[发明专利]基于石墨烯的印刷的超级电容器

说明书

超级电容器是用于微电子设备的重要的片上微型电源。除了它们的超快充电和放电速率、优良稳定性、长循环寿命以及非常高的功率密度之外，基于石墨烯的超级电容器由于它们在能量密度上的显著提高近年来已获得大量关注。本文公开了针对具有叉指型集电器的碳电极的平行阵列的设计。还公开了使用印刷工艺的低成本、高生产量的制造方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月7日提交的美国临时专利申请62/077,067的优先权，并且要求于2015年2月23日提交的美国临时专利申请62/119,775的优先权，这两个申请通过引用并入本文。

发明背景

发明领域

本发明整体上涉及超级电容器(supercapacitor)，并且更具体地涉及基于石墨烯的微型超级电容器以及制备该超级电容器的低成本、高生产量方法。

电容器是将电能储存在电极表面上的储存装置。与通过介电材料隔开的板组成的传统电容器不同，超级电容器(有时被称为超电容器(ultracapacitor)、电化学电容器或双层电容器)是通过在电极与电解质之间的电化学界面处的微观电荷分离来产生并且储存能量的电化学电池。超级电容器比传统电容器储存更多的能量并且以比可再充电电池更高的速率放出这种能量。另外，电化学电容器的循环寿命是约10⁵至10⁶个循环，远超于电池系统的循环寿命(大约800至1000个循环)。这些优点是可实现的，因为在电极/电解质界面处没有速率控制或寿命限制的相变发生。

超电容器对于要求以短突发(burst)形式的电力的新兴技术领域中的潜在应用具有吸引力。这种应用的示例包括要求在毫秒范围内的功率脉冲的数字通信装置和在电动车辆中的牵引电力系统，在该电动车辆中高功率需求会持续数秒直到数分钟。

超级电容器具有两个电极，这两个电极通过电绝缘电解质彼此隔开不具有电接触。电解质可以是固体或凝胶聚合物电解质。每个电极与集电器紧密接触。

当电势被施加到超级电容器电池上时，在电极之间生成的电场的影响下阴离子流入正电极并且阳离子流入负电极。在不存在任何电化学反应的情况下，这导致扩散的带电电荷层(又称为电双层)与电极非常接近的产生。在该层中不遵从电中性。电双层的深度取决于所施加的电势。

在放电期间，在超级电容器电极(supercapacitor electrodes)两端的电极电势或电压引起离子电流随着电双层中的电荷移动而自发地流动以实现电中性，而电子电流流动通过电极集电器之间的外电路。外电路可以包括负载，并且电子电路可以向负载供应电力。负载可以是例如便携式无线电设备、电动机、发光二极管或另一种电气装置。

超级电容器不是原电池，但它可以被再充电。充电和放电的过程可以被反复重复。例如，在通过给电气装置供电来使超级电容器放电之后，可以通过向连接器供应电势来使超级电容器再充电。当电容器与电池组合时，电容器可以处理峰值功率，并且电池可以为持续负载提供峰值之间的功率。这样的混合电力系统可以提高整体电力性能并且延长电池循环寿命。

超级电容器的主要优点在于它可以在高功率下递送电能。高功率操作是基于低内电阻的。因此，对于超级电容器电解质而言对离子移动具有最小电阻并且在这两个电极之间提供电子传导屏障是有用的。