(57)【要約】    高表面積ナノサイズのグラフェンおよび炭素組成物に関する【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高表面積ナノサイズ黒鉛と炭素の組み合わせから構成される物質の組成物であって、前記ナノサイズ黒鉛はナノサイズグラフェン、ナノチューブおよびナノサイズグラフェンナノプレートレットから成る群から選択されることを特徴とする物質の組成物。
【請求項２】
炭素が：
ａ．活性炭；
ｂ．カーボンブラック、及び、
ｃ．炭素ナノファイバー、及び、
ｄ．カーボンエアロゲル
から本質的になる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の物質の組成物。
【請求項３】
請求項１に記載される組成物の製造プロセスであって、該プロセスは：
ｉ．    グラフェンを適切な溶媒に分散させる工程；
ｉｉ．  炭素を適切な溶媒に分散させる工程、
ｉｉｉ．スラリーを形成するためにｉとｉｉの生成物を組み合わせて混合する工程
ｉｖ．  シート形状を提供するために前記スラリーを濾過する工程
ｖ．    ｉｖにおいて形成されたシートを乾かす工程
ｖｉ．  所望の厚さ及び表面仕上げにシートをカレンダー仕上げする工程
を含むプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ミシガン州インガム郡イーストランシング市に居住する韓国国民であるＩｎｈｗａｎＤｏ、ミシガン州インガム郡イーストランシング市に居住する韓国国民であるＨｙｕｎｊｏｏｎｇＫｉｍは新規の物質の組成物、グラフェン／炭素組成物を発明した。
【０００２】
グラフェン／炭素組成物
それについて以下詳細に記載する。
この出願は２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／７８６７３５号による優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は新しい物質の組成物に関する。
【０００４】
その発明は、キャパシタ用に高表面積ナノサイズのグラフェンおよび炭素を使用する。
グラフェン／炭素のハイブリッド電極は、電気化学キャパシタに対する性能向上の相乗作用効果を示す。
活性炭の両方の形態は活物質として作用し、またグラフェンは活物質として作用する。
【０００５】
活性炭は、商用電気化学キャパシタにおいて一般に使用される材料である。
しかしながら、それらは高エネルギーと電気密度を必要とする応用に対して必要な十分な性能を提供しない。
このような性能の不足は、無作為に相互に連結した内部のミクロポアの非常に広い粒度分布によって引き起こされる不十分な導電率および不十分なイオン輸送が原因である。
【０００６】
グラフェンは、その高表面積、高い機械的および電気的特性、非常に不活性な表面特性、少ない不純物、などにより電気化学キャパシタで使用される。
ナノサイズのグラフェンは、主としてメゾポアとマクロ細孔から成り、ひいてはナノサイズのグラフェンの表面積はかなり大きな電解質イオンによってさえ利用可能である。
６００ｍ２／ｇの表面積を備えたナノサイズのグラフェンは、ナノサイズのグラフェンと同等の表面積を持っている単層及び二層のカーボンナノチューブのような新しいカーボン・ナノ構造体をしのぐ非常に高い特有の電気容量を示す。
【０００７】
グラフェンは、高コスト活性炭を低コストのグラフェンに交換することにより、電極のコストを低減させ、一方で少なくとも５から２０％までエネルギーの蓄積量を向上させる。
グラフェンはまたエネルギーと電気密度の両方を増加させるために、イオン移動触媒としても作用する。
内部抵抗はまた減少する。
【０００８】
この発明の製法および材料は先行技術で発見されたものと異なる。
電極にカーボンブラックとグラフェンを使用することを直接要求する唯一の文献は、金属系活物質により伝導を増加させるためだけに行う。
活物質がグラフェンにより高められた活性炭であることは記載も示唆もされていない。
【０００９】
そのような開示は、ＵＳ２０１２／００８８１５６Ａで見いだされ、この出願は電極混合物にグラフェン酸化物を加える工程と、グラフェン酸化物をグラフェンに還元する工程を含む電極を生産するための多段階法を教示する。
従属請求項のうちの１つは、カーボンブラックでありうる伝導性助剤を１％未満加える工程を含む。
【発明の概要】
【００１０】
１つの実施形態として本明細書に開示され請求されるものは、高表面積ナノサイズの黒鉛及び炭素の組み合わせを含む物質の組成物である。
黒鉛は、ナノサイズグラフェンナノチューブおよびナノサイズグラフェンナノプレートレットであり、炭素は、例えば活性炭、カーボンブラック、および炭素ナノファイバーおよびカーボンエアロゲルであってもよい。
【００１１】
さらに、この発明において、上で述べられるような組成物を製造する方法が提示される。
製造のプロセスは、グラフェンを適切な溶媒に分散させる工程、炭素を適切な溶媒に分散させる工程、スラリーを形成するために生成物をともに組み合わせ、混合する工程、シート形状を提供するためスラリーをろ過する工程、シートを乾かす工程、及び、所望の厚さ及び表面仕上げにシートをカレンダー仕上げする工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、重量分析電気容量Ｆ／ｇ（ファラデー／グラム）対電流密度Ａ／ｇ（アンペア／グラム）を用いた実施例１において調製された材料の電気化学の特性評価の定電流に関する充電／放電の図である。
【図２】図２は、電流密度Ａ／ｇ対体積比電気容量Ｆ／ｃｍ３を用いた体積比電気容量の図である。
【図３】図３は、重量分析エネルギーＷｈ／Ｋｇ対電流密度Ａ／ｇの図である。
【図４】図４は、体積比エネルギーｍＷｈ／ｃｍ３対電流密度Ａ／ｇの図である。
【図５】図５は、重量分析仕事量（Ｐｏｗｅｒ）ｋＷ／ｋｇ対電流密度Ａ／ｇの図である。
【図６】図６は、体積比仕事量Ｗ／ｃｍ３対電流密度Ａ／ｇの図である。
【発明の詳細な説明】
【００１３】
本発明は、活性炭にグラフェンを加えることに関する。
本明細書において炭素は、１０ナノメートルから１００ミクロンの間の平均サイズ、および約３００ｍ２／ｇよりも大きいＢＥＴ表面積を有する点で有用である。
グラフェンは、３０ナノメートルから５０ミクロンの間のサイズ、および約３００ｍ２／ｇより大きいＢＥＴの表面を持っている。
さらに、グラフェンは、約２５と２５，０００の間のアスペクト比を有する。
炭素に対するグラフェンの比は０．５と１０の間である。
【００１４】
図１から６において、重量比で、１が１００％のＹＰ５０Ｆ、２が９０％のＹＰ５０Ｆおよび１０％のＣ７５０を示す；３が８０％のＹＰ５０Ｆおよび２０％のＣ７５０を示す；４が７０％のＹＰ５０Ｆおよび３０％のＣ７５０を示す；５が６０％のＹＰ５０Ｆおよび４０％のＣ７５０を示す；６が５０％のＹＰ５０Ｆおよび５０％のＣ７５０を示す。
【００１５】
図７および８において、１は１００％のｘＧｎＰＸｇＳｃｉｅｎｃｅｓ  ｇｒａｐｈｅｎｅを示す；２は９０％の活性炭および１０％のｘＧｎＰを示す；３は１００％のＫａｎｓａｉ  ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎを示す；及び４は１００％のＹＰ５０Ｆ活性炭を示す。
【実施例】
【００１６】
実施例１
商用活性炭（ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＡＲＢＯＮ；ＹＰ−５０Ｆ、１５００ｍ２／ｇ、Ｋｕｒａｒｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）およびナノサイズグラフェン（Ｃ−７５０、７５０ｍ２／ｇ、ＸＧ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｌａｎｓｉｎｇ，  Ｍｉｃｈｉｇａｎ）はこの実施例の中で活物質として用いられた。
カーボンブラック（Ｓｕｐｅｒ  Ｃ、  Ｔｉｍｃａｌ）およびＰＶＤＦは導電剤および高分子結合材としてそれぞれ用いられた。
ナノサイズのグラフェン：Ｓｕｐｅｒ−Ｃ：ＰＶＤＦの典型的な荷重配分比８８：７：５から成る活性炭のペーストは、ドクターブレード法によってアルミニウム箔上にコーティングされた。
電気化学の特性評価のための定電流充電／放電は、０−２．５Ｖの範囲内で１ＭのＴＥＡＢＦ４／アセトニトリル電解質の中で行なわれた。
【００１７】
活性炭とナノサイズのグラフェンのハイブリッド形成による相乗作用の効果は、弱電流密度（＜Ａ／ｇ）では示されなかった一方、ナノサイズのグラフェン／活性炭電極の電気容量は、高電流密度（＞ｌＡ／ｇ）において活性炭のみの電極よりも増加した。
ナノサイズのグラフェンの３０％から４０％の追加は、最良の相乗作用の効果を達成するように最適であるように思われる。
図１および２を参照する。
【００１８】
エネルギー密度を比較した。
電流密度に応じた重量分析比エネルギー密度の性質は、電気容量の性質に似ていた。
しかしながら、ナノサイズのグラフェン／活性炭電極の体積比エネルギー密度は、電流密度にかかわらず活性炭電極の体積比エネルギー密度より高かった。
【００１９】
電力密度を比較した。
重量分析比及び体積比の両方の粉末密度は、ナノサイズグラフェンの優れた導電率により電流密度及びナノサイズグラフェンの含有量に関わらず、ナノサイズグラフェン／活性炭電極に関して増加した。
さらに図３および４を参照する。
【００２０】
実施例２
２つの商用活性炭が能動部分として使用された：
ＹＰ−５０Ｆ（１５００ｍ２／ｇ、Ｋｕｒａｒａｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）およびＭＳＰ−２０（２２００ｍ２／ｇ、Ｋａｎｓａｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）。
ナノサイズグラフェン（Ｃ−７５０、７５０ｍ２／ｇ）及び多層カーボンナノチューブ（２３０ｍ２／ｇ、Ｈａｎｗｈａ  Ｎａｎｏｔｅｃｈ）はそれぞれ別の活物質及び結合剤として使用された。
活性炭あるいは活性炭／ナノサイズのグラフェンは、６０分間浴槽型超音波処理器を使用してイソプロピルアルコールに分散され、カーボンナノチューブはまた１時間イソプロピルアルコール中で別々に超音波分解された。
分散した活性炭およびカーボンナノチューブ溶液は組み合わされ、その後さらに６０分の超音波処理が行われる。
次に、活性炭カーボンナノチューブおよび活性炭／ナノサイズのグラフェン・カーボンナノチューブ分散液（インク）は、膜濾過システムを用いてろ過される。
２時間、真空下で、８０℃で乾燥させた後、活性炭カーボンナノチューブおよび活性炭／ナノサイズのグラフェン・カーボンナノチューブ遊離紙（ｆｒｅｅ  ｓｔａｎｄｉｎｇ  ｐａｐｅｒ）はＮｉ発泡体の上でカレンダー仕上げされる。
２つの同様な活性炭カーボンナノチューブ電極を備えた２０１６コインセルに対する電気化学試験は、１ＭのＴＥＡＢＦ４／アセトニトリル電解質の中で行われた。
【００２１】
活性炭／ナノサイズのグラフェン・カーボンナノチューブ電極の特有の電気容量およびエネルギー密度は、活性炭カーボンナノチューブ電極のものより高いことを示し、それは電気化学キャパシタのための協同的な材料として活性炭ナノサイズグラフェンのハイブリッド形成の相乗効果を確かにする。
図５および６を参照する
【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】
2016518705.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
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