ以上の構成要素が劣化してしまう。例えば、エネルギー蓄積セルの、例えば集電体のような導電板は、セルの動作中、化学的および／または機械的に不安定になる可能性がある。例えば、導電板は、セルの動作中に、例えば、電解質溶媒を含む電解質との化学的な相互作用が少なくとも部分的には原因で、化学的に劣化する可能性があり、および／または、例えば、セルの膨張が原因で、構造的に変形する可能性がある。動作中のセルが化学的および／または機械的に不安定だと、例えば、セルの動作電圧を低下させるというように、電気的性能に悪影響を与えてしまう可能性がある。
【００２３】
実施形態は、安定した動作を容易にする要素および／または構成を備えたエネルギー蓄積装置に関する。一実施形態において、エネルギー蓄積装置は、積層構成の複数の独立したウルトラキャパシタセル、例えば、向上した電圧性能を示す複数の二極性ウルトラキャパシタセルを備える。独立した各ウルトラキャパシタセルは、グラファイト膜を含むか、または本質的にグラファイト膜からなる導電板を備え得る。本明細書中で説明する導電板は、硬質である必要はなく、例えば、箔のような可撓性材料を含み得る。導電板は、セルとセルの外に設けられた回路との電気的接続を容易にする集電体であり得る。ウルトラキャパシタセルは、より詳しくは後述するが、グラファイト膜製の二枚の導電板、および、そのグラファイト膜の間に設けられた電極仕切りリングを備え得る。
【００２４】
二枚のグラファイト膜のそれぞれは、電極仕切りリングにおける対向する部分の縁部に結合され得、これにより、二枚のグラファイト膜と電極仕切りリングとが密閉筐体を形成し、その内側にウルトラキャパシタセルの他の構成要素を配置することができる。グラファイト膜は、無孔質または実質的に無孔質であり得る。これにより、その厚みを介する電解質の漏れが事実上なくなる。また、グラファイト膜と電極仕切りリングとの間を密閉することにより、密閉式ウルトラキャパシタセルを提供することができる。
【００２５】
このような実施形態により、電解質の漏れを実質的に防ぎまたは無くし、これにより、独立したウルトラキャパシタセル間における短絡を実質的に防ぎまたは無くすことができる。このような実施形態により、動作中に改善された構造的完全性を示すウルトラキャパシタセルを提供することができる。いくつかの実施形態において、積層されたウルトラキャパシタセルにおける、最初のグラファイト膜および最後のグラファイト膜はそれぞれ、アルミニウム膜のような導電性要素に結合し、エネルギー蓄積装置と外部回路との接続を容易にできる。本明細書中、「キャパシタ」、「ウルトラキャパシタ」、またはそれらの構成要素、例えば「ウルトラキャパシタセル」への言及は、説明目的のみになされるものであり、他のエネルギー蓄積装置のコンテクストの範囲内で、問題なく適用または代用することができるものと理解されたい。当該エネルギー蓄積装置としては、電池または電池−キャパシタ複合装置があげられるが、これらに限定されない。
【００２６】
二極性ウルトラキャパシタセルのようなウルトラキャパシタセルは、一般的に、第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極との間に設けられたセパレータを有し得る。電極のうち一つまたはそれ以上は、集電体と結合し、外部回路との電気的接触を容易にすることができる。電極およびセパレータは、これら二つの電極間においてイオン種を移動させる電解質に浸漬させてもよい。セパレータは、電極間においてイオン種を移動させる一方で、当該二つの電極間の電気的接触を防ぐことができる。
【００２７】
本発明の一実施形態において、ウルトラキャパシタセルのようなエネルギー蓄積セルは、グラファイト膜から作製された集電体要素を有し得る。図１Ａは、一実施形態に係るウルトラキャパシタセル１００の一例の外側平面図を示す。ここでは単体のウルトラキャパシタセル１００として説明しているが、ウルトラキャパシタセル１００は、ウルトラキャパシタセル１００を保護するための容器内に収容して、単セルキャパシタを形成することができ、または、複数のセルとともに容器内に収容して、多セルキャパシタを形成することもできると理解されたい。ウルトラキャパシタセル１００は、第１膜１０２、第２膜１０４、および第１膜１０２と第２膜１０４との間に設けられた電極仕切りリング１０６を有し得る。膜１０２および１０４は、導電性であり得、例えば、集電体要素として機能してウルトラキャパシタセル１００と外部回路との間の電気的接触を容易にする。グラファイトは、仕切りリング１０６との密閉を実現する性能と関係のある、電気的コンダクタンスおよび物理的特性を有しているので、膜１０２および１０４は、グラファイトを含むか、または実質的にグラファイトから構成され得る。膜１０２および１０４は、グラファイトと同様の物理的および電気的性質を備えた他の材料を含むか、またはそのような材料から実質的に構成され得ることを理解されたい。
【００２８】
第１グラファイト膜１０２の表面１１２は、電極仕切りリング１０６の第１縁部１０８と結合し得る。表面１１２は、ウルトラキャパシタセル１００の内部に面し得る、即ち、図１Ａに示す向きのように、下方を向き得る。第２グラファイト膜１０４の表面１１４は、電極仕切りリング１０６における、反対側の第２縁部１１０に結合し得る。反対側の第２縁部１１０は、電極仕切りリング１０６において、第１グラファイト膜１０２に結合した縁部１０８とは反対側の部分に位置する。第２グラファイト膜１０４の表面１１４は、ウルトラキャパシタセル１００の内部に面し得る、即ち、図１Ａに示す向きのように、上方を向き得る。
【００２９】
電極仕切りリング１０６の第１縁部１０８は、表面１１２と接触し、それらの間を密閉し得る。例えば、電極仕切りリング１０６の第１縁部１０８を、第１グラファイト膜１０２に押し込み、これにより、例えば、縁部１０８が、第１グラファイト膜１０２の表面１１２までめり込み、第１グラファイト膜１０２と電極仕切りリング１０６との間に密閉境界面１１６が形成される。電極仕切りリング１０６における、反対側の第２縁部１１０も、同様に、表面１１４と接触し、それらの間を密閉し得る。例えば、仕切りリング１０６の第２縁部１１０を、第２グラファイト膜１０４に押し込み、これにより、例えば、縁部１１０が、第２グラファイト膜１０４の表面１１４までめり込み、第２グラファイト膜１０４と電極仕切りリング１０６との間に密閉境界面１１８が形成される。
【００３０】
図１Ｂは、図１Ａのウルトラキャパシタセル１００の斜視図である。図１Ｂに示す実施形態によると、電極仕切りリング１０６、第１グラファイト膜１０２、および第２グラファイト膜１０４は、一つまたはそれ以上の湾曲縁部を有し得る。例として、円形または実質的に円形の形状を有する電極仕切りリング１０６、第１グラファイト膜１０２、および第２グラファイト膜１０４を示す。電極仕切りリング１０６は、図示のとおり、第１グラファイト膜１０２および第２グラファイト膜１０４に対して、中心に、または実質的に中心に配置され、または、膜１０２および１０４に対して、実質的にオフセット配置され得る。いくつかの実施形態において、第１グラファイト膜１０２および第２グラファイト膜１０４の大きさは、電極仕切りリング１０６よりも大きく、これにより、電極仕切りリング１０６を、第１グラファイト膜１０２および第２グラファイト膜１０４に十分確実に据え付けることができ、上述のように、密閉筐体を形成することができる。例えば、第１グラファイト膜１０２および／または第２グラファイト膜１０４は、直径が電極仕切りリング１０６の直径よりも大きく、これにより、電極仕切りリング１０６が、前述の、仕切りリング１０６と、第１グラファイト膜１０２と、第２グラファイト膜１０４との間における確実な結合および密閉を容易なものできる。同様に、膜１０２および／または膜１０４は、幅または周長が仕切りリング１０６よりも大きい。このように構成要素間で相対的に大きさを決めることで、電極仕切りリングとグラファイト膜との間を確実な結合を容易にするのに十分なグラファイト膜材料を用いてウルトラキャパシタセルを作製することが容易になり、そして、エネルギー密度が増加したウルトラキャパシタセル１００の作製が容易になる一方で、信頼性が向上したウルトラキャパシタセルを提供することができる。
【００３１】
図１Ｂにおける要素の、円形のまたは実質的に円形の断面形状は、説明目的のみに示されるものとすることを理解されたい。図１Ａに示されるウルトラキャパシタセル１００のようないくつかの実施形態において、電極仕切りリング、第１グラファイト膜、および／または第２グラファイト膜は、一つまたはそれ以上の、直線状のまたは実質的に直線状の縁部を有して、例えば、多角形状の断面を形成し得る。例えば、電極仕切りリング、第１グラファイト膜、および／または第２グラファイト膜は、三角形状のまたは実質的に三角形状の断面、および／または矩形形状のまたは実質的に矩形形状の断面、および／または他の規則的または不規則的な直線状または湾曲形状、またはこれらを組み合わせた断面・形状を有し得る。また、これらの構成要素は、後述のとおり、互いに同じまたは異なる形状を有し得る。例えば、電極仕切りリング１０６は、第１グラファイト膜１０２および／または第２グラファイト膜１０４の形状と同様または実質的に同様の形状を有していてもよいし、または有していなくてもよい。
【００３２】
図２は、第２グラファイト膜１０４に据え付けられた電極仕切りリング１０６の一例を上から見た平面図を示し、電極仕切りリング１０６の開口部と、第２グラファイト膜１０４とが、第２グラファイト膜１０４に隣接する電極仕切りリング１０６の内部に、内部空間１０６Ａを形成している。図２に示す実施形態において、電極仕切りリング１０６は、円形または実質的に円形の形状を有し、第２グラファイト膜１０４は、矩形または実質的に矩形の形状を有する。本明細書中で説明したとおり、電極仕切りリング１０６のような電極仕切りリングを、第１グラファイト膜１０２および／または第２グラファイト膜１０４のようなグラファイト膜に対して押し付ける、またはその逆に押し付けることにより、当該電極仕切りリングが、グラファイト膜に結合でき、これにより、電極仕切りリングの少なくとも一部分が、グラファイト膜にめり込む。例えば、電極仕切りリングの縁部の一部分を、グラファイト膜の厚み方向に完全には貫通させずに、グラファイト膜の所望の深さまでめり込ませ、これにより、電極仕切りリングがグラファイト膜上に確実に位置決めされ、電極仕切りリングとグラファイト膜との間に、密閉境界面が形成される。電極仕切りリングの一部分を、グラファイト膜の厚み方向に完全には貫通させずに、グラファイト膜の所望の深さまでめり込ませ、これにより、グラファイト膜は、ウルトラキャパシタセルと外部回路との間の十分な導電性を維持することができる。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングとグラファイト膜とを結合するプロセスには、圧縮荷重を用いて電極仕切りリングをグラファイト膜に据え付けるような、圧縮据付工程が含まれ得る。他にもまた、電極仕切りおよび／またはグラファイト膜に力を加える適切な方法が可能である。
【００３３】
グラファイト膜および電極仕切りリングは、ウルトラキャパシタセルの動作条件に耐えるよう構成されてもよい。いくつかの実施形態において、グラファイト膜および電極仕切りリングは、ウルトラキャパシタセルの動作条件のもとで、水系および／または非水系電解質に対して、化学的におよび／または熱的に安定であり得る。無孔質または実質的に無孔質であり得るグラファイト膜を設けることと、グラファイト膜と電極仕切りリングとの間を密閉することとにより、密閉式ウルトラキャパシタセルの作製が容易になり、様々な動作条件において、その内容物を確実に密封することができるウルトラキャパシタセルの作製が容易になる。例えば、電極仕切りに結合されたグラファイト膜で構成されたウルトラキャパシタセルは、例えば、１リットルあたり約０．５モル（Ｍ）から約２Ｍの濃度の硫酸のような、高濃度水系電解質とともに用いてもよい。このような実施形態によれば、水系電解質のコンダクタンスの増加により、キャパシタ性能が向上する。いくつかの実施形態において、電極仕切りに結合されたグラファイト膜で構成されたウルトラキャパシタセルは、アセトニトリル系電解質のような非水系電解質と相性がよい。例えば、アセトニトリルと塩とを含有する電解質が使用でき、当該塩として、テトラフルオロほう酸テトラエチルアンモニウムを含む、テトラフルオロほう酸塩アニオンおよび／または第四アンモニウムカチオンを含有する塩があげられる。いくつかの実施形態において、グラファイト膜は、電解質により劣化しやすい集電体要素の少なくとも一部分と置き替え得る。例えば、アルミニウム集電体のような金属集電体を、グラファイト膜と置き替え得る。電極仕切りリングに結合されたグラファイト膜で構成されたウルトラキャパシタセルは、例えば約３．０ボルトの上昇した動作電圧で動作する。
【００３４】
電極仕切りリングの実施形態は、様々な形状および／または寸法を有し得る。電極仕切りリングは、円形のまたは実質的に円形の外側形状、および／または矩形のまたは実質的に矩形の外側形状を有し、同様のまたは異なる形状の内側開口部を有する。電極仕切りリングの形状および／または寸法は、電極仕切りリングが結合するグラファイト膜のものと同様であってもよいし、そうでなくてもよい。例えば、グラファイト膜が矩形形状または実質的に矩形形状を有する一方、電極仕切りリングが円形または実質的に円形の形状を有し得、またはその逆でもよい。電極仕切りリングは、仕切りリングの内部空間（例えば、図２における内部空間１０６Ａ）内および電極仕切りリングとグラファイト膜とによって少なくとも部分的に形成される筐体内にウルトラキャパシタセルの他の構成要素を収容するように構成された高さおよび／または直径を有し得る。
【００３５】
電極仕切りリングは、任意の数の好適な材料から構成され得る。電極仕切りリングは、例えば、電極仕切りが埋め込まれ得る二枚のグラファイト膜の間を電気的に絶縁する電気的絶縁材料を含むか、または実質的に当該絶縁材料から構成され得る。電極仕切りリングは、ウルトラキャパシタセルの他の構成要素と相性がよい材料を含むか、または実質的に当該材料から構成され得る。また、電極仕切りリングは、ウルトラキャパシタセルを構造的に十分支持しながら、ウルトラキャパシタセルの動作中、熱的および／または化学的に安定であり得る。例えば、電極仕切りリングは、例えば、ウルトラキャパシタセルの動作条件のもとでは、ウルトラキャパシタセルの電解質溶媒に対して不透過または実質的に不透過となるように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングは、ポリイミドのような高分子材料を含むか、または実質的に当該高分子材料から構成され得る。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングは、セラミック材料を含むか、または実質的に当該セラミック材料から構成され得る。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングは、ガラスを含むか、または実質的にガラスから構成され得る。
【００３６】
いくつかの実施形態において、好適には、グラファイト膜は、バインダー材を全く含有しなくてもよいか、または実質的に含有しなくてもよい。いくつかの実施形態において、好適には、グラファイト膜の炭素含有量は、約８０重量％を超えてもよく、約９０重量％であってもよい。例えば、好適には、グラファイト膜の炭素含有量は、約９５重量％以上であってよい。いくつかの実施形態において、グラファイト膜は、膨張グラファイト材料から作製されたグラファイト箔のような、および／または不純物が約５０ｐｐｍ未満の膨張グラファイト材料のような特級グラファイト材料を含むか、または実質的に特級グラファイト材料から構成してもよい。例えば、好適には、グラファイト膜は、約９５重量％またはそれ以上のグラファイト材料を含んでいてもよい。また、他のタイプのグラファイト系および／またはカーボン系膜を用いてもよい。
【００３７】
いくつかの実施形態において、好適には、グラファイト膜の組成物を、例えば、圧延機により圧縮することで、グラファイト膜を形成することができる。いくつかの実施形態において、グラファイト膜の組成物を含有する混合物を、混練および押出し成形することで、例えば、所望の機械的強度および／または導電性を実現できる厚みを備えた可撓性膜状構造を形成することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態において、グラファイト膜が、任意の量のバインダー材を含有することで、グラファイト膜の所望の導電性を維持しながら、または実質的に維持しながら、グラファイト膜の構造的完全性が向上する。例えば、グラファイト膜は、約８５重量％から約９０重量％の範囲で、任意の量のカーボンを含有してもよい。いくつかの実施形態において、グラファイト膜は、バインダー材を約１５重量％より少なく含有し得る。好適なバインダー材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの共重合体、および／またはこれらを組み合わせたものがあげられる。ただし、これらに限定されない。
【００３９】
グラファイト膜は、様々な適切な厚さを持ち得る。いくつかの実施形態において、グラファイト膜は、厚さが、約１００ミクロン（uｍ）から約２０００ミクロンであり、これには約３００ミクロンから約１０００ミクロンが含まれ、これには約５００ミクロンが含まれる。いくつかの実施形態において、グラファイト膜は、厚さが、約４０ミクロンから約３００ミクロンであり、これには約１００ミクロンから約２００ミクロンが含まれる。いくつかの実施形態において、グラファイト膜は、厚さが、約４０ミクロンから約９０ミクロンであり、
これには約５０ミクロンから約８０ミクロンが含まれる。ウルトラキャパシタセルの複数のグラファイト膜は、図１Ａの第１グラファイト膜１０２および第２グラファイト膜１０４のように、厚さが同じまたは実質的に同じであってもよいし、そうでなくてもよい。いくつかの実施形態において、第１グラファイト膜１０２および第２グラファイト膜１０４の一方または両方は、厚さが約７５ミクロンであり得る。
【００４０】
図３は、ウルトラキャパシタセル１００の断面図であり、ウルトラキャパシタセル１００の内部の別の構成要素を、少なくとも部分的に示す。ウルトラキャパシタセル１００は、第１グラファイト膜１０２の表面１１２に隣接する第１電極膜１４２を有する第１電極１３０を有し得る。ウルトラキャパシタセル１００は、第１電極１３０と第２電極１３２との間に第２電極１３２セパレータ１４６を有してもよい。第２電極１３２は、第２グラファイト膜１０４の表面１１４に隣接する電極膜１４４を有する。ウルトラキャパシタセル１００は、第１電極１３０と第２電極１３２との間にセパレータ１４６を備え得る。例えば、セパレータ１４６は、第１電極膜１４２と第２電極膜１４４との間に配置してもよい。セパレータ１４６、第１電極膜１４２、および第２電極膜１４４は、別々にまたは個別に電解質に浸漬させてもよい。いくつかの実施形態において、グラファイト膜１０２および１０４と電極仕切りリング１０６とによって形成された筐体は、内部空間１０６Ａ（図２）内に、電解質、第１電極膜１４２、第２電極膜１４４、およびセパレータ１４６を取り囲んで密封する。
【００４１】
いくつかの実施形態において、電極仕切りリング１０６の内部空間１０６Ａは、形状および／または寸法が、第１電極１３０、第２電極１３２、および／またはセパレータ１４６を収容できるように構成され得る。例えば、電極仕切りリング１０６は、その内径、幅、または周長が、電極膜１４２および１４４およびセパレータ１４６のそれぞれの外径、幅、または周長よりも大きくてもよい。電極仕切りリング１０６は、内部空間１０６Ａに収容されている電極膜１４２および１４４およびセパレータ１４６のような一つまたはそれ以上の構成要素と同じ形状、類似の形状、または異なる形状を有し得る。例えば、電極仕切りリング１０６、電極膜１４２および１４４、およびセパレータ１４６は、それぞれ円形または実質的に円形の形状を有し得る。
【００４２】
いくつかの実施形態において、電極仕切りリング１０６は、高さが、電極膜１４２および１４４およびセパレータ１４６の厚さの合計よりも高くなり得る。例えば、電極仕切りリング１０６における、二枚のグラファイト膜１０２および１０４の各表面１１２および１１４の間に延びる一部分は、その高さを、ウルトラキャパシタセル１００の体積を減らすのに十分な低さにする一方、第１電極膜１４２、第２電極膜１４４、およびセパレータ１４６を収容できる十分な高さにしてもよい。このようなサイズ設定により、ウルトラキャパシタセル１００を、スペースの制約がある様々な用途に使用することが容易になる。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングの高さは、約５ミクロンから約４０ミクロンの間で、電極仕切りリングの内部空間内に収容されたキャパシタの構成要素の厚さの合計よりも高くしてもよく、キャパシタの構成要素としては、二枚のグラファイト膜の間に設けられた電極および／またはセパレータがあげられる。発明を限定しない一例として、図３に示すような構成例を有するウルトラキャパシタセルにおいて、二枚の電極膜１４２および１４４のそれぞれは、厚さが約１００ミクロンであってよく、また、セパレータ１４６は、厚さが約３０ミクロンであってよい。この例において、電極仕切りリング１０６は、高さが約２３０ミクロンより高くてもよく、例えば、約２３５ミクロンから約２７０ミクロンの範囲であってもよく、または、一例として、約２５０ミクロンであってもよい。また、電極膜、セパレータ、および／または電極仕切りリングは、他の厚さを有してもよい。
【００４３】
図４は、電極仕切りリング１０６の一例を示す斜視図である。ここに説明する仕切りリングは、仕切りリングと対応するグラファイト膜のうち一枚またはそれ以上との間の密閉および係合を改善すべく、様々な縁部断面輪郭をもつ縁部を有し得る。縁部の輪郭を非直線形にすると、電極仕切りリングと対応するグラファイト膜との間に密閉境界面を形成しやすくなり、および／または、対応するグラファイト膜上の所望の位置に電極仕切りリングを配置しやすくなる。例えば、密閉筐体を形成するために、電極仕切りリングの、凹部を有する第１縁部が、ウルトラキャパシタセルの第１グラファイト膜までめり込み、凸部を有する反対側の第２縁部が、ウルトラキャパシタセルの第２グラファイト膜にめり込み得る。電極仕切りリングの縁部の凸部および／または凹部は、複数の好適な形状のうちのいずれかを有し得る。
【００４４】
図４において、電極仕切りリング１０６の第１縁部１０８は、第１縁部輪郭１２０を有し、および／または、反対側の第２縁部１１０は、第２縁部輪郭１２２を有し得る。ここに示す種々の仕切りリングの縁部の輪郭は、互いに類似または非類似であり得る。図４に示すように、いくつかの実施形態において、電極仕切りリング１０６において、互いに反対に位置する縁部１０８および１１０は、互いに非類似の縁部輪郭１２０および１２２を有し得る。いくつかの実施形態において、互いに反対に位置する縁部１０８および１１０のうち一方または両方は、実質的に非平坦または非直線形の輪郭を有し、仕切りリング１０６とグラファイト膜１０２および１０４との間の密閉および係合を向上させることができる（図１Ａ〜図３）。例えば、図４を再度参照すると、互いに反対に位置する縁部１０８および１１０のうち一方または両方は、一つまたはそれ以上の凸部および／または凹部を有する縁部輪郭を有し得る。図４において、例えば、電極仕切りリング１０６は、少なくとも一部分に凹部を有する第１縁部輪郭１２０、および少なくとも一部分に凸部を有する第２縁部輪郭１２２を有し得る。図４に示すように、いくつかの実施形態において、第１縁部輪郭１２０は、二つの凸部の間に形成される凹部を有し得る。第１縁部輪郭１２０における凹部は、平坦な輪郭を有し、第１縁部輪郭１２０の凸部や、第２縁部輪郭１２２の凸部は、丸みのある形状を有し得る。縁部１０８および１１０の縁部輪郭を形成する凸部および／または凹部は、湾曲形状、直線形状、規則的形状、または、不規則的形状などの様々な形状を有し得る。例えば、縁部輪郭は、三角形状または実質的に三角形状の凸部または凹部を有し得る。縁部輪郭は、１つ以上の凹状部または凸状部を有し得る。
【００４５】
いくつかの実施形態において、縁部輪郭の凸部および／または凹部は、電極仕切りリングの縁部の一部分、縁部の全長（例えば、周長）、または実質的に縁部の全長に沿って延び得る。いくつかの実施形態において、縁部輪郭の凸部および／または凹部は、電極仕切りリングの縁部の長さに沿った一つまたはそれ以上の別個の位置に配置され得、また、電極仕切りリングの縁部の長さに沿って、一つまたはそれ以上の規則的な間隔で配置され得る。いくつかの実施形態において、縁部輪郭の凸部および／または凹部は、電極仕切りリングの縁部の長さに沿って、規則的な間隔で、２箇所、３箇所、４箇所、またはそれ以上の位置に配置され得る。いくつかの実施形態において、一つまたはそれ以上の凸部および／または凹部は、電極仕切りリングの縁部に沿って、任意の位置１箇所に配置され得る。
【００４６】
図３に示す第１電極膜１４２および／または第２電極膜１４４のような電極膜は、活物質成分、バインダー成分、および／または添加物成分を含有し得る。活物質成分は、電極の表面積を大きくするのに好適な材料を含んでいてもよい。活物質は、例えば、微細孔、メソ細孔、および／またはマクロ細孔を分散させることで得られる多孔性を有し得、この多孔性は、出力密度性能および／またはエネルギー密度性能のような所望のウルトラキャパシタ性能に合わせて最適化される。活物質は、カーボン材料、例えば、多孔性カーボン材料を含有してもよい。いくつかの実施形態において、活物質は、活性カーボンの粒子を含有するが、これに限定されない。いくつかの実施形態において、電極膜は、グラフェン、活性カーボン、および／または容量特性を示すような酸化材料を含み得、または実質的にこれらの材料から構成され得る。いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタセルの電極膜は、類似または非類似の成分を有し得る。
【００４７】
バインダー成分により、電極を構造的に支持してもよい。例えば、バインダー成分は、電極の活物質成分のための高分子マトリックス支持構造を提供する、一つまたはそれ以上の重合体を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、バインダー成分は、フッ素重合体（例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの共重合体、および／またはこれら重合体の混合物を含有し得る。
【００４８】
いくつかの実施形態において、電極膜は、導電性添加物成分を含有し得る。導電性添加物成分により、電極膜の導電性を向上させてもよい。例えば、導電性添加物成分は、導電性カーボン粒子および／または導電性カーボン繊維、グラファイトおよび／またはグラフェンを含んでもよいが、これに限定されない。また、他の活物質成分、バインダー成分、および／または添加物成分を用いてもよい。
【００４９】
電極膜の、例えば厚さのような寸法および／または組成は、所望のウルトラキャパシタの性能、例えば所望のエネルギー密度性能および／または出力密度性能を得るための所望の静電容量および／または抵抗、に合わせて最適化され得る。いくつかの実施形態において、電極膜は、厚さが、約５０ミクロン（μｍ）から約２００ミクロンであり、これには約８０ミクロンから約１５０ミクロンが含まれる。例えば、電極膜は、厚さが約１００ミクロンであり得る。いくつかの実施形態において、電極膜は、約５０重量％から約９９重量％の活性カーボンのような活物質成分、および／または、容量特性を有する酸化物を含有し得、上記範囲には約６０重量％から約９０重量％が含まれる。いくつかの実施形態において、電極膜は、約１重量％から約５０重量％のバインダー成分を含有し得る。いくつかの実施形態において、電極膜は、最大約３０重量％の添加物成分を含有し得、これには、例えば、電極の導電性を促進する導電性添加物成分があげられる。
【００５０】
セパレータは、第１電極と第２電極との間の短絡を防ぐ一方、第１電極と第２電極との間においてイオン種を移動できるように構成されてもよい。セパレータは、電気絶縁性の多孔性材料を含むか、または実質的に当該材料から構成され得る。いくつかの実施形態において、セパレータは、高分子材料、ガラス材料、セラミック材料、織布用および／または不織布用天然繊維のような天然繊維材料、これらの組み合わせ、および／または同等のものを含み得る。いくつかの実施形態において、セパレータは、紙を含むか、または実質的に紙から構成され得る。セパレータは、二つの電極間において所望の電気的分離を実現する一方、セパレータを介してのイオン種の移動を容易にするような厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、セパレータは、厚さが、約２０ミクロンから約１００ミクロンであり、これには、約３０ミクロンから約８０ミクロンが含まれる。例えば、セパレータは、厚さが約５０ミクロンであり得る。
【００５１】
図５は、一実施形態に係るウルトラキャパシタセルを作製するプロセス例２００を示す。ブロック２０２において、例えば、電極仕切りリング、第１グラファイト膜、第２グラファイト膜を準備し、具体的には、図１Ａ〜図３に示すような電極仕切りリング１０６、第１グラファイト膜１０２、第２グラファイト膜１０４を準備し得る。ブロック２０４において、電極仕切りリングの第１縁部を、第１グラファイト膜の表面に押し込み得る。ブロック２０６において、電極仕切りリングの、反対側の第２縁部を第２グラファイト膜の表面に押し込んで、第１グラファイト膜とともに密閉筐体を形成することができる。例えば、密閉筐体は、互いに対向する表面として、電極仕切りリングの縁部が押し込まれる第１グラファイト膜の表面および第２グラファイト膜の表面を有してもよい。圧力を、グラファイト膜および電極仕切りリングのうち一方または両方に加えて、電極仕切りリングをグラファイト膜に結合させてもよい。本明細書中で説明したように、グラファイト膜を貫通することなく、電極仕切りリングが所望の深さまでグラファイト膜に押し込まれて、電極仕切りリングのグラファイト膜における確実な位置決め、および電極仕切りリングとグラファイト膜との間の密閉境界面の形成が容易となるように、任意の量の圧力を電極仕切りリングおよび／または第１グラファイト膜に加えてよい。
【００５２】
いくつかの実施形態において、グラファイト膜と電極仕切りリングとを結合する前に、電極をグラファイト膜に取り付け得る。例えば、電極膜は、グラファイト膜を電極仕切りリングに結合する前に、グラファイト膜の表面に貼付し得る。また、この電極膜は、電極仕切りリングの開口部の内部に面するグラファイト膜の表面に貼付する。いくつかの実施形態において、第１電極膜および／または第２電極膜は、連続ロールトゥロールプロセスにおける熱積層工程のような積層処理を用いることにより、グラファイト膜を電極仕切りリングに結合する前に、それぞれのグラファイト膜の表面に貼付され得る。いくつかの実施形態において、電極膜が貼付される第１グラファイト膜および／または第２グラファイト膜の表面を、電極膜を貼付する前に、接着膜で覆うことで、電極膜とそれぞれのグラファイト膜との間の接着を容易にすることができる。接着膜は、任意の数の好適な接着材料を含み得る。接着材料としては、導電性接着材料があげられ、例えば、導電性カーボン充填接着材料および／または導電熱可塑性接着材料である。接着材料を様々な形状で貼付して、いろいろな形状を有する電極膜の接着を容易にしてもよい。例えば、接着膜を円形にして、円形の電極膜の接着を容易にしてもよい。いくつかの実施形態において、電極膜のうち、接着膜で覆われた領域の外側に貼付された部分は、作製プロセス中に、グラファイト膜上の接着膜の形状を有する部分を残しながら、除去し得る。
【００５３】
例えば、ウルトラキャパシタセルを組み立てるプロセスは、第１グラファイト箔の表面に第１電極膜を貼付する工程と、第２グラファイト箔の表面に第２電極膜を貼付する工程とを含み得る。電極仕切りリングを、第１グラファイト箔の表面に押し当て、第１グラファイト箔と電極仕切りリングとの間に密閉境界面を形成することができる。例えば、電極仕切りリングの開口部に沿った一つまたはそれ以上の縁部部分を、第１グラファイト膜の表面に押し込んで、電極仕切りリングと第１グラファイト膜との間に密閉境界面を形成し得る。電極仕切りリングは、電極仕切りリングの開口部が第１電極膜を囲むように、第１グラファイト箔に対して配置し得る。セパレータは、電極仕切りリングの開口部内で第１電極膜上に配置され得る。セパレータは、セパレータを介しての電極間での所望のイオン移動を許容する一方で、ウルトラキャパシタの電極間において十分な電気的分離を可能にする形状および／または寸法（例えば、厚さ）を有し得る。次いで、電極仕切りリングの開口部が第２電極膜を囲むように、第２グラファイト膜を取り付けた状態の第２グラファイト膜を電極仕切りリングに結合し、例えば、第２グラファイト膜を電極仕切りリングに押し当てることにより、またはその逆に押し当てることにより、密閉筐体を形成できる。いくつかの実施形態において、第２グラファイト膜を、電極仕切りリングの開口部に沿って配置された一つまたはそれ以上の縁部部分に押し込むことにより、電極リング仕切りと第２グラファイト膜との間に密閉境界面を形成する。電極仕切りリングの、一つまたはそれ以上の縁部部分は、当該電極仕切りリングにおいて、第１グラファイト膜に結合する部分とは反対側の部分に位置する。
【００５４】
いくつかの実施形態において、セパレータを、電極仕切りリングの開口部に挿入する前に、電解質に含浸させ得る。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングを第１電極膜および／または第２電極膜が取り付けられるそれぞれのグラファイト膜に結合する前に、第１電極膜および／または第２電極膜を電解質に含浸させ得る。いくつかの実施形態において、それぞれのグラファイト膜に取り付けた後、且つそれぞれのグラファイト膜を電極仕切りリングに結合する前に、第１電極膜および／または第２電極膜を電解質に含浸させ得る。本明細書中で説明したように、好適な電解質は、水系または非水系であり得る。
【００５５】
プロセス例２００に従って作製された図１に示すウルトラキャパシタセル１００のようなウルトラキャパシタセルは、ウルトラキャパシタセルの動作条件のもとでも確実に密閉され、水系および／または非水系電解質と相性がよいウルトラキャパシタセルが提供される。例えば、ウルトラキャパシタセルは、高モル濃度水系電解質とともに用いてもよい。例えば、ウルトラキャパシタセルは、中モル濃度非水系電解質などの非水系電解質とともに用いてもよい。ウルトラキャパシタセルは、動作電圧が上昇する等、その性能が向上する。例えば、プロセス例２００を用いて作製された非水系電解質を有するウルトラキャパシタセルは、上昇した動作電圧で動作するように構成され得る。プロセス例２００は、上昇した動作電圧、例えば、約３ボルト（Ｖ）の動作電圧で動作するように構成されたウルトラキャパシタセルを確実に作製する拡張性のあるプロセスを提供し得る。
【００５６】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、複数の独立したエネルギー蓄積セルを有し得る。例えば、ウルトラキャパシタは、複数の独立したウルトラキャパシタセルを有し得る。図６Ａを参照する。一実施形態によると、エネルギー蓄積装置３００は、積層構成を有する５つの独立したウルトラキャパシタセルを有し得る。例えば、独立したウルトラキャパシタセルは、電気的に直列に接続してもよい。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置３００は、第２ウルトラキャパシタセル３４０に隣接する第１ウルトラキャパシタセル３２０、第２ウルトラキャパシタセル３４０に隣接する第３ウルトラキャパシタセル３６０、第３ウルトラキャパシタセル３６０に隣接する第４ウルトラキャパシタセル３８０、および第４ウルトラキャパシタセル３８０に隣接する第５ウルトラキャパシタセル４００を有し得る。セル３２０、３４０、３６０、３８０、および４００は、セル１００（図１Ａ〜図４）に類似し得る。いくつかの実施形態において、各ウルトラキャパシタセルは、グラファイト膜３２２、３４２、３６２、３８２、４０２のような第１グラファイト膜と、グラファイト膜３２４、３４４、３６４、３８４、４０４のような第２グラファイト膜と、各第１グラファイト膜と第２グラファイト膜との間に設けられた電極仕切りリング３２６、３４６、３６６、３８６、４０６のような電極仕切りリングとを有し得る。隣接するグラファイト膜同士は、互いに電気的に接触していてもよい。例えば、第１ウルトラキャパシタセル３２０の第２グラファイト膜３２４は、第２ウルトラキャパシタセル３４０の第１グラファイト膜３４２と電気的に接触していてもよく、以下同様に接触していてもよい。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置３００のウルトラキャパシタの積層における、互いに隣接するウルトラキャパシタセルに対応する互いに隣接するグラファイト膜同士が、互いに接触し、互いに隣接するウルトラキャパシタ間の電気的結合を容易にすることができる。例えば、ウルトラキャパシタセルの積層における、互いに隣接するウルトラキャパシタセルに対応する互いに隣接するグラファイト膜同士は、互いに直接接触し得る（例えば、むき出しのグラファイト膜同士が、互いに直接接触し得る）。いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタセルの積層における、互いに隣接するウルトラキャパシタセルに対応する互いに隣接するグラファイト膜同士は、例えば、導電性接着剤のような接着剤や、他の介在導電性成分を用いて、互いに結合され得る。独立したウルトラキャパシタセルは、類似の、または実質的に類似の構成を有してもよいし、そうでなくてもよい。
【００５７】
いくつかの実施形態において、グラファイト膜３２４および３４２、３４４および３６２、３６４および３８２、および／または３８４および４０２のような、図６Ａに示す一枚またはそれ以上の互いに隣接するグラファイト膜は、連続するまたは実質的に連続する１枚のグラファイト膜であり得る。例えば、図６Ａの互いに隣接するグラファイト膜３２４および３４２は、２枚の別個のグラファイト膜としてではなく、連続するまたは実質的に連続する１枚のグラファイト膜であり得る。いくつかの実施形態において、グラファイト膜が２つの隣接するエネルギー蓄積セルのための集電体として機能するように、当該グラファイト膜の２つの対向する表面のそれぞれに電極を取り付けてもよい。例えば、グラファイト膜が、第１エネルギー蓄積セルおよび第２エネルギー蓄積セルの両方のための集電体として機能できるように、第１エネルギー蓄積セルの第２電極膜を当該グラファイト膜の第１表面に貼付し、第２エネルギー蓄積セルの第１電極膜を当該グラファイト膜における反対側の第２表面に貼付し得る。
【００５８】
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置３００が、ウルトラキャパシタの積層の各端における二枚のグラファイト膜のそれぞれに結合する導電性要素を有することで、エネルギー蓄積装置３００と外部回路との間の電気的接触が容易になる。例えば、第１導電性要素４２０は、第１ウルトラキャパシタセル３２０の第１グラファイト膜３２２に結合させてもよく、また、第２導電性要素４２２は、第５ウルトラキャパシタセル４００の第２グラファイト膜４０４に結合させてもよい。導電性要素４２０および４２２は、任意の数の金属材料のような導電性材料を含むか、または実質的に当該材料から構成され得る。例えば、導電性要素４２０および４２２のうち一方または両方は、アルミニウム箔のようなアルミニウム材料から作られた膜から構成され得る。いくつかの実施形態において、導電性要素４２０および４２２のうち一方または両方は、銅、ニッケル、白金、銀、これらの合金、および／または同等のもののような、他の種類の金属を含有する膜から構成され得る。導電性箔は、積層処理のような加熱押圧処理を介して、それぞれのグラファイト膜上に取り付けてもよい。いくつかの実施形態において、電極仕切りリングに結合されたグラファイト膜から少なくとも部分的に構成された一つまたはそれ以上の独立したエネルギー蓄積セルを有する、図６Ａに示すようなエネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタセルの動作条件のもとで確実な密閉状態を維持する性能により優れ、独立したエネルギー蓄積セル間の短絡を減少させ得る。いくつかの実施形態において、図６Ａに示すようなエネルギー蓄積装置のエネルギー蓄積セルは、上昇した動作電圧、例えば、セルあたり約３ボルト（Ｖ）の動作電圧における動作が容易である。例えば、図６Ａに示すように５つのウルトラキャパシタセルを有するエネルギー蓄積装置は、５つの独立したウルトラキャパシタセルが互いに電気的に直列に結合しており、例えば、導電性構成材４２０および４２２間の合計電圧が、約１５ボルト（Ｖ）になり得る。
【００５９】
図６Ｂは、図６Ａに示すエネルギー蓄積装置３００の斜視図である。図６Ｂは、円形または実質的に円形の形状の電極仕切りリングとグラファイト膜とを有する各ウルトラキャパシタセル３２０、３４０、３６０、３８０、および４００を示す。例えば、各ウルトラキャパシタセル３２０、３４０、３６０、３８０、および４００は、互いに類似の構成を有してもよく、同じまたは類似の構成を有する５つのウルトラキャパシタセルから構成される積層を備えるエネルギー蓄積装置３００を形成する。本明細書中に説明したように、装置３００の互いに隣接するグラファイト膜の一組または一組以上は、二枚別個のグラファイト膜からではなく、連続するまたは実質的に連続する一枚のグラファイト膜から形成されてもよい。装置３００は、別の数のウルトラキャパシタセル、別の種類のエネルギー蓄積セル（例えば、独立した電池セルおよび／または電池−キャパシタ複合セル）、および図示した略円形以外の形状を有する独立したエネルギー蓄積セルを有し得る。
【００６０】
図６Ｂにおいて、エネルギー蓄積装置３００のウルトラキャパシタの積層の第１端は、第１導電性要素４２０に結合され、また、ウルトラキャパシタセルの積層の第２端は、第２導電性要素４２２に結合され得る。第１ウルトラキャパシタセル３２０のグラファイト膜は、第１導電性要素４２０に結合しているように示され、第５ウルトラキャパシタセル４００のグラファイト膜は、第２導電性要素４２２に結合しているように示され、第１導電性要素４２０および第２導電性要素４２２はそれぞれ、結合するグラファイト膜と同様の形状および大きさを有する。例えば、第１導電性要素４２０および第２導電性要素４２２は、円形または実質的に円形の形状を有し、また、結合するグラファイト膜の直径と同じまたは同等の直径を有し得る。
【００６１】
いくつかの実施形態において、導電性要素は、それが結合するグラファイト膜のものとは異なる大きさおよび／または形状を有し得る。例えば、導電性要素は、それが結合するグラファイト膜のものよりも、大きさが極めて大きくても、または小さくてもよい。例えば、導電性要素は、対応するグラファイト膜が円形または実質的に円形の形状を有する一方で、一つまたはそれ以上の直線形または実質的に直線形の縁部を有してよいし、またその逆でもよい。
【００６２】
一実施形態によると、エネルギー蓄積装置３００は、５つの独立したウルトラキャパシタセル（例えば、二極性ウルトラキャパシタセル）を有し得る。独立した各ウルトラキャパシタセルは、静電容量が約６．７ファラド（Ｆ）となり、動作電圧が約２．７ボルト（Ｖ）となるような構成（例えば、ウルトラキャパシタ成分および／または組成）を有する。例えば、エネルギー蓄積装置３００は、装置の静電容量が約１．３ファラドとなり、装置の動作電圧が約１３．５ボルトとなり、またはエネルギー性能が約０．０３ワット時（Ｗ−ｈ）となるように、電気的に直列に接続された５つの独立したウルトラキャパシタセルを有し得る。いくつかの実施形態において、独立したウルトラキャパシタセルの動作電圧は、約３．０ボルトであり得る。いくつかの実施形態において、各ウルトラキャパシタセルは、それぞれの厚さが約７６ミクロン（μｍ）の第１グラファイト膜および第２グラファイト膜、それぞれの厚さが約１００ミクロンの第１電極膜および第２電極膜、および厚さが約５０ミクロンのセパレータを有し得る。第１電極膜および第２電極膜は、円形または実質的に円形の形状を有してもよく、各電極膜は、直径が約５０ミリメートル（ｍｍ）である。独立した各ウルトラキャパシタセルは、アセトニトリルを含有する電解質溶媒と、テトラフルオロほう酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＴＦＢ）を約１モル（Ｍ）の電解質塩濃度で含有する電解質塩とを含んでいてもよい。
【００６３】
別の実施形態によると、エネルギー蓄積装置は、積層構成で直列に接続された２００個の独立したウルトラキャパシタセルを有し得る。各ウルトラキャパシタセルは、静電容量が約６．７ファラド（Ｆ）となり、動作電圧が約２．７ボルト（Ｖ）となるような構成（例えば、ウルトラキャパシタ成分寸法および／または組成）を有する。例えば、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置は、装置の動作電圧が約５４０ボルトとなり、静電容量値が約０．０３４ファラドとなり、またはエネルギー性能が約２．８ワット時となる。いくつかの実施形態において、独立した各ウルトラキャパシタセルの動作電圧は、約３．０ボルトであり得る。
【００６４】
図７は、積層構成された複数のウルトラキャパシタセルを有するエネルギー蓄積装置を作製するプロセス例５００を示す。ブロック５０２において、複数のウルトラキャパシタセルを形成し得る。例えば、複数のウルトラキャパシタセルのうち一つまたはそれ以上を、本明細書中に説明したような一つまたはそれ以上のプロセスに従って形成してもよい。ブロック５０４において、複数のウルトラキャパシタセルを、互いに積み重ねて、複数のウルトラキャパシタセルから構成される積層を構成することができる。例えば、複数のウルトラキャパシタセルを互いに一列に積層することで、積層構成を有するエネルギー蓄積装置の形成が容易になり得る。互いに隣接するウルトラキャパシタセルは、当該二つの隣接するウルトラキャパシタセルが並んで、電気的に直列に結合するように、互いに重ねて、且つ互いに電気的に接触させ得る。いくつかの実施形態においては、本明細書中に説明したように、積層構成を有するエネルギー蓄積装置における二つの互いに隣接するエネルギー蓄積セルは、二枚の別個の互いに隣接するグラファイト膜を有するのではなく、連続するまたは実質的に連続する一枚のグラファイト膜を共有し得る。例えば、隣接する第１エネルギー蓄積セルの第１電極仕切りリングは、共有のグラファイト膜の第１表面と結合され得、隣接する第２エネルギー蓄積セルの第２電極仕切りリングは、当該共有のグラファイト膜における反対側の第２表面に結合され得る。これにより、第１エネルギー蓄積セルおよび第２エネルギー蓄積セルのそれぞれの密閉筐体の形成が容易になる。いくつかの実施形態において、隣接する第１および第２エネルギー蓄積セルのその他部分は、本明細書中で説明したような一つまたはそれ以上のプロセスを用いて作製され得る。ブロック５０６において、第１導電性要素は、ウルトラキャパシタセルのグラファイト膜、例えば、積層された複数のウルトラキャパシタセルの最初のウルトラキャパシタセルの第１グラファイト膜に取り付けられ得る。ブロック５０８において、第２導電性要素は、ウルトラキャパシタセルのグラファイト膜、例えば、積層された複数のウルトラキャパシタセルの最後のウルトラキャパシタセルの第２グラファイト膜に取り付けられ得る。第１および第２導電性要素は、本明細書中で説明したような一つまたはそれ以上のプロセスに従って、対応する各ウルトラキャパシタセルに取り付けてもよい。
【００６５】
本発明を、特定の実施形態および実施例のコンテクストにおいて開示したが、当業者は、本発明の範囲が、具体的に開示された実施形態の範囲を超えて、本発明の他の代替の実施形態および／または用途ならびに自明な改変およびその同等物を及ぶことを理解されたい。また、発明の実施形態のいくつかの変形例を詳細に図示および説明したが、本発明の範囲内における他の改変例も、本開示に基づいて当業者に容易に理解されるものである。また、実施形態の具体的な特徴や態様のさまざまな組み合わせまたは部分的な組み合わせ（ｓｕｂ−ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）がなされてもよく、それらもまた本発明の範囲に包含される。開示された実施形態のさまざまな特徴および態様は、開示された発明の実施形態の異なる態様を形成するために、互いに組み合わされ、または代替され得ることを、理解されたい。従って、本明細書中に開示の本発明の範囲は、上述のいかなる特定の実施形態によっても限定されないものとする。
【００６６】
本明細書中に見出しが記載されている場合は、当該の見出しは便宜的なものであり、本明細書中に開示の装置および方法の範囲や意味に影響を必ずしも及ぼすものでなはい。
【図１Ａ】
0006444975.tif 000002
【図１Ｂ】
0006444975.tif 000003
【図２】
0006444975.tif 000004
【図３】
0006444975.tif 000005
【図４】
0006444975.tif 000006
【図５】
0006444975.tif 000007
【図６Ａ】
0006444975.tif 000008
【図６Ｂ】
0006444975.tif 000009
【図７】
0006444975.tif 000010