[发明专利]具有由互连波纹状碳基网络制成的电极的电容器

说明书

相关申请案

本申请案主张2012年3月5日申请的第61/606,637号以及2013年1月25日申请的第61/757,077号美国临时专利申请案的优先权。本申请案与2012年12月21日申请的第13/725,073号美国专利申请案以及2012年12月21日申请的第PCT/US12/71407号国际专利申请案相关，所述两个专利申请案主张2011年12月21日申请的第61/578,431号美国临时专利申请案的优先权。

以上列举的所有申请案全文以引用的方式由此并入本文中。

技术领域

本公开案提供一种互连波纹状碳基网络(ICCN)和一种用于制造、图案化和调谐ICCN的电学、物理和电化学特性的便宜的工艺。

发明背景

电池和电化学电容器(EC)在其功率和能量密度方面位于谱的相对端。电池经由电化学反应储存能量且可展现高能量密度(大约20到150Wh/kg)，而EC(其将电荷储存在电化学双层(EDL)中)仅可实现4到5Wh/kg的值。然而，因为离子流比氧化还原反应快，所以EC可递送高得多的功率密度。EC通常也无需维护且显示较长保存期限和循环寿命，因此其通常在许多电子应用中受欢迎。

将电容器的功率性能与电池的高能量密度组合的EC将表示能量储存技术中的主要进步，但这需要在维持高电导率的同时具有比常规EC电极的表面积更高且更可接近的表面积的电极。碳基材料由于其机械和电学特性以及异常高的表面积而在此方面具有吸引力。最近，单层石墨烯的本征电容据报道为～21μF/cm²；此值现设定所有碳基材料的EDL电容的上限。因此，基于碳基材料的EC在可使用其整个表面积的情况下可原则上实现高达～550F/g的EDL电容。

当前，从氧化石墨(GO)衍生的碳基材料可以低成本以吨为规模制造，从而使得其为用于电荷储存装置的潜在具成本效益的材料。尽管这些碳基材料已展示出优良功率密度和寿命循环稳定性，但其比电容(氢氧化钾水溶液中130F/g，且有机电解质中99F/g)仍远低于针对单层碳计算的理论值～550F/g。也已使用从GO衍生的各种其它碳基材料，然而比电容、能量密度和功率密度的值一直保持低于预期。这些效应常常归因于处理期间碳薄片由于较强薄片间范德华相互作用的再堆叠。单层碳的比表面积的此减少导致总体低电容。另外，这些EC展现了相对低的充电/放电速率，其阻碍将其用于高功率应用。最近，由弯曲石墨烯、活性石墨烯和溶剂化石墨烯组成的EC装置已证明能量密度方面增强的性能。然而，需要不会牺牲高功率密度的能量密度的进一步改进。特定来说，无粘结剂工艺中具有大厚度(～10μm或更高)和高表面与体积比率的机械稳健碳基电极的产生将导致高功率和高能量密度EC。

在追求产生例如EC和有机传感器等高质量大量碳基装置的过程中，各种合成现并入有氧化石墨(GO)作为用于产生大规模碳基材料的前体。用于通过石墨粉末的氧化产生大量GO的便宜的方法现可用。另外，GO的水分散性与便宜的产生方法组合使GO成为用于产生碳基装置的理想起始材料。特定来说，GO具有水可分散特性。遗憾的是，给予GO其水可分散特性的相同氧物质在其电子结构中也产生缺陷，且因此，GO是电绝缘材料。因此，具有优良电子特性的装置级碳基膜的开发需要移除这些氧物质，重新建立共轭碳网络，以及一种用于可控地图案化碳基装置特征的方法。

用于还原氧化石墨的方法已包含GO的经由肼、肼衍生物或其它还原剂的化学还原、化学还原气体和/或惰性气体下的高温退火、溶剂热还原、化学与热还原方法的组合、闪蒸还原以及最近的激光还原。尽管这些方法中的若干者已证明相对高质量氧化石墨还原，但许多方法一直受昂贵设备、高退火温度和最终产品中的氮杂质限制。因此，这些困难中，包含经扩展互连碳网络中的高表面积和高电导率的特性的组合一直难以实现。另外，针对GO还原和图案化两者经由全方位步骤的大规模膜图案化已证明是困难的，且通常依赖于光掩膜提供最基本图案。因此，需要一种用于制造和图案化具有高表面积且具有高度可调谐电导率及电化学特性的互连波纹状碳基网络(ICCN)的便宜的工艺。

发明概要

本公开案提供一种具有由互连波纹状碳基网络(ICCN)组成的至少一个电极的电容器。所产生的ICCN具有包含互连碳层的经扩展网络中的高表面积和高电导率的特性的组合。