[发明专利]具有高度取向且紧密堆积的石墨烯片的超级电容器电极和生产方法

说明书

提供了一种用于生产用作超级电容器电极的电解质浸渍的层状石墨烯结构的方法。该方法包括(a)制备石墨烯分散体，该石墨烯分散体具有分散在电解质中的多个孤立的石墨烯片；并且(b)使该石墨烯分散体经受强制组装程序，从而强制该多个石墨烯片组装成电解质浸渍的层状石墨烯结构，其中该多个石墨烯片通过薄电解质层交替地间隔开，这些薄电解质层的厚度小于5nm，并且这些石墨烯片基本上沿希望方向排列，并且其中当在除去该电解质的情况下以该层状结构的干燥状态测量时，该层状结构具有从0.5g/cm³至1.7g/cm³的物理密度和从50m²/g至3,300m²/g的比表面积。该方法产生具有大电极厚度、高活性质量负载量、高振实密度和优异能量密度的超级电容器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月1日提交的美国专利申请号14/998,672的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及超级电容器的领域，并且更具体地涉及基于石墨烯的电极、含有此种电极的超级电容器及其生产方法。

背景技术

电化学电容器(EC)(还被称为超级电容或超级电容器)正被考虑用于混合电动车辆(EV)中，其中它们可以补充用于电动汽车中的电池以提供快速加速所需要的功率突增，最大的技术障碍是使电池供电的汽车在商业上是可行的。电池仍将被用于巡航，但超级电容器(以其比电池更加快速地释放能量的能力)当汽车需要加速以并道、通过、应急操纵和爬坡时将开始生效。EC还必须储存足够的能量来提供可接受的汽车可行驶里程。与附加的电池容量相比，为了是成本-、体积-和重量-有效的，它们必须将适当的能量密度(体积的和重量的)和功率密度(体积的和重量的)与长的循环寿命组合，并且还满足成本目标。

随着系统设计师变得熟悉其属性和益处，EC还正在获得电子工业中的接受。EC最初被开发用于为轨道激光器提供大的驱动能量突增。例如，在互补金属氧化物半导体(CMOS)内存备份应用中，具有仅仅二分之一立方英寸的体积的一法拉EC可替代镍镉或锂电池并提供数月的备用电力。对于给定的施加电压，与给定电荷相关联的EC中的储存的能量对于通过相同电荷是相应电池系统中可储存的能量的一半。虽然如此，EC是极其有吸引力的电源。与电池相比，它们不要求维护，提供高的多的循环寿命，要求非常简单的充电电路，不经历“记忆效应”，并且通常安全的多。物理而非化学能量储存是其安全操作和格外高的循环寿命的关键原因。也许最重要地，电容器提供了比电池更高的功率密度。

EC相对于常规电容器的高体积电容密度(比常规电容器高10至100倍)来源于使用多孔电极以产生大的有效“板面积”并且来源于在扩散双层中储存能量。当施加电压时在固体电解质界面处天然产生的这种双层具有仅约1nm的厚度，因此形成极其小的有效的“板分离”。此种超级电容器通常被称为双电层电容器(EDLC)。双层电容器是基于浸入液体电解质中的高表面积电极材料，如活性碳。在电极-电解质界面处形成极化双层，提供高电容。这意味着超级电容器的比电容是与电极材料的比表面积成正比例的。该表面积必须是电解质可达的，并且所得界面区域必须足够大以容纳所谓的双电层电荷。

在一些EC中，储存的能量通过赝电容效应而进一步增大，这些赝电容效应由于电化学现象如氧化还原电荷转移在固体-电解质界面处再次发生。此种超级电容器通常被称为赝电容器或氧化还原超级电容器。第三种类型的超级电容器是锂离子电容器，其含有预锂化的石墨阳极、EDLC阴极(例如，典型地基于活性碳颗粒)、以及锂盐电极。

然而，存在与当前技术发展水平的超级电容器相关的若干个严重的技术问题：