(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-29
(45)【発行日】2022-04-06
(54)【発明の名称】高温エネルギー貯蔵デバイス
(51)【国際特許分類】
H01G 11/18 20130101AFI20220330BHJP
H01G 11/30 20130101ALI20220330BHJP
H01G 11/36 20130101ALI20220330BHJP
H01G 11/58 20130101ALI20220330BHJP
H01G 11/60 20130101ALI20220330BHJP
H01G 11/62 20130101ALI20220330BHJP
H01G 11/78 20130101ALI20220330BHJP
【FI】
H01G11/18
H01G11/30
H01G11/36
H01G11/58
H01G11/60
H01G11/62
H01G11/78
(21)【出願番号】P 2017092982
(22)【出願日】2017-05-09
(62)【分割の表示】P 2014519102の分割
【原出願日】2012-07-09
【審査請求日】2017-06-07
【審判番号】
【審判請求日】2020-04-09
(32)【優先日】2012-04-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(32)【優先日】2011-07-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(32)【優先日】2011-12-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(32)【優先日】2012-02-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(32)【優先日】2011-07-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(32)【優先日】2011-11-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】513295777
【氏名又は名称】ファーストキャップ・システムズ・コーポレイション
【氏名又は名称原語表記】FastCAP SYSTEMS Corporation
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100132252
【氏名又は名称】吉田 環
(72)【発明者】
【氏名】リッカルド・シニョレッリ
(72)【発明者】
【氏名】ジョン・ジェイコブ・クーリー
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー・ジョン・シボールド・ディーン
(72)【発明者】
【氏名】ジェイムズ・エプスタイン
(72)【発明者】
【氏名】パドマナバン・サスタン・クッティピライ
(72)【発明者】
【氏名】ファブリツィオ・マルティーニ
【合議体】
【審判長】井上 信一
【審判官】清水 稔
【審判官】山田 正文
(56)【参考文献】
【文献】特表2003-525522(JP,A)
【文献】特開2003-173936(JP,A)
【文献】特開2003-335736(JP,A)
【文献】特開2004-186246(JP,A)
【文献】西野 敦、直井勝彦監修、「大容量キャパシタ技術と材料 ~電気二重層キャパシタとウルトラキャパシタの最新動向~」、2000年5月26日、第2刷、株式会社シーエムシー発行、第70-71頁
【文献】佐藤貴哉、吉田 浩「イオン液体の電解質への応用」、繊維学会誌、第61巻、第3号、2005、p.75-79(インターネット、<URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/fiber/61/3/61_3_P_75/_pdf>より入手可)
【文献】佐藤貴哉、イオン性液体を用いた電気二重層キャパシタ、Electrochemistry、第72巻、第10号、p.711-715、2004年(インターネット、<URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/electrochemistry/72/10/72_711/_pdf>より入手可)
【文献】Takaya Sato、Gen Masuda、Kentaro Takagi、Electrochemical properties of novel ionic liquids for electric double layer capacitor applications、Electrochimica Acta、Volume 49、Issue 21、2004、Pages 3603-3611(インターネット、<URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468604003469>より入手可)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01G 2/02, 2/08, 2/24, 9/00-9/035, 9/07, 9/21-11/86
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極、負極、セパレータ、および電解質を含み、密封されたハウジング内に収容されたエネルギー貯蔵セル
を含むウルトラキャパシタであって、
約100℃~150℃の温度範囲内で実質的に一定の温度に保持される間、ウルトラキャパシタの体積漏れ電流が約10mA/cc未満であり;
エネルギー貯蔵セルは、電解質で濡らされた正極および負極を含み、各々の電極は、集電体に取り付けられ、または接触し、または集電体を被覆するとともに、電解質に対して多孔性のセパレータによって互いに離隔されており、
正極および負極の少なくとも一方が炭素質エネルギー貯蔵媒体を含み;炭素質エネルギー貯蔵媒体が、配列されたカーボンナノチューブの集合体を含み;
密封されたハウジングおよびエネルギー貯蔵セルの全体にわたって、水分の総濃度が1000ppm未満に保持され、電解質中のハロゲン化物イオンの総濃度が1000ppm未満に保持され、電解質中の金属種の総濃度が1000ppm未満に保持され、溶媒および電解質前駆体からの不純物の総濃度が1000ppm未満に保持される、ウルトラキャパシタ
。
【請求項2】
炭素質エネルギー貯蔵媒体の含水量が約500ppm未満である、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項3】
電解質が、カチオンおよびアニオンを含有するイオン液体を含む、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項4】
カチオンが、アンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、官能性イミダゾリウムカチオン、オキサゾリウムカチオン、ホスホニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピラジニウムカチオン、ピラゾリウムカチオン、ピリダジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピリミジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、スルホニウムカチオン、チアゾリウムカチオン、トリアゾリウムカチオン、グアニジウムカチオン、イソキノリニウムカチオン、ベンゾトリアゾリウムカチオン、およびビオロゲン型カチオンからなる群から選択される、請求項
3に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項5】
カチオンが、1-(3-シアノプロピル)-3-メチルイミダゾリウム、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウム、1,3-ビス(3-シアノプロピル)イミダゾリウム、1,3-ジエトキシイミダゾリウム、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム、1-デシル-3-メチルイミダゾリウム、1-ブチル-1-メチルピペリジニウム、1-ブチルピリジニウム、1-ブチル-4-メチルピリジニウム、および1-プロピル-3-メチルピリジニウムからなる群から選択される、請求項
4に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項6】
アニオンが、ビス(トリフルオロメタンスルホナート)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホナート)メチド、ジシアナミド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、トリフルオロメタンスルホナート、ビス(ペンタフルオロエタンスルホナート)イミド、チオシアナート、およびトリフルオロ(トリフルオロメチル)ボラートからなる群から選択される、請求項
3に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項7】
電解質が、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、エチレンカーボナート、エチルメチルカーボナート、ジメチルカーボナート、ジエチルカーボナート、プロピレンカーボナート、ジブチルカーボナート、ラクトン、ギ酸メチル、メチルプロピオナート、メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、ニトロメタン、n-メチルピロリドン、スルホラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ-ブチロラクトン、およびトリシアノヘキサンからなる群から選択される溶媒を更に含む、請求項
3に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項8】
電解質の含水量が約500ppm未満である、請求項
3に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項9】
セパレータが、ガラス繊維、セラミック、酸化アルミニウム、およびポリマーからなる材料の群から選択される、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項10】
セパレータが、ガラス強化プラスチック、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、およびポリエーテルエーテルケトンの少なくとも1つを含むポリマーである、請求項
9に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項11】
セパレータの含水量が約500ppm未満である、請求項
10に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項12】
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項13】
体積漏れ電流が約0.1mA/cc未満である、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項14】
体積漏れ電流が約0.01mA/cc未満である、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項15】
温度範囲が約100℃~約210℃である、請求項1~
14のいずれか1項に記載のウルトラキャパシタ。
【請求項16】
温度範囲が約150℃~約210℃である、請求項1~
14のいずれか1項に記載のウルトラキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示される発明は、エネルギー貯蔵セル、特に高温で作動可能な電気二重層キャパシタを提供する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
エネルギー貯蔵セルは我々の社会において至る所に存在している。多くの人は、エネルギー貯蔵セルを単に「電池」として認識しているが、他の種類のセルが含まれてよい。例えば、近年、ウルトラキャパシタが、その長所を理由として多くの関心を集めている。手短に言えば、多くの種類のエネルギー貯蔵セルが今日知られており、かつ用いられている。
【0003】
一般に、エネルギー貯蔵セルはハウジング(缶等)内に配置されたエネルギー貯蔵媒体を含む。金属缶はセルに対して堅固な物理的保護をもたらし得るが、そのような缶は通常、導電性および熱伝導性の両方であり、エネルギー貯蔵セルと反応し得る。通常、そのような反応は、周囲温度が上昇するにつれて速度が増大する。多くの缶の電気化学的特性または他の特性は、初期性能の低下を引き起こし得、特に高温(または昇温)においてエネルギー貯蔵セルの早すぎる劣化をもたらし得る。
【0004】
実際には、高温(または昇温)におけるエネルギー貯蔵システムの性能が劣化するのに種々の要因がはたらく。従って、高温において電気二重層キャパシタの性能を向上させる方法および装置が必要とされる。好ましくは、方法および装置は最小限のコストで性能の向上をもたらす。
【発明の概要】
【0005】
一の実施形態において、ウルトラキャパシタが開示される。ウルトラキャパシタは、電解質に浸漬され且つ密封されたハウジング内に配置されたエネルギー貯蔵セルを含み、セルは、正接触子および負接触子と電気的に連結され、ウルトラキャパシタは、約80℃~210℃の温度範囲内の温度で電気エネルギーを出力するように構成される。
【0006】
もう1つの実施形態において、ウルトラキャパシタの製造方法が提示される。方法は、 エネルギー貯蔵媒体を含むエネルギー貯蔵セルをハウジング内に配置すること;およびウルトラキャパシタを、約80℃~約210℃の温度範囲内で作動するように構成することを含む。
【0007】
更にもう1つの実施形態において、ウルトラキャパシタの製造方法が提示される。方法は、エネルギー貯蔵媒体を含むエネルギー貯蔵セルをハウジング内に配置すること;および約80℃~約210℃の温度範囲内で作動するようになっている電解質でハウジングを満たすことを含む。
【0008】
別の実施形態において、ウルトラキャパシタが開示される。ウルトラキャパシタは、電解質で濡らされ且つハウジング内に配置されたエネルギー貯蔵セルを含み、ハウジング内の水分のレベルは、貯蔵セルおよび電解質を合わせた重量を基準として約1000ppm以下である。
【0009】
更に別の実施形態において、ウルトラキャパシタが開示される。ウルトラキャパシタは、電解質で濡らされ且つハウジング内に配置されたエネルギー貯蔵セルを含み、ハウジング内のハロゲン化物不純物のレベルは、貯蔵セルおよび電解質を合わせた重量を基準として1000ppm以下である。
【0010】
もう1つの実施形態において、ウルトラキャパシタ内の汚染物質のキャラクタリゼーション方法が提示される。方法は、ウルトラキャパシタのハウジングを破壊してハウジングの内容物にアクセスすること;内容物をサンプリングすること;およびサンプルを分析することを含む。
【0011】
一の実施形態において、ウルトラキャパシタが開示される。ウルトラキャパシタは、約100℃~約150℃の範囲で実質的に一定の温度で保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示す。
【0012】
一の実施形態において、ウルトラキャパシタが開示される。ウルトラキャパシタは、約140℃~180℃の範囲で実質的に一定の温度で保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流を示す。
【0013】
一の実施形態において、ウルトラキャパシタが開示される。ウルトラキャパシタは、約170℃~210℃の範囲で実質的に一定の温度で保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流を示す。
【0014】
もう1つの実施形態において、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスを提供する方法が開示される。方法は、約80℃~約210℃の温度範囲における周囲温度にさらされるときに0.01W/L~100kW/Lの初期ピーク電力密度および少なくとも20時間の寿命を示す、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス(HTRESD)を選択すること;および貯蔵デバイスを提供することを含む。
【0015】
もう1つの実施形態において、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスの使用方法が開示される。方法は、HTRESDを得ること;ならびにHTRESDが約80℃~約210℃の温度範囲内の周囲温度において作動するときに20時間後に0.005W/L~75kW/Lのピーク電力密度示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回HTRESDを二者択一的に充電および放電することによりHTRESDをサイクルさせること、およびHTRESDを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うことを含む。
【0016】
もう1つの実施形態において、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスの使用方法が開示される。方法は、ウルトラキャパシタを得ること;およびウルトラキャパシタが20時間後に約0.005W/L~約75kW/Lのピーク電力密度示すように、ウルトラキャパシタを横切る電圧を保持することを含み、ウルトラキャパシタは、電圧保持の間、約80℃~約210℃の温度範囲内の周囲温度にさらされる。
【0017】
もう1つの実施形態において、ウルトラキャパシタの使用方法が開示される。方法は、電解質および2つの電極を含むウルトラキャパシタを得ることを含み、電極の各々は集電体と電気的に連通し且つセパレータによって他方の電極と離隔されており、ウルトラキャパシタの充電および放電の一方が、約0.1Wh-kW/L2~約100Wh-kW/L2の範囲のピーク電力密度およびエネルギー密度の初期の組み合わせをもたらし、その組み合わせは、数学的にはウルトラキャパシタのピーク電力密度とエネルギー密度との積であり、ウルトラキャパシタは、約80℃~約210℃の温度範囲における周囲温度にさらされるときに少なくとも20時間の耐久時間を示し、耐久性は、その時間にわたるピーク電力密度の約50%以下の低下によって示され、ウルトラキャパシタは、少なくとも2回充電および放電されるように構成される。
【0018】
本発明の上述の及び他の特徴および利点は、添付の図面と一緒に理解される下記の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【
図1】
図1は、一の例示的ウルトラキャパシタの態様を図示している。
【
図2】
図2は、基体の上に成長した複数のカーボンナノチューブ(CNT)を表すブロック図である。
【
図3】
図3は、
図3のCNTの上に集電体を沈積させて電極構成要素を提供することを表すブロック図である。
【
図4】
図4は、
図3の電極構成要素に移動テープを加えることを表すブロック図である。
【
図5】
図5は、移動プロセスの間の電極構成要素を表すブロック図である。
【
図6】
図6は、移動後の電極構成要素を表すブロック図である。
【
図7】
図7は、複数の電極構成要素から作製される一の例示的電極を表すブロック図である。
【
図8】
図8は、例示的ウルトラキャパシタに含まれてよいカチオンの一次構造の実施形態を表す。
【
図9】
図9および10は、粗電解質および精製電解質をそれぞれ用いた例示的ウルトラキャパシタの比較データを表す。
【
図10】
図9および10は、粗電解質および精製電解質をそれぞれ用いた例示的ウルトラキャパシタの比較データを表す。
【
図11】
図11は、例示的ウルトラキャパシタのハウジングの一の実施形態を表す。
【
図12】
図12は、例示的キャパシタの貯蔵セルの一の実施形態を図示している。
【
図13】
図13は、ハウジングのボディ(または本体)の内部に配置された障壁を表す。
【
図14】
図14Aおよび14B(本明細書においてまとめて
図14とよぶ)は、ハウジングのキャップの態様を表す。
【
図15】
図15は、本明細書における教示事項によるウルトラキャパシタの組み立てを表す。
【
図16】
図16Aおよび16B(本明細書においてまとめて
図16とよぶ)は、障壁のない実施形態および障壁を含む同様の実施形態のそれぞれのウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図17】
図17は、包装部材(wrapper)として貯蔵セルの周りに配置される障壁を表す。
【
図18】
図18A、18Bおよび18C(本明細書においてまとめて
図18とよぶ)は、多層材料を含むキャップの実施形態を表す。
【
図19】
図19は、ガラス-金属シールを含む電極部品(assembly)の断面図である。
【
図21】
図21は、組み立てにおけるエネルギー貯蔵セルの配置を表す。
【
図22】
図22A、22Bおよび22C(本明細書においてまとめて
図22とよぶ)は、組み立てられたエネルギー貯蔵セルの実施形態を表す。
【
図23】
図23は、ウルトラキャパシタにポリマー絶縁を組み込むことを表す。
【
図24】
図24A、24Bおよび24C(本明細書においてまとめて
図24とよぶ)は、エネルギー貯蔵体のキャップのもう1つの実施形態の型板(または鋳型もしくはテンプレート)の態様を表す。
【
図25】
図25は、半球形の材料を含む電極部品の斜視図である。
【
図28】
図28は、電極部品と貯蔵セルの端子との連結を表す。
【
図29】
図29は、円筒形ハウジングに配置されるエネルギー貯蔵セルの透明等角図である。
【
図30】
図30は、一の実施形態の種々の層を示す、貯蔵セルの側面図である。
【
図31】
図31は、複数のリード線を配置するための基準マークを含む巻かれた貯蔵セルの等角図である。
【
図33】
図33は、複数のリード線を含む巻かれた貯蔵セルを表す。
【
図34】
図34は、貯蔵セルに連結された配列されたリード線(即ち端子)に与えられたZ折り(Z-fold)を表す。
【
図35】
図35は、例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図36】
図36は、例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図37】
図37は、例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図38】
図38は、例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図39】
図39は、210℃における例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図40】
図40は、210℃における例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図41】
図41は、210℃における例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図42】
図42は、210℃における例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【
図43】
図43は、210℃における例示的ウルトラキャパシタの性能を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
広範囲の温度における向上した性能を使用者に提供するキャパシタが本明細書において開示される。例えば、キャパシタは、約-40℃の低温から約210℃の高温に及ぶ温度において操作可能であってよい。いくつかの実施形態において、キャパシタは約80℃から約210℃の高温に及ぶ温度で操作可能である。
【0021】
一般に、キャパシタは、従来技術のデバイスと比較した際に高電力密度および高エネルギー密度を提供するようになっているエネルギー貯蔵媒体を含む。キャパシタは、温度範囲にわたる操作を確保するように構成される構成要素を含み、温度範囲に関して同様に評価される電解質の種々の形態のいずれか1つ以上を含む。構造、エネルギー貯蔵媒体および電解質の組み合わせは、極限的な条件下でのロバスト性の操作を提供する機能をもたらす。いくつかの全体像を提示するために、一の例示的実施形態の態様をここで導入する。
【0022】
図1に示すように、キャパシタの一の例示的実施形態が示される。この場合において、キャパシタは「ウルトラキャパシタ10」である。例示的ウルトラキャパシタ10は、電気二重層キャパシタ(EDLC)である。EDLCは、少なくとも1対の電極3を含む(電極3は、単に本明細書において言及する目的のために、負極3および正極3とよんでよい)。ウルトラキャパシタ10へと組み立てられたとき、電極3の各々は電解質界面における電荷の二重層を示す。いくつかの実施形態において、複数の電極3が含まれる(例えば、いくつかの実施形態において、少なくとも2対の電極3が含まれる)。但し、議論のために、1対の電極3のみが示される。本明細書において、常套的には、電極3の少なくとも1つは、エネルギー貯蔵をもたらすために炭素ベースのエネルギー貯蔵媒体1(本明細書において更に論じられる)を用いる。但し、議論のために、電極の各々は炭素ベースのエネルギー貯蔵媒体1を含むことが一般に想定される。電解コンデンサは、金属電極の面積が非常に(少なくとも1桁)異なるので、ウルトラキャパシタとは異なることに留意するべきである。
【0023】
電極3の各々は、集電体2(「電荷収集体(charge collector)」ともよぶ)をそれぞれ含む。いくつかの実施形態において、電極3はセパレータ5によって離隔される。一般に、セパレータ5は、負極3を正極3から離隔するのに用いられる薄型構造材料(通常はシート)である。セパレータ5は、電極3の対を離隔する働きをしてもよい。組み立てられると、電極3およびセパレータ5は貯蔵セル12を提供する。いくつかの実施形態において、炭素ベースのエネルギー貯蔵媒体1が電極3の一方または両方に含まれなくてよいことに留意されたい。即ち、いくつかの実施形態において、各々の電極3は、集電体2のみから構成されてよい。集電体2を提供するのに用いられる材料は、その表面積を増大させるために、粗面化、陽極酸化等がされ得る。これらの実施形態において、集電体2は単独で電極3として機能してよい。但し、この点を考慮した上で、本明細書において用いられる場合、用語「電極3」は一般に、エネルギー貯蔵媒体1および集電体2の組み合わせを指す(但し、上述の理由によりこれに限定されない)。
【0024】
少なくとも1つの形態の電解質6が、ウルトラキャパシタ10に含まれる。電解質6は、電極3およびセパレータ5における空所(void space)ならびに電極3とセパレータ5との間の空所を満たす。一般に、電解質6は帯電したイオンへと分離する物質である。物質を溶解する溶媒が、電解質6のいくつかの形態において必要に応じて含まれてよい。電解質6は、イオン輸送により電気を伝導する。
【0025】
一般に、貯蔵セル112は、巻かれた形または角柱形の一方に成形され、次いで、円筒形または角柱形のハウジング7の中に詰められる。電解質6が含まれると、ハウジング7は密封(または気密シール)されてよい。種々の例において、パッケージはレーザー、超音波および/または溶接技術を用いた技術によって密封される。貯蔵セル12の堅固な物理的保護の提供に加えて、ハウジング7は、ハウジング7内の各々の端子8との電気的連通をもたらすための外部接触子と共に構成される。各々の端子8は、今度は、一般にエネルギー貯蔵媒体1に連結された導線を通じて、エネルギー貯蔵媒体1において貯蔵されるエネルギーに対する電気的アクセスをもたらす。
【0026】
本明細書において論じられる場合、「密封(または気密シール)」は、その質(即ち漏れ速度)が単位「atm-cc/秒」で定義されるシール(または封止)を指し、その単位は周囲雰囲気の圧力および温度における1秒当たり1立方センチメートルのガス(例えばHe)を意味する。これは、単位「標準He-cc/秒」による表現に対応する。更に、1atm-cc/秒が1.01325mbar-L/秒に等しいことが認識される。一般に、本明細書に開示されるウルトラキャパシタ10は、約5.0×10-6atm-cc/秒以下の漏れ速度を有する密封を提供することができ、約5.0×10-10atm-cc/秒以下の漏れ速度を示してよい。成功した密封の性能は必要に応じて使用者、設計者または製造者によって評価されるべきであること、および「密封」は最終的には、使用者、設計者、製造者または他の当事者(または関係者)によって定義されるべき基準を意味することも考慮される。
【0027】
漏れ(またはリーク)の検出は、例えばトレーサーガスの使用により達成されてよい。漏れ検査のためのヘリウム等のトレーサーガスの使用は、乾式、高速、正確かつ非破壊の方法であるので好都合である。この技術の一の例において、ウルトラキャパシタ10はヘリウムの環境中に置かれる。ウルトラキャパシタ10は、加圧ヘリウムに付される。次いで、ウルトラキャパシタ10は、ヘリウムの存在を検出可能な検出器(原子吸光ユニット等)に接続された真空チャンバーの中に置かれる。加圧時間、圧力および内部体積を知ることにより、ウルトラキャパシタ10の漏れ速度を決定してよい。
【0028】
いくつかの実施形態において、少なくとも1つのリード線(本明細書において「タブ」とよんでもよい)は、集電体2のそれぞれ1つと電気的に連結される。(ウルトラキャパシタ10の極性に従う)複数のリード線を一緒に集めてよく、連結してそれぞれの端子8としてよい。次に、端子8は、「接触子」(例えばハウジング7および外部電極(本明細書において常套的に「フィードスルー」または「ピン」ともよばれる)の一方)とよばれる電気的アクセスに連結されてよい。
図28および32~34を参照してよい。ここで、エネルギー貯蔵媒体1をより一層詳細に考慮されたい。
【0029】
例示的ウルトラキャパシタ10において、エネルギー貯蔵媒体1はカーボンナノチューブから形成される。エネルギー貯蔵媒体1は、例えば、活性炭、炭素繊維、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、炭素布およびカーボンナノチューブの複数の形態を含む他の炭素質材料を含んでよい。活性炭電極は、例えば、炭素化合物の炭化により得られる炭素材料に対して第1の活性化処理を行うことによって炭素系材料を製造すること、炭素消系材料にバインダーを加えることにより成形体(formed body)を製造すること、成形体を炭化すること、および最後に炭化された成形体に第2の活性化処理を行うことにより活性炭電極を製造することによって製造され得る。炭素繊維電極は、例えば、表面積の大きい炭素繊維で予備成形された紙(またはペーパー)または布を用いることにより製造され得る。
【0030】
カーボンナノチューブを製造する一の例示的方法において、配列されたカーボンナノチューブの集合体を製造するための装置は、触媒を表面に有する基材上に配列されたカーボンナノチューブを合成するための装置を含む。装置は、触媒の周りの環境を還元ガスの環境にし、触媒または還元ガスの少なくともいずれかを加熱する生成工程を処理する生成ユニット;触媒の周りの環境を原材料ガスの環境にすること及び触媒または原材料ガスのいずれかを加熱することにより、配列されたカーボンナノチューブの集合体を合成する成長工程を処理する成長ユニット;ならびに基材を少なくとも生成ユニットから成長ユニットに移動させる移動ユニットを含む。種々の他の方法および装置が、配列されたカーボンナノチューブの集合体をもたらすのに利用されてよい。
【0031】
いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵媒体1を形成するのに用いられる材料は、純炭素(および現在存在する又は後に考案される種々の形態の炭素)以外の材料を含んでよい。即ち、他の材料の種々の配合物がエネルギー貯蔵媒体1に含まれてよい。より具体的には、かつ限定的でない例において、少なくとも1つのバインダー材料がエネルギー貯蔵媒体1において用いられてよいが、このことは、他の材料(バインダー材料等)の添加を示唆する又は必要とするものではない。但し、一般に、エネルギー貯蔵媒体1は実質的に炭素から形成され、従って、本明細書において「炭素質材料」、「炭素質層」または他の同様の用語でよんでよい。手短に言えば、エネルギー貯蔵媒体1は、主に炭素から形成されるが、エネルギー貯蔵媒体1として所望の機能性をもたらす任意の形態の炭素(適切である又は許容可能であると考えられる任意の添加剤または不純物)を含んでよい。
【0032】
一組の実施形態において、炭素質材料は少なくとも約60質量%の炭素元素を含み、他の実施形態において少なくとも約75質量%、85質量%、90質量%、95質量%または98質量%の炭素元素を含む。
【0033】
炭素質材料は、カーボンブラック、黒鉛等を含む種々の形態の炭素を含み得る。炭素質材料は、ナノチューブ、ナノロッド、シート形状のグラフェンシート、および/または錐体、ロッド、球(バッキーボール(buckyball))等へと成形されたグラフェンシート等のナノ粒子を含む炭素粒子を含み得る。
【0034】
エネルギー貯蔵媒体1において用いるのに適した種々の形態の炭素質材料のいくつかの実施形態が、本明細書において例として提示される。これらの実施形態は、ロバスト性のエネルギー貯蔵体を提供し、電極3において用いるのによく適している。これらの例は例示を目的としている、エネルギー貯蔵媒体1において用いるのに適した炭素質材料の実施形態を限定するものではないことに留意するべきである。
【0035】
一般に、用語「電極」は、電気回路に組み込まれてよいデバイスにおける導体であって、非金属であることが多い別の材料に接触するのに用いられる導体を指す。一般に、用語「電極」は、本明細書において用いられる場合、所望の機能性を提供するために集電体2(エネルギー貯蔵媒体1等)を伴ってよい(例えば、エネルギー貯蔵およびエネルギー伝達を提供するために集電体2と組み合わされたエネルギー貯蔵媒体1)ので、集電体2および追加の構成要素に関連する。エネルギー貯蔵媒体1を集電体2で補って電極3をもたらす一の例示的方法をここで提示する。
【0036】
ここで
図2を参照して、カーボンナノチューブの集合体(CNT)の形態の炭素質材料に対するホストである基体14を示す。示される実施形態において、基体14は、触媒18の薄層が上に配置された基材17を含む。
【0037】
一般に、基体14は少なくとも幾分か可とう性であり(即ち、基体14は脆性でない)、エネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)を沈積するための環境に耐え得る構成要素から作製される。例えば、基体14は、約400℃~約1,100℃の高温環境に耐え得る。種々の材料を適切に決定して基体14に用いてよい。
【0038】
ここで
図3を参照する。エネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)が基体14の上に作製された時点で、集電体2をその上に配置してよい。いくつかの実施形態において、集電体2は約0.5マイクロメートル(μm)~約25マイクロメートル(μm)の厚さである。いくつかの実施形態において、集電体2は約20マイクロメートル(μm)~約40マイクロメートル(μm)の厚さである。集電体2は、化学蒸着(CVD)、スパッタリング、e-ビーム、熱蒸発または別の適切な技術によって適用される層等の薄層に見えてよい。一般に、集電体2は、その特性(導電率、電気化学的に不活性であること及びエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)に適合すること等)で選択される。いくつかの例示的材料として、アルミニウム、白金、金、タンタル、チタンが挙げられ、他の材料および種々の合金が含まれ得る。
【0039】
集電体2がエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)の上に配置されると、電極構成要素15が実現される。各電極構成要素15は、電極3として個別に用いられてよく、または少なくとももう1つの電極構成要素15と連結されて電極3がもたらされてよい。
【0040】
所望の基準に従って集電体2が作製された時点で、作製後処理を行ってよい。例示的後処理として、わずかに酸化性の環境においてエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)の加熱および冷却が挙げられる。作製(およびオプションの後処理)の後、移動器具を集電体2に適用してよい。
図4を参照してよい。
【0041】
図4は、集電体2への移動器具13の適用を図示している。この例において、移動器具13は、「乾式」移動法において用いられる熱剥離テープ(thermal release tape)である。例示的熱剥離テープは、NITTO DENKO CORPORATION(カリフォルニア州フリーモントおよび日本国大阪)により製造される。一の適切な剥離テープはREVALPHAとして市販されている。この剥離テープは、室温においてしっかりと接着し且つ加熱により剥がれ得る接着テープとして特徴付けられてよい。このテープ、および熱剥離テープの他の適切な実施形態は、所定の温度で剥離するだろう。好都合なことに、剥離テープは化学的に活性な残余を電極構成要素15に残さない。
【0042】
「湿式」移動法とよばれるもう1つの方法において、化学的剥離のために設計されたテープが用いられてよい。一旦適用されると、テープは、溶媒に浸漬されることにより除去される。溶媒は、接着剤を溶解するように設計される。
【0043】
他の実施形態において、移動器具13は、集電体2に吸引を適用する等による、「空気力学的」方法を用いる。吸引は、例えば、吸引を分配するための複数の穿孔を有するわずかにオーバーサイズのパドル(paddle)によって適用されてよい。もう1つの例において、吸引は、吸引を分配するための複数の穿孔を有するローラーによって適用される。吸引で駆動される実施形態は、電気的に制御され、かつ消耗材料が移動プロセスの一部として用いられていないので経済的であるという利点を提示する。移動器具13の他の実施形態を用いてよい。
【0044】
移動器具13が集電体2に一時的に連結された時点で、電極構成要素15は、徐々に基体14から取り外される(
図4および5を参照のこと)。取り外しは通常、基体14からエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)を剥がすことを伴い、これは基体14およびエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)の一端において開始される。
【0045】
その後、移動器具13は、電極構成要素15から分離してよい(
図6を参照のこと)。いくつかの実施形態において、移動器具13は電極構成要素15を取り付けるに用いられる。例えば、移動器具13は、電極構成要素15をセパレータ5の上に置くのに用いてよい。一般に、一旦基体14から取り外されると、電極構成要素15は利用可能である。
【0046】
大型の電極3が望ましい場合、複数の電極構成要素15を組み合わせてよい。
図7を参照してよい。
図7に示すように、複数の電極構成要素15は、例えば、複数の電極構成要素15の各電極構成要素15に連結部52を連結することによって組み合わされてよい。組み合わされた電極構成要素15は、電極3の一の実施形態を提供する。
【0047】
いくつかの実施形態において、連結部22は、接合部(または溶接部)21において各々の電極構成要素15に連結される。各々の溶接部21は、超音波接合部21として設けられてよい。超音波溶接技術は各接合部21をもたらすのに特によく適していることがわかった。即ち、一般に、エネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)の集合体は溶接に適合せず、本明細書に開示される集電体等のわずかな(nominal)集電体のみが採用される。結果として、電極構成要素15を接続する多数の技術は破壊的であり、構成要素15を損傷する。但し、他の実施形態において、他の形態の連結が用いられ、連結部22は接合部21ではない。
【0048】
連結部22は、ホイル(または箔)、メッシュ、複数のワイヤまたは他の形態であってよい。一般に、連結部22は、導電率および電気化学的に不活性であること等の特性で選択される。いくつかの実施形態において、連結部22は、集電体2において存在する材料と同じ(1または複数の)材料から作製される。
【0049】
いくつかの実施形態において、連結部22は、酸化物層を上から除去することにより作製される。酸化物層は、例えば、接合部21を設ける前に連結部22をエッチングすることにより除去されてよい。エッチングは、例えば水酸化カリウム(KOH)を用いて達成されてよい。電極3は、ウルトラキャパシタ10の種々の実施形態において用いられてよい。例えば、電極3を巻き取って「ゼリーロール」型のエネルギー貯蔵体としてよい。
【0050】
セパレータ5は、種々の材料から作製されてよい。いくつかの実施形態において、セパレータ5は不織ガラスである。セパレータ5は、ガラス繊維、セラミック、DuPont Chemicals(デラウェア州ウィルミントン)によってTEFLON(登録商標)として一般に市販されているポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素ポリマーから作製してもよい。例えば、不織ガラスを用いることにより、セパレータ5は、主繊維およびバインダー繊維を含み得、各々のバインダー繊維は各々の主繊維の径より小さい径を有し、主繊維が一緒に結合されるのを可能にする。
【0051】
ウルトラキャパシタ10の寿命のため、および高温における性能を保証するために、セパレータ5は、不純物の量が低減されるべきであり、特に、セパレータ5に含まれる水分量が非常に低減されるべきである。特に、水分が約200ppmに制限されることが、化学反応を低減するため及びウルトラキャパシタ10の寿命を向上させるため、ならびに高温用途において優れた性能をもたらすために望ましいことがわかった。セパレータ5において用いられる材料のいくつかの実施形態としてポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ガラス繊維、およびガラス強化プラスチック(GRP)が挙げられる。
【0052】
一般に、セパレータ5に用いられる材料は、含水量、多孔性(または空隙率)、融点、不純物含有量、結果として生じる電気的性能、厚さ、コスト、利用可能性等に従って選択される。いくつかの実施形態において、セパレータ5は、疎水性材料から形成される。
【0053】
従って、過剰の水分が各セパレータ5から排除されることを確保するための手順を採用してよい。他の技術の中でも、真空乾燥法を用いてよい。セパレータ5において用いられる材料の選択を表1に提示する。いくつかの関連する性能データを表2に提示する。
【0054】
【0055】
【0056】
表2のデータを集めるために、炭素質材料に基づく2つの電極3が提供された。電極3は互いに対して反対側に且つ互いに向かい合うように配置された。各々のセパレータ5が短絡を防止するために電極3の間に配置された。次いで、この3つの構成要素は、電解質6で濡らされ、一緒に圧縮された。2つのアルミニウム棒(またはバー)およびPTFE材料を、結果として得られるウルトラキャパシタ10を包む外部構造として用いた。
【0057】
ESRの第1の試験およびESRの第2の試験を同じ構成で順々に行った。第2の試験は第1の試験の五分後に行い、電解質6が構成要素の中に更に染み込むための時間を残した。
【0058】
いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10はセパレータ5を必要とせず、あるいはセパレータ5を含まないことに留意されたい。例えば、電極3が構造の幾何学的形状による物理的離隔を保証されている実施形態等のいくつかの実施形態において、電極3の間に電解質6のみを有していれば十分である。より具体的には、かつ物理的離隔の一例としては、一のそのようなウルトラキャパシタ10は、離隔が常に保証されるようにハウジング内に配置された電極3を含んでよい。一のベンチトップ(または卓上)の例としては、ビーカーに備え付けられたウルトラキャパシタ10が挙げられるだろう。
【0059】
ウルトラキャパシタ10は、いくつかの異なる形状因子(form factor)において具体化されてよい(即ち、特定の外観を示してよい)。潜在的に有用な形状因子の例としては、円筒形のセル、輪状または環状のセル、扁平な(flat)角柱形のセルまたは箱形のセルを含む扁平な角柱形のセルの積層体、および湾曲した空間等の特定の幾何学的形状に適合する形状である扁平な角柱形のセルが挙げられる。円筒形の形状因子は、円筒形の器具または円筒形の形状因子に取り付けられる器具に関連して最も有用であり得る。輪状または環状の形状因子は、環状の器具または環状の形状因子に取り付けられる器具に関連して最も有用であり得る。特定の幾何学的形状に適合するように成形された扁平な角柱形のセルは、「デッドスペース」(即ち、器具または設備における空間であって、さもなければ占有されず(または空いており)且つ一般にアクセス可能でない場合がある空間)を有効に利用するのに有用であり得る。
【0060】
本明細書においては概括的に「ゼリーロール」用途(即ち、円筒形のハウジング7のために構成された貯蔵セル12)に関して開示されているが、巻かれた貯蔵セル23は、任意の所望の形状を取り得る。例えば、貯蔵セル12を巻くこととは対照的に、貯蔵セル12の折り畳み(folding)が、巻かれた貯蔵セル23を提供するのに行われてよい。他の種類の組み立てを用いてよい。一例として、貯蔵セル12は扁平なセルであってよく、「コイン型」セルとよぶ。従って、巻くことは、巻かれた貯蔵セル23の組み立てに関するオプションの1つに過ぎない。従って、本明細書においては「巻かれた貯蔵セル23」であることに関して論じられているが、これに限定されない。用語「巻かれた貯蔵セル23」は一般に、ハウジング7の所定の設計内にうまく適合するための貯蔵セル12のパッケージングまたはパッキングの任意の適切な形状を含むことが考慮されてよい。
【0061】
種々の形態のウルトラキャパシタ10を一緒に接続してよい。種々の形態は、接触子を一緒に溶接すること、少なくとも1つの機械的コネクタを用いること、互いに電気的に接触する接触子を設けること等の公知の技術を用いて接続されてよい。複数のウルトラキャパシタ10が、並列および直列形式の少なくとも一方で電気的に接続されてよい。
【0062】
電解質6は、カチオン9とアニオン11とのペアを含み、溶媒を含んでよい。電解質6は、必要に応じて「イオン液体」とよんでよい。カチオン9、アニオン11および溶媒の種々の組み合わせを用いてよい。例示的ウルトラキャパシタ10において、カチオン9は、1-(3-シアノプロピル)-3-メチルイミダゾリウム、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウム、1,3-ビス(3-シアノプロピル)イミダゾリウム、1,3-ジエトキシイミダゾリウム、1-ブチル-1-メチルピペリジニウム、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウム、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム、1-ブチル-4-メチルピリジニウム、1-ブチルピリジニウム、1-デシル-3-メチルイミダゾリウム、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム、3-メチル-1-プロピルピリジニウムおよびこれらの組み合わせならびに適切であると考えられる他の同等物の少なくとも1つを含んでよい。追加の例示的カチオン9は、イミダゾリウム、ピラジニウム、ピペリジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウムおよびピロリジニウム(これらの構造は
図8に表される)を含む。例示的ウルトラキャパシタ10において、アニオン11は、ビス(トリフルオロメタンスルホナート)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホナート)メチド、ジシアナミド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、トリフルオロメタンスルホナート、ビス(ペンタフルオロエタンスルホナート)イミド、チオシアナート、トリフルオロ(トリフルオロメチル)ボラートおよびこれらの組み合わせならびに適切であると考えられる他の同等物の少なくとも1つを含んでよい。
【0063】
溶媒は、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、ジブチルカーボナート、ジエチルカーボナート、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジメチルカーボナート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、エチレンカーボナート、エチルメチルカーボナート、ラクトン、直鎖状(linear)エーテル、ギ酸メチル、メチルプロピオナート、メチルテトラヒドロフラン、ニトリル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、n-メチルピロリドン、プロピレンカーボナート、スルホラン、スルホン、テトラヒドロフラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ-ブチロラクトン、ニトリルおよびトリシアノヘキサン、これらのいずれかの組み合わせ又は適切な性能特性を示す他の(1または複数の)材料を含んでよい。
【0064】
ここで
図8を参照すると、イオン液体において用いられて電解質6をもたらすのに適したカチオン9の種々の追加の実施形態が示される。これらのカチオン9は、単独で用いてよく、または互いに組み合わせて用いてよく、カチオン9の上述の実施形態の少なくともいくつかと組み合わせて用いてよく、使用者、設計者、製造者または他の同様の当事者が適合する又は適切であると判断する他のカチオン9と組み合わせて用いてもよい。
図8に表されるカチオン9は、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピペリジニウム、ピラジニウム、ピラジニウム、ピリダジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、ビオロゲン型および官能性イミダゾリウムカチオンを含むが、これらに限定されない。
【0065】
図8に示すカチオン9に関して、種々の分岐基(branch group)(R
1、R
2、R
3、…R
x)が含まれる。カチオン9の場合において、各分岐基(R
x)は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナートまたはカルボニル基(これらはいずれも場合により置換される)の1つであってよい。
【0066】
用語「アルキル」は当該技術分野において理解され、直鎖アルキル基、分枝鎖アルキル基、シクロアルキル(脂環式)基、アルキル置換シクロアルキル基およびシクロアルキル置換アルキル基を含む飽和脂肪族基を含んでよい。特定の実施形態において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖において約20以下の炭素原子を有する(例えば、直鎖に関してC1-C20、分枝鎖に関してC1-C20)。同様に、シクロアルキルは、その環状構造において約3~約10の炭素原子、別法として環状構造において約5、6または7の炭素を有する。アルキル基の例として、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、エチルヘキシル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル等が挙げられるがこれらに限定されない。
【0067】
用語「ヘテロアルキル」は当該技術分野において理解され、1以上の原子がヘテロ原子(例えば酸素、窒素、硫黄等)である本明細書に記載のアルキル基を指す。例えば、アルコキシ基(例えば-OR)はヘテロアルキル基である。
【0068】
用語「アルケニル」および「アルキニル」は当該技術分野において理解され、上述のアルキルと長さ及び可能な置換が類似する不飽和脂肪族基であるが、少なくとも1つの二重結合または三重結合をそれぞれ含む不飽和脂肪族基を指す。
【0069】
「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」は当該技術分野において理解され、1以上の原子がヘテロ原子(例えば酸素、窒素、硫黄等)である本明細書に記載のアルケニルおよびアルキニルアルキル基を指す。
【0070】
一般に、負の電荷を有する任意のイオンをアニオン11として用いてよい。選択されるアニオン11は一般に、大きな有機カチオン9と組み合わされて低温溶融イオン塩を形成する。常温(およびそれより低い温度)溶融塩は主に、-1の電荷を有する大きいアニオン9によってもたらされる。より一層低温で溶融する塩は一般に、容易に非局在化する電子を有するアニオン11と共に実現される。イオン間の親和力を低下させるであろうもの(電荷の非局在化、距離)はいずれも、その後、融点を低下させる。可能なアニオンの構成は実質的に無限であるが、これらの部分集合のみが低温イオン液体の用途において機能するだろう。これは、イオン液体に対して可能なアニオンの構成の限定的でない概説である。
【0071】
表3に提示されるアニオン11の使用に適した共通の置換基(α)として以下のものが挙げられる:-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-、-C2H5CB11H11
-、-A-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-(式中、Aはフェニル(フェニル基またはフェニル環は、式C6H5を有する原子の環状基)または置換フェニル、アルキル(アルカンから水素原子を除去することにより形成される一般式CnH2n+1を有するラジカル)または置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン(アルカンは、水素および炭素原子のみからなり且つ専ら一重結合により結合される化合物である)、ハロゲン化アルカンおよびエーテル(2つのアルキルまたはアリール基に接続された酸素原子を含む有機化合物の種類である)。
【0072】
電解質6をもたらすイオン液体において用いるのに適したアニオン11に関して、種々の有機アニオン11を用いてよい。例示的アニオン11およびその構造は表3に提示される。第1の実施形態(No.1)において、例示的アニオン11は、上で提示した置換基(α)またはこれらの同等物のリストから定式化される。追加の実施形態(No.2~5)において、例示的アニオン11は、各々の塩基構造(Y2、Y3、Y4、…Yn)および各々の数のアニオン置換基(α1、α2、α3、…αn)から定式化され、各々の数のアニオン置換基(α)は、上で提示した置換(α)基またはこれらの同等物のリストから選択されてよい。いくつかの実施形態において、複数のアニオン置換基(α)(即ち少なくとも1つの異なるアニオン置換基(α))を、アニオン11の任意の一の実施形態において用いてよいことに留意されたい。また、いくつかの実施形態において、塩基構造(Y)は単一の原子または(表3に記載の)指定された分子であり、またはその同等物であってよいことに留意されたい。
【0073】
より具体的には、および例として、表3に提示される例示的アニオンに関して、特定の組み合わせが実現されてよい。一例として、No.2の場合、塩基構造(Y2)は、2つのアニオン置換基(α2)に結合された単一の構造(例えば原子または分子)を含む。2つの同一のアニオン置換基(α2)を有する物として示されるが、このことが事実である必要はない。即ち、塩基構造(Y2)は、上で列挙したアニオン置換基(α)のいずれか等の様々なアニオン置換基(α2)に結合されてよい。同様に、塩基構造(Y3)は、No.3の場合において示されるように、3つのアニオン置換基(α3)に結合される単一構造(例えば原子)を含む。重ねて、アニオンに含まれるアニオン置換基(α)の各々は、様々であってよく又は多様であってよく、表3に示すように繰り返す(反復的または対称的である)必要はない。一般に、表3における表記に関連して、一の塩基構造における下付文字は、各々の塩基構造がアニオン置換基(α)と共に有してよい結合の数を意味する。即ち、各々の塩基構造(Yn)における下付文字は、各々のアニオンに付随するアニオン置換基(αn)の数を意味する。
【0074】
【0075】
用語「シアノ」は、当該技術分野におけるその通常の意味が与えられ、CN基を指す。用語「サルフェート」は、当該技術分野におけるその通常の意味が与えられ、SO2基を指す。用語「スルホナート」は、当該技術分野におけるその通常の意味が与えられ、SO3X基を指し、式中Xは電子対、水素、アルキルまたはシクロアルキルであってよい。用語「カルボニル」は、当該技術分野において理解され、C=O基を指す。
【0076】
ウルトラキャパシタ10の構成を考えるのに重要な態様は、良好な化学的衛生を維持することである。種々の実施形態において、構成要素の純度を確保するために、2つの電極3のためのエネルギー貯蔵媒体1を構成する活性炭、炭素繊維、レーヨン、炭素布および/またはナノチューブは、真空環境において昇温(または高温)にて乾燥させられる。セパレータ5もまた、真空環境において昇温(または高温)にて乾燥させられる。電極3およびセパレータ5が真空下で乾燥させられると、これらは、50ppm未満の水を含む雰囲気において、最終的な封止またはキャップをせずにハウジング7内にパッケージングされる。キャップがされていないウルトラキャパシタ10は、例えば、真空下で約100℃~約300℃の温度範囲にわたって乾燥させてよい。この最終的な乾燥が完了したら、比較的乾燥した雰囲気(水分が約50ppm未満である雰囲気等)において電解質6を加えてよく、ハウジング7を密封する。当然ながら、他の組み立て方法を用いてよく、上述の事項は、ウルトラキャパシタ10の組み立ての少数の例示的態様を提供するに過ぎない。
【0077】
一般に、電解質6における不純物は最小限に保たれる。例えば、いくつかの実施形態において、ハロゲン化物イオン(塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物)の総濃度は約1,000ppmより下に保たれる。金属種(例えばBr、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn、これらの合金および酸化物の少なくとも1つを含む)の総濃度は約1,000ppmより下に保たれる。更に、合成プロセスにおいて用いられる溶媒および前駆体からの不純物は、約1,000ppmより下に保たれ、例えば、ブロモエタン、クロロエタン、1-ブロモブタン、1-クロロブタン、1-メチルイミダゾール、酢酸エチル、塩化メチレン等を含み得る。
【0078】
いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10の不純物含有量は、イオン選択電極およびカール・フィッシャー滴定法(ウルトラキャパシタ10の電解質6に適用された)を用いて測定されてきた。本明細書における教示事項によるウルトラキャパシタ10におけるハロゲン化物の総含有量が、約200ppm未満のハロゲン化物(Cl-およびF-)であったことがわかり、含水量が約100ppm未満であったことがわかった。
【0079】
電解質を精製する技術の一例は、題名が「The oxidation of alcohols in substituted imidazolium ionic liquids using ruthenium catalysts(ルテニウム触媒を用いた置換イミダゾリウムイオン液体におけるアルコールの酸化)」(FarmerおよびWelton、The Royal Society of Chemistry、2002年、第4号、p.97-102)である参考文献において提示される。例示的プロセスも本明細書において提示される。
【0080】
不純物は、種々の技術、例えば原子吸光分析法(AAS)、誘導結合プラズマ質量分析法(ICPMS)、または重金属酸化物粒子の痕跡の簡略化された可溶化および電気化学的検知等を用いて測定可能である。AASは、気体状態の自由原子による光学的放射(光)の吸収を用いて化学元素を定性的および定量的に測定するための分光分析法である。この技術は、分析すべき試料における特定の元素(被検体)の濃度を決定するのに用いられる。AASは、溶液において又は固体試料において直接的に、70を超える異なる元素を決定するのに使用可能である。ICPMSは、高感度であり且つ1012における1部(ppt)より低い濃度における範囲の金属およびいくつかの非金属を決定可能である質量分析の一種である。この技術は、イオンを分離および検出する方法として質量分析計を用いてイオンを生成する(イオン化)方法として誘導結合プラズマを一緒にカップリングすることに基づく。ICPMSは、好適なイオンの同位体分離をモニタリングすることも可能である。
【0081】
不純物を分析するのに追加の技術を用いてよい。これらの技術のいくつかは、固体試料中の不純物を分析するのに特に好都合である。イオンクロマトグラフィ(IC)は、電解質6(例えばイオン液体)における痕跡レベルのハロゲン化物不純物を測定するのに用いられてよい。イオンクロマトグラフィの利点の1つは、関連するハロゲン化物種を1回のクロマトグラフィ分析において測定可能であることである。20mMのNaOHおよび10%(v/v)のアセトニトリルで構成される溶離剤を用いたDionex AS9-HCカラムは、イオン液体からのハロゲン化物の定量に用いてよい装置の一例である。更なる技術は、蛍光X線技術である。
【0082】
蛍光X線(XRF)機器は、固体試料中のハロゲン含有量を測定するのに用いてよい。この技術において、分析すべき試料は、試料カップに配置され、試料カップはその後、分析装置に配置され、そこで特定の波長のX線が照射される。試料中のハロゲン原子はX線の一部を吸収し、特定のハロゲンに特有の波長の放射を反射する。次いで、機器内の検出器がハロゲン原子から戻ってくる放射の量を定量し、放射の強度を測定する。曝される表面積を知ることにより、試料中のハロゲン濃度が決定可能である。固体試料中の不純物を評価するための更なる技術は熱分解技術である。
【0083】
不純物の吸着は、熱分解およびマイクロクーロメーターを用いることにより効果的に測定され得る。マイクロクーロメーターは、塩素の総含有量に関してほとんど全ての種類の材料を試験可能である。一例として、少量(10ミリグラム未満)の試料が、温度が約600℃~約1,000℃の範囲である石英の燃焼管の中に注入または配置される。石英管に純酸素を通して塩素含有成分を完全に燃焼させる。結果として生じる燃焼生成物を滴定セルの中へと押し流して、そこで塩化物イオンが電解質溶液中に捕捉される。電解質溶液は、塩化物イオンと直ちに結合して不溶性の塩化銀として溶液から脱落する銀イオンを含有する。滴定セル中の銀電極は、銀イオン濃度が滴定開始前の濃度に戻るまで、消費された銀イオンを電気的に置換する。必要とされる量の銀を発生させるのに必要な電流量を記録することにより、機器は、原試料中に存在した塩素の量を決定することができる。存在する塩素の総量を試料の重量で除すことにより、試料中に実際に存在する塩素の濃度が得られる。不純物を評価するための他の技術を用いてよい。
【0084】
電極3における表面キャラクタリゼーションおよび含水量は、例えば赤外線分光技術により分析してよい。1130、1560、3250および2300cm-1付近における4つの主要な吸収バンドはそれぞれ、νC=O、アリールにおけるνC=C、νO-HおよびνC-Nに対応する。強度およびピーク位置を測定することにより、電極3内の表面不純物を定量的に同定することが可能である。
【0085】
電解質6およびウルトラキャパシタ10における不純物を同定するためのもう1つの技術はラマン分光法である。この分光技術は、通常は可視、近赤外または近紫外範囲におけるレーザーからの、単色光の非弾性散乱またはラマン散乱に依るものである。レーザー光は分子の振動、フォノンまたは系における他の励起と相互作用し、上側または下側にシフトしたレーザー光子のエネルギーをもたらす。従って、この技術は、ウルトラキャパシタ10内の原子および分子をキャラクタリゼーションするのに用いてよい。ラマン分光法の多数の変形が用いられ、ウルトラキャパシタ10の内容物のキャラクタリゼーションに有用であることが判明し得る。
【0086】
ウルトラキャパシタ10が作製されると、漏れ電流が僅か又は無く、抵抗がほとんど増加しない高温用途に用いてよい。本明細書に記載のウルトラキャパシタ10は、約-40℃~約210℃の温度で効果的に動作可能であり、動作電圧および温度範囲の全体において、デバイスの体積に対して規格化した漏れ電流はデバイスの体積1リットル当たり1アンペア(1A/L)未満である。
【0087】
ウルトラキャパシタ10における含水量を(例えば、電解質の重量および体積に対して500ppm未満に、かつ不純物を1,000ppm未満に)低減することにより、ウルトラキャパシタ10は温度範囲にわたって効果的に動作可能であり、漏れ電流(I/L)はその温度範囲および電圧範囲内において1,000ミリアンペア毎リットルである。
【0088】
一の実施形態において、特定の温度における漏れ電流(I/L)は、ウルトラキャパシタ10の電圧を定格電圧(即ち最大定格動作電圧)で一定に72時間保持することにより測定される。この時間のあいだ、温度は特定の温度において比較的一定のままである。測定間隔の終了時において、ウルトラキャパシタ10の漏れ電流を測定する。
【0089】
いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10の最大定格電圧は、室温において約4Vである。高温(例えば210℃より高温)におけるウルトラキャパシタ10の性能を確保する手段は、ウルトラキャパシタ10の定格電圧の出力レベルを下げる(即ち、定格電圧を低下させる)ことである。例えば、定格電圧は、高温における動作の継続時間の延長が達成されるように、約0.5Vに低下させて調節してよい。
【0090】
高度な純度を確保するためのもう1つの実施形態は、電解質6を精製するための例示的方法を含む。この方法は特定のパラメータ(例えば量、配合、時間等)に関して提示されるが、提示は単に電解質を精製する方法を例示し且つその実例となるものであり、方法を限定するものでないことに留意するべきである。
【0091】
電解質の精製方法の第1の工程において、電解質6(いくつかの実施形態においてイオン液体)を脱イオン水と混合し、次いで、いくらかの時間、適温(または中温、moderate temperature)に昇温させる。概念の実証において、50ミリリットル(ml)のイオン液体を850ミリリットル(ml)の脱イオン水と混合した。混合物は約12時間、60℃の一定温度に昇温され、(約120回転毎分(rpm)の)一定の撹拌に付された。
【0092】
第2の工程において、イオン液体および脱イオン水の混合物を分離させる。この例において、混合物は漏斗を介して移され、約4時間置かれた。
【0093】
第3の工程において、イオン液体を収集する。この例において、混合物の水相は底部に存在し、イオン液体相は上部に存在した。イオン液体相を別のビーカーに移した。
【0094】
第4の工程において、溶媒をイオン液体と混合した。この例において、体積が約25ミリリットル(ml)の酢酸エチルをイオン液体と混合した。この混合物を再び適温(または中温)に昇温し、しばらくの時間撹拌した。
【0095】
酢酸エチルが溶媒として用いられたが、溶媒は、ジエチルエーテル、ペンタン、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、1-4ジオキサン、クロロホルムまたはこれらのいずれかの組み合わせ及び適切な性能特性を示す他の(1または複数の)材料の少なくとも1つであり得る。所望の性能特性のいくつかは、非極性溶媒の性能特性および高度な揮発性を含む。
【0096】
第5の工程において、炭素粉末をイオン液体および溶媒の混合物に加える。この例において、約20重量パーセント(wt%)の炭素(直径約0.45マイクロメートル)を混合物に加えた。
【0097】
第6の工程において、イオン液体を再び混合する。この例において、炭素粉体を含む混合物を約70℃において一晩、一定の撹拌(120rpm)に付した。
【0098】
第7の工程において、炭素および酢酸エチルをイオン液体から分離する。この例において、炭素は、ガラスマイクロファイバーフィルターを用いたブフナー濾過を用いて分離された。複数回(3回)の濾過が行われた。収集されたイオン液体は、その後、実質的に全ての炭素粒子を除去するために、0.2マイクロメートルのシリンジフィルターに通された。この例において、溶媒は、その後、ロータリーエバポレーション(または回転蒸発)を用いることによりイオン液体から実質的に分離された。具体的には、イオン液体の試料を、温度を70℃から80℃に上昇させながら撹拌し、100℃において終了した。蒸発は、各温度においてそれぞれ約15分間行った。
【0099】
電解質の精製方法は非常に効果的であることがわかった。イオン液体試料に関して、含水量は、Mettler-Toledo Inc.(オハイオ州コロンバス、型式番号:AQC22)により提供された滴定装置を用いて滴定により測定した。ハロゲン化物含有量は、Hanna Instruments(ロードアイランド州ウーンソケット、型式番号:AQC22)により提供されたISE(イオン選択電極)機器を用いて測定した。ISE機器の標準溶液は、Hannaから得られ、HI 4007-03(1,000ppm塩化物標準物質)、HI 4010-03(1,000ppmフッ化物標準物質)、HI 4000-00(ハロゲン化物電極のためのISA)およびHI 4010-00(フッ化物電極のみのためのTISAB溶液)が含まれた。測定を行うに先立って、ISE機器は、脱イオン水と混合した0.1、10、100および1,000ppmの標準物質を用いた標準溶液を用いて校正された。Cl-イオン測定のために、ISA緩衝剤を標準物質に1:50の割合で加えた。結果を表4に示す。
【0100】
【0101】
ハロゲン化物イオンを測定するために4段階の方法を用いた。第1に、Cl-およびF-イオンを脱イオン水中で測定した。次に、脱イオン水を用いてイオン液体の0.01M溶液を調製した。次いで、Cl-およびF-イオンをその溶液中で測定した。その後、ハロゲン化物含有量の概算量を、溶液中のイオン量から水中のイオン量を減算することにより決定した。
【0102】
概説として、円筒形のウルトラキャパシタ10の組み立て方法が提示される。電極3から開始して、各電極3は、エネルギー貯蔵媒体1が集電体2と関連付けられた後に作製される。次いで、複数のリード線を各電極3の適切な位置に連結する。次いで、複数の電極3を位置合わせし、間に配置された適切な数のセパレータと共に組み立てて貯蔵セル12を形成する。その後、貯蔵セル12を円筒形に巻いてよく、包装部材(wrapper)で固定してよい。一般に、それぞれのリード線はその後束ねられて各端子8を形成する。
【0103】
ウルトラキャパシタ10に電解質6を組み込むに先立って(例えば貯蔵セルの組み立て前または後に)、ウルトラキャパシタ10の各構成要素を乾燥させて水分を除去してよい。これは、組み立てられていない構成要素(即ち、空のハウジング7ならびに各電極3および各セパレータ5)を用いて行ってよく、その後、組み立てられた構成要素(貯蔵セル12等)を用いて行ってよい。
【0104】
乾燥は、例えば真空環境において高温にて行ってよい。乾燥を行ったら、貯蔵セル12はその後、最終的な封止またはキャップをすることなくハウジング7にパッケージングしてよい。いくつかの実施形態において、パッケージングは、50ppm未満の水を含む雰囲気において行われる。キャップされていないウルトラキャパシタ10をその後再び乾燥させてよい。例えば、ウルトラキャパシタ10は、真空下において約100℃~約300℃の温度範囲にわたって乾燥させてよい。この最終の乾燥が完了したら、その後、ハウジング7を、例えば水分が50ppm未満の雰囲気において密封してよい。
【0105】
いくつかの実施形態において、乾燥プロセス(「ベーキング(baking)」プロセスとよんでもよい)が完了したら、構成要素の周りの環境を不活性ガスで満たしてよい。例示的ガスとして、アルゴン、窒素、ヘリウムおよび同様の特性を示す他のガス(ならびにそれらの組み合わせ)が挙げられる。
【0106】
一般に、注入口(ハウジング7の表面における穿孔)がハウジング7に含まれ、または後で加えられてよい。ウルトラキャパシタ10が電解質6で満たされたら、注入口を閉じてよい。注入口の閉止は、例えば、材料(例えばハウジング7に適合する金属)を注入口の中または上に溶接することにより達成してよい。いくつかの実施形態において、注入口は、ウルトラキャパシタ10が後続の再開口、充填および閉止のための別の環境に移動してよいように、充填の前に一時的に閉じてよい。尤も、本明細書において論じられるように、ウルトラキャパシタ10は同じ環境において乾燥させられ且つ満たされる(または充填される)と考えられる。
【0107】
所望の量の電解質6でハウジング7を満たすのに多数の方法を用いてよい。一般に、満たす方法(または充填方法)の制御は、とりわけ、キャパシタンス(または静電容量)の増加、等価直列抵抗(ESR)の低下および電解質6の消耗の制限をもたらしてよい。真空充填法が、ハウジング7を電解質6で満たして貯蔵セル12を電解質6で濡らす技術の限定的でない例として提示される。
【0108】
但し、第1に、ウルトラキャパシタ10の構成要素を汚染する可能性がある材料が清潔であり、適合性を有し且つ乾燥していることを確保するために、測定を行ってよいことに留意されたい。常套的には、「良好な衛生状態」は組み立てプロセスを確保するために実行され、構成要素はウルトラキャパシタ10に汚染物質を導入しないと考えてよい。また、常套的には、「汚染物質」は、導入された場合にウルトラキャパシタ10の性能に悪影響を及ぼすだろう任意の望まれない材料として定義されてよいと考えてよい。また、本明細書において一般に、汚染物質はppm等の濃度として評価されてよいことに留意されたい。濃度は、重量基準、体積基準、試料重量基準として考えてよく、または適切であると決定される他の任意の方法で考えてよい。
【0109】
「真空法」において、ハウジング7の上の注入口の周りに容器を置く。その後、酸素および水(即ち水分)が実質的にない環境において、一の量の電解質6を容器に入れる。次いで、環境を真空引きし、それによりハウジングから空気を引き出し、それと同時に電解質6をハウジング7の中に引き入れる。その後、必要に応じて周囲の環境に不活性ガス(アルゴン、窒素等または不活性ガスのいくつかの組み合わせ)が補充されてよい。ウルトラキャパシタ10は、所望の量の電解質6が引き入れられたか否かが確認されてよい。方法は、所望の量の電解質6がウルトラキャパシタ10内に存在するまで、必要に応じて繰り返してよい。
【0110】
電解質6で満たした後、いくつかの実施形態において、材料を注入口に適合させてウルトラキャパシタ10を密封してよい。材料は、例えば、ハウジング7および電解質6に適合する金属であってよい。一の例において、材料は、注入口に圧力嵌め(force fit)され、注入口における栓の「冷間溶接(またはコールドウェルド)」を本質的に実施する。当然ながら、圧力嵌めは、本明細書において更に論じられる他の溶接技術で補ってよい。
【0111】
充填方法がウルトラキャパシタ10をもたらす方法を示すために、ウルトラキャパシタ10の2つの類似の実施形態を構築した。一方は、真空を用いずに充填され、他方は真空下で充填された。2つの実施形態の電気的性能を表5に提示する。そのような測定の繰り返された性能により、性能の向上は、真空を適用することによるウルトラキャパシタ10の充填により実現されることが注目された。一般に、ハウジング7内の圧力が約150ミリトル(mTorr)未満、特に約40mTorr未満に低下することが望ましいことが決定された。
【0112】
【0113】
真空充填技術の有効性を評価するために、2つの異なるパウチ型セルを試験した。パウチ型セルは2つの電極3を含み、各電極3は炭素質材料をベースとした。電極3の各々は、互いに対して反対側に且つ互いに向かい合うように配置された。セパレータ5は、短絡を防止するためにそれらの間に配置され、全ては電解質6に浸漬された。4つの測定点を備えるために2つの外部タブを用いた。使用したセパレータ5はポリエチレンセパレータ5であり、セルは約0.468mlの総体積を有した。
【0114】
図9は、ウルトラキャパシタ10中の未精製の電解質に関する漏れ電流を表す。
図10は、同様に校正されたウルトラキャパシタ10中の精製電解質に関する漏れ電流を表す。初期の漏れ電流の有意な低下および測定間隔の後の部分にわたる漏れ電流の低下が存在することが理解可能である。更なる情報は、表6における各実施形態の構成において提示される。
【0115】
【0116】
漏れ電流は、多数の方法で決定されてよい。定量的には、漏れ電流は、デバイスが平衡状態に達した時点でデバイスに引き込まれる電流であると考えてよい。実際には、一般に漸近的にのみ達し得る平衡状態として実際の漏れ電流を見積もることが常に又はほとんど常に必要である。従って、所定の測定における漏れ電流は、ウルトラキャパシタ10を実質的に固定された電圧に保持し、比較的長時間にわたって実質的に固定された周囲温度に曝しながら、ウルトラキャパシタ10に引き込まれる電流を測定することにより見積もってよい。いくつかの例において、「比較的長時間」は、電流-時間関数を指数関数として見積もることにより決定してよく、いくらかの(例えば約3~5)特性時間定数が経過し得る。多くの場合、そのような継続時間は、多数のウルトラキャパシタ技術に対して約50時間~約100時間の範囲である。別法として、何らかの理由によりそのような長時間が実施困難である場合、漏れ電流は、再び、おそらく、指数関数または適切であると考えられる任意の近似関数として電流-時間関数を見積もることにより、簡単に外挿してよい。特に、漏れ電流は一般に周囲温度に依存するだろう。従って、一の温度または一の温度範囲におけるデバイスの性能のキャラクタリゼーションを行うために、漏れ電流を測定するときに、対象とする周囲温度にデバイスを曝すことが一般に重要である。
【0117】
ここで、一の例示的ハウジング7の態様を示す
図11を参照する。とりわけ、ハウジング7は、ウルトラキャパシタ10の構造および物理的保護を与える。この例において、ハウジング7は、環状の円筒形のボディ(または本体)20および相補的なキャップ24を含む。この実施形態において、キャップ24は、取り外されて電気絶縁体26で満たされる中心部を含む。キャップのフィードスルー(feed-through)19は、電気絶縁体26を貫通して、貯蔵されたエネルギーに対するアクセスを使用者に提供する。
【0118】
ハウジング7のための共通の材料としては、ステンレススチール、アルミニウム、タンタル、チタン、ニッケル、銅、スズ、種々の合金、積層体等が挙げられる。いくつかのポリマー系材料等の構造材料を(一般に少なくともいくつかの金属成分と組み合わせて)ハウジング7に用いてよい。
【0119】
この例はキャップ24における唯1つのフィードスルー19を表しているが、ハウジング7の構造は本明細書において論じられる実施形態に限定されないことを理解するべきである。例えば、キャップ24は、複数のフィードスルー19を含んでよい。いくつかの実施形態において、ボディ20は、環状の円筒の反対側の端部において第2の同様のキャップ24を含む。更に、ハウジング7は環状の円筒形のボディ20を有する実施形態に限定されないことを理解するべきである。例えば、ハウジング7は、シェル(またはクラムシェル)型、角柱型、パウチ型、または設計者、製造者もしくは使用者のニーズに適した他の任意の型式であってよい。
【0120】
この例において、キャップ24は、ボディ20の内径にぴったりと適合するように設計された外径を有するように作製される。組み立て時に、キャップ24は、ボディ20内に溶接されてよく、それにより使用者に密封を提供してよい。
【0121】
ここで
図12を参照して、例示的エネルギー貯蔵セル12を示す。この例において、エネルギー貯蔵セル12は「ゼリーロール」型のエネルギー貯蔵体?である。これらの実施形態において、エネルギー貯蔵材料を巻き取って詰まったパッケージにする。複数のリード線は一般に、各端子8を形成し、エネルギー貯蔵セル12の適切な層への電気的アクセスを提供する。一般に、組み立てるとき、各端子8は、ハウジング7に(例えばそれぞれのフィードスルー19に及び/又はハウジング7に直接)電気的に連結される。エネルギー貯蔵セル12は種々の形態を仮定してよい。一般に、少なくとも2つの複数のリード線(例えば端子8)が存在し、それぞれは各集電体2に対するものである。簡単にするために、端子8の1つのみを
図12、15および17に示す。
【0122】
ハウジング7の高性能の密封が望ましい。即ち、外部環境(空気、湿気等)の侵入を防ぐことは、エネルギー貯蔵セル12の構成要素の純度を維持するのに役立つ。更に、これにより、エネルギー貯蔵セル12からの電解質6の漏れが防止される。
【0123】
ここで
図13を参照すると、ハウジング7は内側の障壁(barrier)30を含んでよい。いくつかの実施形態において、障壁30はコーティングである。この例において、障壁30はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から形成される。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は、この組成物を障壁30によく適したものにする種々の特性を示す。PTFEは約327℃の融点を有し、優れた誘電特性を有し、約0.05~0.10の摩擦係数(これは公知の固体材料のうち3番目に低い)を有し、高耐食性および他の有益な特性を有する。一般に、キャップ24の内部は、そこに配置された障壁30を含んでよい。
【0124】
他の材料を障壁30に用いてよい。これらの他の材料は、とりわけ、セラミック(適切に適用し得、かつ性能基準を満たし得る任意の種類のセラミック)、他のポリマー(好ましくは高温ポリマー)等の形態である。例示的な他のポリマーとして、パーフルオロアルコキシ(PFA)およびフッ素化エチレンプロピレン(FEP)ならびにエチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)が挙げられる。
【0125】
障壁30は、エネルギー貯蔵セル12とハウジング7またはハウジング7の構成要素との電気化学的反応または他の種類の反応の低減をもたらす任意の材料または材料の組み合わせを含んでよい。いくつかの実施形態において、組み合わせは、単一層内の異なる材料の均一な分散物として示される。他の実施形態において、組み合わせは、複数の層内の異なる材料として示される。他の組み合わせを用いてよい。手短にいえば、障壁30は、電気絶縁体または化学的に不活性である(即ち低反応性を示す)ことの少なくとも一方であると考えてよく、従って、貯蔵セル12とハウジング7との間の電気的相互作用および化学的相互作用の少なくとも一方に実質的に耐える又はそれを妨げる。いくつかの実施形態において、用語「低反応性」および「低化学反応性」は一般に、当事者にとって関心のあるレベルより低い化学的相互作用の速度を指す。
【0126】
一般に、ハウジング7の内部は、内部に曝されるハウジング7の全ての表面が被覆されるように、障壁30に対するホストであってよい。少なくとも1つの処理されていない領域31が、ボディ20内およびキャップ24の外面36に含まれてよい(
図14Aを参照のこと)。いくつかの実施形態において、処理されていない領域31(
図14Bを参照のこと)が、(溶接等により)密封または接続されるだろう領域等の組み立ての要件を構成するために含まれてよい。
【0127】
障壁30は、常套的な技術を用いて内部に適用してよい。例えば、PTFEの場合、障壁30は、障壁30をコーティングとして内面に塗布または噴霧することにより適用してよい。プロセスの一部としてマスクを用いて、処理されていない領域31が所望の保全された状態を保つのを確保してよい。手短にいえば、障壁30をもたらすのに種々の技術を用いてよい。
【0128】
一の例示的実施形態において、障壁30は約3ミル(mil)~約5ミルの厚さであり、一方、障壁30に用いられる材料はPFA系材料である。この例において、障壁30を構成する材料を受ける表面は、酸化アルミニウム等のグリットブラスティングにより整えられる。表面が洗浄されたら、材料が、まずは液体として、次いで粉末として適用される。材料は、熱処理プロセスにより硬化される。いくつかの実施形態において、加熱サイクルは、約370℃の温度において、継続時間が約10分~約15分である。これにより、ピンホールサイズまたはより小さい欠陥が実質的にない障壁30の連続的仕上げがもたらされる。
図15は、本明細書における教示に従うウルトラキャパシタ10の一の実施形態の組み立てを表す。この実施形態において、ウルトラキャパシタ10は、中に配置された障壁30を含むボディ20と、中に配置された障壁30を備えるキャップ24と、エネルギー貯蔵セル12とを含む。組み立ての間、キャップ24はボディ20の上に設置される。1つ目の端子8は、キャップのフィードスルー19に電気的に連結され、一方、2つ目の端子8は、ハウジング7に、通常は底部において、キャップ24の側面または上に電気的に連結される。いくつかの実施形態において、2つ目の端子8は、(反対側のキャップ24等の)もう1つのフィードスルー19に連結される。
【0129】
障壁30がハウジング7の(1または複数の)内面に配置されていると、ハウジング7と電解質との電気化学反応および他の反応が大いに低減され、または実質的に排除される。これは化学反応および他の反応の速度が一般に増大する高温において特に顕著である。
【0130】
ここで
図16を参照すると、他の同等のウルトラキャパシタと比較したウルトラキャパシタ10の相対的性能が示されている。
図16Aにおいて、ウルトラキャパシタ10の従来技術の実施形態に関して漏れ電流が示されている。
図16Bにおいて、障壁30を含む同等のウルトラキャパシタ10に関して漏れ電流が示されている。
図16Bにおいて、ウルトラキャパシタ10は、漏れ電流が
図16Aに示されるウルトラキャパシタと電気的に同等である。両方の場合において、ハウジング7はステンレススチールであり、セルに供給される電圧は1.75ボルトであり、電解質は精製されなかった。温度を150℃で一定に保持した。特に、
図16Aにおける漏れ電流が比較的高い初期値および時間にわたる実質的増加を示すのに対し、
図16Bにおける漏れ電流は、比較的低い初期値を示し、時間にわたって実質的な増加を示さない。
【0131】
一般に、障壁30は、エネルギー貯蔵セル12とハウジング7との間において適切な材料の適切な厚さを備える。障壁30は、均一な混合物、不均一な混合物および/または材料の少なくとも1つの層を含んでよい。障壁30は、完全な被覆を提供してよく(即ち電極接触子を除くハウジングの内部表面領域にわたる被覆を提供してよく)、または部分的な被覆を提供してよい。いくつかの実施形態において、障壁30は、複数の構成要素から形成される。例えば、以下に提示し且つ
図8において図示される実施例を検討されたい。
【0132】
図17を参照して、追加の実施形態の態様を示す。いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵セル12はエンベロープ(または包装体)33内に置かれる。即ち、エネルギー貯蔵セル12は、上に配置された、上を覆った、または組み立てた時点でハウジング7からエネルギー貯蔵セル12を離隔するために他の方法で適用された障壁30を有する。エンベロープ33は、エネルギー貯蔵セル12をハウジング7の中にパッケージングするよりもかなり前に適用してよい。従って、エンベロープ33の使用は、製造者等に対して一定の利点を提示し得る。(説明のために、エンベロープ33はエネルギー貯蔵セル12の上にゆとりを持たせて(またはゆったりと)配置されるものとして示されていることに留意されたい。)
【0133】
いくつかの実施形態において、エンベロープ33はコーティングと併せて用いられ、コーティングは内面の少なくとも一部の上に配置される。例えば、一の実施形態において、コーティングは、ハウジング7の内部において、エンベロープ33が少なくとも部分的に危険(突出した端子8等)にさらされ得る領域のみに配置される。エンベロープ33およびコーティングは一緒に効果的な障壁30を形成する。
【0134】
従って、障壁30を組み込むことにより、従来技術を考慮して比較的低い初期値および実質的に低速である漏れ電流の経時的増加を有する漏れ電流を示すウルトラキャパシタを提供し得る。意義深いことに、従来技術のキャパシタが漏れ電流の極めて高い初期値および/または極めて高速である漏れ電流の経時的増加を示すだろう周囲温度にウルトラキャパシタが曝されるとき、ウルトラキャパシタの漏れ電流は、実用的な(即ち望ましく低い)レベルのままである。
【0135】
常套的には、用語「漏れ電流」は一般に、所定の時間の後に測定される、キャパシタによって引かれる電流を指す。この測定は、キャパシタの端子が実質的に固定された電位差(端子電圧)で保持されるときに行われる。漏れ電流を評価するとき、通常の時間は72時間であるが、異なる時間を用いてよい。従来技術のキャパシタに関する漏れ電流は一般に、エネルギー貯蔵媒体の体積および表面積の増加ならびに付随するハウジング内部の表面積の増加に従って増加することが注目される。一般に、漏れ電流の増大は、ウルトラキャパシタ10内の反応速度が徐々に増大することを示していると考えられる。漏れ電流の性能要件は一般に、特定の用途において普及している環境条件によって定義される。例えば、体積が20mLのウルトラキャパシタ10に関して、漏れ電流の実用限界は、100mAを下回ってよい。
【0136】
障壁30の実施形態およびその種々の態様をこのように説明してきたが、ウルトラキャパシタ10が、ハウジング7とエネルギー貯蔵媒体1との反応を低減させた結果として他の利益を示してよいことを理解するべきである。例えば、ウルトラキャパシタ10の等価直列回路(ESR)は、比較的低い値を時間にわたって示してよい。更に、従来技術のキャパシタにおいて起こる望まない化学反応はしばしば、アウトガス(またはガス放出、out-gassing)、または密封されたハウジングの場合におけるハウジングの膨張(または膨れ)等の望まない影響を生む。両方の場合において、このことにより、ハウジングの構造的一体性(または完全性)および/またはキャパシタの密封が危険にさらされる。最終的に、このことにより、従来技術のキャパシタのリークまたは壊滅的な故障がもたらされ得る。いくつかの実施形態において、これらの影響は、開示された障壁30の適用により実質的に低減または排除し得る。
【0137】
用語「障壁」および「コーティング」は本明細書の教示事項に限定されないことを理解するべきである。即ち、適切な材料をハウジング7、ボディ20および/またはキャップの内部に適用する任意の技術を用いてよい。例えば、他の実施形態において、障壁30は、実際にはハウジングボディ20を構成する材料の中または上に作製され、次いで、その材料は、必要に応じて加工または成形されて、ハウジング7の種々の構成要素を形成する。障壁30を適用するための多数の可能な技術のいくつかを考えるとき、(1または複数の)材料をローラー塗布、スパッタリング、焼結、積層、印刷または他の方法で適用することが同様に適切であってよい。手短にいえば、障壁30は、製造者、設計者および/または使用者によって適切であると考えられる任意の技術を用いて適用してよい。
【0138】
障壁30において用いられる材料は、反応性、誘電性の値(dielectric value)、融点、ハウジング7の材料に対する接着性、摩擦係数、コストおよび他のそのような因子等の特性に従って選択してよい。(例えば積層された、混合された、または他の方法で組み合わされた)材料の組み合わせを用いて所望の特性を提供してよい。
【0139】
障壁30を備えるハウジング7等の改良されたハウジング7を用いることにより、いくつかの実施形態において、電解質6の劣化が制限され得る。壁30は、改良されたハウジング7を提供するための一の技術を提示するが、他の技術を用いてよい。例えば、アルミニウムから作製されるハウジング7の使用は、電解質6の存在下でのアルミニウムの電気化学的特性を理由として、好都合だろう。尤も、アルミニウムの製造の困難さを考えると、アルミニウムを利用したハウジング7の実施形態を構築することは(現在に至るまで)不可能であった。
【0140】
ハウジング7の追加の実施形態は、全ての内面にアルミニウムを与える実施形態を含み、その内面は電解質に曝されてよく、一方で、使用者にハウジングの溶接および密封可能性を提供する。ウルトラキャパシタ10の改良された性能は、内部腐食の低減、導電性媒体における異種金属の使用に付随する問題の排除および他の理由により実現され得る。好都合なことに、ハウジング7は既存技術、ガラス-金属(glass-to-metal)シール(または封止もしくは密封)を含む(かつステンレススチール、タンタルまたは他の好都合な材料および構成要素から作製されるものを含んでよい)利用可能な電極挿入物等を利用し、従って、製造が経済的である。
【0141】
ウルトラキャパシタ10に適したハウジング7の実施形態として本明細書に開示されているが、これらの実施形態は(障壁30と同様に)、適切であると考えられる任意の種類のエネルギー貯蔵体と共に用いられてよく、実施可能な任意の種類の技術を含んでよい。例えば、電気化学電池、特にリチウム系電池を含む他の形態のエネルギー貯蔵体を用いてよい。
【0142】
いくつかの実施形態において、ボディ20の構造に用いられる材料はアルミニウムを含み、アルミニウムは、設計者または製造者が適切であると考える任意の種類のアルミニウムまたはアルミニウム合金(これらの全ては、大別して本明細書において単に「アルミニウム」とよばれる)を含んでよい。種々の合金、積層体等を、アルミニウム(ボディ20の内部に曝されるアルミニウム)の上に配置(例えば被覆)してよい。追加の材料(構造材料またはいくつかのポリマー系材料等の電気的に絶縁性の材料等)を、ボディおよび/またはハウジング7を補うのに用いてよい。アルミニウムの上に配置される材料は、設計者または製造者が適切であると考えることにより同様に選択されてよい。
【0143】
一般に、ハウジング7の内部に曝される(1または複数の)材料は、電解質6に曝されるとき、十分に低い反応性を示し、従って、実施形態のいくつかの例示に過ぎず、本明細書における教示事項に限定されない。
【0144】
この例は、キャップ24における唯1つのフィードスルー19を表しているが、ハウジング7の構造は本明細書において論じられる実施形態に限定されないことを理解するべきである。例えば、キャップ24は複数のフィードスルー19を含んでよい。いくつかの実施形態において、ボディ20は、環状の円筒の反対側の端部において第2の同様のキャップ24を含む。更に、ハウジング7が環状の円筒形ボディ20を有する実施形態に限定されないことを理解するべきである。例えば、ハウジング7は、シェル型、角柱型、パウチ型、または設計者、製造者または使用者のニーズに適した任意の他のデザインであってよい。
【0145】
ハウジング7の高性能の密封が望ましい。即ち、外部環境(例えば空気、湿気等)の侵入の防止は、エネルギー貯蔵セル12の構成要素の純度を維持するのに役立つ。更に、これにより、エネルギー貯蔵セル12からの電解質6のリーク(または漏れ)が防止される。
【0146】
ここで
図18を参照して、キャップ24のブランク34の実施形態の態様を示す。
図18Aにおいて、ブランク34は多層材料を含む。第1の材料の層41はアルミニウムである。第2の材料の層42はステンレススチールである。
図18の実施形態において、ステンレススチールはアルミニウムの上に被覆され、それにより冶金的特性の所望の組み合わせを示す材料がもたらされる。即ち、本明細書に提示される実施形態において、アルミニウムはエネルギー貯蔵セル(即ちハウジング)の内部に曝され、一方、ステンレススチールは外部に曝される。このようにして、アルミニウムの好都合な電気的特性が教授され、一方、ステンレススチールの構造的特性(および冶金的特性、即ち溶接性)が構造に信頼性を持たせる。多層材料は適切であると考えられる追加の層を含んでよい。
【0147】
上述のように、第1の材料の層41は、第2の材料の層42の上に(または第2の材料の層42と共に)被覆される。本明細書において用いられる場合、用語「被覆する」、「被覆」等は、異種金属を一緒に結合することを指す。被覆はしばしば、ダイ(または金型)を通して2つの金属を押し出すこと、および高圧下でシートを一緒にプレスまたは圧延することにより達成される。レーザークラッディング等の他のプロセスを用いてよい。結果は、複数の層からなる材料のシートであり、材料の複数の層は、材料が単一のシートとしてはたらき得るように一緒に結合されている(例えば、均一な材料の単一の層が形成されているように形成される)。
【0148】
更に
図18Aを参照すると、一の実施形態において、(図示されるように)平坦な金属材料(stock)のシートが、平坦なキャップ24を作製するためのブランク34を提供するのに用いられる。第2の材料の層42の一部は、キャップ24のボディ20への取り付けを容易にするために(キャップ24の外周の周り等が)除去されてよい。
図18Bにおいて、ブランク34のもう1つの実施形態を示す。この例において、ブランク34は、凹形構造に形成される被覆材料のシートとして提供される。
図18Cにおいて、ブランク34は、凸形構造に形成される被覆材料のシートとして提供される。ブランク34の種々の実施形態(
図18に示される実施形態等)から作製されるキャップ24は、ハウジング7のボディ20に対する溶接を支持するように構成される。より具体的には、
図18Bの実施形態は、ボディ20の内径内に適合するようになっており、一方、
図18Cの実施形態は、ボディ20の外径の表面に適合するようになっている。種々の代わりの実施形態において、シート内の被覆材料の層を逆転させてよい。
【0149】
組み立てる時に、キャップ24はボディ20に接合されてよく、それにより使用者に密封が提供される。例示的溶接技術は、レーザー溶接およびTIG(またはティグ)溶接を含み、適切であると考えられる他の形態の溶接を含んでよい。
【0150】
ここで
図19を参照して、電極アセンブリ(または電極組立体)50の一の実施形態を示す。電極アセンブリ50は、ブランク34の中に取り付けられるように、且つエネルギー貯蔵媒体から使用者への電気的連通を提供するように設計される。一般に、電極アセンブリ50はスリーブ(sleeve)51を含む。スリーブ51は絶縁体26を囲み、絶縁体26はフィードスルー19を囲む。この例において、スリーブ51は、フランジ(またはつば)付きの上部を備える環状の円筒である。
【0151】
キャップ24を組み立てるために、穿孔(図示せず)をブランク34に形成する。穿孔は、電極アセンブリ50に一致するサイズの幾何学的形状を有する。従って、電極アセンブリ50はブランク34の穿孔に挿入される。電極アセンブリ50が挿入された時点で、電極アセンブリ50は、溶接等の技術によってブランク34に取り付けてよい。溶接は、スリーブ51のフランジの外周の周りを溶接するレーザー溶接であってよい。
図20を参照して、溶接を実施する位置(またはポイント)61が示される。この実施形態において、位置61は、ステンレススチールをステンレススチールに溶接するのに適した位置を提供し、比較的簡単な溶接手順を提供する。従って、本明細書の教示事項は、ブランク34の所定の位置への電極アセンブリ50のしっかりした溶接を提示する。
【0152】
スリーブ51を構成する材料は、種々の種類の金属または金属合金を含んでよい。一般に、スリーブ51の材料は、例えば、構造的完全性(または整合性)および(ブランク34に対する)接合性に従って選択される。スリーブ51の例示的材料として、304ステンレススチールまたは316ステンレススチールが挙げられる。フィードスルー19を構成する材料は、種々の種類の金属または金属合金を含んでよい。一般に、フィードスルー19の材料は、例えば、構造的完全性および電気コンダクタンスに従って選択される。電極のための例示的材料は、446ステンレススチールまたは52合金を含む。
【0153】
一般に、絶縁体26が、公知の技術(即ちガラス-金属接合)によりスリーブ51およびフィードスルー19に接合される。絶縁体26を構成する材料は、高温ガラス、セラミックガラスまたはセラミック材料を含む種々の種類のガラスを含んでよいが、これに限定されない。一般に、絶縁体の材料は、例えば、構造的完全性および電気抵抗(即ち電気絶縁性)に従って選択される。
【0154】
ガラス-金属接合に依存する構成要素(電極アセンブリ50の上述の実施形態等)の使用および種々の溶接技術の使用は、エネルギー貯蔵体の密封を提供する。密封をもたらすために他の構成要素を同様に用いてよい。本明細書において用いられる場合、用語「密封」は通常、本明細書において定義される漏れ速度以下の漏れ速度を示す封止を指す。尤も、実際の密封の有効性は、この基準より良好に機能してよいと考えられる。
【0155】
電極アセンブリ50をブランク34に連結するための追加の又は他の技術は、そのような技術が適切であると考えられる場合に、スリーブ51のフランジの下(フランジと第2の材料の層42との間)に結合剤(bonding agent)を用いることを含む。
【0156】
ここで
図21を参照すると、エネルギー貯蔵セル12はボディ20内に配置される。少なくとも1つの端子8は(フィードスルー19等に)適切に連結され、キャップ24がボディ20に結合されて、ウルトラキャパシタ10がもたらされる。
【0157】
組み立てられた時点で、キャップ24およびボディ20を密封してよい。
図22は、組み立てられたエネルギー貯蔵体(この場合、ウルトラキャパシタ10)の種々の実施形態を表す。
図22Aにおいて、平坦なブランク34(
図18Aを参照のこと)が、平坦なキャップ24を作製するのに用いられる。キャップ24がボディ20に設置された時点で、キャップ24およびボディ20を溶接してシール62を形成する。この場合、ボディ20が環状の円筒であるので、溶接は、ボディ20およびキャップ24の外周の周りにおいて進められる。
図22Bに示す第2の実施形態において、凹形のブランク34(
図18Bを参照のこと)は、凹形のキャップ24を作製するのに用いられる。キャップ24がボディ20に設置された時点で、キャップ24およびボディ20を溶接してシール62を形成する。
図22Cに示す第3の実施形態において、凸形のブランク34(
図18Cを参照のこと)は、凸形のキャップ24を形成するのに用いられる。キャップ24がボディ20に設置された時点で、キャップ24およびボディ20を溶接してシール62を形成してよい。
【0158】
必要に応じて、クラッド材(または被覆材)を(例えば機械加工またはエッチング等の技術により)除去して、多層材料中の他の金属を露出させてよい。従って、いくつかの実施形態において、シール62は、アルミニウム-アルミニウム溶接を含んでよい。アルミニウム-アルミニウム溶接は、必要に応じて他の留め具で補われてよい。
【0159】
ハウジング7を密封するのに他の技術を用いてよい。例えば、レーザー溶接、TIG溶接、抵抗溶接、超音波溶接および他の形態の機械的密封を用いてよい。尤も、一般に、機械的密封の常套的形態は単独では、ウルトラキャパシタ10において示される強固な密封をもたらすのに十分ではないことに留意するべきである。
【0160】
いくつかの実施形態において、多層材料が内部の構成要素に用いられる。例えば、アルミニウムをステンレススチールで被覆して、端子8の少なくとも1つにおいて多層材料をもたらしてよい。これらの実施形態のいくつかにおいて、アルミニウムの一部を除去してステンレススチールを露出させてよい。次いで、露出したステンレススチールを用いて、簡単な溶接手順の使用により端子8をフィードスルー19に取り付けてよい。
【0161】
内部構成要素にクラッド材を用いることは、クラッド材の特定の実施形態を必要とすることがある。例えば、アルミニウム(底部層)、ステンレススチールおよび/またはタンタル(中間層)ならびにアルミニウム(上部層)を含むクラッド材を用いることが好都合であってよく、それにより、ステンレススチールがウルトラキャパシタ10の内部環境に曝されることが制限される。これらの実施形態は、例えば、PTFE等のポリマー材料を用いた追加のコーティングにより増強されてよい。
【0162】
一般に、ハウジングの組立はしばしば、貯蔵セル12をボディ20内に設置すること、およびボディ20を電解質6で満たす(または充填する)ことを伴う。乾燥工程を行ってよい。例示的乾燥として、しばしば減圧(例えば真空)下で貯蔵セル12および電解質6を中に備えるボディ20を加熱することが挙げられる。十分な(オプションの)乾燥を行った時点で、組立の最終工程を行ってよい。最終工程において、内部の電気的接続を形成し、キャップ24を取り付け、例えばキャップ24をボディ20に溶接することにより、キャップ24をボディ20に対して密封する。
【0163】
従って、多層材料を活用するハウジング7を提供することにより、従来技術を考えると初期値が比較的低い漏れ電流および漏れ電流の実質的により低速の経時的な増加を示すエネルギー貯蔵体がもたらされる。意義深いことに、エネルギー貯蔵体の漏れ電流は、ウルトラキャパシタ10が、従来技術のキャパシタが漏れ電流の極めて高い初期値および/または漏れ電流の極めて高速の経時的な増加示す周囲範囲に曝されるときに、実用的な(即ち望ましく低い)レベルのままである。
【0164】
加えて、ウルトラキャパシタ10は、ハウジング7とエネルギー貯蔵セル12との反応が低減される結果として、他の利益を提示してよい。例えば、エネルギー貯蔵媒体の等価直列抵抗(ESR)は時間にわたって比較的低い値を示してよい。更に、従来技術のキャパシタにおいて行われる不要な化学反応はしばしば、アウトガス、または密封されたハウジングの場合、ハウジング7の膨れ等の不要な影響を及ぼす。両方の場合において、このことは、ハウジング7の構造的完全性および/またはエネルギー貯蔵体の密封の妥協をもたらす。最終的に、このことにより、従来技術のキャパシタのリークまたは壊滅的な故障がもたらされ得る。これらの影響は、開示される障壁の適用によって実質的に低減されてよく又は排除されてよい。
【0165】
従って、使用者は、エネルギー貯蔵体のハウジング7が与えられており、ハウジング7において、最大でハウジング7の内面の全てである実質的部分がアルミニウムである(また、後述のように非干渉の材料を含んでよい)。従って、内部腐食の問題が回避され、設計者は、電解質6として適切な材料の選択におけるより高い適応性が提供される。
【0166】
多層材料(例えばクラッド材)を用いることにより、ステンレススチールはハウジング7に組み込まれてよく、従って、ガラス-金属シールを備える構成要素を用いてよい。構成要素は、レーザーまたは抵抗溶接等の技術を用いてクラッド材のステンレススチール側に溶接してよく、一方、クラッド材のアルミニウム側は他のアルミニウム部品(例えばボディ20)に溶接されてよい。
【0167】
いくつかの実施形態において、絶縁性ポリマーを、ハウジング7の部品を被覆するのに用いてよい。このようにして、エネルギー貯蔵体の構成要素が許容可能な種類の金属(アルミニウム等)にのみ曝されることを保証することが可能である。例示的絶縁性ポリマーとして、PFA、FEP、TFEおよびPTFEが挙げられる。適切なポリマー(または他の材料)は、システム設計者または製造者のニーズおよびそれぞれの材料の特性のみによって制限される。
図23を参照してよく、
図23において、少量の絶縁性材料39が、スリーブ51およびフィードスルー19のステンレススチールに電解質6が曝されることを制限するために含まれる。この例において、端子8は、溶接等によりフィードスルー19に連結され、次いで、絶縁性材料9で被覆される。
【0168】
ここで、キャップ24の組み立てのもう1つの実施形態の態様が表される
図24を参照されたい。
図4Aは、キャップ24のボディ(または本体)を提供するのに用いられる型板(またはテンプレート)(即ちブランク34)を表している。型板は一般に、適切な種類のエネルギー貯蔵セル(ウルトラキャパシタ10等)のハウジング7に嵌まるようなサイズである。キャップ24は、まず、型板内にドーム37を含む、型板を形成する型板を提供し(
図24Bに示す)、次いで、ドーム37に穴を開けて貫通路(through-way)32を設ける(
図24Cに示す)ことにより形成されてよい。もちろん、ブランク34(例えば円形の金属材料(stock))は、上述の特徴が同時にもたらされるようにプレスしてよく、または他の方法で作製してよい。
【0169】
一般に、またこれらの実施形態に関して、キャップはアルミニウムまたはその合金から形成されてよい。尤も、キャップは、製造者、使用者、設計者等が適切であると考える任意の材料から形成されてよい。例えば、キャップ24は、スチールから作製されてよく、不動態化されてよく(即ち、不活性コーティングで被覆されてよく)、またはハウジング7において用いるために他の方法で作製されてよい。
【0170】
ここでまた
図25を参照すると、電極アセンブリ50のもう1つの実施形態が示される。これらの実施形態において、電極アセンブリ50は、フィードスルー19およびフィードスルー19の周りに配置された半球形状の材料を含む。半球形状の材料は絶縁体26として機能し、一般に、ドーム37に適合するように成形される。半球状の絶縁体26は、電解質6の化学的影響に耐えながら密封を提供するのに適した任意の材料から作製してよい。例示的材料として、PFA(パーフルオロアルコキシポリマー)、FEP(フッ素化エチレンプロピレン)、PVF(ポリフッ化ビニル)、TFE(テトラフルオロエチレン)、CTFE(クロロトリフルオロエチレン)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、ETFE(ポリエチレンテトラフルオロエチレン)、ECTFE(ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、別のフッ素ポリマー系材料、および(様々な程度における)同様の特性を示し得かつ(例えば、とりわけ高温における溶媒、酸および塩基に対する高耐性、低コスト等を示すことによる)十分な性能をもたらし得る他の任意の材料が挙げられる。
【0171】
フィードスルー19は、アルミニウムまたはその合金から形成されてよい。尤も、フィードスルー19は、製造者、使用者、設計者等が適切であると考える任意の材料から形成されてよい。例えば、フィードスルー19は、スチールから作製されてよく、不動態化(即ち、シリコン等の不活性コーティングで被覆)されてよく、または電極アセンブリ50において使用するために他の方法で作製されてよい。不動態化のための例示的技術として、水素化非晶質シリコンのコーティングを基体の表面に沈着させること、および圧力および昇温(または高温)の下で有効な長さの時間、基体を少なくとも1つの不飽和炭化水素基を有する結着剤(binding reagent)に曝すことにより被覆された基体を官能化することが挙げられる。水素化非晶質シリコンコーティングは、圧力および昇温(または高温)の下で有効な長さの時間、基体を水素化ケイ素ガスに曝すことにより沈着する。
【0172】
半球状の絶縁体26は、キャップ24の中に取り付けたときに滑り嵌め(snug fit)(即ち、密封)が達成されるように、ドーム37に対して寸法決めしてよい。半球状の絶縁体26は、完全に対称または典型的な半球状の比率である必要はない。即ち、半球状の絶縁体26は実質的に半球状であり、例えば、比率のわずかな調節、(基部(base)等における)適度なフランジおよび適切であると考えられる他の特徴を含んでよい。半球状の絶縁体26は一般に均一な材料から形成されるが、このことは要件ではない。例えば、半球状の絶縁体26は、所望の膨張または圧縮性を提供するために、空気またはガスで満たされたトーラス(torus)(図示せず)を中に含んでよい。
【0173】
図26に示すように、電極アセンブリ50は、型板(即ち、成形されたブランク34)に挿入されて、半球状の密封を含むキャップ24の一の実施形態をもたらしてよい。
【0174】
図27に示すように、種々の実施形態において、固定器具(または保持器具)43がキャップ24の底部(即ち、ハウジング7の内部に対面し且つエネルギー貯蔵セル12に対面するキャップ24の一部分)に結合されてよく、または他の方法で嵌合されてよい。固定器具43は、アルミニウム溶接(例えばレーザー、超音波等)等の種々の技術によってキャップ24に結合されてよい。例えばスタンピング(即ち機械的結合)およびろう付けを含む他の技術を結合に用いてよい。結合は、例えば、固定器具43の外周に沿って存在してよい。一般に、結合は、少なくとも1つの結合点において設けられて所望のシール71を形成する。複数のリベット等の少なくとも1つの締め具が、固定器具43内に絶縁体26を密封するのに用いられてよい。
【0175】
図27の例において、キャップ24は凹型である(
図18Bを参照のこと)。尤も、他の型を用いてよい。例えば、凸形のキャップ24が提供されてよく(
図18C)、オーバーキャップ(over-cap)24を用いてもよい(
図18Cの実施形態の変形、
図22Cで表されるように取り付けられるように構成される)。
【0176】
いくつかの実施形態において、ハウジング7およびキャップ24の少なくとも一方は、複数の層を含む材料を含む。例えば、材料の第1の層は、アルミニウムを含んでよく、材料の第2の層はステンレススチールであってよい。この例において、ステンレススチールがアルミニウムの上を被覆し、それにより、冶金的特性の所望の組み合わせを示す材料がもたらされる。即ち、本明細書において提示される実施形態において、アルミニウムは、エネルギー貯蔵セル(即ちハウジング)の内部に曝され、一方、ステンレススチールは外部に曝される。このようにして、アルミニウムの好都合な電気的特性が得られ、一方、ステンレススチールの構造的特性(および冶金的特性、即ち溶接性)が、構造に信頼性を持たせる。多層材料は適切であると考えられる追加の層を含んでよい。好都合なことに、これにより、ステンレススチールに対するステンレススチールの溶接、比較的簡単な溶接手順が提供される。
【0177】
キャップおよびフィードスルー19に用いられる材料は、半球状の絶縁体26の熱膨張に関連して選択されてよい。更に、製造技術は、熱膨張を考慮して考案されてよい。例えば、キャップ24を組み立てるとき、製造者は、半球状の絶縁体26に圧力をかけてよく、それにより、半球状の絶縁体26を少なくともいくらか圧縮してよい。このようにして、キャップ24の少なくともいくらかの熱膨張が、密封の有効性を危険にさらすことなくそこでもたらされる。
【0178】
ボディ20の構造に用いられる材料はアルミニウムを含むが、設計者または製造者は、任意の種類のアルミニウムまたはアルミニウム合金(これらの全ては概括的に、本明細書において単に「アルミニウム」とよぶ)が適切であると考える。種々の合金、積層体等がアルミニウムの上に配置されてよい(例えば、アルミニウムを被覆してよい)(アルミニウムはボディ20の内部に曝される)。追加の材料(構造材料または電気的に絶縁性の材料等、いくつかのポリマー系材料等)が、ボディおよび/またはハウジング7を補完(または補強)するのに用いられてよい。アルミニウムの上に配置される材料は、設計者または製造者が適切であると考えるものによって同様に選択されてよい。
【0179】
アルミニウムの使用は必要でなく、または要求されない。手短にいえば、材料の選択は、設計者、製造者または使用者等が適切であると考える任意の材料の使用をもたらしてよい。例えば電解質6との電気化学的相互作用の低減、構造的特性、コスト等の種々の要因を考慮してよい。
【0180】
ここで、貯蔵セル12をより一層詳細に論じる。ウルトラキャパシタ10の破断図が提示される
図28を参照されたい。この例において、貯蔵セル12はボディ20の中に挿入され、ボディ20内に収容される。複数のリード線の各々は、一緒に束ねられ、端子8の1つとしてハウジング7に連結される。いくつかの実施形態において、複数のリード線はボディ20の底部に(その内部において)連結され、それにより、ボディ20を負接触子55にする。同様に、別の複数のリード線が束ねられてフィードスルー19に連結され、それにより正接触子56がもたらされる。負接触子55および正接触子56の電気的遮断は、電気絶縁体26によって維持される。一般に、リード線の連結は、レーザーおよび超音波溶接の少なくとも一方等の溶接によって達成される。言うまでもなく、必要であると考えられる他の技術を用いてよい。
【0181】
高性能のエネルギー貯蔵体を提供するために、強固な組み立て技術が必要とされることが理解されるべきである。従って、組み立て技術のいくつかをここで論じる。
【0182】
ここで
図29を参照して、一の例示的電極3の構成要素を示す。この例において、電極3は負極3として用いられるだろう(尤も、この記号表示は任意のものであり、単に参照するためのものである)。
【0183】
図から気付き得るように、少なくともこの実施形態において、セパレータ5は一般に、エネルギー貯蔵媒体1(および集電体2)よりも長さが長く、かつ幅が広い。より大きいセパレータ5を用いることにより、負極3と正極3との短絡に対する保護が提供される。セパレータ5における追加の材料の使用により、リード線および端子8のより良好な電気的保護ももたらされる。
【0184】
ここで、貯蔵セル12の一の実施形態の側面図を提供する
図30を参照されたい。この例において、エネルギー貯蔵媒体1の積層体は、貯蔵セル12が巻かれた貯蔵セル23へと組み立てられるときに電極3が電気的に離隔されるように、第1のセパレータ5および第2のセパレータ5を含む。電極3およびウルトラキャパシタ10の組み立てに関する用語「正(または正極)」および「負(または負極)」は単に任意のものであり、ウルトラキャパシタ10において構成されるときの機能性に言及するものであり、電荷がその中に貯蔵されることに留意されたい。当該技術分野において一般に採用されたこの慣例は、組み立て前に電荷が貯蔵されることを適用することを意味せず、または異なる電極の物理的同定を提供する以外の他の任意の態様を含意することを意味しない。
【0185】
貯蔵セル12を巻く前に、負極3および正極3は互いに対して位置調節される。最も高度な位置調節が存在する場合、イオン輸送の経路長は一般に最小であるので、電極3の位置調節は、ウルトラキャパシタ10のより良好な性能をもたらす。更に、高度な位置調節を提供することにより、過剰なセパレータ5が含まれず、その結果、ウルトラキャパシタ10の効率が低下しない。
【0186】
ここで
図31も参照すると、電極3が巻かれて、巻かれた貯蔵セル23となった貯蔵セル12の一の実施形態が示されている。セパレータ5の1つは貯蔵セル12の最も外側の層として存在し、ハウジング7の内側からエネルギー貯蔵媒体1を離隔する。
【0187】
「極性のマッチング」が、巻かれた貯蔵セル23における最も外側の電極の極性をボディ20の極性と一致させるのに利用されてよい。例えば、いくつかの実施形態において、負極3は、巻かれた貯蔵セル23を提供するきっちりと詰められたパッケージの最も外側に存在する。これらの実施形態において、短絡に対する別の程度の確実さが提供される。即ち、負極3がボディ20に連結される場所において、負極3は、巻かれた貯蔵セル23における最も外側の電極として配置される。従って、セパレータ5は、使用中のウルトラキャパシタ10の振動により誘発される機械的摩耗等によって失敗するはずであり、ウルトラキャパシタ10は、巻かれた貯蔵セル23における最も外側の電極とボディ20との間の短絡の結果として、失敗しないだろう。
【0188】
巻かれた貯蔵セル23の各実施形態について、基準マーク72は、少なくともセパレータ5に存在してよい。基準マーク72は、電極3の各々におけるリード線の配置をもたららすために用いられるだろう。いくつかの実施形態において、リード線の位置決めは、計算によりもたらされる。例えば、ゼリーロールの内径ならびに組み合わされたセパレータ5および電極3の全体の厚さを考慮に入れることにより、各々のリード線の配置のための位置が見積もられてよい。尤も、実行により、基準マーク72を用いることがより効率的かつ効果的であることが示される。基準マーク72は、例えば、(1または複数の)セパレータ5の終端におけるスリットを含んでよい。
【0189】
一般に、基準マーク72は、貯蔵セル12の各々の新しい仕様に対して採用される。即ち、貯蔵セル12の新しい仕様が、セル内の少なくとも1層の厚さを(上述の実施形態から)変化させることを必要とすることがあるので、上述の基準マークの仕様は少なくともいくらか不正確であり得る。
【0190】
一般に、基準マーク72は、ロールを、その中心からその周辺(または周縁)に横断する1つの放射線として明示される。従って、リード線が基準マーク72に沿って取り付けられる場合、各リード線は、(
図10に示すように)残りのリード線と配列されるだろう。但し、貯蔵セル12が(貯蔵セル12がロールである又はロールであるだろう実施形態に対して)巻かれていない場合、基準マーク72は、(
図32に示すように)複数のマーキングであると考えられてよい。常套的には、貯蔵セル12のマーキングの実施形態または外観に関わらず、リード線を組み込む位置の同定(または識別)は、「基準マーク72」または「基準マーク72の組(またはセット)」の決定を伴うと考えられる。
【0191】
ここで
図32を参照すると、(巻き上げられた貯蔵セル12に印を付ける等により)基準マーク72が設置された時点で、各々のリード線を取り付けるための取り付け場所(即ち、基準マーク72により表される)が設けられる。各取り付け場所が特定された時点で、貯蔵セル12の任意の所定の組み立て仕様に対して、各取り付け場所の相対的位置は、貯蔵セル12の特定の組み立ての追加例のために繰り返されてよい。
【0192】
一般に、各リード線は、貯蔵セル12におけるそれぞれの集電体2に連結される。いくつかの実施形態において、集電体2およびリード線の両方はアルミニウムから作製される。一般に、リード線は、幅Wにわたって集電体2に連結されるが、リード線は、幅Wの一部のみに連結されてよい。連結は、例えば、リード線の集電体2に対する超音波溶接によって達成されてよい。連結を達成するために、エネルギー貯蔵媒体1の少なくともいくらかが、各リード線が適切に集電体2に接合され得るように(必要に応じて)除去されてよい。連結をもたらすために、他の作製および調節を必要に応じて行ってよい。
【0193】
言うまでもなく、対向する基準マーク73が含まれてよい。即ち、基準マーク72が設けられる方法と同じ方法で、対向する基準マーク73の組は、対向する極性に対するリード線の取り付けを構成するために作製されてよい。即ち、基準マーク72は、負極3等の第1の電極3にリード線を取り付けるのに用いられてよく、一方、対向する基準マーク73は、正極3にリード線を取り付けるのに用いられてよい。巻かれた貯蔵セル23が円筒形である実施形態に置いて、対向する基準マーク73は、エネルギー貯蔵媒体1の反対側に配置され、(示されるように)基準マーク72から縦(または長さ)方向に相殺される。
【0194】
図32において、基準マーク72および対向する基準マーク73は、両方とも1つの電極3に配置されるように示されることに留意されたい。即ち、
図29は、単に基準マーク72および対向する基準マーク73の空間的(即ち、直線状)関係を説明するためのものである実施形態を表している。このことは、正極3および負極3がエネルギー貯蔵媒体1を共有することを暗示することを意味しない。尤も、基準マーク72および対向する基準マーク73が貯蔵セル12を巻き上げ、次いでセパレータ5に印を付けることにより設けられる例において、基準マーク72および対向する基準マーク73は、1つのセパレータ5に設けられることにより実際に存在してよいことに留意すべきである。尤も、実際には、基準マーク72および対向する基準マーク73の1組のみが、任意の所定の電極3にリード線を取り付けるのに用いられるだろう。即ち、
図32に表される実施形態は、反対の極性を有するであろうもう1つの電極3に対するエネルギー貯蔵媒体1のもう1つの層で補完されるべきであることを理解するべきである。
【0195】
図33に示すように、上述の組み立て技術により、少なくとも1組の配列されたリード線を含む貯蔵セル12がもたらされる。配列されたリード線91の第1の組は、巻かれた貯蔵セル23を負接触子55および正接触子56の一方と連結させるときに特に有用であり、一方、対向する配列されたリード線92の組は、エネルギー貯蔵媒体1と、対向する接触子(55、56)との連結をもたらす。
【0196】
巻かれた貯蔵セル23は、包装部材93に囲まれてよい。包装部材93は種々の実施形態において実現されてよい。例えば、包装部材93は、KAPTON(商標)テープ(DuPont(デラウェア州ウィルミントン)により開発されたポリイミドフィルム)またはPTFEテープとして提供されてよい。この例において、KAPTON(商標)テープは、巻かれた貯蔵セル23を囲み且つ巻かれた貯蔵セル23に接着される。包装部材93は、巻かれた貯蔵セル23の上に滑り込む、ぴったりと嵌まった包装部材93等、接着することなくもたらされてよい。包装部材93は、巻かれた貯蔵セル23を大部分において巻き込むバッグ(例えば、上で論じたエンベロープ73等)等のバッグとして、更に明示されてよい。これらの実施形態のいくつかにおいて、包装部材93は、収縮包装として機能する材料であって、それにより巻かれた貯蔵セル23の効率的な物理的(およびいくつかの実施形態において化学的)格納を提供する材料を含んでよい。一般に、包装部材93は、ウルトラキャパシタ10の電気化学的機能を妨げない材料から形成される。包装部材93は、例えば巻かれた貯蔵セル23の挿入を助けるために、必要に応じて一部の被覆をもたらしてもよい。
【0197】
いくつかの実施形態において、負のリード線および正のリード線は、巻かれた貯蔵セル23の対向する側に配置される(ゼリーロール型の巻かれた貯蔵セル23の場合、負極性のためのリード線および正極性のためのリード線は直径方向に対向してよい)。一般に、負極性のためのリード線および正極性のためのリード線を巻かれた貯蔵セル23の対向する側に配置することは、巻かれた貯蔵セル23の製造を促進するため、および改良された電気的離隔をもたらすために行われた。
【0198】
いくつかの実施形態において、配列されたリード線91、92が組み立てられると、複数の配列されたリード線91、92の各々は、収縮包装(またはシュリンクラップ)(図示せず)が複数の配列されたリード線91、92の周りに配置され得るように、(適切な位置において)一緒に束ねられる。一般に、収縮包装はPTFEから形成されるが、適合する任意の材料を用いてよい。
【0199】
いくつかの実施形態において、収縮包装材料が配列されたリード線91の周りに配置された時点で、配列されたリード線91は、ウルトラキャパシタ10が組み立てられたときにとるべき形状に折り曲げられる(または折りたたまれる)。即ち、
図34に関連して、配列されたリード線が「Z]形状をとることが理解されてよい。配列されたリード線91、92に「Z折り」を与えて、収縮包装を適用した後、収縮包装は、配列されたリード線91、92の周りの位置へと収縮包装が収縮するように加熱されてよく、または他の方法で活性化されてよい。従って、いくつかの実施形態において、配列されたリード線91、92は、包装部材によって強化され且つ保護されてよい。Z折りの使用は、エネルギー貯蔵媒体1をキャップ24内に配置されるフィードスルー19に連結するときに特に有用である。
【0200】
言うまでもなく、配列されたリード線91、92(即ち各端子8)の各セットをそれぞれの接触子55、56に連結するための他の実施形態を実施してよい。例えば、一の実施形態において、中間リード線が、配列されたリード線91、92のそれぞれのセットとの連結が容易になるように、フィードスルー19およびハウジング7の一方に連結される。
【0201】
使用される材料は、反応性、誘電性の値、融点、他の材料との接着性、溶接性、摩擦係数、コストおよび他のそのような因子等の特性に従って選択されてよい。(積層された、混合された、または他の方法で組み合わされた等の)材料の組み合わせを用いて所望の特性を提供してよい。
【0202】
種々の実施形態において、複数のウルトラキャパシタ10を一緒に用いて電力供給をもたらすのに有用である。信頼性のある動作を提供するために、個々のウルトラキャパシタ10を使用前に検査してよい。種々の種類の試験を実施するために、各々のウルトラキャパシタ10は、取り付けられた複数のウルトラキャパシタ10と直列または並列に接続される1つのセルとして検査されてよい。種々の技術(溶接等)により接合される異なる金属を用いることにより、接続のESRを低減することができ、かつ接続の強度を増大させることができる。ウルトラキャパシタ10間の接続のいくつかの態様をここで導入する。
【0203】
いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10は2つの接触子を含む。この2つの接触子は、ガラス-金属シールピン(即ちフィードスルー19)およびハウジング7の全体の休止(entire rest)である。複数のウルトラキャパシタ10を直列接続する場合、内部リード線までの距離が最小であり、従って最小の抵抗であるように、ハウジング7の底部(円筒形のハウジング7の場合)の間の相互接続を連結することが望ましいことが頻繁にある。これらの実施形態において、相互接続の対向する端部は通常、ガラス-金属シールピンに連結される。
【0204】
相互接続に関して、一般的な種類の溶接は、チップ電気抵抗溶接機を並行して用いることを伴う。溶接は、ピンの上に相互接続の端部を位置調節すること、および相互接続をピンに直接溶接することにより行ってよい。多数の溶接を用いることにより、強度、および相互接続とピンとの接続が増大されるだろう。一般に、ピンに溶接する場合、相互接続の端部の形状を、ピンとよく嵌まり合うように構成することは、短絡を引き起こすであろうピンと重なりあう過剰な材料が実質的に存在しないことを確保するはたらきをする。
【0205】
対向するチップ電気抵抗溶接機が、相互接続をピンに溶接するのに用いられてよく、一方、超音波溶接機が、ハウジング7の底部に対する相互接続を溶接するのに用いられてよい。はんだ付け技術は、関連する金属が適合する場合に用いられてよい。
【0206】
相互接続に用いられる材料に関して、相互接続に用いられる一般的な種類の材料はニッケルである。ニッケルは、ステンレススチールと良好に溶接され、かつ強い界面を有するので、用いられてよい。例えば相互接続における抵抗を低減するために、他の金属および合金をニッケルの代わりに用いてよい。
【0207】
一般に、相互接続のために選択される材料は、ピンにおける材料およびハウジング7における材料との適合性で選択される。例示的材料として、銅、ニッケル、タンタル、アルミニウムおよびニッケル-銅被覆が挙げられる。使用してよい更なる金属として、銀、金、黄銅、白金およびスズが挙げられる。
【0208】
ピン(即ちフィードスルー19)がタンタルから作製される実施形態等のいくつかの実施形態において、相互接続は、短いブリッジ接続を採用する等による、中間の金属を利用してよい。例示的ブリッジ接続としてタンタルの細片(またはストリップ)が挙げられ、それは、アルミニウム/銅/ニッケルの細片をブリッジに溶接するための対向するチップ抵抗溶接機の使用により変更された。次いで、並列する抵抗溶接機が、タンタルの細片をタンタルのピンに溶接するのに用いられる。
【0209】
ブリッジは、ハウジング7である接触子において用いられてもよい。例えば、ニッケル片が、ハウジング7の底部に抵抗溶接されてよい。次いで、銅の細片(またはストリップ)がニッケルブリッジに超音波溶接されてよい。この技術は、セルの相互接続の抵抗を低下させるに役立つ。各接続に対して異なる金属を用いることにより、直接接続されたセル間の相互接続のESRを低減することができる。
【0210】
高温環境(即ち、最高で約210℃)に対して有用である堅固なウルトラキャパシタ10の態様をこのように説明してきたが、いくつかの追加の態様をここで提示および/または規定する。
【0211】
種々の材料をウルトラキャパシタ10の構成に用いてよい。ウルトラキャパシタ10の完全性は、酸素および水分が排除されるべきであり且つ電解質6が漏れるのを防止すべきである場合に不可欠である。このことを達成するために、シーム溶接および任意の他の封止点は、動作に関して意図される温度範囲にわたる気密性に関する基準を満たすべきである。また、選択された材料は、イオン液体および電解質6の配合において用いられてよい溶媒等の他の材料に適合するべきである。
【0212】
いくつかの実施形態において、フィードスルー19は、KOVAR(商標)(Carpenter Technology Corporation(ペンシルバニア州レディング)の商標。KOVARは、真空溶解された鉄-ニッケル-コバルト低膨張合金であって、その化学組成が正確で均一な熱膨張特性を確保する狭い範囲内に制御される合金である)、合金52(金属に対するガラスおよびセラミック封止に適したニッケル鉄合金)、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ステンレススチール446(高温の腐食および酸化に対する良好な耐性を示す、フェライト系の熱処理不可能な(??)ステンレススチール)およびチタンの少なくとも1つ等の金属から形成される。
【0213】
上述の事項を利用するガラス-金属シールのボディ(または本体)は、304、304L、316および316L合金等の300シリーズのステンレススチールから製造されてよい。ボディは、Inconel(圧力および熱に付される極限的環境における設備によく適している耐酸化性および耐食性材料であるオーステナイト系ニッケル-クロム系超合金の仲間)およびHastelloy(ニッケルおよび様々なパーセンテージ(または割合)のモリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素およびタングステンを含む高耐食性金属合金)等の種々のニッケル合金の少なくとも1つ等の金属から作製されてもよい。
【0214】
ガラス-金属シールにおけるフィードスルー19と周囲のボディとの間の絶縁材は通常ガラスであり、その組成は、シールの各製造者が所有するものであり、シールが圧縮下にあるか又は適合されるかに依る。他の絶縁性材料をガラス-金属シールにおいて用いてよい。例えば、種々のポリマーをシールにおいて用いてよい。用語「ガラス-金属」シールそれ自体は、単にシールの種類を説明するものであり、シールがガラスを含まなければならないことを暗示することを意味しない。
【0215】
ウルトラキャパシタ10のハウジング7は、例えば型式304、304L、316および316Lのステンレススチールから作製されてよい。それらは、1100、3003、5052、4043および6061等のいくつかのアルミニウム合金で構成されてもよいが、これに限定されない。種々の多層材料を用いてよく、例えば、ステンレススチール被覆アルミニウムを含んでよい。使用してよい他の限定的でない適合する金属として、白金、金、ロジウム、ルテニウムおよび銀が挙げられる。
【0216】
ウルトラキャパシタ10において用いられてきたガラス-金属シールの特定の例として、2つの異なる種類のガラス-金属シールが挙げられる。第1のガラス-金属シールは、米国における所在地がニューヨーク州エルムズフォードであるSCHOTTにより提供される。この実施形態は、ステンレススチールピン、ガラス絶縁体およびステンレススチールボディを用いる。第2のガラス-金属シールは、オハイオ州シンシナティのHERMETIC SEAL TECHNOLOGYにより提供される。この第2の実施形態は、タンタルピン、ガラス絶縁体、およびステンレススチールボディを使用する。種々の実施形態の様々な寸法が提示されてよい。種々の実施形態の様々な寸法が提示されてよい。
【0217】
ガラス-金属シールの追加の実施形態として、アルミニウムシールおよびアルミニウムボディを使用する実施形態が挙げられる。ガラス-金属シールの更にもう1つの実施形態は、エポキシまたは他の絶縁材(セラミックまたはシリコン等)を用いたアルミニウムシールを含む。
【0218】
ガラス-金属シールの多数の態様を要求通りに構成してよい。例えば、ハウジングおよびピンの寸法ならびにピンおよびハウジングの材料を必要に応じて変更してよい。ピンは管状または固体のピンであることも可能であり、一のカバーにおいて複数のピンを有することが可能である。ピンに用いられる最も一般的な種類の材料はステンレススチール合金、銅をコアとする(copper cored)ステンレススチール、モリブデン、白金-イリジウム、種々のニッケル-鉄合金、タンタルおよび他の金属であるが、いくつかの非遷移材料(アルミニウム等)を用いてよい。ハウジングは通常、ステンレススチール、チタンおよび/または種々の他の材料から形成される。
【0219】
ウルトラキャパシタ10の組み立てにおいて、種々の固定技術を用いてよい。例えば、かつ溶接に関して、種々の溶接技術を用いてよい。下記のものは、溶接の種類および種々の目的の実例となる列挙であり、その目的のために、各種類の溶接を用いてよい。
【0220】
超音波溶接は、とりわけ、アルミニウムのタブを集電体に溶接すること;タブを底部の被覆カバーに溶接すること;ジャンパー(または跳び越し導通線)タブを、ガラス-金属シールピンに接続される被覆ブリッジに溶接すること;およびゼリーロールのタブを一緒に溶接することに用いられてよい。パルス溶接または抵抗溶接は、とりわけ、リード線を缶の底部またはピンに溶接すること;リード線を集電体に溶接すること;ジャンパーを被覆ブリッジに溶接すること;被覆ブリッジを端子8に溶接すること;リード線を底部のカバーに溶接することに用いられてよい。レーザー溶接は、とりわけ、ステンレススチールのカバーをステンレススチールの缶に溶接すること;ステンレススチールのブリッジをステンレススチールのガラス-金属シールピンに溶接すること;および栓を注入口の中へと溶接することに用いられてよい。TIG溶接は、とりわけ、アルミニウムのカバーをアルミニウムの缶に封止すること;およびアルミニウムシールを所定の位置に溶接することに用いられてよい。冷間溶接(または冷間圧接)(強い力により金属を一緒に圧縮すること)は、とりわけ、アルミニウムのボール/留め具を注入口に圧力嵌めされることにより注入口を封止するのに用いられてよい。
【0221】
例示的ウルトラキャパシタ10の物理的態様をここで提示する。下記の表において、用語「タブ」は一般に上述の「リード線」を指すこと;用語「ブリッジ」および「ジャンパー」もまた、リード線の態様について言及していること(例えば、ブリッジはフィードスルーまたは「ピン」に連結されてよく、一方、ジャンパーはブリッジをタブまたはリード線に接続するのに有用である)に留意されたい。様々な接続を用いることにより、組み立てプロセスが容易になってよく、特定の組み立て技術が利用されてよい。例えば、ブリッジは、ピンにレーザー溶接または抵抗溶接されてよく、超音波溶接によりジャンパーに溶接されてよい。
【0222】
【0223】
【0224】
【0225】
【0226】
ウルトラキャパシタ10における純度の実証として、封止されたウルトラキャパシタ10のハウジング7を開き、不純物に関して貯蔵セル12をサンプリングした。セル12からの電極、セパレータおよび電解質に関して、カール・フィッシャー法を用いて含水量を測定した。測定は3回行って平均値を求めた。
【0227】
電極およびセパレータの含水量(即ち水分のレベル)はそれぞれ、343.3ppm(重量パーセント当たり)および152.6ppm(重量パーセント当たり)であることがわかった。電解質6中の含水量を測定するために、閉じたセルから得られた1.1mlの電解質を4mlの精製電解質と混合した。次いで、混合物の含水量を測定した。加えられた電解質中の含水量(60.3ppm)を知ることにより、セルから取り出された電解質の含水量を決定した。従って、密封されたウルトラキャパシタ10内の電解質6の含水量は15.5ppmであった。ウルトラキャパシタ10におけるハロゲン化物含有量はイオン選択性電極(ISE)を用いて測定した。平均塩化物(Cl-)イオン含有量は、電解質6において90.9ppmであることがわかり、一方、平均フッ化物(F-)含有量は0.25ppmであることがわかった.
【0228】
一般に、ウルトラキャパシタ内の汚染物質のキャラクタリゼーション方法は、ハウジング7を破壊してその内容物にアクセスすること、内容物をサンプリングすること及び試料を分析することを含む。本明細書の他の場所に開示される技術を、キャラクタリゼーションを支援するのに用いてよい。
【0229】
ウルトラキャパシタおよびその構成要素(電極、電解質およびセパレータを含む)における不純物の正確な測定を確保するために、グローブボックス内の不活性環境等の適切な環境において組み立ておよび分解を行ってよい。
【0230】
図35~38は例示的ウルトラキャパシタ10の性能を表すグラフである。
図35および36は、1.75ボルトおよび125℃におけるウルトラキャパシタ10の性能を表す。
図37および38は、1.5ボルトおよび150℃におけるウルトラキャパシタ10の性能を表す。
【0231】
一般に、ウルトラキャパシタ10は、種々の環境条件および要求事項の下で用いられてよい。例えば、端子電圧は約100mV~10Vの範囲であってよい。周囲温度は約-40℃~+210℃の範囲であってよい。通常の高温周囲温度は+60℃~+210℃の範囲である。
【0232】
図39~43は、例示的ウルトラキャパシタ10の性能を表す追加のグラフである。これらの例において、ウルトラキャパシタ10は閉じたセル(即ちハウジング)であった。ウルトラキャパシタを、100mAの充放電で、0.5ボルトに充電し、抵抗測定し、10mVに放電に放電し、10秒間休止し、その後再びサイクルさせて、10回サイクルさせた。
【0233】
表11および12はウルトラキャパシタ10の実施形態に関する比較性能データを提示する。性能データは、示されるように種々の作動条件に関して収集された。
【0234】
【0235】
【0236】
このように、表11および12において提示されるデータは、本明細書における教示事項が極限条件におけるウルトラキャパシタの動作を可能にすることを実証している。このように製造されるウルトラキャパシタは、例えば、(約2V未満の電圧および約150℃未満の温度に保持される間、)セル体積1ミリリットル当たり約1mA未満の漏れ電流および500時間において約100パーセント未満のESR増加を示してよい。ウルトラキャパシタの種々の要求(例えば電圧および温度)の間でトレードオフがなされるので、ウルトラキャパシタの性能評価が管理されてよく(例えば、キャパシタンス、ESRの増加率)、特定のニーズに適応するように調節されてよい。上述の事項に関連して、「性能評価」は、動作の状態を記述するパラメータに関する値に関連する一般に常套的な定義によって与えられることに留意されたい。
【0237】
表11および本明細書の他の箇所において提示されるキャパシタンスおよびESRの測定は、一般に公知の方法に従うことに留意されたい。まず第1に、キャパシタンスを測定するための技術を考慮されたい。
【0238】
キャパシタンスは多数の方法で測定してよい。一の方法は、公知の電流が(「放電」の間に)ウルトラキャパシタから取り出され且つ(「充電」の間に)ウルトラキャパシタに供給される間に、キャパシタ端子において示される電圧のモニタリングを含む。より具体的には、理想的なキャパシタが下記方程式に支配されるという事実を用いてよい。
I=C*dV/dt
式中、Iは充電電流を表し、Cはキャパシタンスを表し、dV/dtは、理想的なキャパシタ電圧Vの時間導関数を表す。理想的なキャパシタは、とりわけ、内部抵抗がゼロであり且つキャパシタンスが電圧に依存しないものである。充電電流Iが一定である場合、電圧Vは時間に対して線形(または直線的)であり、従って、dV/dtは、その直線の傾きとして又はΔV/ΔTとして計算されてよい。尤も、この方法は一般に概算であり、キャパシタの等価直列抵抗(ESR降下)によってもたらされる電圧差は、キャパシタンスの計算または測定において考慮されるべきである。等価直列抵抗(ESR)は一般に、キャパシタ内の散逸的な影響または他の影響の集中素子近似値であってよい。キャパシタの挙動はしばしば、ESRと等しい抵抗値を有する抵抗器と直列に配置される理想的キャパシタを含む回路モデルから導かれる。一般に、これにより、実際のキャパシタの挙動の良好な概算が得られる。
【0239】
キャパシタンスを測定する一の方法において、内部抵抗が実質的に電圧に依存せず且つ充電電流または放電電流が実質的に固定される場合、ESR降下の影響は大部分において無視してよい。その場合、ESR降下は、一定であると近似してよく、上述の定電流充電または放電の間における電圧変化の計算結果から必然的に差し引かれる。その結果、電圧における変化は実質的に、キャパシタにおいて貯蔵される電荷における変化の反映である。従って、電圧におけるその変化は、計算により、キャパシタンスの指標と見なしてよい。
【0240】
例えば、定電流放電の間、一定電流Iが知られている。測定時間間隔ΔTの間、放電の間の電圧の変化ΔVを測定し、電流値Iを比率ΔV/ΔTで除することにより、キャパシタンスの近似値(または概算値)が得られる。Iがアンペア、ΔVがボルト、かつΔTが秒で測定される場合、得られるキャパシタンスはファラッド単位のものだろう。
【0241】
ESRの概算について考える場合、ウルトラキャパシタの等価直列抵抗(ESR)は多数の方法で測定してもよい。一の方法は、公知の電流が(「放電」の間に)ウルトラキャパシタから取り出され又は(「充電」の間に)ウルトラキャパシタに供給される間に、キャパシタ端子において示される電圧のモニタリングを含む。より具体的には、ESRが下記方程式に支配されるという事実を用いてよい。
V=I*R
式中、Iは効果的にESRを通過する電流を表し、RはESRの抵抗値を表し、VはESR(ESR降下)によりもたらされる電圧差を表す。ESRは一般に、ウルトラキャパシタ内の散逸的な影響または他の影響の集中素子近似値であってよい。ウルトラキャパシタの挙動はしばしば、ESRと等しい抵抗値を有する抵抗器と直列に配置される理想的なキャパシタを含む回路モデルから算出される。一般に、これにより、実際のキャパシタの挙動の良好な概算が得られる。
【0242】
ESRを測定する一の方法において、休止中であったキャパシタ(実質的な電流で充電または放電されなかったキャパシタ)からの放電電流を引き出し始めてよい。キャパシタにおいて貯蔵される電荷の変化に起因する、キャパシタによって示される電圧の変化が、測定される電圧変化と比較して小さい時間間隔の間、その測定される電圧変化は実質的に、キャパシタのESRの反映である。これらの条件の下で、キャパシタによって示される即時の電圧変化は、計算により、ESRの指標と見なしてよい。
【0243】
例えば、キャパシタからの放電電流の流れを開始させるとき、測定間隔ΔTにわたって即時の電圧変化ΔVが示されてよい。測定間隔ΔTの間に公知の電流Iにより放電されるキャパシタのキャパシタンスCが、測定される電圧変化ΔVと比較して小さい限りにおいて、その時間間隔ΔTの間のΔVを放電電流Iで除して、ESRの近似値を得てよい。Iがアンペアで測定され、ΔVがボルトで測定される場合、ESRの結果はΩsの単位を有するだろう。
【0244】
ESRおよびキャパシタンスの両方が周囲温度に依存し得る。従って、関連する測定は、測定の間、使用者が対象とする特定の周囲温度にウルトラキャパシタ10を付すことを必要とし得る。
【0245】
漏れ電流の性能要件は一般に、特定の用途において普及している環境条件によって規定される。例えば、体積が20mLのキャパシタに関して、漏れ電流の実用限界は100mAを下回ってよい。本明細書において言及する場合、ウルトラキャパシタ10の「体積漏れ電流」は一般に、漏れ電流をウルトラキャパシタ10の体積で除したものを指し、例えばmA/ccの単位で表されてよい。同様に、ウルトラキャパシタ10の「体積キャパシタンス」は一般に、ウルトラキャパシタ10のキャパシタンスをウルトラキャパシタ10の体積で除したものを指し、例えばF/ccの単位で表されてよい。加えて、ウルトラキャパシタ10の「体積ESR」は一般に、ウルトラキャパシタ10のESRにウルトラキャパシタ10の体積を乗じたものを指し、例えばΩs・ccの単位で表されてよい。
【0246】
特定の温度における体積漏れ電流を低減するための一の手段は、その温度における作動電圧を低減することであることに留意されたい。特定の温度における体積漏れ電流を低減するためのもう1つの手段は、ウルトラキャパシタの空隙の体積を増大させることである。漏れ電流を低減するための更にもう1つの手段は、電極3におけるエネルギー貯蔵媒体1の充填量を低減することである。
【0247】
ウルトラキャパシタ10が特に有用である種々の環境が存在し得る。例えば、自動車用途において、105℃の周囲温度が実現されてよい(この場合、キャパシタの実用上の寿命は約1年~20年に及ぶだろう)。地熱井戸の掘削等のためのいくつかのダウンホール(downhole)用途において、300℃以上の周囲温度が達成されてよい(この場合、キャパシタの実用上の寿命は約100時間~10,000時間の範囲だろう)。
【0248】
キャパシタの「寿命」もまた一般に、特定の用途によって規定され、通常は、漏れ電流における特定の割合(またはパーセンテージ)の増加または(所定の用途に対して適切である又は決定力がある)別のパラメータの低下によって示される。例えば、一の実施形態において、自動車用途におけるキャパシタの寿命は、漏れ電流がその初期(寿命の初期または「BOL」)値の200%に増加した時間として定義されてよい。
【0249】
電解質6は、高い熱安定性、低いガラス転移温度(Tg)、粘度、特定のレオペクチック(rhoepectic)またはチキソトロピー特性(例えば、温度に依存するもの)ならびに高い伝導度および広範囲の温度にわたって良好な電気性能を示すこと等の所望の特性を示すように選択してよい。例として、電解質6は、電極3の離隔が確保されるように、高度な流動性(fluidicity)を有してよく、または、対照的に、実質的に固体であってよい。従って、所望の特性を示す電解質6の他の実施形態が同様に用いられてよく、または上述のいずれかのものと共に用いられてよい。
【0250】
「ピーク電力密度」は、ピークデバイス電圧の2乗の1/4倍をデバイスの等価直列抵抗で除したものである。「エネルギー密度」は、ピークデバイス電圧の2乗の1/2倍にデバイスのキャパシタンスを乗じたものである。
【0251】
本発明の目的のために、ウルトラキャパシタ10は約0.05cc~約7.5リットルの範囲の体積を有してよい。
【0252】
規格化されたパラメータの公称値は、規格化されたパラメータ(例えば体積漏れ電流)に規格化指数(例えば体積)を乗じる又は規格化されたパラメータ(例えば体積漏れ電流)を規格化指数(例えば体積)で除することにより得られ得る。例えば、10mA/ccの体積漏れ電流および50ccの体積を有するウルトラキャパシタの公称漏れ電流は、体積漏れ電流と体積の積、500mAである。一方、20mΩ・ccの体積ESRおよび50ccの体積を有するウルトラキャパシタの公称ESRは、体積ESRおよび体積の商(quotient)、0.4mΩである。
【0253】
特定のウルトラキャパシタ10の体積は、1つのハウジング内のいくつかの貯蔵セルを、それらが電気的に並列または直列であるように結合することにより拡大してよい(例えばいくつかのゼリーロールを一緒に溶接する)。
【0254】
比較的小さい体積を示すウルトラキャパシタ10の実施形態は、ウルトラキャパシタ10の電極3が互いに対向し、少なくとも1つの電極3がガラス-金属シールに対する内部接触を有し、他の電極3がハウジングまたはガラス-金属シールに対する内部接触を有するように、角柱状の形状因子で作製されてよい。
【0255】
本明細書の教示事項は単に例示を目的とするものであり、本発明を限定するものでないことが理解されるべきである。更に、当業者は、追加の構成要素、構成、配置等が実現されてよいが、本発明の範囲内のままであることを理解するだろう。例えば、層、電極、リード線、端子、接触子、フィードスルー、キャップ等の構成は、本明細書に開示される実施形態から様々であってよい。一般に、電極を使用する(1または複数の)ウルトラキャパシタの構成要素の設計および/または用途は、システム設計者、製造者、オペレータおよび/または使用者のニーズおよび任意の特定の状況において提示される要求のみによって限定される。
【0256】
更に、種々の他の構成要素が含まれてよく、本明細書における教示事項の態様を提供するために所望され得る。例えば、追加の材料、材料の組み合わせ及び/又は材料の省略が、本明細書の教示事項の範囲内である加えられた実施形態を提供するのに用いられてよく、「適合する」、「構成する」、「構築する」等の用語は、本明細書において開示される技術および意図される結果をもたらすための他の類似の技術(現在公知であってよく、または後で考案されてよい)のいずれかの適用を含むと考えられ得る。
【0257】
本発明または本発明の(1または複数の)実施形態の要素(または成分)を導入する場合、冠詞「a」、「an」および「the」は、1以上の要素(または成分)が存在することを意味することが意図される。同様に、形容詞「もう1つの(または別の)」は、要素(または成分)を導入するのに用いられる場合、1以上の要素(または成分)を意味することが意図される。用語「含む」、「有する」および「含有する」は、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得るように包含的であることが意図される。
【0258】
本願において、構成要素(例えば電極材料、電解質等)、条件(例えば、温度、種々のレベルにおける種々の不純物がないこと)および性能特性(例えば、初期容量と比較したサイクル後の容量、低い漏れ電流等)を含む種々の変数が記載されているが、これらに限定されない。これらのいずれかの変数の任意の組み合わせが本発明の実施形態を規定可能であることが理解されるべきである。例えば、特定の温度の下で、特定の量より少ない不純物と共に、特定の値のサイクル後容量および漏れ電流で操作される特定の電極材料と特定の電解質との組み合わせ(これらの変数は可能性として含まれるが特定の組み合わせは明示的に提示されない)は、本発明の一の実施形態である。当業者に明らかであるように、物品、構成要素、条件および/または方法もまた、他の実施形態を規定するために、本明細書において列挙される変数から具体的に選択可能である。
【0259】
種々の構成要素または技術が、特定の必要または有用な機能性または特徴をもたらしてよいことが理解されるだろう。従って、これらの機能および特徴は、添付の特許請求の範囲およびその変形の裏付けとして必要とされ得るので、本明細書の教示事項の一部および開示される発明の一部として本質的に含まれると理解される。
【0260】
例示的実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行ってよく、本発明の要素を均等物で置き換えてよいことが理解されるだろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の機器、状況または材料を本発明の教示事項に適合させるために多数の変形が理解されるだろう。従って、本発明は、本発明を実施するために検討される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本明細書に添付される特許請求の範囲によって解釈されるべきであることが意図される。
本願発明は以下の態様を含む。
(態様1)
密封されたハウジング内のエネルギー貯蔵セルおよび電解質を含むウルトラキャパシタであって、セルは正接触子および負接触子と電気的に連結され、ウルトラキャパシタは、約80℃~210℃の温度範囲内の温度で作動するように構成される、ウルトラキャパシタ。
(態様2)
温度範囲が約90℃~約210℃である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様3)
温度範囲が約80℃~約150℃である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様4)
ウルトラキャパシタが前記温度範囲内の部分範囲において作動可能であり、部分範囲が約10℃である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様5)
エネルギー貯蔵セルが正極および負極を含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様6)
電極の少なくとも一方が炭素質エネルギー貯蔵媒体を含む、態様5に記載のウルトラキャパシタ。
(態様7)
炭素質エネルギー貯蔵媒体がカーボンナノチューブを含む、態様6に記載のウルトラキャパシタ。
(態様8)
炭素質エネルギー貯蔵媒体が、活性炭、炭素繊維、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、炭素布およびカーボンナノチューブの複数の形態の少なくとも1つを含む、態様6に記載のウルトラキャパシタ。
(態様9)
各々の電極が集電体を含む、態様5に記載のウルトラキャパシタ。
(態様10)
電解質が精製されて不純物の含有量が低減された、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様11)
電解質中のハロゲン化物イオンの含有量が約1000ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様12)
電解質中のハロゲン化物イオンの含有量が約500ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様13)
電解質中のハロゲン化物イオンの含有量が約100ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様14)
電解質中のハロゲン化物イオンの含有量が約50ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様15)
ハロゲン化物イオンが塩化物、臭化物、フッ化物およびヨウ化物の少なくとも1つを含む、態様11に記載のウルトラキャパシタ。
(態様16)
電解質中の金属種の総濃度が約1000ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様17)
金属種が、Br、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn、前記のいずれかの合金ならびに前記のいずれかの酸化物の少なくとも1つを含む、態様16に記載のウルトラキャパシタ。
(態様18)
電解質中の不純物の総濃度が約1000ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様19)
不純物が、ブロモエタン、クロロエタン、1-ブロモブタン、1-クロロブタン、1-メチルイミダゾール、酢酸エチルおよび塩化メチレンの少なくとも1つを含む、態様18に記載のウルトラキャパシタ。
(態様20)
電解質中の総含水量が約500ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様21)
電解質中の総含水量が約100ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様22)
電解質中の総含水量が約50ppm未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様23)
電解質中の総含水量が約20ppmである、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様24)
電解質のカチオンが、1-(3-シアノプロピル)-3-メチルイミダゾリウム、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウム、1,3-ビス(3-シアノプロピル)イミダゾリウム、1,3-ジエトキシイミダゾリウム、1-ブチル-1-メチルピペリジニウム、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウム、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム、1-ブチル-4-メチルピリジニウム、1-ブチルピリジニウム、1-デシル-3-メチルイミダゾリウム、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムおよび3-メチル-1-プロピルピリジニウムを含む群から選択される、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様25)
電解質のカチオンが、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピペリジニウム、ピラジニウム、ピラジニウム、ピリダジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、ビオロゲン型および官能性イミダゾリウムカチオンを含む群から選択される、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様26)
カチオンの少なくとも1つの分岐基(Rx)が、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナートおよびカルボニル基を含む群から選択される、態様25に記載のウルトラキャパシタ。
(態様27)
アルキルが、飽和脂肪族基、直鎖アルキル基、分枝鎖アルキル基、シクロアルキル(脂環式)基、アルキル置換シクロアルキル基およびシクロアルキル置換アルキル基を含む群から選択される、態様26に記載のウルトラキャパシタ。
(態様28)
アルキルが、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、エチルヘキシル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチルおよびシクロヘキシルを含む群から選択される、態様26に記載のウルトラキャパシタ。
(態様29)
ヘテロアルキルが、少なくとも1つのヘテロ原子を含むアルキル基を含む、態様26に記載のウルトラキャパシタ。
(態様30)
ヘテロ原子が、酸素、窒素および硫黄を含む群から選択される、態様29に記載のウルトラキャパシタ。
(態様31)
アルキル基およびアルキニル基が脂肪族基を含む、態様26に記載のウルトラキャパシタ。
(態様32)
脂肪族基が、2重結合および3重結合の少なくとも一方を含む、態様26に記載のウルトラキャパシタ。
(態様33)
電解質のアニオンが、-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-および-C2H5CB11H11
-を含む群から選択される、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様34)
電解質のアニオンが、A-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-を含む群から選択され、Aは、フェニル基、置換フェニル、アルキル基、置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン、ハロゲン化アルカンおよびエーテルの1つである、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様35)
電解質のアニオンが、各々の数の置換基と結合した基礎構造を含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様36)
基礎構造が、N、O、CO、SO、Be、C、Mg、Ca、Ba、Ra、Au、B、Al、Ga、Th、In、P、S、Sb、As、N、Bi、NbおよびSbの1つを含む、態様35に記載のウルトラキャパシタ。
(態様37)
各々の数の置換基が少なくとも2つである、態様35に記載のウルトラキャパシタ。
(態様38)
置換基が多種多様および反復性の一方である、態様37に記載のウルトラキャパシタ。
(態様39)
電解質のアニオンが、基礎構造(Y2)と、それに結合された2つの置換基(α2)とを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様40)
電解質のアニオンが基礎構造(Y2)および2つの置換基(α2)を含み、基礎構造(Y2)は、N、O、COおよびSOからなる群から選択され、2つの置換基(α2)の各々は、-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-および-C2H5CB11H11
-およびA-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-からなる群から選択され、Aは、フェニル基、置換フェニル、アルキル基、置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン、ハロゲン化アルカンおよびエーテルの1つである、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様41)
電解質のアニオンが、基礎構造(Y3)と、それに結合された3つの置換基(α3)とを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様42)
電解質のアニオンが基礎構造(Y3)および3つの置換基(α3)を含み、基礎構造(Y3)は、Be、C、N、O、Mg、Ca、Ba、Ra、Auからなる群から選択され、3つの置換基(α3)の各々は、-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-および-C2H5CB11H11
-およびA-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-からなる群から選択され、Aは、フェニル基、置換フェニル、アルキル基、置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン、ハロゲン化アルカンおよびエーテルの1つである、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様43)
電解質のアニオンが、基礎構造(Y4)と、それに結合された4つの置換基(α4)とを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様44)
電解質のアニオンが基礎構造(Y4)および4つの置換基(α4)を含み、基礎構造(Y4)は、B、Al、Ga、Th、In、Pからなる群から選択され、4つの置換基(α4)の各々は、-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-および-C2H5CB11H11
-およびA-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-からなる群から選択され、Aは、フェニル基、置換フェニル、アルキル基、置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン、ハロゲン化アルカンおよびエーテルの1つである、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様45)
電解質のアニオンが、基礎構造(Y6)と、それに結合された6つの置換基(α6)とを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様46)
電解質のアニオンが基礎構造(Y6)および6つの置換基(α6)を含み、基礎構造(Y6)は、P、S、Sb、As、N、Bi、Nb、Sbからなる群から選択され、6つの置換基(α6)の各々は、-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-および-C2H5CB11H11
-およびA-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-からなる群から選択され、Aは、フェニル基、置換フェニル、アルキル基、置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン、ハロゲン化アルカンおよびエーテルの1つである、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様47)
電解質が溶媒を含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様48)
溶媒が、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、ジブチルカーボナート、ジエチルカーボナート、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジメチルカーボナート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、エチレンカーボナート、エチルメチルカーボナート、ラクトン、直鎖状(linear)エーテル、ギ酸メチル、メチルプロピオナート、メチルテトラヒドロフラン、ニトリル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、n-メチルピロリドン、プロピレンカーボナート、スルホラン、スルホン、テトラヒドロフラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ-ブチロラクトン、ニトリルおよびトリシアノヘキサンの少なくとも1つを含む、態様47に記載のウルトラキャパシタ。
(態様49)
ハウジングが、その内面のかなりの部分の上に配置される障壁を含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様50)
障壁が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)の少なくとも1つを含む、態様49に記載のウルトラキャパシタ。
(態様51)
障壁がセラミック材料を含む、態様49に記載のウルトラキャパシタ。
(態様52)
障壁が、耐食性、所望の誘電特性および低い電気化学的反応性を示す材料を含む、態様49に記載のウルトラキャパシタ。
(態様53)
障壁が、材料の多層を含む、態様49に記載のウルトラキャパシタ。
(態様54)
ハウジングが多層材料を含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様55)
多層材料が、第2の材料の上に被膜された第1の材料を含む、態様54に記載のウルトラキャパシタ。
(態様56)
多層材料が、スチール、タンタルおよびアルミニウムの少なくとも1つを含む、態様54に記載のウルトラキャパシタ。
(態様57)
ハウジングが少なくとも1つの半球状のシールを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様58)
ハウジングが少なくとも1つのガラス-金属シールを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様59)
ガラス-金属シールのピンが接触子の1つを提供する、態様58に記載のウルトラキャパシタ。
(態様60)
ガラス-金属シールが、鉄-ニッケル-コバルト合金、ニッケル鉄合金、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ステンレスの形態およびチタンの1つを含むフィードスルーを含む、態様58に記載のウルトラキャパシタ。
(態様61)
ガラス-金属シールが、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、およびタングステンならびにそれらの合金の少なくとも1つを含むボディ(または本体)を含む、態様58に記載のウルトラキャパシタ。
(態様62)
エネルギー貯蔵セルが、正極と負極との間の電気的離隔を与えるセパレータを含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様63)
セパレータが、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ガラス繊維およびガラス繊維強化プラスチックの1つを含む、態様62に記載のウルトラキャパシタ。
(態様64)
セパレータが実質的に水分を含まない、態様63に記載のウルトラキャパシタ。
(態様65)
セパレータが実質的に疎水性である、態様63に記載のウルトラキャパシタ。
(態様66)
気密シールが、約5.0×10-6atm-cc/秒以下の漏れ速度を示す、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様67)
気密シールが、約5.0×10-7atm-cc/秒以下の漏れ速度を示す、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様68)
気密シールが、約5.0×10-8atm-cc/秒以下の漏れ速度を示す、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様69)
気密シールが、約5.0×10-9atm-cc/秒以下の漏れ速度を示す、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様70)
気密シールが、約5.0×10-10atm-cc/秒以下の漏れ速度を示す、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様71)
少なくとも1つの接触子が、もう1つのウルトラキャパシタのもう1つの接触子と結合されるように構成される、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様72)
貯蔵セルが、その外側を覆って配置される包装部材を含む、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様73)
包装部材がPTFEおよびポリイミドの一方を含む、態様72に記載のウルトラキャパシタ。
(態様74)
体積漏れ電流が、前記温度範囲内で約1000mA/L未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様75)
体積漏れ電流が、特定の電圧範囲にわたって約1000mA/L未満である、態様1に記載のウルトラキャパシタ。
(態様76)
ウルトラキャパシタの製造方法であって、
エネルギー貯蔵媒体を含むエネルギー貯蔵セルをハウジング内に配置すること;および
ウルトラキャパシタを、約80℃~約210℃の温度範囲内で作動するように構成すること
を含む、方法。
(態様77)
構成することが、電解質との低い化学反応性を示す、ハウジングのための内側向きの材料を選択することを含む、態様76に記載の方法。
(態様78)
ハウジングの内側のかなりの部分において内側向きの材料を含むことを更に含む、態様77に記載の方法。
(態様79)
構成することが、内側向きの材料として、アルミニウム、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)およびセラミック材料の少なくとも1つを選択することを含む、態様77に記載の方法。
(態様80)
構成することが、多層材料からハウジングを形成することを含む、態様76に記載の方法。
(態様81)
多層材料からハウジングを形成することが、ハウジングの外側に溶接可能な材料を配置することを含む、態様80に記載の方法。
(態様82)
構成することが、ハウジングのキャップおよびボディの少なくとも一方を作製することを含む、態様76に記載の方法。
(態様83)
構成することが、ハウジング内に注入口を配置することを含む、態様76に記載の方法。
(態様84)
作製することが、絶縁体を含むシールと、ハウジングから絶縁された電極とをハウジング内に配置することを含む、態様82に記載の方法。
(態様85)
シールを配置することが、ガラス-金属シールを配置することを含む、態様84に記載の方法。
(態様86)
シールを配置することが、半球状のシールを配置することを含む、態様84に記載の方法。
(態様87)
ガラス-金属シールを配置することが、ガラス-金属シールをハウジングの外面に溶接することを含む、態様85に記載の方法。
(態様88)
エネルギー貯蔵セルを作製することを更に含む、態様76に記載の方法。
(態様89)
エネルギー貯蔵セルを作製することが、エネルギー貯蔵媒体を集電体に接合することにより電極を得ることを含む、態様88に記載の方法。
(態様90)
電極を得ることが、エネルギー貯蔵媒体を集電体に接合することにより作製される複数の電極構成要素を接合することを含む、態様89に記載の方法。
(態様91)
複数の電極構成要素を接合することが、接合要素を、一の電極構成要素の集電体と、もう1つの電極構成要素の集電体とに超音波接合することを含む、態様90に記載の方法。
(態様92)
エネルギー貯蔵セルを作製することが、少なくとも1つのリード線を電極に接合することを含む、態様88に記載の方法。
(態様93)
少なくとも1つのリード線を電極に接合することが、少なくとも1つの基準マークを電極の上に設けることを含む、態様92に記載の方法。
(態様94)
少なくとも1つのリード線を電極に接合することが、各リード線を各々の基準マークに配置することを含む、態様92に記載の方法。
(態様95)
少なくとも1つのリード線を接合することが、集電体からエネルギー貯蔵媒体を取り除くことを含む、態様92に記載の方法。
(態様96)
少なくとも1つのリード線を接合することが、リード線を集電体に超音波溶接することを含む、態様92に記載の方法。
(態様97)
エネルギー貯蔵セルを作製することが、少なくとも2つの電極の間にセパレータを配置することを含む、態様88に記載の方法。
(態様98)
各々の電極をセパレータと共に配列することを更に含む、態様97に記載の方法。
(態様99)
エネルギー貯蔵セルを作製することが、少なくとも2つの電極を、その間に配置されるセパレータと共に詰めることを含む、態様88に記載の方法。
(態様100)
詰めることが、貯蔵セルを巻いて、巻かれた貯蔵セルとすることを含む、態様99に記載の方法。
(態様101)
エネルギー貯蔵セルを作製することが、貯蔵セルの上に包装部材を配置することを含む、態様88に記載の方法。
(態様102)
エネルギー貯蔵セルを配置することが、複数のリード線を一緒にして端子を提供することを含む、態様76に記載の方法。
(態様103)
複数のリード線を一緒にすることが、リード線を一緒に配列して一連の配列されたリード線にし、それにより端子を形成することを含む、態様102に記載の方法。
(態様104)
一連の配列されたリード線の周りに包装部材を設けることを更に含む、態様103に記載の方法。
(態様105)
一連の配列されたリード線に折り目を設けることを更に含む、態様103に記載の方法。
(態様106)
一連の配列されたリード線を、ハウジングの接触子を連結することを更に含む、態様103に記載の方法。
(態様107)
連結することが、一連の配列されたリード線を接触子に溶接することを含む、態様103に記載の方法。
(態様108)
連結することが、一連の配列されたリード線を、ハウジングの接触子と連結するためのジャンパーおよびブリッジの一方に溶接することを含む、態様103に記載の方法。
(態様109)
ジャンパーおよびブリッジの少なくとも一方をハウジングの接触子に電気的に連結することを更に含む、態様76に記載の方法。
(態様110)
ハウジングの内側における接触子の上に絶縁性材料を実質的に配置することを更に含む、態様109に記載の方法。
(態様111)
エネルギー貯蔵セルをハウジング内に密封することを更に含む、態様76に記載の方法。
(態様112)
少なくとも1つのキャップをボディに結合してハウジングを提供することを更に含む、態様76に記載の方法。
(態様113)
キャップが、凹形キャップ、凸形キャップおよび平面形キャップの1つを含む、態様112に記載の方法。
(態様114)
結合を提供するために、ハウジングにおける多層材料の少なくとも一部を除去することを更に含む、態様112に記載の方法。
(態様115)
密封することが、ハウジングの構成要素を一緒にパルス溶接すること、レーザー溶接すること、抵抗溶接することおよびTIG溶接することの少なくとも1つを含む、態様112に記載の方法。
(態様116)
ウルトラキャパシタの製造方法であって、
エネルギー貯蔵媒体を含むエネルギー貯蔵セルをハウジング内に配置すること;および
約80℃~約210℃の温度範囲内で作動するようになっている電解質でハウジングを満たすこと
を含む、方法。
(態様117)
配置することが、電極、セパレータ、リード線、組み立てられたエネルギー貯蔵セルおよび内部の水分を低減するためのハウジングの少なくとも1つを含むウルトラキャパシタの構成要素を前処理することを更に含む、態様116に記載の方法。
(態様118)
前処理が、選択された構成要素を実質的に真空の下で約100℃~約150℃の温度範囲にわたって加熱することを含む、態様116に記載の方法。
(態様119)
前処理が、選択された構成要素を実質的に真空の下で約150℃~約300℃の温度範囲にわたって加熱することを含む、態様116に記載の方法。
(態様120)
配置することが、実質的に不活性の環境において行われる、態様116に記載の方法。
(態様121)
実質的に精製された電解質を選択することを更に含む、態様116に記載の方法。
(態様122)
実質的に精製された電解質が、ハロゲン化物イオン含有量が約1000ppm未満の電解質を含む、態様116に記載の方法。
(態様123)
実質的に精製された電解質が、ハロゲン化物イオン含有量が約500ppm未満の電解質を含む、態様116に記載の方法。
(態様124)
実質的に精製された電解質が、ハロゲン化物イオン含有量が約100ppm未満の電解質を含む、態様116に記載の方法。
(態様125)
実質的に精製された電解質が、ハロゲン化物イオン含有量が約20ppm以下の電解質を含む、態様116に記載の方法。
(態様126)
ハロゲン化物イオンが塩化物、臭化物、フッ化物およびヨウ化物の少なくとも1つを含む、態様122に記載の方法。
(態様127)
電解質中の金属種の総濃度が約1000ppm未満である、態様116に記載の方法。
(態様128)
金属種が、Br、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn、前記のいずれかの合金および前記のいずれかの酸化物の少なくとも1つを含む、態様127に記載の方法。
(態様129)
電解質中の溶媒の少なくとも1つからの不純物の総濃度が、約1000ppm未満である、態様116に記載の方法。
(態様130)
不純物が、ブロモエタン、クロロエタン、1-ブロモブタン、1-クロロブタン、1-メチルイミダゾール、酢酸エチルおよび塩化メチレンの少なくとも1つを含む、態様129に記載の方法。
(態様131)
電解質中の全含水量が、約500ppm未満である、態様116に記載の方法。
(態様132)
電解質中の全含水量が、約100ppm未満である、態様116に記載の方法。
(態様133)
電解質中の全含水量が、約50ppm未満である、態様116に記載の方法。
(態様134)
電解質中の全含水量が、約20ppm未満である、態様116に記載の方法。
(態様135)
電解質のカチオンが、1-(3-シアノプロピル)-3-メチルイミダゾリウム、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウム、1,3-ビス(3-シアノプロピル)イミダゾリウム、1,3-ジエトキシイミダゾリウム、1-ブチル-1-メチルピペリジニウム、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウム、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム、1-ブチル-4-メチルピリジニウム、1-ブチルピリジニウム、1-デシル-3-メチルイミダゾリウム、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムおよび3-メチル-1-プロピルピリジニウムを含む群から選択される、態様116に記載の方法。
(態様136)
電解質のカチオンが、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピペリジニウム、ピラジニウム、ピラジニウム、ピリダジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、ビオロゲン型および官能性イミダゾリウムカチオンを含む群から選択される、態様116に記載の方法。
(態様137)
カチオンの少なくとも1つの分岐基(Rx)が、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナートおよびカルボニル基を含む群から選択される、態様136に記載の方法。
(態様138)
アルキルが、飽和脂肪族基、直鎖アルキル基、分枝鎖アルキル基、シクロアルキル(脂環式)基、アルキル置換シクロアルキル基およびシクロアルキル置換アルキル基を含む群から選択される、態様137に記載の方法。
(態様139)
アルキルが、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、エチルヘキシル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチルおよびシクロヘキシルを含む群から選択される、態様137に記載の方法。
(態様140)
ヘテロアルキルが、少なくとも1つのヘテロ原子を含むアルキル基を含む、態様137に記載の方法。
(態様141)
ヘテロ原子が、酸素、窒素および硫黄を含む群から選択される、態様140に記載の方法。
(態様142)
アルキル基およびアルキニル基が脂肪族基を含む、態様137に記載の方法。
(態様143)
脂肪族基が、2重結合および3重結合の少なくとも一方を含む、態様137に記載の方法。
(態様144)
電解質のアニオンが、-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3
-、-CN-、-SCN-、-C2H3O2
-、-ClO-、-ClO2
-、-ClO3
-、-ClO4
-、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2
-、-CH2OCH3
-、-COOH-、-OH-、-SOCH3
-、-SO2CH3
-、-SOCH3
-、-SO2CF3
-、-SO3H-、-SO3CF3
-、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3
-、-CHF2
-、-CH2F-、-CH3
-、-NO3
-、-NO2
-、-SO3
-、-SO4
2-、-SF5
-、-CB11H12
-、-CB11H6Cl6
-、-CH3CB11H11
-および-C2H5CB11H11
-を含む群から選択される、態様116に記載の方法。
(態様145)
電解質のアニオンが、A-PO4
-、-A-SO2
-、A-SO3
-、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-を含む群から選択され、Aは、フェニル基、置換フェニル、アルキル基、置換アルキル基、負に帯電したラジカルアルカン、ハロゲン化アルカンおよびエーテルの1つである、態様116に記載の方法。
(態様146)
電解質のアニオンが、複数の基礎構造と、各々の数の置換基とを含む、態様116に記載の方法。
(態様147)
電解質が溶媒を含む、態様116に記載の方法。
(態様148)
溶媒が、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、ジブチルカーボナート、ジエチルカーボナート、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジメチルカーボナート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、エチレンカーボナート、エチルメチルカーボナート、ラクトン、直鎖状(linear)エーテル、ギ酸メチル、メチルプロピオナート、メチルテトラヒドロフラン、ニトリル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、n-メチルピロリドン、プロピレンカーボナート、スルホラン、スルホン、テトラヒドロフラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ-ブチロラクトン、ニトリルおよびトリシアノヘキサンの少なくとも1つを含む、態様147に記載の方法。
(態様149)
満たすことを提供するために、注入口をハウジング内に配置することを更に含む、態様116に記載の方法。
(態様150)
満たすことが完了したら、注入口を密封することを更に含む、態様149に記載の方法。
(態様151)
密封することが、適合する材料を注入口に嵌めることを含む、態様150に記載の方法。
(態様152)
注入口に嵌められた前記材料をハウジングに溶接することを更に含む、態様151に記載の方法。
(態様153)
満たすことが、ハウジングにおける注入口の上に電解質を配置することを含む、態様116に記載の方法。
(態様154)
満たすことが、ハウジングにおける注入口において真空引きすることを含む、態様153に記載の方法。
(態様155)
真空が、約150ミリトル以下である、態様154に記載の方法。
(態様156)
真空が、約40ミリトル以下である、態様154に記載の方法。
(態様157)
満たすことが、実質的に不活性な環境において行われる、態様116に記載の方法。
(態様158)
ハウジング内のエネルギー貯蔵セルおよび電解質を含むウルトラキャパシタであって、ハウジング内の水分のレベルが約1000ppm未満である、ウルトラキャパシタ。
(態様159)
ハウジング内の水分のレベルが約500ppm未満である、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様160)
ハウジング内の水分のレベルが約350ppm未満である、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様161)
ウルトラキャパシタの電極における水分のレベルが約350ppm未満である、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様162)
ウルトラキャパシタのセパレータにおける水分のレベルが約160ppm未満である、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様163)
ウルトラキャパシタの電解質における水分のレベルが約20ppm未満である、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様164)
ウルトラキャパシタが、約1000ppm未満のハロゲン化物含有量を有する、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様165)
ウルトラキャパシタが、約500ppm未満のハロゲン化物含有量を有する、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様166)
ウルトラキャパシタが、約100ppm未満のハロゲン化物含有量を有する、態様158に記載のウルトラキャパシタ。
(態様167)
ハウジング内のエネルギー貯蔵セルおよび電解質を含むウルトラキャパシタであって、ハウジング内のハロゲン化物不純物のレベルが約1000ppm未満である、ウルトラキャパシタ。
(態様168)
ハウジング内の水分のレベルが約1000ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様169)
ハウジング内の水分のレベルが約500ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様170)
ハウジング内の水分のレベルが約350ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様171)
ウルトラキャパシタの電極における水分のレベルが約350ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様172)
ウルトラキャパシタのセパレータにおける水分のレベルが約160ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様173)
ウルトラキャパシタの電解質における水分のレベルが約20ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様174)
平均塩化物(Cl-)含有量が約500ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様175)
平均フッ化物(F-)含有量が約500ppm未満である、態様167に記載のウルトラキャパシタ。
(態様176)
ウルトラキャパシタ内の汚染物質のキャラクタリゼーション方法であって、
ウルトラキャパシタのハウジングを破壊してハウジングの内容物にアクセスすること;
内容物をサンプリングすること;および
サンプルを分析すること
を含む、方法。
(態様177)
破壊することが、ドリルでハウジングに穴をあけること及びハウジングを切断することの少なくとも一方を含む、態様176に記載の方法。
(態様178)
破壊することが、実質的に汚染物質のない実質的に不活性な環境において行われる、態様176に記載の方法。
(態様179)
内容物が、電解質、電極、セパレータおよびハウジングの内面の少なくとも1つを含む、態様176に記載の方法。
(態様180)
サンプリングが、ウルトラキャパシタ内から電解質を吸い出すことを含む、態様176に記載の方法。
(態様181)
サンプリングが、既知の濃度の不純物を含む電解質をウルトラキャパシタに加えることを含む、態様176に記載の方法。
(態様182)
サンプリングが、分析のために過剰な電解質を取り出すことを更に含む、態様190に記載の方法。
(態様183)
サンプリングが、電極、セパレータおよびハウジングの内面の少なくとも1つのアリコートを取得することを含む、態様176に記載の方法。
(態様184)
分析することが、原子吸光分析法(AAS)、誘導結合プラズマ質量分析法(ICPMS)、イオンクロマトグラフィ(IC)、蛍光X線(XRF)、熱分解、ラマン分光法およびイオン選択電極(ISE)の使用による方法の少なくとも1つを行うことを含む、態様176に記載の方法。
(態様185)
内容物を分析することが、内容物を秤量すること、および総重量の百分率を確認することを更に含む、態様176に記載の方法。
(態様186)
約100℃~約150℃の範囲で実質的に一定の温度で保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流を示す、ウルトラキャパシタ。
(態様187)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様188)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様189)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様190)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様191)
約50F/cc~約8F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様192)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様193)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様194)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様195)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様196)
少なくとも20時間一定電圧に保持される間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様197)
少なくとも20時間一定電圧に保持される間、約300%未満のESRの増加を更に示す、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様198)
ウルトラキャパシタの電極において約1000ppm未満の含水量を有する、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様199)
ウルトラキャパシタの電極において約500ppm未満の含水量を有する、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様200)
ウルトラキャパシタのセパレータにおいて約1000ppm未満の含水量を有する、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様201)
ウルトラキャパシタのセパレータにおいて約500ppm未満の含水量を有する、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様202)
ウルトラキャパシタの電解質において約500ppm未満の含水量を有する、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様203)
密封されたハウジングを含む、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様204)
密封が、約10-5(標準He cc/s)~約10-9(標準He cc/s)のHeの漏れ速度(標準He cc/s)を示す、態様203に記載のウルトラキャパシタ。
(態様205)
密封が、約10-7(標準He cc/s)~約10-10(標準He cc/s)のHeの漏れ速度(標準He cc/s)を示す、態様203に記載のウルトラキャパシタ。
(態様206)
ウルトラキャパシタの電極、電解質およびセパレータの1つにおける塩化物含有量が、約300ppm未満である、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様207)
ウルトラキャパシタのハウジングに配置されるガラス-金属シールを含む、態様186に記載のウルトラキャパシタ。
(態様208)
約140℃~180℃の温度範囲内で実質的に一定の温度に保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流を示す、ウルトラキャパシタ。
(態様209)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様210)
約0.001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様211)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様212)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様213)
約50F/cc~約8F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様214)
約20mΩ・cc~約200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様215)
約150mΩ・cc~約2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様216)
約1.50Ω・cc~約200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様217)
約150Ω・cc~約2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様218)
少なくとも20時間一定電圧に保持される間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様219)
少なくとも20時間一定電圧に保持される間、約300%未満のESRの増加を更に示す、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様220)
ウルトラキャパシタの電極において約1000ppm未満の含水量を有する、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様221)
ウルトラキャパシタの電極において約500ppm未満の含水量を有する、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様222)
ウルトラキャパシタのセパレータにおいて約1000ppm未満の含水量を有する、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様223)
ウルトラキャパシタのセパレータにおいて約500ppm未満の含水量を有する、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様224)
ウルトラキャパシタの電解質において約500ppm未満の含水量を有する、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様225)
密封されたハウジングを含む、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様226)
密封が、約10-5(標準He cc/s)~約10-9(標準He cc/s)のHeの漏れ速度(標準He cc/s)を示す、態様225に記載のウルトラキャパシタ。
(態様227)
密封が、約10-7(標準He cc/s)~約10-10(標準He cc/s)のHeの漏れ速度(標準He cc/s)を示す、態様225に記載のウルトラキャパシタ。
(態様228)
ウルトラキャパシタの電極、電解質およびセパレータの1つにおける塩化物含有量が、約300ppm未満である、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様229)
ウルトラキャパシタのハウジングに配置されるガラス-金属シールを含む、態様208に記載のウルトラキャパシタ。
(態様230)
約170℃~210℃の温度範囲内で実質的に一定の温度に保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流を示す、ウルトラキャパシタ。
(態様231)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様232)
約0.001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様233)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様234)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様235)
約50F/cc~約8F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様236)
約20mΩ・cc~約200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様237)
約150mΩ・cc~約2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様238)
約1.50Ω・cc~約200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様239)
約150Ω・cc~約2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様240)
少なくとも20時間一定電圧に保持される間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様241)
少なくとも20時間一定電圧に保持される間、約300%未満のESRの増加を更に示す、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様242)
ウルトラキャパシタの電極において約1000ppm未満の含水量を有する、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様243)
ウルトラキャパシタの電極において約500ppm未満の含水量を有する、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様244)
ウルトラキャパシタのセパレータにおいて約1000ppm未満の含水量を有する、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様245)
ウルトラキャパシタのセパレータにおいて約500ppm未満の含水量を有する、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様246)
ウルトラキャパシタの電解質において約500ppm未満の含水量を有する、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様247)
密封されたハウジングを含む、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様248)
密封が、約10-5(標準He cc/s)~約10-9(標準He cc/s)のHeの漏れ速度(標準He cc/s)を示す、態様247に記載のウルトラキャパシタ。
(態様249)
密封が、約10-7(標準He cc/s)~約10-10(標準He cc/s)のHeの漏れ速度(標準He cc/s)を示す、態様247に記載のウルトラキャパシタ。
(態様250)
ウルトラキャパシタの電極、電解質およびセパレータの1つにおける塩化物含有量が、約300ppm未満である、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様251)
ウルトラキャパシタのハウジングに配置されるガラス-金属シールを含む、態様230に記載のウルトラキャパシタ。
(態様252)
高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスを提供する方法であって、
約80℃~約210℃の温度範囲における周囲温度にさらされるときに0.01W/L~100kW/Lの初期ピーク電力密度および少なくとも20時間の耐久時間を示す、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス(HTRESD)を選択すること;および
貯蔵デバイスを提供すること
を含む、方法。
(態様253)
耐久時間が、その時間にわたるピーク電力密度の約50%以下の低下によって評価され、HTRESDは、少なくとも2回充電および放電されるように構成される、態様252に記載の方法。
(態様254)
HTRESDがウルトラキャパシタである、態様252に記載の方法。
(態様255)
温度範囲が約100℃~約210℃である、態様252に記載の方法。
(態様256)
温度範囲が約125℃~約210℃である、態様252に記載の方法。
(態様257)
温度範囲が約80℃~約175℃である、態様252に記載の方法。
(態様258)
温度範囲が約100℃~約175℃である、態様252に記載の方法。
(態様259)
温度範囲が約125℃~約175℃である、態様252に記載の方法。
(態様260)
HTRESDが、約0.01W/L~約50kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様252に記載の方法。
(態様261)
HTRESDが、約0.01W/L~約10kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様252に記載の方法。
(態様262)
HTRESDが、約0.01W/L~約5kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様252に記載の方法。
(態様263)
HTRESDが、約0.01W/L~約2kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様252に記載の方法。
(態様264)
高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス(HTRESD)の使用方法であって、
HTRESDを得ること;ならびに
HTRESDが約80℃~約210℃の温度範囲内の周囲温度において作動するときに0.01W/L~150kW/Lの初期ピーク電力密度および少なくとも20時間の寿命を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回HTRESDを二者択一的に充電および放電することによりHTRESDをサイクルさせること、およびHTRESDを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと
を含む、方法。
(態様265)
耐久性が、その時間にわたるピーク電力密度の約50%以下の低下によって評価され、HTRESDは、少なくとも2回充電および放電されるように構成される、態様264に記載の方法。
(態様266)
HTRESDがウルトラキャパシタである、態様264に記載の方法。
(態様267)
温度範囲が約100℃~約210℃である、態様264に記載の方法。
(態様268)
温度範囲が約125℃~約210℃である、態様264に記載の方法。
(態様269)
温度範囲が約80℃~約175℃である、態様264に記載の方法。
(態様270)
温度範囲が約100℃~約175℃である、態様264に記載の方法。
(態様271)
温度範囲が約125℃~約175℃である、態様264に記載の方法。
(態様272)
HTRESDが、約0.01W/L~約50kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様264に記載の方法。
(態様273)
HTRESDが、約0.01W/L~約10kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様264に記載の方法。
(態様274)
HTRESDが、約0.01W/L~約5kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様264に記載の方法。
(態様275)
HTRESDが、約0.01W/L~約2kW/Lの初期ピーク電力密度を示す、態様264に記載の方法。
(態様276)
ウルトラキャパシタの使用方法であって、方法は、
電解質および2つの電極を含むウルトラキャパシタを得ることを含み、電極の各々は集電体と電気的に連通し且つセパレータによって他方の電極と離隔されており、
ウルトラキャパシタの充電および放電の一方が、約0.1Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2の範囲のピーク電力密度およびエネルギー密度の初期の組み合わせをもたらし、前記組み合わせは、数学的にはウルトラキャパシタのピーク電力密度とエネルギー密度との積であり、
ウルトラキャパシタは、約80℃~約210℃の温度範囲における周囲温度にさらされるときに少なくとも20時間の耐久時間を示し、耐久性は、その時間にわたるピーク電力密度の約50%以下の低下によって示され、ウルトラキャパシタは、少なくとも2回充電および放電されるように構成される、方法。
(態様277)
温度範囲が約80℃~約175℃である、態様276に記載の方法。
(態様278)
温度範囲が約80℃~約150℃である、態様276に記載の方法。
(態様279)
温度範囲が約80℃~約125℃である、態様276に記載の方法。
(態様280)
組み合わされた範囲が、約0.1Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様281)
組み合わされた範囲が、約1Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様282)
組み合わされた範囲が、約5Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様283)
組み合わされた範囲が、約10Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様284)
組み合わされた範囲が、約25Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様285)
組み合わされた範囲が、約50Wh・kW/L2~約100Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様286)
組み合わされた範囲が、約0.1Wh・kW/L2~約50Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様287)
組み合わされた範囲が、約1Wh・kW/L2~約50Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様288)
組み合わされた範囲が、約5Wh・kW/L2~約50Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様289)
組み合わされた範囲が、約10Wh・kW/L2~約50Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様290)
組み合わされた範囲が、約25Wh・kW/L2~約50Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様291)
組み合わされた範囲が、約0.1Wh・kW/L2~約25Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様292)
組み合わされた範囲が、約1Wh・kW/L2~約25Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様293)
組み合わされた範囲が、約5Wh・kW/L2~約25Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様294)
組み合わされた範囲が、約10Wh・kW/L2~約25Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様295)
組み合わされた範囲が、約0.1Wh・kW/L2~約10Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様296)
組み合わされた範囲が、約1Wh・kW/L2~約10Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様297)
組み合わされた範囲が、約5Wh・kW/L2~約10Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様298)
組み合わされた範囲が、約0.1Wh・kW/L2~約5Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様299)
組み合わされた範囲が、約1Wh・kW/L2~約5Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様300)
組み合わされた範囲が、約0.1Wh・kW/L2~約1Wh・kW/L2である、態様276に記載の方法。
(態様301)
ウルトラキャパシタの使用方法であって、
約100℃~約150℃の範囲で実質的に一定の温度で保持される間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示すウルトラキャパシタを得ること;ならびに
ウルトラキャパシタが約100℃~約150℃の範囲で実質的に一定の温度で保持される間、20時間後に約300%未満のESRの増加を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回ウルトラキャパシタを二者択一的に充電および放電することによりウルトラキャパシタをサイクルさせること、およびウルトラキャパシタを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと
を含む、方法。
(態様302)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様301に記載の方法。
(態様303)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様301に記載の方法。
(態様304)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様305)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様306)
約50F/cc~約8mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様307)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様308)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様309)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様310)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様301に記載の方法。
(態様311)
一定電圧に保持している間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様301に記載の方法。
(態様312)
ウルトラキャパシタの使用方法であって、
約140℃~約180℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示すウルトラキャパシタを得ること;ならびに
ウルトラキャパシタが約140℃~約180℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、20時間後に約300%未満のESRの増加を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回ウルトラキャパシタを二者択一的に充電および放電することによりウルトラキャパシタをサイクルさせること、およびウルトラキャパシタを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと
を含む、方法。
(態様313)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様312に記載の方法。
(態様314)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様312に記載の方法。
(態様315)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様316)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様317)
約50F/cc~約8mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様318)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様319)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様320)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様321)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様312に記載の方法。
(態様322)
一定電圧に保持している間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様312に記載の方法。
(態様323)
ウルトラキャパシタの使用方法であって、
約170℃~約210℃の範囲で実質的に一定の温度で保持している間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示すウルトラキャパシタを得ること;ならびに
ウルトラキャパシタが約170℃~約210℃の範囲で実質的に一定の温度で保持している間、20時間後に約300%未満のESRの増加を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回HTRESDを二者択一的に充電および放電することによりウルトラキャパシタをサイクルさせること、およびHTRESDを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと
を含む、方法。
(態様324)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様323に記載の方法。
(態様325)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様323に記載の方法。
(態様326)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様327)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様328)
約50F/cc~約8mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様329)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様330)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様331)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様332)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様323に記載の方法。
(態様333)
一定電圧に保持している間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様323に記載の方法。
(態様334)
高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスを提供する方法であって、
約100℃~約150℃の範囲で実質的に一定の温度で保持している間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示すウルトラキャパシタを得ること;ならびに
ウルトラキャパシタが約100℃~約150℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、20時間後に約300%未満のESRの増加を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回HTRESDを二者択一的に充電および放電することによりウルトラキャパシタをサイクルさせること、およびHTRESDを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと;ならびに
貯蔵デバイスを提供すること
を含む、方法。
(態様335)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様334に記載の方法。
(態様336)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様334に記載の方法。
(態様337)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様338)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様339)
約50F/cc~約8mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様340)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様341)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様342)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様343)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様334に記載の方法。
(態様344)
一定電圧に保持している間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様334に記載の方法。
(態様345)
高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスを提供する方法であって、
約140℃~約180℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示すウルトラキャパシタを得ること;ならびに
ウルトラキャパシタが約140℃~約180℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、20時間後に約300%未満のESRの増加を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回HTRESDを二者択一的に充電および放電することによりウルトラキャパシタをサイクルさせること、およびHTRESDを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと;ならびに
貯蔵デバイスを提供すること
を含む、方法。
(態様346)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様345に記載の方法。
(態様347)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様345に記載の方法。
(態様348)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様349)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様350)
約50F/cc~約8mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様351)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様352)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様353)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様354)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様345に記載の方法。
(態様355)
一定電圧に保持している間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様345に記載の方法。
(態様356)
高温で再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスを提供する方法であって、
約170℃~約210℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、約10mA/cc未満の体積漏れ電流(mA/cc)を示すウルトラキャパシタを得ること;ならびに
ウルトラキャパシタが約170℃~約210℃の範囲の実質的に一定の温度で保持している間、20時間後に約300%未満のESRの増加を示すように、20時間の継続時間にわたって少なくとも2回HTRESDを二者択一的に充電および放電することによりウルトラキャパシタをサイクルさせること、およびHTRESDを横切る電圧を20時間保持することの少なくとも一方を行うこと;ならびに
貯蔵デバイスを提供すること
を含む、方法。
(態様357)
体積漏れ電流が約1mA/cc未満である、態様356に記載の方法。
(態様358)
約0.0001mA/ccより大きい体積漏れ電流を更に示す、態様356に記載の方法。
(態様359)
約6F/cc~約1mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様360)
約10F/cc~約5F/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様361)
約50F/cc~約8mF/ccの体積キャパシタンスを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様362)
約20mΩ・cc~200mΩ・ccの体積ESRを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様363)
約150mΩ・cc~2Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様364)
約1.5Ω・cc~200Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様365)
約150Ω・cc~2000Ω・ccの体積ESRを更に示す、態様356に記載の方法。
(態様366)
一定電圧に保持している間、約60%未満のキャパシタンスの低下を更に示す、態様356に記載の方法。