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TW201522219A - 高電壓與高電容之活性碳以及碳爲主之電極 - Google Patents

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TW201522219A
TW201522219A TW103129976A TW103129976A TW201522219A TW 201522219 A TW201522219 A TW 201522219A TW 103129976 A TW103129976 A TW 103129976A TW 103129976 A TW103129976 A TW 103129976A TW 201522219 A TW201522219 A TW 201522219A
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carbon material
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嘉德卡里奇索普魯夏坦
劉佳
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康寧公司
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Abstract

一種用於能量儲存元件的正極，該正極包括第一活性碳材料，該第一活性碳材料包括：尺寸□1奈米的孔且該等孔提供>0.3立方公分/克的合併孔體積；尺寸>1奈米至□2奈米的孔且該等孔提供□0.05立方公分/克的合併孔體積，且任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。一種用於能量儲存元件的負極，該負極包括第二活性碳材料，該第二活性碳材料包括：尺寸□1奈米的孔且該孔提供□0.3立方公分/克的合併孔體積；尺寸>1奈米至□2奈米的孔且該孔提供□0.05立方公分/克的合併孔體積，且任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。至少在第一活性碳材料中的總氧含量至多為1.5重量%。

Description

高電壓與高電容之活性碳以及碳為主之電極 【相關申請案之交插引用】
此申請案依據專利法主張享有2013年9月13號申請之美國專利申請案第61/877,341號與2013年8月30號申請之美國專利申請案第61/872,202號的優先權，及依據專利法主張享有2014年1月22號申請之美國專利申請案第14/161163號的優先權，且該等案件內容以引用方式全文併入本案。
本發明大體上關於碳為主的電極，該電極可用於能量儲存元件，且更明確言之，本發明是關於展現出高電壓穩定性之碳為主的電極及該等電極的製造方法。
能量儲存元件(例如，超級電容器)可用於各種應用中，例如可用在需要不連續功率脈衝的時候。示範的應用範圍可從行動電話到混合式交通工具。諸如電化學雙層電容器(EDLC)等超級電容器紛紛推出，以在需要高功率、長存放期 及/或長循環壽命的應用中作為電池的替代品或為電池的補足物。超級電容器一般包含夾在一對以碳為主(carbone-based)的電極之間的多孔性分隔物及有機電解質。藉著在該等電極與電解質之間的界面處建立電化學雙層，並在該等電化學雙層中隔開並儲存電荷而達到能量儲存。這些元件的重要特性在於該等元件所能提供的能量密度及功率密度，而能量密度與功率密度兩者主要是由電極中所含之碳的性質來決定。
根據本發明實施例，能量儲存元件(例如，EDLC)包含具有高電壓穩定性的碳為主之電極。
活性碳材料通常包含雜原子(例如，氧、氮、氫)且在材料的表面上連接有官能基，在施加電壓及/或處於升高溫度下，可能發生該等雜原子及官能基參與進行法拉第反應這類令人不樂見的情況。這些反應會降低含有活性碳之元件的性能。第1圖示出在活性碳表面上可能找到的示例性官能基。
由於下一代的EDLC可能藉由施加高電壓以追求較高的能量密度及較高的功率密度，因此希望在活性碳上之雜原子及官能基的數目可減至最少，從而使涉及這些物種之非期望中的法拉第反應可減至最低，特別是處於高電位時更是如此。根據不同實施例，藉著設計用來形成電極之活性碳的孔尺寸分佈及氧含量，可實現這些元件。
根據一個實施例所做的能量儲存元件包括正極與負極。該正極包含第一活性碳材料，且該負極包含第二活性碳材料。該第一活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提 供>0.3立方公分/克(cm3/g)的合併孔體積，尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積，及尺寸>2奈米之任何孔且該等孔的合併孔體積<0.15立方公分/克；同時，該第二活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提供0.3立方公分/克的合併孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積；及尺寸>2奈米之任何孔且該等孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。至少該第一活性碳材料(且在實施例中，該第一活性碳材料及該第二活性碳材料各自)包含至多1.5重量%的總氧含量。
製造能量儲存元件的方法包括形成碳為主的正極，該正極具有此第一活性碳材料；形成碳為主的負極，該負極具有此第二活性碳材料；及將該碳為主的正極及該碳為主的負極併入能量儲存元件中。
一種用於能量儲存元件之碳為主的電極(例如，正極或負極)包括導電性碳、黏合劑(binder)及活性碳材料，該活性碳材料具有至多1.5重量%的總氧含量。
以下詳細說明將舉出本發明所請標的的附加特徵及優點，且所屬技術領域中熟悉該項技藝者從文中說明內容或藉由實施文中所述(包括以下實施方式、申請專利範圍及附圖中)之本發明請求標的，將可輕易瞭解本發明所請標的的部分附加特徵及優點。
應明白，以上整體概述及以下詳細說明兩者皆舉出本發明請求標的的多個實施例，並意在提供本發明的整體概觀或架構，以助於瞭解本發明所請標的的本質與特性。所含 附圖為本發明所請標的提供進一步的瞭解，且該等附圖併入本案說明書中並構成本案說明書的一部分。該等圖式示出本發明所請標的之各種實施例，且該等附圖配合說明內容一同用來解釋本發明所請標的之原理及操作。此外，該等圖式及發明說明僅作為示範解說之用，且不欲在任何方面上限制請求項的範圍。
10‧‧‧超級電容器
12‧‧‧殼體
14‧‧‧第一碳墊
16‧‧‧第二碳墊
18‧‧‧多孔性分隔物層
20‧‧‧電解質
22‧‧‧電流收集器
24‧‧‧電流收集器
26‧‧‧電引線
28‧‧‧電引線
配合以下圖式進行閱讀能最佳地瞭解本發明具體實施例的詳細說明，並使用相同的元件符號表示該等圖式中的相同元件，其中：第1圖為與活性碳相連之示例性含氧官能基的示意圖；第2圖圖示根據各種實施例所做出適合併入能量儲存元件之正極或負極中的活性碳材料之孔尺寸分佈圖；第3圖為示例性超級電容器的概要圖；第4圖是以示例性試驗電池之電容及時間做圖而得的曲線圖；及第5圖是針對第4圖之數據，以電容及時間經標準化後做圖而得的曲線圖。
現將參照本發明所請標的的各種實施例做更詳細說明，且附圖中圖示其中一些實施例。在所有圖式中，將使用相同元件符號代表相同或相似的部分。
適合併入能量儲存元件中之碳為主的電極早已為人 所知。活性碳因具有大表面積、導電性、離子性電容、化學穩定性及/或成本低廉，故廣泛地使用在超級電容器中以作為多孔性材料。可由合成前驅物材料(例如，酚系樹脂)或天然前驅物材料(例如，煤或升質材料)製成活性碳。使用合成前驅物及天然前驅物兩者時，可藉著使前驅物進行第一次碳化且隨後活化該中間產物而形成活性碳。該活化反應包括在高溫下進行物理性活化(例如，用蒸氣)或化學活化(例如，用KOH)以增加碳的孔隙度且從而增加碳的表面積。碳為主的電極除了活性碳之外，還可包含導電性碳(例如，碳黑)及黏合劑(例如，聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF))。含活性碳層(碳墊)通常層疊在電流收集器上以形成碳為主的電極。
電極材料的選擇直接影響元件的性能，包括可達到的能量密度和功率密度。EDLC的能量密度(E)定為E=½ CV2，及EDLC的功率密度(P)定為P=V2/R，其中C為電容，V為該元件的操作電壓，及R為該元件的等效串聯電阻(ESR)。
近來，意圖提高EDLC元件的能量密度及功率密度，發展出諸多經工程設計的碳材料以達到較高電容量。為了達成較高的電容，可使用具有高表面積(500~2500平方公尺/克的活性碳材料)的活性碳材料。
提高能量密度與功率密度的進一步方法是提高電容器的操作電壓。就此方面而言，在EDLC中使用水性電解質可用於進行較低的電壓操作(<1伏特)，而使用有機電解質則是用於較高電壓(2.3~2.7伏特)的元件。然而，為達到更高的能量密度，需要將電壓包(voltage envelop)從約2.7伏特的傳 統值提高至約3.0伏特。從2.7伏特提高至3.0伏特能提高能量密度23%。
本發明揭示一種具有高電壓穩定性、高比電容及高能量密度的能量儲存元件(例如，電化學雙層電容器，EDLC)。超級電容器(亦稱為雙層式電容器)會使電解質溶液極化而以靜電方式儲存能量。儘管該電容器是一種電化學元件，但該電化學元件之能量儲存機制並未涉及化學反應。該機制可逆，且允許超級電容器進行多次充電與放電。
超級電容器(EDLC)通常包括兩個多孔性電極，並使用多孔性介電質分隔物來隔開該兩電極以防電極彼此電性接觸。該分隔物及該等電極飽含電解質溶液，該電解質溶液允許離子流在該等電極之間流動，同時阻止電子流以防電池放電。每個電極通常與電流收集器電性接觸。電流收集器可包括由導電材料(例如，鋁)所形成的片或板，該電流收集器可降低歐姆損失(ohmic losses)，同時為該多孔性電極材料提供物理支撐。
在單獨的超級電容器電池中，且在施加電位的影響下，會因吸引作用使電解質中的陰離子流向正極且陽離子流向負極而使離子流流動。離子電荷可累積在各別的電極表面上而在固-液界面處建立電荷層。藉由該等固體電極中的相反電荷使所累積的電荷停留在各自的界面處而產生電極電位。通常該電位隨著儲存在該電極處或電極上之帶電物種(離子或自由基)的量呈線性增加。
在電池放電期間，電極間的電位造成離子流流動而 從正極表面釋出陰離子，並從負極表面釋出陽離子。同時，電子流可流經位在該等電流收集器之間的外部電路。該外部電路可用來供電給電子元件。
含有碳為主電極之電雙層電容器(EDLC)的性能與碳的性質密切相關。特別是，總有效孔隙度及孔尺寸分佈可能影響EDLC的性能。就此點而言，一般認為需要大量的間隙孔(mesopore)以讓電解質離子接觸到碳材料的內表面。在本發明中證實，含有針對電解質中正離子與負離子各自尺寸而量身定制之活性碳的EDLC展現出高比電容(或能量密度)及卓越的電容老化抗性，勝過使用均相(即，對稱性)碳為主電極的EDLC。此優點歸功於該碳材料中有限的氧含量及定制的孔尺寸分佈。
根據各種實施例，能量儲存元件包括含有第一活性碳材料的正極及含有第二活性碳材料的負極。該第一活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提供>0.3立方公分/克的合併孔體積，尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積，及尺寸>2奈米之任何孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。該第二活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提供0.3立方公分/克的合併孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積；及尺寸>2奈米之任何孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。在實施例中，該第一活性碳材料含有至多1.5重量%的氧，例如至多1重量%或0.5重量%的氧。在相關實施例中，該第一活性碳材料及該第二活性碳材料各自含有至多1.5重 量%的氧，例如至多1重量%或0.5重量%的氧。舉例而言，該活性碳材料可具有1000ppm至1.5重量%的氧含量，例如1000ppm、2000ppm、5000ppm、10000ppm或15000ppm的氧含量，及包括介於任意以上數值之間的範圍。
在實施例中，該活性碳的特性在於具有高表面積。用於EDLC的碳為主之電極可包含具有大於約300平方公尺/克(即，大於約300、350、400、500或1000平方公尺/克)之比表面積的碳。此外，該活性碳可具有小於2500平方公尺/克(即，小於約2500、2000、1500、1200或1000平方公尺/克)的比表面積。
該活性碳可包括小型(microscale)、中型(mesoscale)及/或大型(macroscale)的孔隙度。如文中所界定般，小型孔具有2奈米或更小的孔尺寸。中型孔具有範圍在2奈米至50奈米的孔尺寸。大型孔具有大於50奈米的孔尺寸。在實施例中，該活性碳主要包含小型孔。「微孔性碳(microporous carbon)」一詞及該詞之變化型意指所含之孔大多數(即，至少50%)為小型孔的活性碳。微孔性活性碳材料可包含大於50%的微孔隙度(例如，大於50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%的微孔隙度)。
根據實施例，用於EDLC的碳為主之電極包含總孔隙度大於約0.4立方公分/克(例如，大於0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.7立方公分/克)的活性碳。小型孔(d2奈米)在總孔體積中所占的部分可為約90%或更多(例如，至少90%、94%、94%、96%、98%或99%)，及超小型孔(d1奈米)在總 孔體積中所占的部分可為約50%或更多(例如，至少50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%)。
該活性碳的孔尺寸分佈可包括超小型孔、小型孔、中型孔及大型孔且該孔尺寸分佈之特點可能是具有單峰、雙峰或多峰式的孔尺寸分佈。超小型孔可包括0.2立方公分/克或更多(例如，0.2、0.25、0.3、0.35或0.4立方公分/克或更多)的總孔體積。孔尺寸(d)範圍在1<d2奈米間的孔可包括0.05立方公分/克或更多(例如，至少0.1、0.15、0.2或0.25立方公分/克)的總孔體積。若有任何孔尺寸大於2奈米的孔時(可能包括中型孔及/或大型孔)，該等孔可包括0.15立方公分/克或更小(例如，少於0.1或0.05立方公分/克)的總孔體積。在實施例中，該活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提供>0.2立方公分/克的合併孔體積，尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積，且任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。
電化學電池包括配置在外殼內的第一碳為主的電極及第二碳為主的電極，其中每個碳為主的電極包含電流收集器，且該電流收集器具有相對(oppsing)的第一主表面及第二主表面，第一導電層形成在該第一主表面上，第二導電層形成在該第二主表面上，且分別在該第一導電層及第二導電層上各自形成第一碳為主的層及第二碳為主的層，且該第一碳為主的層及該第二碳為主的層各自包含活性碳、碳黑及黏合劑。
第3圖為示例性超級電容器的概要圖。超級電容器 10包括殼體12、一對電流收集器22與24、各自分別形成在該等電流收集器其中一者上的第一碳墊14及第二碳墊16，及多孔性分隔物層18。電引線26及電引線28可分別連接電流收集器22及電流收集器24以提供與外部元件的電性接觸。層14及層16可包含活性碳、碳黑及高分子量的氟聚合物黏合劑。該殼體內含有液體電解質20，且液體電解質20遍佈在該多孔性分隔物層及各個多孔性電極的孔隙中。在實施例中，單個超級電容器電池可堆疊(例如，串連)以提高總操作電壓。
殼體12可為任何常與超級電容器併用的已知外殼工具。電流收集器22及電流收集器24通常包含導電材料(例如，金屬)，且基於鋁的導電性及相對成本，電流收集器22及電流收集器24通常由鋁製成。例如，電流收集器22及電流收集器24可為由鋁箔製成的薄片。
多孔性分隔物18可使該等電極彼此電性隔離且同時允許離子擴散。該多孔性分隔物可由介電材料製成，例如纖維素材料、玻璃及無機聚合物或有機聚合物(例如，聚丙烯、聚酯或聚烯烴)。在實施例中，該分隔物層的厚度範圍可約10微米至250微米。
電解質20作為離子導電性的促進劑、可作為離子來源及電解質20可作為碳的黏合劑。電解質通常包含溶解在適當溶劑中的鹽。合適的電解質鹽包括四級銨鹽，例如在共同擁有的美國專利申請案第13/682,211號中所揭示的鹽，該案的揭示內容以引用方式併入本案。示例性的四級銨鹽包括四 乙基銨四氟硼酸鹽((Et)4NBF4)或三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(Me(Et)3NBF4)。
可用於該電解質的示例性溶劑包括，但不限於：腈類化合物，例如乙腈、丙烯腈及丙腈；亞碸化合物，例如二甲基亞碸、二乙基亞碸、乙基甲基亞碸及苄基甲基亞碸；醯胺化合物，例如二甲基甲醯胺；及吡咯烷酮化合物(pyrrolidones)，例如N-甲基吡咯烷酮。在實施例中，該電解質包含極性非質子有機溶劑，例如環狀酯、鏈狀碳酸酯(chain carbonates)、環狀碳酸酯、鏈狀醚及/或環狀醚溶劑。示例性的環狀酯及鏈狀碳酸酯具有3個至8個碳原子，且就環狀酯而言可包括-丁內酯、-丁內酯、-戊內酯、-戊內酯。鏈狀碳酸酯的實例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸伸乙酯(ethylene carbonate)、碳酸甲乙酯(methyl ethyl carbonate)、碳酸甲丙酯(methyl propyl carbonate)及碳酸乙丙酯(ethyl propyl carbonate)。環狀碳酸酯可具有5個至8個碳原子，且實例包括1,2-丁二醇碳酸酯(1,2-butylene carbonate)、2,3-丁二醇碳酸酯(2,3-butylene carbonate)、1,2-戊二醇碳酸酯(1,2-pentene carbonate)、2,3-戊二醇碳酸酯(2,3-pentene carbonate)及丙二醇碳酸酯。鏈狀醚可具有4個至8個碳原子。示例性的鏈狀醚包括二甲氧基乙烷(dimethoxyethane)、二乙氧基乙烷(diethoxyethane)、甲氧基乙氧基乙烷(methoxyethoxyethane)、二丁氧基乙烷(dibutoxyethane)、二甲氧基丙烷(dimethoxypropane)、二乙氧基丙烷(diethoxypropane)及甲氧基乙氧基丙烷 (methoxyethoxypropnane)。環狀醚可具有3個至8個碳原子。環狀醚的實例包括四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、1,3-二氧戊環(1,3-dioxolan)、1,2-二氧戊烷(1,2-dioxolan)、2-甲基二氧戊環(2-methyldioxolan)及4-甲基二氧戊環(4-methyl-dioxolan)。亦可使用兩種或更多種溶劑的組合物。
超級電容器可具有包卷式設計、稜柱狀設計、蜂巢狀設計或其他合適的結構配置。
舉例言之，裝配好的EDLC可包含溶解在非質子性溶劑(例如，乙腈)中的有機液體電解質，例如四乙基銨四氟硼酸鹽(TEA-TFB)或三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(TEMA-TFB)。
應理解到，使用離子鹽，例如四乙基銨四氟硼酸鹽時，四乙基銨陽離子比四氟硼酸陰離子大。不希望受理論束縛的情況下，(Et)4N+陽離子的尺寸估計為約0.68奈米，同時BF4 -陰離子的尺寸估計為約0.48奈米。
習知設計碳為主之電極的方法通常涉及使碳材料的內部體積最大化，從而使可達到的能量密度最大化。明確言之，這些方法是以較小的孔為主，較小的孔在每單位體積中會得到較大的表面積並從而得到較高的電容量。然而，較小的孔可能抑制較大離子的進出及吸附作用。再者，來自電解質之分解產物的老化相關沉積作用可能抑制離子運動或造成離子捕獲作用(ion trapping)，而可能發生超級電容器的電容量隨著時間及/或循環次數而衰退這類不樂見的情形。
申請人發現到使碳為主之電極中的孔尺寸及孔的尺寸分佈最佳化可應付鹽類電解質中常遇到的不同離子尺寸。 明確言之，申請人發現藉著把活性碳的孔尺寸及孔的尺寸分佈調整至與該特定碳為主電極進行作用之離子的尺寸，可使電容損失(例如，因離子捕獲作用所導致的電容損失)減至最小。
在所揭示的結構中，與較小陰離子進行作用的碳為主之電極建構成包含較大比例的超小型孔，同時與陽離子進行作用的碳為主之電極則建構成具有較大的平均孔尺寸。
在示例性實施例中，正極包含第一活性碳材料，該第一活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提供>0.3立方公分/克的合併孔體積，尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積，及任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。負極包含第二活性碳材料，該第二活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔且該等孔提供0.3立方公分/克的合併孔體積，尺寸從>1奈米至2奈米的孔且該等孔提供0.05立方公分/克的合併孔體積，及任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。
納入正極中的活性碳可例如包含尺寸1奈米的孔，該等孔提供>0.3立方公分/克至0.5立方公分/克的合併孔體積。此活性碳可具有尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.2立方公分/克(例如，0.2至0.3立方公分/克)的合併孔體積，且任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.1立方公分/克或<0.05立方公分/克。
納入負極中的活性碳可例如包含尺寸1奈米的孔，該等孔提供0.2立方公分/克至0.3立方公分/克的合併孔體 積。此活性碳可具有尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.2立方公分/克(例如，0.2至0.3立方公分/克)的合併孔體積，且任何尺寸>2奈米之孔的合併孔體積<0.1立方公分/克或<0.05立方公分/克。
在示例性的EDLC裡，在正極中所含的活性碳內，尺寸>1奈米至2奈米之孔所帶來的合併孔體積可小於負極中所含活性碳內此種尺寸之孔所對應的合併孔體積。在進一步的示例性EDLC裡，在正極中所含的活性碳內，任何尺寸>2奈米之孔所帶來的合併孔體積可小於負極中所含活性碳內此種尺寸之孔所對應的合併孔體積。
經調整的碳電極組件允許正離子及負離子輕易地進出各自碳電極的孔，如此可使電容量的衰退減至最低，同時維持優越的性能。
不論該活性碳材料是否具有針對正極或負極做最佳化的孔尺寸及孔尺寸分佈，碳中存在有氧，特別是以含氧之表面官能性形成存在的氧，可能對含有活性碳所製成之電極的能量儲存元件的性質造成不良影響。例如，含氧之表面官能性的存在可能產生擬電容(pseudocapacitance)、提高自放電或漏電率、造成電解質分解，及/或導致電阻長期增加及電容衰退。
在碳化步驟及活化步驟期間可能導入氧官能性，在碳化步驟及活化步驟中，活化劑(例如，水蒸氣或KOH)作為氧化劑。
由於所含的氧可能造成有害影響，因此控制能量儲 存元件(例如，EDLC)內所用之活性碳中的氧含量並使該氧含量降至最低是有利的。
示例性活性碳的總氧含量至多為1.5重量%。總氧含量意指在碳內之所有氧原子及氧分子(包括在碳內及/或碳上之含氧官能基中的氧)的總和。
在實施例中，不論藉由物理活化或化學活化所形成的活性碳皆經過精煉步驟，在精煉步驟中，於惰性環境或還原環境中加熱該活性碳達到例如範圍在約450℃~1000℃間的溫度(例如，900℃)並持續一段時間，例如持續約0.5小時~10小時。在不同實施例中，熱處理溫度的範圍可為700℃~1000℃、800℃~1000℃、900℃~1000℃、700℃~800℃、700℃~900℃或800℃~900℃。較佳者，該精煉步驟期間的環境實質不含氧。該精煉步驟降低該活性碳中的氧含量。降低氧含量的一方法是在惰性環境(例如，氮氣、氦氣、氬氣，等等)中或在還原環境(例如，氫氣、形成氣體、一氧化碳，等等)中精煉(加熱)該活性碳。在使用氮氣清潔後的甑式爐(retort furnace，1212FL型MC爐)中進行示例性的精煉實驗。
在相關實施例中，可利用一種併行式方法(parallel approach)來降低用來形成碳為主電極之碳黑中的總氧含量。例如，在混合活性碳與碳黑及黏合劑之前，可先精煉該活性碳及碳黑。活性碳及碳黑的精煉可分開進行，或可混合該活性碳與碳黑，並在該混合物與黏合劑混合之前，先精煉該混合物，而以統一的製程精煉該活性碳與該碳黑。
藉由以下實施例進一步闡明本發明。
實施例
實施例1
將小麥粉(8000克)置於石墨坩鍋中並在甑式爐(1216FL型CM爐)內進行加熱。以150℃/小時的加熱速率使該爐的溫度從室溫升高至800℃，並維持800℃持續2小時，且隨後使該爐溫度自然地冷卻至70℃或更低。在上述加熱/冷卻循環期間，使用N2淨化該爐。
由於是在流動N2的情況下進行加熱，故小麥粉碳化並轉化成碳材料。藉由錘子捶搗、粉碎及震動碾磨法將該碳磨成粉末。研磨後的碳粉可具有10微米或更小的顆粒尺寸(d50)，例如，1微米、2微米、5微米或10微米的顆粒尺寸(d50)。
該製成粉的碳(550克)與1210克的KOH粉末混合。將該碳/KOH混合物置於SiC坩鍋(Hexoloy ® SA級)中並在甑式爐內進行加熱。以150℃/小時的加熱速率使該爐的溫度從室溫升高至750℃，並維持750℃持續2小時，且隨後使該爐溫度自然冷卻至約100℃的溫度。在此加熱/冷卻循環期間，使用N2淨化該爐。藉由加熱該碳/KOH混合物，可使KOH併入該碳材料中。隨後使該爐自然冷卻至70℃或更低。
隨後清洗所得到的活性碳以去除過多的鉀、鉀化合物及其他雜質。根據實施例，清洗步驟可包括使用水沖洗該活性碳，或使用水以及由水與酸形成的混合物沖洗該活性碳。以下揭示示例性的清洗順序。
在第一清洗步驟中，混合該活性碳與4000毫升的去離子水，並在加熱板上攪拌該混合物且以約90℃至100℃的 溫度加熱該混合物30分鐘。可額外重複使用水(例如，約20℃~25℃之4000毫升的去離子水)進一步沖洗該固體材料一次、兩次或三次。可利用真空輔助過濾法分離固體材料(即，碳)與液體。
在第二清洗步驟中，使該先前得到的碳材料與3000毫升的去離子水混合且隨後與1000毫升之37%的HCl水溶液混合。在約20℃~25℃下攪拌該混合物60分鐘，於攪拌後，利用真空輔助過濾法分離該固體材料與該液體。重複地使用去離子水清洗該固體材料及過濾該固體材料，直到排出液呈pH中性。
為了去除表面官能基並減少該活性碳中的氧含量，使用附加的熱處理法來處理該活性碳，該熱處理包括在惰性氛圍或還原氛圍中加熱該活性碳達到介於600℃~1000℃範圍間的溫度。
將該活性碳置於石英坩鍋中並送入爐內(1216FL型CM爐)。在一個實施例中，以150℃/小時的加熱速率使該爐的溫度升高至約675℃，並維持處於該溫度2小時，且隨後使該爐溫度自然冷卻(樣品AC-1a)。在第二實施例中，以150℃/小時的加熱速率使該爐的溫度升高至約900℃的溫度(樣品AC-1b)。在上述加熱/冷卻循環期間，例如使用N2或H2/N2混合物不斷地淨化該爐。
實施例2
使用市售由椰子殼所製成之水蒸氣活化碳來製備第二活性碳材料。
在一實施例中，該水蒸氣活化碳可直接使用並指定為樣品AC-2a。在另一個實施例中，以稀釋的HCl及去離子水(DI水)清洗並過濾該水蒸氣活化碳直到呈現pH中性，隨後該水蒸氣活化碳在施以1% H2/N2淨化的情況下以900℃進行熱處理(類似於樣品AC-1b)。所生成的碳指定為樣品AC-2b。
使用元素分析儀鑑定該等活性碳樣品的總氧含量。使用貝姆氏滴定法(Boehm titration)測量含氧表面官能基的含量。所得結果與用來形成碳為主電極之碳黑的氧含量一起整理在表1中。
參閱表1，樣品AC-1b及樣品AC-2b的總氧含量低於樣品AC-1a及樣品AC-2a的總氧含量，如此歸功於該高溫(900℃)還原步驟。樣品AC-1b及樣品AC-2b亦不含羧基及羧酸酐基，且分別與樣品AC-1a及樣品AC-2a相較之下，樣品AC-1b及樣品AC-2b具有明顯較低量的內酯基、內半縮醛基及羥基。
請注意，該三種官能基具有電化學反應性，且如表 1中所示該三種官能基的反應性從左至右遞減。
在Micromeritics ASAP 2420儀器上利用N2吸附法進行測量並使用密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)假設裂縫孔來計算出孔尺寸數據。表1中整理出各個樣品的總孔體積。第2圖示出各種孔尺寸分佈情形的柱狀圖。
藉著將該活性碳摻入碳為主的電極中，並進而併入超級電容器中，可取得該碳的電性質。首先混合該活性碳與導電性碳(例如，位於波士頓之卡博特公司(Cabot Corporation)所販售的Black Pearls®商品，MA Black Pearls 2000)及鐵氟龍®(PTFE)以形成碳為主的電極。該碳黑是作為導電性添加物，及PTFE是作為黏合劑。該活性碳、碳黑及PTFE以85：5：10重量份的比例混合並以滾碾成薄片，將該薄片疊在鋁電流收集器上。使用一對纖維素中介分隔物(intervening cellulosic separator)將一對碳為主的電極捲成包卷狀(jelly roll)，隨後將該包卷狀物置入鋁罐中而形成超級電容器以供進行試驗。使用1.2M的三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(TEMA-TFB)乙腈溶液作為電解質。
表2中整理出各自具有不同碳為主電極配置的兩種不同電池在3伏特下的性能。
第一試驗電池(T-1)包括含有樣品AC-1a活性碳的正極及含有樣品AC-2a碳的負極。第二試驗電池(T-2)包括含有樣品AC-1b活性碳的正極及含有樣品AC-2b碳的負極。
參閱表2，可看到，儘管該第二試驗電池的初始電容稍微低於該第一試驗電池的初始電容，但該第二電池展現 較低的ESR及較低的自放電(即，在自放電後的殘餘電壓較高)。
該等試驗電池在3伏特及65℃下進行壓力測試。如第4圖所示，T-2的電容衰減明顯慢於T-1的電容衰減。第5圖中示出經標準化後電容的差異(即，任意時間點的電容除以時間0的電容)更加明顯。觀察到T-1電池在350個小時內便衰減了80%，然而T-2電池經過1000個小時仍維持至少80%的標準化電容。
與T-1電池相比，該T-2電池在3伏特下具有改善的穩定性是歸因於兩個電池中的活性碳對在氧含量及表面官能基組成上的差異。具高電壓穩定性及高電容之電池的特點在於特別定製(tailored)的孔尺寸分布及低總氧含量，包括降低表面含氧官能基的含量。
利用感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS)測量樣品AC-1a、樣品AC-1b、樣品AC-2a及樣品AC-2b中各種元素雜質的含量。所得結果列於表4a中。
實施例3
利用精煉步驟使市售碳黑(位於美國麻州波士頓之卡博特公司所販售的Black Pearls®)的總氧含量從1.3重量%降低至約0.4重量%，該精煉步驟包括在形成氣體環境(在N2中含有1%的H2)中以675℃加熱該碳黑。
實施例4
使用與用來製備樣品AC-1a相同的製程，但改在1%的H2/N2混合物中於900℃(而非675℃)下進行最終熱處理以製造出樣品AC-3。在不希望受到理論約束下，因認為該熱處理溫度在表面官能化作用中扮演著重要角色，因此預期樣品AC-3的總氧含量及含氧官能基、表面積、孔體積及孔尺寸分佈會類似於樣品AC-1b的總氧含量及含氧官能基、表面積、孔體積及孔尺寸分佈。表4b中示出樣品AC-3的雜質濃度。
實施例5
樣品AC-4a與樣品AC-2a相同。藉著在1%的H2/N2中於900℃下對一部分的樣品AC-4a進行熱處理且不進行清洗而得到樣品AC-4b。預期樣品AC-4a及樣品AC-4b的總氧含量及含氧官能基、表面積、孔體積及孔尺寸分佈會分別類似於樣品AC-1a及樣品AC-1b的總氧含量及含氧官能基、表面積、孔體積及孔尺寸分佈。表4b中示出樣品AC-4a及樣品AC-4b的雜質濃度。
第三試驗電池(T-3)包括含有樣品AC-3活性碳的正極及含有樣品AC-4a活性碳的負極。第四試驗電池(T-4)包括含有樣品AC-3活性碳的正極及含有樣品AC-4b碳的負極。
參閱表2，T-3試驗電池及T-4試驗電池展現出的ESR及自放電皆低於T-1電池(即，T-3電池及T-4電池在自放電後的殘餘電壓較高)，且相較於T-2電池而言，T-3試驗電池及T-4試驗電池亦展現出較低的ESR及較低的自放電。
試驗電池T-3及試驗電池T-4在3伏特及65℃下進行壓力測試。如第4圖及第5圖所示，T-3電池及T-4電池在絕對電容基準及標準化電容基準兩者的電容衰減皆明顯慢於T-1的電容衰減。
當用於本文中時，除非內文中另有明確指示，否則單數形用語「一」、「一個」及「該」包括複數之意。因此，例如，除非內文中另有清楚指示，否則提到一「含氧官能基」時，應包括具有兩個或更多個此種「官能基」的實例。
在本文中，範圍可表示成從「約」一個具體值及/或至「約」另一個具體值。當表達此種範圍時，其實例包括從一具體值及/或至該其他具體值。同樣地，當使用前置詞「約」來表示數值為近似值時，應理解，具體值將形成另一範圍(aspect)。應進一步理解到，各範圍的端值不論是否具有另一端值或無另一端值皆是有意義的。
除非另有明確說明，否則不應將文中所舉出的任何方法解釋成為必須按照特定順序來進行該方法中的步驟。因此，當方法請求項中若無實際載明該方法的步驟需遵照某一 順序，或在請求項或說明內容中並未另外具體載明該等步驟需限定於特定順序時，不應斷論為任何特定順序。
亦應注意，文中敘述涉及使一構件經「配置」或「調適成」以特定方式運作。就此方面而言，此構件經「配置」或「調適」以實現特定性質或以特定方式運作，此種敘述為結構性的描述，而非預期用途的描述。更明確言之，文中提舉出「配置」或「調適」構件的方式是表明該構件當前的物理狀態(physical condition)，故而可將之視為對該構件之結構特徵所做的限定性描述。
雖然使用連接詞「包括/包含」來揭示具體實施例的各個特徵、要素或步驟，但應明白，揭示內容亦隱含該些替代實施例，包括該些可能使用連接詞「由...所組成」或「實質上由...所組成」進行描述的替代實施例。因此，例如，包含活性碳、碳黑及黏合劑之碳為主電極的隱含替代實施例包括該些碳為主電極由活性碳、碳黑及黏合劑所組成的實施例以及包括該些碳為主電極實質上由活性碳、碳黑及黏合劑所組成的實施例。
所屬技術領域中熟悉該項技藝者將明白可在不偏離本發明精神與範圍下，針對本發明做出各種修飾及變化。由於所屬技術領域中熟悉該項技藝者可對該等揭示實施例做出包含本發明精神與本質的諸多修飾、組合、子組合及變化，因此本發明應解釋為涵蓋落入後附請求項範圍中的所有事物及該所有事物之均等物。

Claims (28)

  1. 一種能量儲存元件，包括：一正極以及一負極，該正極包含一第一活性碳材料以及該負極包含一第二活性碳材料，其中該第一活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔，該等孔提供>0.3立方公分/克的一合併孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.05立方公分/克的一合併孔體積；以及尺寸>2奈米之任何孔，該等孔的合併孔體積<0.15立方公分/克；該第二活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔，該等孔提供0.3立方公分/克的一合併孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.05立方公分/克的一合併孔體積；以及尺寸>2奈米之任何孔，該等孔的合併孔體積<0.15立方公分/克；以及該第一活性碳材料具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  2. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料包括尺寸1奈米的孔，且該等孔提供>0.3立方公分/克至0.5立方公分/克的一合併孔體積；以及該第二活性碳材料包括尺寸1奈米的孔，且該等孔提供0.2立方公分/克至0.3立方公分/克的一合併孔體積。
  3. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料包括尺寸從>1奈米至2奈米的孔，且該等孔提供0.2立方公分/克的一合併孔體積；以及該第二活性碳材料包括尺寸從>1奈米至2奈米的孔，且該等孔提供0.2立方公分/克的一合併孔體積。
  4. 如請求項3所述之能量儲存元件，其中在該第一活性碳材料中尺寸從>1奈米至2奈米之該等孔的合併孔體積小於在該第二活性碳材料中尺寸從>1奈米至2奈米之該等孔的合併孔體積。
  5. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料包括尺寸>2奈米的孔，且該等孔提供<0.15立方公分/克的一合併孔體積；以及該第二活性碳材料包括尺寸>2奈米的孔，該等孔提供<0.15立方公分/克的一合併孔體積。
  6. 如請求項5所述之能量儲存元件，其中在該第一活性碳材料中尺寸>2奈米之該等孔的合併孔體積小於在該第二活性碳材料中尺寸>2奈米之該等孔的合併孔體積。
  7. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第二活性碳材料具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  8. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該正極包括由該 第一活性碳材料、導電性碳與黏合劑所形成的一混合物，及該負極包括由該第二活性碳材料、導電性碳與黏合劑所形成的一混合物。
  9. 如請求項8所述之能量儲存元件，其中該正極中的該導電性碳具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  10. 如請求項8所述之能量儲存元件，其中該正極及該負極的各者中的該導電性碳具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  11. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該負極的一厚度與該正極的一厚度不同。
  12. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料的一總孔體積大於0.5立方公分/克，以及該第二活性碳材料的一總孔體積大於0.5立方公分/克。
  13. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料的一總孔體積大於0.6立方公分/克。
  14. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料及該第二活性碳材料中的各者具有少於1重量%的一總氧含量。
  15. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該第一活性碳材料及該第二活性碳材料的各者包含少於0.5mmol/g之含氧表面官能基。
  16. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該元件是一超級電容器。
  17. 如請求項16所述之能量儲存元件，其中該超級電容器具有一設計，該設計選自以下設計所組成的群組：一包卷式(jelly roll)設計、一稜柱狀(prismatic)設計及一蜂巢狀設計。
  18. 如請求項1所述之能量儲存元件，其中該正極及該負極各自進一步包括碳黑，該碳黑具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  19. 如請求項1所述之能量儲存元件，進一步包括溶於一非質子性溶劑中的三乙基甲基銨四氟硼酸鹽的一電解質溶液。
  20. 一種能量儲存元件，包括：一正極及一負極，該正極包含一第一活性碳材料以及該負極包含一第二活性碳材料，其中該第一活性碳材料包括尺寸1奈米的孔，該等孔提供>0.3立方公分/克的一合併孔體積；該第二活性碳材料包括尺寸1奈米的孔，該等孔提供 0.3立方公分/克的一合併孔體積；以及至少該第一活性碳材料具有少於1.5重量%的一總氧含量。
  21. 如請求項20所述之能量儲存元件，進一步包括溶於一非質子性溶劑中的三乙基甲基銨四氟硼酸鹽的一電解質溶液。
  22. 一種製造一能量儲存元件的方法，包括以下步驟：形成一碳為主的正極，該正極具有一第一活性碳材料；形成一碳為主的負極，該負極具有一第二活性碳材料；及將該碳為主的正極及該碳為主的負極併入一能量儲存元件中，其中該第一活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔，該等孔提供>0.3立方公分/克的一合併孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.05立方公分/克的一合併孔體積；以及尺寸>2奈米之任何孔，該等孔的合併孔體積<0.15立方公分/克；該第二活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔，該等孔提供0.3立方公分/克的一合併孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.05立方公分/克的一合併孔體積；以及尺寸>2奈米之任何孔，該等孔的合併孔體積<0.15立方 公分/克；以及至少該第一活性碳材料具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  23. 如請求項22所述之方法，其中於形成該正極及該負極之前，在一惰性氛圍或一還原氛圍中加熱該第一活性碳材料及該第二活性碳材料中之至少一者。
  24. 如請求項22所述之方法，其中該碳為主的正極及該碳為主的負極包括碳黑，且該方法進一步包括以下步驟：在形成該正極與該負極之前，先於一惰性氛圍或一還原氛圍中加熱該碳黑。
  25. 一種用於一能量儲存元件之碳為主的電極，該電極包括導電性碳、一黏合劑及一活性碳材料，該活性碳材料具有至多1.5重量%的一總氧含量。
  26. 如請求項25所述之碳為主的電極，其中該電極是一正極。
  27. 如請求項25所述之碳為主的電極，其中該電極是一負極。
  28. 如請求項25所述之碳為主的電極，其中該活性碳材料包括：尺寸1奈米的孔，該等孔提供>0.2立方公分/克的一合併 孔體積；尺寸從>1奈米至2奈米的孔，該等孔提供0.05立方公分/克的一合併孔體積；及尺寸>2奈米之任何孔，該等孔的合併孔體積<0.15立方公分/克。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9607776B2 (en) 2013-10-24 2017-03-28 Corning Incorporated Ultracapacitor with improved aging performance
US10068715B2 (en) * 2014-12-12 2018-09-04 Corning Incorporated Activated carbon and electric double layer capacitor thereof
JP2017088443A (ja) * 2015-11-09 2017-05-25 住友電気工業株式会社 多孔質炭素材料、その製造方法、それを用いた電極及びキャパシタ
KR102130931B1 (ko) 2016-11-15 2020-07-08 주식회사 쿠라레 전기 이중층 캐패시터용 탄소질 재료 및 그 제조 방법
CN110582464B (zh) 2017-05-10 2023-06-06 株式会社可乐丽 改质活性炭和其制造方法
KR101948020B1 (ko) * 2017-08-14 2019-05-08 주식회사 티씨케이 전극소재용 활성탄의 제조방법
US20190081375A1 (en) * 2017-09-13 2019-03-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Positive electrode for air battery
JP7557795B2 (ja) * 2020-09-28 2024-09-30 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 キャパシタ用電極およびその製造方法ならびにキャパシタ
JP7738020B2 (ja) * 2021-02-05 2025-09-11 株式会社クラレ 非水電解質二次電池用正極添加剤、それを含む非水電解質二次電池用正極活物質組成物、非水電解質二次電池用正極およびこれを備える非水電解質二次電池
CN113161561B (zh) * 2021-04-26 2023-03-10 昆明理工大学 一种修饰有MOFs衍生Fe2O3的碳布及其制备方法和应用
WO2025115661A1 (ja) * 2023-11-28 2025-06-05 出光興産株式会社 複合体、複合体の製造方法、正極合材、リチウムイオン電池用正極、リチウムイオン電池、全固体リチウムイオン電池用活性炭、活性炭の使用、及び全固体リチウムイオン電池の製造方法

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5958214A (en) * 1994-09-12 1999-09-28 Mst Micro-Sensor-Technologie Gmbh Electrochemical sensor with a solid electrolyte for measuring the gas concentration
JPH1167608A (ja) * 1997-08-21 1999-03-09 Okamura Kenkyusho:Kk 電気二重層コンデンサ
KR100547455B1 (ko) * 1998-08-25 2006-02-01 후지 주코교 카부시키카이샤 전극재
WO2002039468A2 (en) 2000-11-09 2002-05-16 Foc Frankenburg Oil Company Est. A supercapacitor and a method of manufacturing such a supercapacitor
US7317607B2 (en) * 2003-10-20 2008-01-08 Sanyo Electric Co., Ltd. Electric double layer capacitor
EP1624472A3 (en) * 2004-07-08 2011-03-16 Sumitomo Chemical Company, Limited Porous Electrodes, Devices including the Porous Electrodes, and Methods for their Production
EP1937591A4 (en) * 2005-09-29 2012-02-15 Showa Denko Kk ACTIVE CHARCOAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
JP4805652B2 (ja) * 2005-10-26 2011-11-02 電気化学工業株式会社 カーボンブラックを含有した樹脂組成物、シート、成形体
WO2008053919A1 (en) 2006-11-02 2008-05-08 Kuraray Chemical Co., Ltd Activated carbon and process for production thereof, nonaqueous type polarizable electrodes and electric double-layer capacitors
WO2008061212A2 (en) * 2006-11-15 2008-05-22 Energ2, Inc. Electric double layer capacitance device
JP4838152B2 (ja) * 2007-01-11 2011-12-14 Ｊｆｅケミカル株式会社 多孔質炭素材料およびその製造方法ならびに電気二重層キャパシタ
US8541338B2 (en) 2008-11-04 2013-09-24 Corning Incorporated Highly porous activated carbon with controlled oxygen content
US8482901B2 (en) 2010-01-22 2013-07-09 Corning Incorporated Microporous activated carbon for EDLCS
US8524632B2 (en) 2010-01-22 2013-09-03 Corning Incorporated High-capacitance and low-oxygen porous carbon for EDLCs
US8405955B2 (en) * 2010-03-16 2013-03-26 Corning Incorporated High performance electrodes for EDLCS
US8593787B2 (en) * 2010-04-21 2013-11-26 Corning Incorporated Electrochemical capacitor having lithium containing electrolyte
US8198210B2 (en) * 2010-05-27 2012-06-12 Corning Incorporated Halogenated activated carbon materials for high energy density ultracapacitors
TW201221473A (en) * 2010-10-12 2012-06-01 Aquion Energy Inc Activated carbon with surface modified chemistry
US8564934B2 (en) 2011-04-07 2013-10-22 Corning Incorporated Ultracapacitor with improved aging performance
US10294375B2 (en) * 2011-09-30 2019-05-21 Ppg Industries Ohio, Inc. Electrically conductive coatings containing graphenic carbon particles
US20120177923A1 (en) 2012-03-20 2012-07-12 Haycarb PLC Low ash activated carbon and methods of making same
EP2800724A1 (en) * 2012-11-16 2014-11-12 Politechnika Poznanska Production of activated carbon from tobacco leaves by simultaneous carbonization and self-activation and the activated carbon thus obtained
US9318273B2 (en) * 2013-07-26 2016-04-19 Corning Incorporated High voltage EDLC electrodes containing CO2 activated coconut char
US9136064B2 (en) * 2013-07-26 2015-09-15 Corning Incorporated Carbon for high voltage EDLCs
US9607776B2 (en) * 2013-10-24 2017-03-28 Corning Incorporated Ultracapacitor with improved aging performance

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