[发明专利]具有基于石墨烯的电极和/或肽的超级电容器配置

说明书

技术领域

本公开技术一般地涉及电化学储能装置，更特别涉及包括石墨烯和/或肽的超级电容器配置。

背景技术

电化学储能装置包括电化学电容器和锂电池。双电层电容器(EDLC)，也称为"超级电容器"或"超电容器"，是一种电化学电容器，其特征在于相对于常规电容器具有非常高的能量密度。EDLC涉及电荷在电解质与高表面积导体之间的界面处形成的双电场中的分离，而不是由常规介电材料分隔的两个金属板。基本的EDLC电池配置为配置在称为集电体的平行导电板的相对面上的一对高孔隙度的电极，通常包括活性碳。所述电极灌注着电解质，且通过由多孔电绝缘性和离子渗透性的膜组成的间隔物分隔。当在电极之间施加电压时，来自电解质的负离子流向正极，而来自电解质的正离子流向负极，如此通过积聚的离子电荷在各电极/电解质界面处形成双电层。因此，通过在各界面处分隔正负电荷而储存能量。所述间隔物防止导电电极之间的电接触，但允许离子交换。当EDLC放电时，如通过向外部电气装置供电，由于离子从电极表面释放，电极之间的电压产生电流。EDLC在多次充电循环中可以再充电和放电。

活性碳电极的极高表面积与双电层之间纳米级别(与静电电容器的毫米和电解电容器的微米相比)的间距组合，使得单位质量能够吸收大量离子，因此实现比常规电容器高若干数量级的能量密度。所述电解质可以是水基溶液(例如，氢氧化钾(KOH)或硫酸(H₂SO₄)的水溶液)或有机物基(例如，乙腈(CH₃CN)、聚碳酸亚丙酯)溶液。在水基电解质中，所述电压限于大约1V(超过1V则水分解)，而有机物基电解质具有约2.5-3.0V的更高的最高电压。由于各单个EDLC电池限于较低电压，因而多个EDLC电池可以串联以能够进行更高的电压操作。然而，串联降低总电容量且还需要电压平衡。

虽然与电化学电池相比，EDLC中的每单位重量储存的能量的量通常较低，但EDLC具有更大的功率密度和高充电/放电速率。此外，EDLC具有比电池长得多的使用寿命，且能够进行很多次充电循环，而几乎没有劣化(数百万充电循环，与常规可充电电池的几百次相比)。因此，EDLC对于要求频繁和快速功率传递的应用是理想的，例如不断地刹车和加速的混合动力车，而电池用于经较长时间段供应更大量的能量。EDLC也是环境友好的(寿命长且可再循环)、安全(没有要求安全处理的腐蚀性的电解质和其它有毒材料)、重量轻且具有非常低的内电阻(ESR)。EDLC的充电过程也相对简单，因为其仅吸入需要的量且不受到过度充电。与其它电容器和电化学电池相比，EDLC具有更高的自放电。

近年来，材料和生产方法的进步已经导致EDLC的性能改进和成本降低，以及导致它们在各种应用中利用。例如，EDLC可用于操作低功率电气设备，且为混合或燃料电池车提供峰值负载提高。EDLC通常也用于补充电池，例如为了在不间断电源中接通短暂的电源中断。

石墨烯是碳同素异形体，结构为在蜂窝状晶格中密集堆积的sp²-键合的碳原子的平面片。由于石墨烯的独特固有性质，因而对石墨烯在各种纳米材料应用中的潜在利用，特别是关于能量储存和转换的高性能装置的开发，世界范围内已存在显著的兴趣和研究。石墨烯显示极高的表面积与质量之比，以及超常的机械强度和挠性(即，具有比相应厚度的钢膜大超过100倍的断裂强度)。此外，石墨烯具有非常高的导电性和载流子迁移率，和高光学透明度。因此，已经发现石墨烯用于各种电子元件中，例如集成电路、太阳能电池和显示屏，以及供超级电容器和Li离子电池用的电极。由于其二维的属性，因而石墨烯的性质在平面内和平面外的方向之间是高度各向异性的(例如，与表面垂直的导电性显著不同于沿表面的导电性)。为了克服该影响，已经研发出三维的石墨烯结构，其包括碳纳米管(CNT)柱支撑的石墨烯网络结构，或具有成网状的石墨烯层的互连的CNT构架状结构。例如，Yu,D.；Dai,L.,"Self-assembled graphene/carbon nanotube hybrid films for supercapacitors"J.Phys.Chem.Letters 1,2010,467-470，公开了制备聚(乙烯亚胺)改性的石墨烯片和酸氧化的多层CNT的多层混合碳膜以构建具有120,000F/kg的平均比电容的超级电容器的溶液逐层自组装方法。