[发明专利]具有基于一体式3D石墨烯-碳混杂泡沫的电极的超级电容器

说明书

提供了一种超级电容器，该超级电容器具有阳极、阴极、多孔隔膜/电解质，其中电极中的至少一个含有由多个孔和孔壁构成的一体式3D石墨烯‑碳混杂泡沫，其中这些孔壁含有通过碳材料化学结合的单层或少层石墨烯片、具有从1/100至1/2的碳材料与石墨烯重量比，其中这些少层石墨烯片具有2‑10个堆叠石墨烯平面层，这些石墨烯平面具有从0.3354nm至0.40nm的平面间间距d₀₀₂，并且这些石墨烯片含有具有基本上零％非碳元素的原生石墨烯材料或具有按重量计0.01％至25％的非碳元素的非原生石墨烯材料，其中所述非原生石墨烯选自氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氟化石墨烯、氯化石墨烯、溴化石墨烯、碘化石墨烯、氢化石墨烯、氮化石墨烯、掺杂石墨烯、化学官能化石墨烯、或其组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年1月4日提交的美国专利申请号14/998,412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(supercapacitor)或超级电容(ultracapacitor)的领域，并且更具体地涉及一种具有基于一体式3D石墨烯-碳混杂泡沫的电极的超级电容器和一种用于生产此电极和超级电容器的方法。

背景技术

对超级电容器的评论性综述

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。

然而，存在与当前技术发展水平的EC或超级电容器相关联的若干个严重的技术问题：