[发明专利]源自混合碳组合物的用于电容器的电极

说明书

致相关人士：

我们是居住在密歇根州英厄姆郡东兰辛市的韩国公民InhwanDo和居住在密歇根州英厄姆郡东兰辛市的韩国公民HyunjoongKim，发明了由混合碳物质组合物制备的新型且新颖的装置，其为在本说明书中描述的源自混合碳组合物的用于电容器的电极。

本申请要求2013年3月15日提交的序列号为61/786,745的美国临时申请的优先权。

在本文中描述的发明涉及湿碳纸加工、由混合碳组合物制备的湿碳纸和由这样的湿碳纸制备的电极，以及由这样的电极制备的电容器。

在本文中公开的部分工作是根据美国空军研究实验室合同#FA9453-12-M-0032来进行的。

发明背景

对石墨烯/碳或石墨烯/石墨电化学双层电极进行了现有技术检索。仅一篇参考文献建议用石墨烯涂覆碳。几篇参考文献分别包括石墨烯、活性炭和石墨作为电化学双层电极的可能组分，但是并未建议其的组合，或者这样的组合的任何益处。另外，现有技术参考文献均未涉及使用这样的碳组合制备用于电极的碳纸的湿法工艺。

在名称为METHODFORMANUFACTURINGPOSITIVEELECTRODACTIVEMATERIALFORENERGYSTORAGEDEVICEANDENERGYSTORAGEDEVICE的美国专利公开2012/0088156A中，教导了一种制备电极的多步骤方法，包括将石墨烯氧化物添加至电极混合物和将石墨烯氧化物还原为石墨烯。从属权利要求之一包括添加小于1％的导电助剂，其可以是炭黑。

名称为ELECTRODEFORENERGYSTORAGESYSTEMS,PRODUCTIONMETHODTHEREOFANDENERGYSTORAGESYSTEMCOMPRISINGSAIDELECTRODE的美国专利7,907,387教导了使用碳活性材料的浆料或墨水来形成片，干燥和添加用于电化学双层电容器的铝网集流体。

美国专利6,768,631教导了用于制备多孔碳材料的方法，多孔碳材料和使用该多孔碳材料的双电层电容器。这篇专利教导了被压延至用于电容器的铝网集流体上的干燥的碳材料混合物。

Http：//digitaleprints.um.edu.m/1978/7/CH6.pdf教导了在施加至用于电容器的铝网的浆料中使用炭黑。

本发明的方法和电极材料不同于任何现有技术材料。从未建议活性材料为用石墨烯增强的活性炭。将碳材料与铝网一起使用不是独特的，但是被压延至铝网上的半干膜的制造是独特的。

发明内容

在本文中公开并要求保护的发明涉及制作极高重量和体积电容(＞200F/g)、能量密度(+30Wh/kg)和功率密度(+15kW/kg)的电化学双层电容器，其由安装或涂覆在作为集流体的铝网上的用高表面碳例如活性炭、碳纳米纤维、炭黑、碳气凝胶和石墨烯制得的独立纸、浆料或干燥混合物构成。使用湿碳纸工艺来进行该方法。石墨烯为纳米尺寸石墨烯纳米管和纳米尺寸石墨烯纳米片。

通过将独立碳纸安装在铝网集流体上随后压缩或压延来制作用于电容器的电极。还可以通过将高表面积碳浆料涂覆在铝网集流体上来制作该电极。还可以通过将高表面积碳粉末混合物干法涂覆在铝网集流体上来制备该电极。将这样的电极与聚合物分隔体和电解质例如离子液体或溶解在有机溶剂中的季铵盐组装在一起。其在基于离子液体电解质的电化学双层电容器中可产生＞200F/g的电极电容、200Wh/kg的电极能量密度、15KW/kg的电极功率密度和50％的电极孔隙率，这使得开发具有30Wh/kg的能量密度和15KW/kg的功率密度的装置成为可行的。

因此，在本文中公开了包含活性炭与石墨烯的组合的物质组合物。“组合”意味着将材料混合，并不仅仅是在彼此上涂覆。此外，这种组合可以进一步与碳纳米纤维，炭黑，碳气凝胶，纳米纤维、炭黑或碳气凝胶与活性炭和石墨烯的组合的任何组合进行组合。另外，可存在上文刚刚提到的碳的活化衍生物。

在本发明的第一实施方案中，存在电化学双层电容器。所述电容器包含：两个铝网集流体，每个所述铝网集流体在其上沉积有活性炭与石墨烯的组合；位于集流体之间的分隔体；和电解质，假设每个电容器具有与之相连的外壳。

另外，存在电化学双层电容器的实施方案，其中所述电容器包含两个铝网集流体，每个所述铝网集流体在其上沉积有活性炭、石墨烯与选自由碳纳米管、碳纳米纤维、炭黑和碳气凝胶构成的组的任何碳组合的组合。存在位于集流体之间的分隔体，和电解质。