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CN109074967B - 在碳布上直接生长聚苯胺纳米管用于柔性高性能超级电容器 - Google Patents

在碳布上直接生长聚苯胺纳米管用于柔性高性能超级电容器 Download PDF

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CN109074967B
CN109074967B CN201780027316.1A CN201780027316A CN109074967B CN 109074967 B CN109074967 B CN 109074967B CN 201780027316 A CN201780027316 A CN 201780027316A CN 109074967 B CN109074967 B CN 109074967B
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马厄·F·埃尔-卡迪
米尔·法兹卢拉·穆萨维
马苏梅·哈希米
穆罕默德·S·拉赫马尼法尔
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University of California San Diego UCSD
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Abstract

本公开进一步提供了由通过简单且方便的方法化学合成的矩形管聚苯胺(PANI)制成的示例性储能装置。所述矩形管PANI，作为活性材料，在作为基底的官能化碳布(FCC)上合成，并将所得复合材料固定在作为集电器的不锈钢网上。本公开另外呈现了一种在化学活化的CC上直接合成带矩形孔的PANI纳米管的简便技术。

Description

在碳布上直接生长聚苯胺纳米管用于柔性高性能超级电容器
交叉引用
本申请要求2016年4月1日提交的美国临时申请第62/317,120号的权益，该申请通过引用并入本文。
背景技术
高性能储能装置的开发在广泛的应用中获得了极大的关注。虽然普通电子装置发展迅速，但根据摩尔定律(Moore's law)，电池仅略有进步，这主要是由于当前材料的能量密度和容量的限制。因此，充电时间减少且电荷密度增加的电池可能对便携式电子产品和可再生能源设备的设计和使用具有深远影响。
发明内容
本文提供了用于使纳米管在官能化碳布上生长的方法、装置和系统。所述生长可以包括官能化碳布的制造(或合成)、纳米管和纳米结构的制造(或合成)和/或电解质的制造(或合成)。一些实施方案提供了用于制造(或合成)官能化碳布和/或用于制造(或合成)纳米管和纳米结构和/或用于制造(或合成)电解质和/或用于制造(或合成)超级电容器的方法、装置和系统。
本文公开的第一个方面是一种包括官能化碳电极的装置，所述官能化碳电极包括碳基底和设置于碳基底上的导电聚合物。
在一些实施方案中，所述官能化碳电极包括聚苯胺官能化碳电极。
在一些实施方案中，所述碳基底包含碳布、碳纤维、无定形碳、玻璃碳、碳纳米泡沫、碳气凝胶或其任何组合。
在一些实施方案中，所述导电聚合物为半柔性棒状聚合物。在一些实施方案中，所述半柔性棒状聚合物包含聚苯胺、聚(对-苯醚)、聚(对-苯硫醚)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或其任何组合。在一些实施方案中，所述导电聚合物具有纳米管形态，其中所述纳米管具有包括矩形、正方形、圆形或多边形的横截面形状。
在一些实施方案中，所述纳米管的长度为约100纳米至约10,000纳米。在一些实施方案中，所述纳米管的长度为至少约100纳米。在一些实施方案中，所述纳米管的长度为至多约10,000纳米。在一些实施方案中，纳米管的长度为约100纳米至约500纳米、约100纳米至约1,000纳米、约100纳米至约2,000纳米、约100纳米至约3,000纳米、约100纳米至约4,000纳米、约100纳米至约5,000纳米、约100纳米至约6,000纳米、约100纳米至约7,000纳米、约100纳米至约8,000纳米、约100纳米至约9,000纳米、约100纳米至约10,000纳米、约500纳米至约1,000纳米、约500纳米至约2,000纳米、约500纳米至约3,000纳米、约500纳米至约4,000纳米、约500纳米至约5,000纳米、约500纳米至约6,000纳米、约500纳米至约7,000纳米、约500纳米至约8,000纳米、约500纳米至约9,000纳米、约500纳米至约10,000纳米、约1,000纳米至约2,000纳米、约1,000纳米至约3,000纳米、约1,000纳米至约4,000纳米、约1,000纳米至约5,000纳米、约1,000纳米至约6,000纳米、约1,000纳米至约7,000纳米、约1,000纳米至约8,000纳米、约1,000纳米至约9,000纳米、约1,000纳米至约10,000纳米、约2,000纳米至约3,000纳米、约2,000纳米至约4,000纳米、约2,000纳米至约5,000纳米、约2,000纳米至约6,000纳米、约2,000纳米至约7,000纳米、约2,000纳米至约8,000纳米、约2,000纳米至约9,000纳米、约2,000纳米至约10,000纳米、约3,000纳米至约4,000纳米、约3,000纳米至约5,000纳米、约3,000纳米至约6,000纳米、约3,000纳米至约7,000纳米、约3,000纳米至约8,000纳米、约3,000纳米至约9,000纳米、约3,000纳米至约10,000纳米、约4,000纳米至约5,000纳米、约4,000纳米至约6,000纳米、约4,000纳米至约7,000纳米、约4,000纳米至约8,000纳米、约4,000纳米至约9,000纳米、约4,000纳米至约10,000纳米、约5,000纳米至约6,000纳米、约5,000纳米至约7,000纳米、约5,000纳米至约8,000纳米、约5,000纳米至约9,000纳米、约5,000纳米至约10,000纳米、约6,000纳米至约7,000纳米、约6,000纳米至约8,000纳米、约6,000纳米至约9,000纳米、约6,000纳米至约10,000纳米、约7,000纳米至约8,000纳米、约7,000纳米至约9,000纳米、约7,000纳米至约10,000纳米、约8,000纳米至约9,000纳米、约8,000纳米至约10,000纳米。在一些实施方案中，纳米管的外部宽度为约10纳米至约1,000纳米。在一些实施方案中，纳米管的外部宽度为至少约10纳米。在一些实施方案中，纳米管的外部宽度为至多约1,000纳米。在一些实施方案中，纳米管的外部宽度为约10纳米至约50纳米、约10纳米至约100纳米、约10纳米至约200纳米、约10纳米至约300纳米、约10纳米至约400纳米、约10纳米至约500纳米、约10纳米至约600纳米、约10纳米至约700纳米、约10纳米至约800纳米、约10纳米至约900纳米、约10纳米至约1,000纳米、约50纳米至约100纳米、约50纳米至约200纳米、约50纳米至约300纳米、约50纳米至约400纳米、约50纳米至约500纳米、约50纳米至约600纳米、约50纳米至约700纳米、约50纳米至约800纳米、约50纳米至约900纳米、约50纳米至约1,000纳米、约100纳米至约200纳米、约100纳米至约300纳米、约100纳米至约400纳米、约100纳米至约500纳米、约100纳米至约600纳米、约100纳米至约700纳米、约100纳米至约800纳米、约100纳米至约900纳米、约100纳米至约1,000纳米、约200纳米至约300纳米、约200纳米至约400纳米、约200纳米至约500纳米、约200纳米至约600纳米、约200纳米至约700纳米、约200纳米至约800纳米、约200纳米至约900纳米、约200纳米至约1,000纳米、约300纳米至约400纳米、约300纳米至约500纳米、约300纳米至约600纳米、约300纳米至约700纳米、约300纳米至约800纳米、约300纳米至约900纳米、约300纳米至约1,000纳米、约400纳米至约500纳米、约400纳米至约600纳米、约400纳米至约700纳米、约400纳米至约800纳米、约400纳米至约900纳米、约400纳米至约1,000纳米、约500纳米至约600纳米、约500纳米至约700纳米、约500纳米至约800纳米、约500纳米至约900纳米、约500纳米至约1,000纳米、约600纳米至约700纳米、约600纳米至约800纳米、约600纳米至约900纳米、约600纳米至约1,000纳米、约700纳米至约800纳米、约700纳米至约900纳米、约700纳米至约1,000纳米、约800纳米至约900纳米、约800纳米至约1,000纳米或约900纳米至约1,000纳米。
在一些实施方案中，所述纳米管的内部宽度为约50纳米至约800纳米。在一些实施方案中，所述纳米管的内部宽度为至少约50纳米。在一些实施方案中，所述纳米管的内部宽度为至多约800纳米。在一些实施方案中，所述纳米管的内部宽度为约50纳米至约100纳米、约50纳米至约300纳米、约50纳米至约400纳米、约50纳米至约500纳米、约50纳米至约600纳米、约50纳米至约700纳米、约50纳米至约800纳米、约100纳米至约300纳米、约100纳米至约400纳米、约100纳米至约500纳米、约100纳米至约600纳米、约100纳米至约700纳米、约100纳米至约800纳米、约300纳米至约400纳米、约300纳米至约500纳米、约300纳米至约600纳米、约300纳米至约700纳米、约300纳米至约800纳米、约400纳米至约500纳米、约400纳米至约600纳米、约400纳米至约700纳米、约400纳米至约800纳米、约500纳米至约600纳米、约500纳米至约700纳米、约500纳米至约800纳米、约600纳米至约700纳米、约600纳米至约800纳米或约700纳米至约800纳米。
在一些实施方案中，纳米管的表面包括一种或多种纳米结构。在一些实施方案中，所述一种或多种纳米结构包括纳米棒、纳米链、纳米纤维、纳米薄片(nanoflake)、纳米花、纳米颗粒、纳米板、纳米带、纳米环、纳米片(nanosheet)或其组合。
在一些实施方案中，所述纳米结构的长度为约4纳米至约400纳米。在一些实施方案中，所述纳米结构的长度为至少约4纳米。在一些实施方案中，所述纳米结构的长度为至多约400纳米。在一些实施方案中，所述纳米结构的长度为约4纳米至约10纳米、约4纳米至约25纳米、约4纳米至约50纳米、约4纳米至约75纳米、约4纳米至约100纳米、约4纳米至约200纳米、约4纳米至约300纳米、约4纳米至约400纳米、约10纳米至约25纳米、约10纳米至约50纳米、约10纳米至约75纳米、约10纳米至约100纳米、约10纳米至约200纳米、约10纳米至约300纳米、约10纳米至约400纳米、约25纳米至约50纳米、约25纳米至约75纳米、约25纳米至约100纳米、约25纳米至约200纳米、约25纳米至约300纳米、约25纳米至约400纳米、约50纳米至约75纳米、约50纳米至约100纳米、约50纳米至约200纳米、约50纳米至约300纳米、约50纳米至约400纳米、约75纳米至约100纳米、约75纳米至约200纳米、约75纳米至约300纳米、约75纳米至约400纳米、约100纳米至约200纳米、约100纳米至约300纳米、约100纳米至约400纳米、约200纳米至约300纳米、约200纳米至约400纳米或约300纳米至约400纳米。
在一些实施方案中，所述纳米结构的宽度为约4纳米至约400纳米。在一些实施方案中，所述纳米结构的宽度为至少约4纳米。在一些实施方案中，所述纳米结构的宽度为至多约400纳米。在一些实施方案中，所述纳米结构的宽度为约4纳米至约10纳米、约4纳米至约25纳米、约4纳米至约50纳米、约4纳米至约75纳米、约4纳米至约100纳米、约4纳米至约200纳米、约4纳米至约300纳米、约4纳米至约400纳米、约10纳米至约25纳米、约10纳米至约50纳米、约10纳米至约75纳米、约10纳米至约100纳米、约10纳米至约200纳米、约10纳米至约300纳米、约10纳米至约400纳米、约25纳米至约50纳米、约25纳米至约75纳米、约25纳米至约100纳米、约25纳米至约200纳米、约25纳米至约300纳米、约25纳米至约400纳米、约50纳米至约75纳米、约50纳米至约100纳米、约50纳米至约200纳米、约50纳米至约300纳米、约50纳米至约400纳米、约75纳米至约100纳米、约75纳米至约200纳米、约75纳米至约300纳米、约75纳米至约400纳米、约100纳米至约200纳米、约100纳米至约300纳米、约100纳米至约400纳米、约200纳米至约300纳米、约200纳米至约400纳米或约300纳米至约400纳米。
在一些实施方案中，电极的面积比电容(areal capacitance)为约150毫法每平方厘米(mF/cm2)至约750mF/cm2。在一些实施方案中，电极的面积比电容为至少约150mF/cm2。在一些实施方案中，电极的面积比电容为至少约750mF/cm2。在一些实施方案中，电极的面积比电容为约150mF/cm2至约250mF/cm2、约150mF/cm2至约350mF/cm2、约150mF/cm2至约450mF/cm2、约150mF/cm2至约550mF/cm2、约150mF/cm2至约650mF/cm2、约150mF/cm2至约750mF/cm2、约250mF/cm2至约350mF/cm2、约250mF/cm2至约450mF/cm2、约250mF/cm2至约550mF/cm2、约250mF/cm2至约650mF/cm2、约250mF/cm2至约750mF/cm2、约350mF/cm2至约450mF/cm2、约350mF/cm2至约550mF/cm2、约350mF/cm2至约650mF/cm2、约350mF/cm2至约750mF/cm2、约450mF/cm2至约550mF/cm2、约450mF/cm2至约650mF/cm2、约450mF/cm2至约750mF/cm2、约550mF/cm2至约650mF/cm2、约550mF/cm2至约750mF/cm2或约650mF/cm2至约750mF/cm2。
在一些实施方案中，所述电极的电阻在1,000次折叠循环后降低约1％至约8％。在一些实施方案中，所述电极的电阻在1,000次折叠循环后降低至多约8％。在一些实施方案中，所述电极的电阻在1,000次折叠循环后降低约1％至约2％、约1％至约3％、约1％至约4％、约1％至约5％、约1％至约6％、约1％至约7％、约1％至约8％、约2％至约3％、约2％至约4％、约2％至约5％、约2％至约6％、约2％至约7％、约2％至约8％、约3％至约4％、约3％至约5％、约3％至约6％、约3％至约7％、约3％至约8％、约4％至约5％、约4％至约6％、约4％至约7％、约4％至约8％、约5％至约6％、约5％至约7％、约5％至约8％、约6％至约7％、约6％至约8％或约7％至约8％。
本文公开的第二个方面是一种超级电容器，其包括两个或更多个电极，其中每个电极均包括官能化碳电极、集电器和电解质。
在一些实施方案中，所述官能化碳电极包括：碳基底，其包含碳布、碳纤维、无定形碳、玻璃碳、碳纳米泡沫、碳气凝胶、石墨烯泡沫或其任何组合；和设置于所述碳基底上的导电聚合物，其中所述导电聚合物包含聚苯胺、聚(对-苯醚)、聚(对-苯硫醚)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或其任何组合。
在一些实施方案中，所述官能化碳电极是聚苯胺官能化碳电极。
在一些实施方案中，所述集电器是金属的。在一些实施方案中，所述集电器是铁氧体的。在一些实施方案中，所述集电器包括不锈钢、坩埚钢、碳钢、弹簧钢、合金钢、马氏体时效钢、耐候钢、工具钢或其任何组合。
在一些实施方案中，电解质设置于第一官能化碳电极和第二官能化碳电极之间。在一些实施方案中，所述电解质为氧化还原电解质。在一些实施方案中，所述电解质包含酸。在一些实施方案中，所述电解质包含溶剂。在一些实施方案中，所述电解质包含酸和溶剂。在一些实施方案中，所述酸为强酸。在一些实施方案中，所述强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸或其任何组合。
在一些实施方案中，所述溶剂包括四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。
在一些实施方案中，所述酸的浓度为约0.5摩尔(M)至约2M。在一些实施方案中，所述酸的浓度为至少约0.5M。在一些实施方案中，所述酸的浓度为至多约2M。在一些实施方案中，所述酸的浓度为约0.5M至约0.75M、约0.5M至约1M、约0.5M至约1.25M、约0.5M至约1.5M、约0.5M至约1.75M、约0.5M至约2M、约0.75M至约1M、约0.75M至约1.25M、约0.75M至约1.5M、约0.75M至约1.75M、约0.75M至约2M、约1M至约1.25M、约1M至约1.5M、约1M至约1.75M、约1M至约2M、约1.25M至约1.5M、约1.25M至约1.75M、约1.25M至约2M、约1.5M至约1.75M、约1.5M至约2M或约1.75M至约2M。
在一些实施方案中，所述电解质含水。
在那些实施方案中，所述超级电容器的工作电位为约0.3伏(V)至约1V。在那些实施方案中，所述超级电容器的工作电位为至少约0.3V。在那些实施方案中，所述超级电容器的工作电位为至多约1V。在那些实施方案中，所述超级电容器的工作电位为约0.3V至约0.4V、约0.3V至约0.5V、约0.3V至约0.6V、约0.3V至约0.7V、约0.3V至约0.8V、约0.3V至约0.9V、约0.3V至约1V、约0.4V至约0.5V、约0.4V至约0.6V、约0.4V至约0.7V、约0.4V至约0.8V、约0.4V至约0.9V、约0.4V至约1V、约0.5V至约0.6V、约0.5V至约0.7V、约0.5V至约0.8V、约0.5V至约0.9V、约0.5V至约1V、约0.6V至约0.7V、约0.6V至约0.8V、约0.6V至约0.9V、约0.6V至约1V、约0.7V至约0.8V、约0.7V至约0.9V、约0.7V至约1V、约0.8V至约0.9V、约0.8V至约1V或约0.9V至约1V。
在那些实施方案中，在约1,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容(gravimatric capacitance)降低约4％至约18％。在那些实施方案中，在约1,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容降低至多约18％。在那些实施方案中，在约1,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容降低约4％至约8％、约4％至约10％、约4％至约12％、约4％至约14％、约4％至约16％、约4％至约18％、约8％至约10％、约8％至约12％、约8％至约14％、约8％至约16％、约8％至约18％、约10％至约12％、约10％至约14％、约10％至约16％、约10％至约18％、约12％至约14％、约12％至约16％、约12％至约18％、约14％至约16％、约14％至约18％或约16％至约18％。
在那些实施方案中，在约5,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容降低约6％至约26％。在那些实施方案中，在约5,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容降低至少约6％。在那些实施方案中，在约5,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容降低至多约26％。在那些实施方案中，在约5,000次充电循环后，所述超级电容器的重量比电容降低约6％至约10％、约6％至约14％、约6％至约18％、约6％至约22％、约6％至约26％、约10％至约14％、约10％至约18％、约10％至约22％、约10％至约26％、约14％至约18％、约14％至约22％、约14％至约26％、约18％至约22％、约18％至约26％或约22％至约26％。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约1安/克(A/g)的电流密度下，为约300法/克(F/g)至约1,400F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约1A/g的电流密度下，为至少约300F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约1A/g的电流密度下，为至多约1,400F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约1A/g的电流密度下，为约300F/g至约500F/g、约300F/g至约700F/g、约300F/g至约900F/g、约300F/g至约1,100F/g、约300F/g至约1,400F/g、约500F/g至约700F/g、约500F/g至约900F/g、约500F/g至约1,100F/g、约500F/g至约1,400F/g、约700F/g至约900F/g、约700F/g至约1,100F/g、约700F/g至约1,400F/g、约900F/g至约1,100F/g、约900F/g至约1,400F/g或约1,100F/g至约1,400F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约250F/g至约1,200F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至少约250F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至多约1,20F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约250F/g至约500F/g、约250F/g至约750F/g、约250F/g至约1,000F/g、约250F/g至约1,200F/g、约500F/g至约750F/g、约500F/g至约1,000F/g、约500F/g至约1,200F/g、约750F/g至约1,000F/g、约750F/g至约1,200F/g或约1,000F/g至约1,200F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为约200F/g至约900F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为至少约200F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为至多约900F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为约200F/g至约300F/g、约200F/g至约400F/g、约200F/g至约500F/g、约200F/g至约600F/g、约200F/g至约700F/g、约200F/g至约800F/g、约200F/g至约900F/g、约300F/g至约400F/g、约300F/g至约500F/g、约300F/g至约600F/g、约300F/g至约700F/g、约300F/g至约800F/g、约300F/g至约900F/g、约400F/g至约500F/g、约400F/g至约600F/g、约400F/g至约700F/g、约400F/g至约800F/g、约400F/g至约900F/g、约500F/g至约600F/g、约500F/g至约700F/g、约500F/g至约800F/g、约500F/g至约900F/g、约600F/g至约700F/g、约600F/g至约800F/g、约600F/g至约900F/g、约700F/g至约800F/g、约700F/g至约900F/g或约800F/g至约900F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约20A/g的电流密度下，为约150F/g至约700F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约20A/g的电流密度下，为至少约150F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约20A/g的电流密度下，为至多约700F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约20A/g的电流密度下，为约150F/g至约250F/g、约150F/g至约350F/g、约150F/g至约450F/g、约150F/g至约550F/g、约150F/g至约650F/g、约150F/g至约700F/g、约250F/g至约350F/g、约250F/g至约450F/g、约250F/g至约550F/g、约250F/g至约650F/g、约250F/g至约700F/g、约350F/g至约450F/g、约350F/g至约550F/g、约350F/g至约650F/g、约350F/g至约700F/g、约450F/g至约550F/g、约450F/g至约650F/g、约450F/g至约700F/g、约550F/g至约650F/g、约550F/g至约700F/g或约650F/g至约700F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约50A/g的电流密度下，为约125F/g至约600F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约50A/g的电流密度下，为至少约125F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约50A/g的电流密度下，为至少约600F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约50A/g的电流密度下，为约125F/g至约150F/g、约125F/g至约200F/g、约125F/g至约300F/g、约125F/g至约400F/g、约125F/g至约500F/g、约125F/g至约600F/g、约150F/g至约200F/g、约150F/g至约300F/g、约150F/g至约400F/g、约150F/g至约500F/g、约150F/g至约600F/g、约200F/g至约300F/g、约200F/g至约400F/g、约200F/g至约500F/g、约200F/g至约600F/g、约300F/g至约400F/g、约300F/g至约500F/g、约300F/g至约600F/g、约400F/g至约500F/g、约400F/g至约600F/g或约500F/g至约600F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度(gravimetric energydensity)为约30瓦时/千克(Wh/kg)至约120Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至少约30Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至多约120Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约30Wh/kg至约40Wh/kg、约30Wh/kg至约50Wh/kg、约30Wh/kg至约60Wh/kg、约30Wh/kg至约70Wh/kg、约30Wh/kg至约80Wh/kg、约30Wh/kg至约100Wh/kg、约30Wh/kg至约120Wh/kg、约40Wh/kg至约50Wh/kg、约40Wh/kg至约60Wh/kg、约40Wh/kg至约70Wh/kg、约40Wh/kg至约80Wh/kg、约40Wh/kg至约100Wh/kg、约40Wh/kg至约120Wh/kg、约50Wh/kg至约60Wh/kg、约50Wh/kg至约70Wh/kg、约50Wh/kg至约80Wh/kg、约50Wh/kg至约100Wh/kg、约50Wh/kg至约120Wh/kg、约60Wh/kg至约70Wh/kg、约60Wh/kg至约80Wh/kg、约60Wh/kg至约100Wh/kg、约60Wh/kg至约120Wh/kg、约70Wh/kg至约80Wh/kg、约70Wh/kg至约100Wh/kg、约70Wh/kg至约120Wh/kg、约80Wh/kg至约100Wh/kg、约80Wh/kg至约120Wh/kg或约100Wh/kg至约120Wh/kg。
在一些实施方案中，所述电解质是含水的并且还包含醌,其中所述醌包括1,2-苯醌；1,4-苯醌；1,4-萘醌；9,10-蒽醌；或其任何组合。
在那些实施方案中，醌的浓度为约0.25M至约1M。在那些实施方案中，醌的浓度为至少约0.25M。在那些实施方案中，醌的浓度为至多约1M。在那些实施方案中，醌的浓度为约0.25M至约0.375M、约0.25M至约0.5M、约0.25M至约0.625M、约0.25M至约1M、约0.375M至约0.5M、约0.375M至约0.625M、约0.375M至约1M、约0.5M至约0.625M、约0.5M至约1M或约0.625M至约1M。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.4V至约1.2V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.4V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约1.2V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.4V至约0.5V、约0.4V至约0.6V、约0.4V至约0.7V、约0.4V至约0.8V、约0.4V至约0.9V、约0.4V至约1V、约0.4V至约1.1V、约0.4V至约1.2V、约0.5V至约0.6V、约0.5V至约0.7V、约0.5V至约0.8V、约0.5V至约0.9V、约0.5V至约1V、约0.5V至约1.1V、约0.5V至约1.2V、约0.6V至约0.7V、约0.6V至约0.8V、约0.6V至约0.9V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.1V、约0.6V至约1.2V、约0.7V至约0.8V、约0.7V至约0.9V、约0.7V至约1V、约0.7V至约1.1V、约0.7V至约1.2V、约0.8V至约0.9V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.1V、约0.8V至约1.2V、约0.9V至约1V、约0.9V至约1.1V、约0.9V至约1.2V、约1V至约1.1V、约1V至约1.2V或约1.1V至约1.2V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约0.2A/g的电流密度下，为约300F/g至约1,400F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约0.2A/g的电流密度下，为至少约300F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约0.2A/g的电流密度下，为至多约11,400F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约0.2A/g的电流密度下，为约300F/g至约500F/g、约300F/g至约700F/g、约300F/g至约900F/g、约300F/g至约1,100F/g、约300F/g至约1,400F/g、约500F/g至约700F/g、约500F/g至约900F/g、约500F/g至约1,100F/g、约500F/g至约1,400F/g、约700F/g至约900F/g、约700F/g至约1,100F/g、约700F/g至约1,400F/g、约900F/g至约1,100F/g、约900F/g至约1,400F/g或约1,100F/g至约1,400F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约12Wh/kg至约120Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至少约12Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至多约120Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约12Wh/kg至约20Wh/kg、约12Wh/kg至约40Wh/kg、约12Wh/kg至约60Wh/kg、约12Wh/kg至约80Wh/kg、约12Wh/kg至约100Wh/kg、约12Wh/kg至约120Wh/kg、约20Wh/kg至约40Wh/kg、约20Wh/kg至约60Wh/kg、约20Wh/kg至约80Wh/kg、约20Wh/kg至约100Wh/kg、约20Wh/kg至约120Wh/kg、约40Wh/kg至约60Wh/kg、约40Wh/kg至约80Wh/kg、约40Wh/kg至约100Wh/kg、约40Wh/kg至约120Wh/kg、约60Wh/kg至约80Wh/kg、约60Wh/kg至约100Wh/kg、约60Wh/kg至约120Wh/kg、约80Wh/kg至约100Wh/kg、约80Wh/kg至约120Wh/kg或约100Wh/kg至约120Wh/kg。
在一些实施方案中，所述电解质为凝胶并且还包含醌，所述醌包括1,2-苯醌、1,4-苯醌、1,4-萘醌、9,10-蒽醌或其任何组合。
在那些实施方案中，所述醌的浓度为约5毫摩尔(mM)至约20毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至少约5毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至多约20毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为约5毫摩尔至约7毫摩尔、约5毫摩尔至约9毫摩尔、约5毫摩尔至约11毫摩尔、约5毫摩尔至约13毫摩尔、约5毫摩尔至约15毫摩尔、约5毫摩尔至约20毫摩尔、约7毫摩尔至约9毫摩尔、约7毫摩尔至约11毫摩尔、约7毫摩尔至约13毫摩尔、约7毫摩尔至约15毫摩尔、约7毫摩尔至约20毫摩尔、约9毫摩尔至约11毫摩尔、约9毫摩尔至约13毫摩尔、约9毫摩尔至约15毫摩尔、约9毫摩尔至约20毫摩尔、约11毫摩尔至约13毫摩尔、约11毫摩尔至约15毫摩尔、约11毫摩尔至约20毫摩尔、约13毫摩尔至约15毫摩尔、约13毫摩尔至约20毫摩尔或约15毫摩尔至约20毫摩尔。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.4V至约1.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.4V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约0.4V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.4V至约0.5V、约0.4V至约0.6V、约0.4V至约0.7V、约0.4V至约0.8V、约0.4V至约0.9V、约0.4V至约1V、约0.4V至约1.2V、约0.4V至约1.4V、约0.4V至约1.6V、约0.5V至约0.6V、约0.5V至约0.7V、约0.5V至约0.8V、约0.5V至约0.9V、约0.5V至约1V、约0.5V至约1.2V、约0.5V至约1.4V、约0.5V至约1.6V、约0.6V至约0.7V、约0.6V至约0.8V、约0.6V至约0.9V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.2V、约0.6V至约1.4V、约0.6V至约1.6V、约0.7V至约0.8V、约0.7V至约0.9V、约0.7V至约1V、约0.7V至约1.2V、约0.7V至约1.4V、约0.7V至约1.6V、约0.8V至约0.9V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V、约0.8V至约1.4V、约0.8V至约1.6V、约0.9V至约1V、约0.9V至约1.2V、约0.9V至约1.4V、约0.9V至约1.6V、约1V至约1.2V、约1V至约1.4V、约1V至约1.6V、约1.2V至约1.4V、约1.2V至约1.6V或约1.4V至约1.6V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约350F/g至约1,400F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至少约350F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至多约1,400F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约350F/g至约450F/g、约350F/g至约550F/g、约350F/g至约650F/g、约350F/g至约750F/g、约350F/g至约850F/g、约350F/g至约1,000F/g、约350F/g至约1,200F/g、约350F/g至约1,400F/g、约450F/g至约550F/g、约450F/g至约650F/g、约450F/g至约750F/g、约450F/g至约850F/g、约450F/g至约1,000F/g、约450F/g至约1,200F/g、约450F/g至约1,400F/g、约550F/g至约650F/g、约550F/g至约750F/g、约550F/g至约850F/g、约550F/g至约1,000F/g、约550F/g至约1,200F/g、约550F/g至约1,400F/g、约650F/g至约750F/g、约650F/g至约850F/g、约650F/g至约1,000F/g、约650F/g至约1,200F/g、约650F/g至约1,400F/g、约750F/g至约850F/g、约750F/g至约1,000F/g、约750F/g至约1,200F/g、约750F/g至约1,400F/g、约850F/g至约1,000F/g、约850F/g至约1,200F/g、约850F/g至约1,400F/g、约1,000F/g至约1,200F/g、约1,000F/g至约1,400F/g或约1,200F/g至约1,400F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约30Wh/kg至约130Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至少约30Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至多约130Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度为约30Wh/kg至约40Wh/kg、约30Wh/kg至约50Wh/kg、约30Wh/kg至约60Wh/kg、约30Wh/kg至约70Wh/kg、约30Wh/kg至约80Wh/kg、约30Wh/kg至约100Wh/kg、约30Wh/kg至约120Wh/kg、约30Wh/kg至约130Wh/kg、约40Wh/kg至约50Wh/kg、约40Wh/kg至约60Wh/kg、约40Wh/kg至约70Wh/kg、约40Wh/kg至约80Wh/kg、约40Wh/kg至约100Wh/kg、约40Wh/kg至约120Wh/kg、约40Wh/kg至约130Wh/kg、约50Wh/kg至约60Wh/kg、约50Wh/kg至约70Wh/kg、约50Wh/kg至约80Wh/kg、约50Wh/kg至约100Wh/kg、约50Wh/kg至约120Wh/kg、约50Wh/kg至约130Wh/kg、约60Wh/kg至约70Wh/kg、约60Wh/kg至约80Wh/kg、约60Wh/kg至约100Wh/kg、约60Wh/kg至约120Wh/kg、约60Wh/kg至约130Wh/kg、约70Wh/kg至约80Wh/kg、约70Wh/kg至约100Wh/kg、约70Wh/kg至约120Wh/kg、约70Wh/kg至约130Wh/kg、约80Wh/kg至约100Wh/kg、约80Wh/kg至约120Wh/kg、约80Wh/kg至约130Wh/kg、约100Wh/kg至约120Wh/kg、约100Wh/kg至约130Wh/kg或约120Wh/kg至约130Wh/kg。
在一些实施方案中，所述超级电容器还包括第三官能化碳电极。在一些实施方案中，所述第三官能化碳电极是聚苯胺官能化碳电极。
在一些实施方案中，所述电解质设置于电极之间。在一些实施方案中，所述电解质包含酸。在一些实施方案中，所述电解质包含溶剂。在一些实施方案中，所述电解质包含酸和溶剂。在一些实施方案中，所述酸为强酸。在一些实施方案中，所述强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸或其任何组合。在一些实施方案中，所述溶剂包括四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。在一些实施方案中，所述酸的浓度对聚苯胺(PANI)的结构和性质有很大影响。
在那些实施方案中，所述醌的浓度为约0.25毫摩尔至约1毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至少约0.25毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至多约1毫摩尔。在那些实施方案中，醌的浓度为约0.25毫摩尔至约0.375毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.25毫摩尔至约1毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.375毫摩尔至约1毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.5毫摩尔至约1毫摩尔、约0.625毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.625毫摩尔至约1毫摩尔或约0.75毫摩尔至约1毫摩尔。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.1V至约1.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.1V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约1.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.1V至约0.2V、约0.1V至约0.3V、约0.1V至约0.4V、约0.1V至约0.6V、约0.1V至约0.8V、约0.1V至约1V、约0.1V至约1.2V、约0.1V至约1.4V、约0.1V至约1.6V、约0.2V至约0.3V、约0.2V至约0.4V、约0.2V至约0.6V、约0.2V至约0.8V、约0.2V至约1V、约0.2V至约1.2V、约0.2V至约1.4V、约0.2V至约1.6V、约0.3V至约0.4V、约0.3V至约0.6V、约0.3V至约0.8V、约0.3V至约1V、约0.3V至约1.2V、约0.3V至约1.4V、约0.3V至约1.6V、约0.4V至约0.6V、约0.4V至约0.8V、约0.4V至约1V、约0.4V至约1.2V、约0.4V至约1.4V、约0.4V至约1.6V、约0.6V至约0.8V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.2V、约0.6V至约1.4V、约0.6V至约1.6V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V、约0.8V至约1.4V、约0.8V至约1.6V、约1V至约1.2V、约1V至约1.4V、约1V至约1.6V、约1.2V至约1.4V、约1.2V至约1.6V或约1.4V至约1.6V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为约5,000F/g至约20,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为至少约5,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为至多约20,000F/g。在那些实施方案中，超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为约5,000F/g至约6,000F/g、约5,000F/g至约7,000F/g、约5,000F/g至约8,000F/g、约5,000F/g至约9,000F/g、约5,000F/g至约10,000F/g、约5,000F/g至约12,500F/g、约5,000F/g至约15,000F/g、约5,000F/g至约17,500F/g、约5,000F/g至约20,000F/g、约6,000F/g至约7,000F/g、约6,000F/g至约8,000F/g、约6,000F/g至约9,000F/g、约6,000F/g至约10,000F/g、约6,000F/g至约12,500F/g、约6,000F/g至约15,000F/g、约6,000F/g至约17,500F/g、约6,000F/g至约20,000F/g、约7,000F/g至约8,000F/g、约7,000F/g至约9,000F/g、约7,000F/g至约10,000F/g、约7,000F/g至约12,500F/g、约7,000F/g至约15,000F/g、约7,000F/g至约17,500F/g、约7,000F/g至约20,000F/g、约8,000F/g至约9,000F/g、约8,000F/g至约10,000F/g、约8,000F/g至约12,500F/g、约8,000F/g至约15,000F/g、约8,000F/g至约17,500F/g、约8,000F/g至约20,000F/g、约9,000F/g至约10,000F/g、约9,000F/g至约12,500F/g、约9,000F/g至约15,000F/g、约9,000F/g至约17,500F/g、约9,000F/g至约20,000F/g、约10,000F/g至约12,500F/g、约10,000F/g至约15,000F/g、约10,000F/g至约17,500F/g、约10,000F/g至约20,000F/g、约12,500F/g至约15,000F/g、约12,500F/g至约17,500F/g、约12,500F/g至约20,000F/g、约15,000F/g至约17,500F/g、约15,000F/g至约20,000F/g或约17,500F/g至约20,000F/g。
本文公开的第三个方面是一种超级电容器，其包括：两个或更多个电极，其中所述第一电极包括官能化碳电极而所述第二电极包括活性碳电极；集电器；和电解质。在一些实施方案中，所述集电器是金属的。在一些实施方案中，所述官能化碳电极是聚苯胺官能化碳电极。在一些实施方案中，所述集电器是铁氧体的。在一些实施方案中，所述集电器包括不锈钢、坩埚钢、碳钢、弹簧钢、合金钢、马氏体时效钢、耐候钢、工具钢或其任何组合。
在一些实施方案中，电解质设置于第一官能化碳电极和第二官能化碳电极之间。在一些实施方案中，所述电解质包含酸。在一些实施方案中，所述电解质包含溶剂。在一些实施方案中，所述电解质包含酸和溶剂。在一些实施方案中，所述酸为强酸。在一些实施方案中，所述强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸或其任何组合。在一些实施方案中，所述溶剂包括四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。
在一些实施方案中，所述电解质为含水电解质。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.6V至约2.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约2.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.6V至约0.8V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.2V、约0.6V至约1.4V、约0.6V至约1.6V、约0.6V至约1.8V、约0.6V至约2V、约0.6V至约2.2V、约0.6V至约2.4V、约0.6V至约2.6V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V、约0.8V至约1.4V、约0.8V至约1.6V、约0.8V至约1.8V、约0.8V至约2V、约0.8V至约2.2V、约0.8V至约2.4V、约0.8V至约2.6V、约1V至约1.2V、约1V至约1.4V、约1V至约1.6V、约1V至约1.8V、约1V至约2V、约1V至约2.2V、约1V至约2.4V、约1V至约2.6V、约1.2V至约1.4V、约1.2V至约1.6V、约1.2V至约1.8V、约1.2V至约2V、约1.2V至约2.2V、约1.2V至约2.4V、约1.2V至约2.6V、约1.4V至约1.6V、约1.4V至约1.8V、约1.4V至约2V、约1.4V至约2.2V、约1.4V至约2.4V、约1.4V至约2.6V、约1.6V至约1.8V、约1.6V至约2V、约1.6V至约2.2V、约1.6V至约2.4V、约1.6V至约2.6V、约1.8V至约2V、约1.8V至约2.2V、约1.8V至约2.4V、约1.8V至约2.6V、约2V至约2.2V、约2V至约2.4V、约2V至约2.6V、约2.2V至约2.4V、约2.2V至约2.6V或约2.4V至约2.6V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约150F/g至约600F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至少约150F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至多约600F/g。在那些实施方案中，超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约150F/g至约200F/g、约150F/g至约250F/g、约150F/g至约300F/g、约150F/g至约350F/g、约150F/g至约400F/g、约150F/g至约450F/g、约150F/g至约500F/g、约150F/g至约550F/g、约150F/g至约600F/g、约200F/g至约250F/g、约200F/g至约300F/g、约200F/g至约350F/g、约200F/g至约400F/g、约200F/g至约450F/g、约200F/g至约500F/g、约200F/g至约550F/g、约200F/g至约600F/g、约250F/g至约300F/g、约250F/g至约350F/g、约250F/g至约400F/g、约250F/g至约450F/g、约250F/g至约500F/g、约250F/g至约550F/g、约250F/g至约600F/g、约300F/g至约350F/g、约300F/g至约400F/g、约300F/g至约450F/g、约300F/g至约500F/g、约300F/g至约550F/g、约300F/g至约600F/g、约350F/g至约400F/g、约350F/g至约450F/g、约350F/g至约500F/g、约350F/g至约550F/g、约350F/g至约600F/g、约400F/g至约450F/g、约400F/g至约500F/g、约400F/g至约550F/g、约400F/g至约600F/g、约450F/g至约500F/g、约450F/g至约550F/g、约450F/g至约600F/g、约500F/g至约550F/g、约500F/g至约600F/g或约550F/g至约600F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约45Wh/kg至约180Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至少约45Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至多约180Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约45Wh/kg至约60Wh/kg、约45Wh/kg至约80Wh/kg、约45Wh/kg至约100Wh/kg、约45Wh/kg至约120Wh/kg、约45Wh/kg至约140Wh/kg、约45Wh/kg至约160Wh/kg、约45Wh/kg至约180Wh/kg、约60Wh/kg至约80Wh/kg、约60Wh/kg至约100Wh/kg、约60Wh/kg至约120Wh/kg、约60Wh/kg至约140Wh/kg、约60Wh/kg至约160Wh/kg、约60Wh/kg至约180Wh/kg、约80Wh/kg至约100Wh/kg、约80Wh/kg至约120Wh/kg、约80Wh/kg至约140Wh/kg、约80Wh/kg至约160Wh/kg、约80Wh/kg至约180Wh/kg、约100Wh/kg至约120Wh/kg、约100Wh/kg至约140Wh/kg、约100Wh/kg至约160Wh/kg、约100Wh/kg至约180Wh/kg、约120Wh/kg至约140Wh/kg、约120Wh/kg至约160Wh/kg、约120Wh/kg至约180Wh/kg、约140Wh/kg至约160Wh/kg、约140Wh/kg至约180Wh/kg或约160Wh/kg至约180Wh/kg。
在一些实施方案中，所述含水电解质包含醌。
在那些实施方案中，所述醌的浓度为约0.25毫摩尔至约1毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至少约0.25毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至多约1毫摩尔。在那些实施方案中，醌的浓度为约0.25毫摩尔至约0.375毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.25毫摩尔至约1毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.375毫摩尔至约1毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.5毫摩尔至约1毫摩尔、约0.625毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.625毫摩尔至约1毫摩尔或约0.75毫摩尔至约1毫摩尔。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.6V至约3.5V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约3.5V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.6V至约0.8V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.2V、约0.6V至约1.4V、约0.6V至约1.6V、约0.6V至约1.8V、约0.6V至约2V、约0.6V至约2.5V、约0.6V至约3V、约0.6V至约3.5V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V、约0.8V至约1.4V、约0.8V至约1.6V、约0.8V至约1.8V、约0.8V至约2V、约0.8V至约2.5V、约0.8V至约3V、约0.8V至约3.5V、约1V至约1.2V、约1V至约1.4V、约1V至约1.6V、约1V至约1.8V、约1V至约2V、约1V至约2.5V、约1V至约3V、约1V至约3.5V、约1.2V至约1.4V、约1.2V至约1.6V、约1.2V至约1.8V、约1.2V至约2V、约1.2V至约2.5V、约1.2V至约3V、约1.2V至约3.5V、约1.4V至约1.6V、约1.4V至约1.8V、约1.4V至约2V、约1.4V至约2.5V、约1.4V至约3V、约1.4V至约3.5V、约1.6V至约1.8V、约1.6V至约2V、约1.6V至约2.5V、约1.6V至约3V、约1.6V至约3.5V、约1.8V至约2V、约1.8V至约2.5V、约1.8V至约3V、约1.8V至约3.5V、约2V至约2.5V、约2V至约3V、约2V至约3.5V、约2.5V至约3V、约2.5V至约3.5V或约3V至约3.5V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约150F/g至约700F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至少约150F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至多约700F/g。在那些实施方案中，超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约150F/g至约200F/g、约150F/g至约250F/g、约150F/g至约300F/g、约150F/g至约350F/g、约150F/g至约400F/g、约150F/g至约450F/g、约150F/g至约500F/g、约150F/g至约600F/g、约150F/g至约700F/g、约200F/g至约250F/g、约200F/g至约300F/g、约200F/g至约350F/g、约200F/g至约400F/g、约200F/g至约450F/g、约200F/g至约500F/g、约200F/g至约600F/g、约200F/g至约700F/g、约250F/g至约300F/g、约250F/g至约350F/g、约250F/g至约400F/g、约250F/g至约450F/g、约250F/g至约500F/g、约250F/g至约600F/g、约250F/g至约700F/g、约300F/g至约350F/g、约300F/g至约400F/g、约300F/g至约450F/g、约300F/g至约500F/g、约300F/g至约600F/g、约300F/g至约700F/g、约350F/g至约400F/g、约350F/g至约450F/g、约350F/g至约500F/g、约350F/g至约600F/g、约350F/g至约700F/g、约400F/g至约450F/g、约400F/g至约500F/g、约400F/g至约600F/g、约400F/g至约700F/g、约450F/g至约500F/g、约450F/g至约600F/g、约450F/g至约700F/g、约500F/g至约600F/g、约500F/g至约700F/g或约600F/g至约700F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约40Wh/kg至约1,600Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至少约40Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至多约1,600Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度为约40Wh/kg至约50Wh/kg、约40Wh/kg至约100Wh/kg、约40Wh/kg至约250Wh/kg、约40Wh/kg至约500Wh/kg、约40Wh/kg至约750Wh/kg、约40Wh/kg至约1,000Wh/kg、约40Wh/kg至约1,250Wh/kg、约40Wh/kg至约1,600Wh/kg、约50Wh/kg至约100Wh/kg、约50Wh/kg至约250Wh/kg、约50Wh/kg至约500Wh/kg、约50Wh/kg至约750Wh/kg、约50Wh/kg至约1,000Wh/kg、约50Wh/kg至约1,250Wh/kg、约50Wh/kg至约1,600Wh/kg、约100Wh/kg至约250Wh/kg、约100Wh/kg至约500Wh/kg、约100Wh/kg至约750Wh/kg、约100Wh/kg至约1,000Wh/kg、约100Wh/kg至约1,250Wh/kg、约100Wh/kg至约1,600Wh/kg、约250Wh/kg至约500Wh/kg、约250Wh/kg至约750Wh/kg、约250Wh/kg至约1,000Wh/kg、约250Wh/kg至约1,250Wh/kg、约250Wh/kg至约1,600Wh/kg、约500Wh/kg至约750Wh/kg、约500Wh/kg至约1,000Wh/kg、约500Wh/kg至约1,250Wh/kg、约500Wh/kg至约1,600Wh/kg、约750Wh/kg至约1,000Wh/kg、约750Wh/kg至约1,250Wh/kg、约750Wh/kg至约1,600Wh/kg、约1,000Wh/kg至约1,250Wh/kg、约1,000Wh/kg至约1,600Wh/kg或约1,250Wh/kg至约1,600Wh/kg。
在一些实施方案中，所述电解质为凝胶电解质。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.6V至约2.4V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.6V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约2.4V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.6V至约0.8V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.2V、约0.6V至约1.4V、约0.6V至约1.6V、约0.6V至约1.8V、约0.6V至约2V、约0.6V至约2.2V、约0.6V至约2.4V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V、约0.8V至约1.4V、约0.8V至约1.6V、约0.8V至约1.8V、约0.8V至约2V、约0.8V至约2.2V、约0.8V至约2.4V、约1V至约1.2V、约1V至约1.4V、约1V至约1.6V、约1V至约1.8V、约1V至约2V、约1V至约2.2V、约1V至约2.4V、约1.2V至约1.4V、约1.2V至约1.6V、约1.2V至约1.8V、约1.2V至约2V、约1.2V至约2.2V、约1.2V至约2.4V、约1.4V至约1.6V、约1.4V至约1.8V、约1.4V至约2V、约1.4V至约2.2V、约1.4V至约2.4V、约1.6V至约1.8V、约1.6V至约2V、约1.6V至约2.2V、约1.6V至约2.4V、约1.8V至约2V、约1.8V至约2.2V、约1.8V至约2.4V、约2V至约2.2V、约2V至约2.4V或约2.2V至约2.4V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约150F/g至约650F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至少约150F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至多约650F/g。在那些实施方案中，超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约150F/g至约200F/g、约150F/g至约250F/g、约150F/g至约300F/g、约150F/g至约350F/g、约150F/g至约400F/g、约150F/g至约450F/g、约150F/g至约500F/g、约150F/g至约550F/g、约150F/g至约600F/g、约150F/g至约650F/g、约200F/g至约250F/g、约200F/g至约300F/g、约200F/g至约350F/g、约200F/g至约400F/g、约200F/g至约450F/g、约200F/g至约500F/g、约200F/g至约550F/g、约200F/g至约600F/g、约200F/g至约650F/g、约250F/g至约300F/g、约250F/g至约350F/g、约250F/g至约400F/g、约250F/g至约450F/g、约250F/g至约500F/g、约250F/g至约550F/g、约250F/g至约600F/g、约250F/g至约650F/g、约300F/g至约350F/g、约300F/g至约400F/g、约300F/g至约450F/g、约300F/g至约500F/g、约300F/g至约550F/g、约300F/g至约600F/g、约300F/g至约650F/g、约350F/g至约400F/g、约350F/g至约450F/g、约350F/g至约500F/g、约350F/g至约550F/g、约350F/g至约600F/g、约350F/g至约650F/g、约400F/g至约450F/g、约400F/g至约500F/g、约400F/g至约550F/g、约400F/g至约600F/g、约400F/g至约650F/g、约450F/g至约500F/g、约450F/g至约550F/g、约450F/g至约600F/g、约450F/g至约650F/g、约500F/g至约550F/g、约500F/g至约600F/g、约500F/g至约650F/g、约550F/g至约600F/g、约550F/g至约650F/g或约600F/g至约650F/g。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为约30Wh/kg至约130Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至少约30Wh/kg。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比能量密度为至多约130Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度为约30Wh/kg至约40Wh/kg、约30Wh/kg至约50Wh/kg、约30Wh/kg至约60Wh/kg、约30Wh/kg至约70Wh/kg、约30Wh/kg至约80Wh/kg、约30Wh/kg至约90Wh/kg、约30Wh/kg至约100Wh/kg、约30Wh/kg至约110Wh/kg、约30Wh/kg至约120Wh/kg、约30Wh/kg至约130Wh/kg、约40Wh/kg至约50Wh/kg、约40Wh/kg至约60Wh/kg、约40Wh/kg至约70Wh/kg、约40Wh/kg至约80Wh/kg、约40Wh/kg至约90Wh/kg、约40Wh/kg至约100Wh/kg、约40Wh/kg至约110Wh/kg、约40Wh/kg至约120Wh/kg、约40Wh/kg至约130Wh/kg、约50Wh/kg至约60Wh/kg、约50Wh/kg至约70Wh/kg、约50Wh/kg至约80Wh/kg、约50Wh/kg至约90Wh/kg、约50Wh/kg至约100Wh/kg、约50Wh/kg至约110Wh/kg、约50Wh/kg至约120Wh/kg、约50Wh/kg至约130Wh/kg、约60Wh/kg至约70Wh/kg、约60Wh/kg至约80Wh/kg、约60Wh/kg至约90Wh/kg、约60Wh/kg至约100Wh/kg、约60Wh/kg至约110Wh/kg、约60Wh/kg至约120Wh/kg、约60Wh/kg至约130Wh/kg、约70Wh/kg至约80Wh/kg、约70Wh/kg至约90Wh/kg、约70Wh/kg至约100Wh/kg、约70Wh/kg至约110Wh/kg、约70Wh/kg至约120Wh/kg、约70Wh/kg至约130Wh/kg、约80Wh/kg至约90Wh/kg、约80Wh/kg至约100Wh/kg、约80Wh/kg至约110Wh/kg、约80Wh/kg至约120Wh/kg、约80Wh/kg至约130Wh/kg、约90Wh/kg至约100Wh/kg、约90Wh/kg至约110Wh/kg、约90Wh/kg至约120Wh/kg、约90Wh/kg至约130Wh/kg、约100Wh/kg至约110Wh/kg、约100Wh/kg至约120Wh/kg、约100Wh/kg至约130Wh/kg、约110Wh/kg至约120Wh/kg、约110Wh/kg至约130Wh/kg或约120Wh/kg至约130Wh/kg。
在一些实施方案中，所述凝胶电解质包含醌。
在那些实施方案中，所述醌的浓度为约0.25毫摩尔至约1毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至少约0.25毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至多约1毫摩尔。在那些实施方案中，醌的浓度为约0.25毫摩尔至约0.375毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.25毫摩尔至约1毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.375毫摩尔至约1毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.5毫摩尔至约1毫摩尔、约0.625毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.625毫摩尔至约1毫摩尔或约0.75毫摩尔至约1毫摩尔。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.7V至约2.8V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.7V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约2.8V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.7V至约0.8V、约0.7V至约1V、约0.7V至约1.2V、约0.7V至约1.4V、约0.7V至约1.6V、约0.7V至约1.8V、约0.7V至约2V、约0.7V至约2.2V、约0.7V至约2.4V、约0.7V至约2.6V、约0.7V至约2.8V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V、约0.8V至约1.4V、约0.8V至约1.6V、约0.8V至约1.8V、约0.8V至约2V、约0.8V至约2.2V、约0.8V至约2.4V、约0.8V至约2.6V、约0.8V至约2.8V、约1V至约1.2V、约1V至约1.4V、约1V至约1.6V、约1V至约1.8V、约1V至约2V、约1V至约2.2V、约1V至约2.4V、约1V至约2.6V、约1V至约2.8V、约1.2V至约1.4V、约1.2V至约1.6V、约1.2V至约1.8V、约1.2V至约2V、约1.2V至约2.2V、约1.2V至约2.4V、约1.2V至约2.6V、约1.2V至约2.8V、约1.4V至约1.6V、约1.4V至约1.8V、约1.4V至约2V、约1.4V至约2.2V、约1.4V至约2.4V、约1.4V至约2.6V、约1.4V至约2.8V、约1.6V至约1.8V、约1.6V至约2V、约1.6V至约2.2V、约1.6V至约2.4V、约1.6V至约2.6V、约1.6V至约2.8V、约1.8V至约2V、约1.8V至约2.2V、约1.8V至约2.4V、约1.8V至约2.6V、约1.8V至约2.8V、约2V至约2.2V、约2V至约2.4V、约2V至约2.6V、约2V至约2.8V、约2.2V至约2.4V、约2.2V至约2.6V、约2.2V至约2.8V、约2.4V至约2.6V、约2.4V至约2.8V或约2.6V至约2.8V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约2,500F/g至约10,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至少约2,500F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为至多约10,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约2A/g的电流密度下，为约2,500F/g至约3,000F/g、约2,500F/g至约4,000F/g、约2,500F/g至约5,000F/g、约2,500F/g至约6,000F/g、约2,500F/g至约7,000F/g、约2,500F/g至约8,000F/g、约2,500F/g至约9,000F/g、约2,500F/g至约10,000F/g、约3,000F/g至约4,000F/g、约3,000F/g至约5,000F/g、约3,000F/g至约6,000F/g、约3,000F/g至约7,000F/g、约3,000F/g至约8,000F/g、约3,000F/g至约9,000F/g、约3,000F/g至约10,000F/g、约4,000F/g至约5,000F/g、约4,000F/g至约6,000F/g、约4,000F/g至约7,000F/g、约4,000F/g至约8,000F/g、约4,000F/g至约9,000F/g、约4,000F/g至约10,000F/g、约5,000F/g至约6,000F/g、约5,000F/g至约7,000F/g、约5,000F/g至约8,000F/g、约5,000F/g至约9,000F/g、约5,000F/g至约10,000F/g、约6,000F/g至约7,000F/g、约6,000F/g至约8,000F/g、约6,000F/g至约9,000F/g、约6,000F/g至约10,000F/g、约7,000F/g至约8,000F/g、约7,000F/g至约9,000F/g、约7,000F/g至约10,000F/g、约8,000F/g至约9,000F/g、约8,000F/g至约10,000F/g或约9,000F/g至约10,000F/g。
在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极重量归一化，为约700Wh/kg至约3,000Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极重量归一化，为至少约700Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极重量归一化，为至多约3,00Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极重量归一化，为约700Wh/kg至约1,000Wh/kg、约700Wh/kg至约1,250Wh/kg、约700Wh/kg至约1,500Wh/kg、约700Wh/kg至约1,750Wh/kg、约700Wh/kg至约2,000Wh/kg、约700Wh/kg至约2,250Wh/kg、约700Wh/kg至约2,500Wh/kg、约700Wh/kg至约2,750Wh/kg、约700Wh/kg至约3,000Wh/kg、约1,000Wh/kg至约1,250Wh/kg、约1,000Wh/kg至约1,500Wh/kg、约1,000Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,000Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,000Wh/kg至约2,250Wh/kg、约1,000Wh/kg至约2,500Wh/kg、约1,000Wh/kg至约2,750Wh/kg、约1,000Wh/kg至约3,000Wh/kg、约1,250Wh/kg至约1,500Wh/kg、约1,250Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,250Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,250Wh/kg至约2,250Wh/kg、约1,250Wh/kg至约2,500Wh/kg、约1,250Wh/kg至约2,750Wh/kg、约1,250Wh/kg至约3,000Wh/kg、约1,500Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,500Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,500Wh/kg至约2,250Wh/kg、约1,500Wh/kg至约2,500Wh/kg、约1,500Wh/kg至约2,750Wh/kg、约1,500Wh/kg至约3,000Wh/kg、约1,750Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,750Wh/kg至约2,250Wh/kg、约1,750Wh/kg至约2,500Wh/kg、约1,750Wh/kg至约2,750Wh/kg、约1,750Wh/kg至约3,000Wh/kg、约2,000Wh/kg至约2,250Wh/kg、约2,000Wh/kg至约2,500Wh/kg、约2,000Wh/kg至约2,750Wh/kg、约2,000Wh/kg至约3,000Wh/kg、约2,250Wh/kg至约2,500Wh/kg、约2,250Wh/kg至约2,750Wh/kg、约2,250Wh/kg至约3,000Wh/kg、约2,500Wh/kg至约2,750Wh/kg、约2,500Wh/kg至约3,000Wh/kg或约2,750Wh/kg至约3,000Wh/kg。
在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极体积归一化，为约100Wh/L至约2,000Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极体积归一化，为至少约100Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极体积归一化，为至多约2,000Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极体积归一化，为约500Wh/L至约625Wh/L、约500Wh/L至约750Wh/L、约500Wh/L至约875Wh/L、约500Wh/L至约100Wh/L、约500Wh/L至约1,125Wh/L、约500Wh/L至约1,250Wh/L、约500Wh/L至约1,375Wh/L、约500Wh/L至约1,500Wh/L、约500Wh/L至约1,750Wh/L、约500Wh/L至约2,000Wh/L、约625Wh/L至约750Wh/L、约625Wh/L至约875Wh/L、约625Wh/L至约100Wh/L、约625Wh/L至约1,125Wh/L、约625Wh/L至约1,250Wh/L、约625Wh/L至约1,375Wh/L、约625Wh/L至约1,500Wh/L、约625Wh/L至约1,750Wh/L、约625Wh/L至约2,000Wh/L、约750Wh/L至约875Wh/L、约750Wh/L至约100Wh/L、约750Wh/L至约1,125Wh/L、约750Wh/L至约1,250Wh/L、约750Wh/L至约1,375Wh/L、约750Wh/L至约1,500Wh/L、约750Wh/L至约1,750Wh/L、约750Wh/L至约2,000Wh/L、约875Wh/L至约100Wh/L、约875Wh/L至约1,125Wh/L、约875Wh/L至约1,250Wh/L、约875Wh/L至约1,375Wh/L、约875Wh/L至约1,500Wh/L、约875Wh/L至约1,750Wh/L、约875Wh/L至约2,000Wh/L、约100Wh/L至约1,125Wh/L、约100Wh/L至约1,250Wh/L、约100Wh/L至约1,375Wh/L、约100Wh/L至约1,500Wh/L、约100Wh/L至约1,750Wh/L、约100Wh/L至约2,000Wh/L、约1,125Wh/L至约1,250Wh/L、约1,125Wh/L至约1,375Wh/L、约1,125Wh/L至约1,500Wh/L、约1,125Wh/L至约1,750Wh/L、约1,125Wh/L至约2,000Wh/L、约1,250Wh/L至约1,375Wh/L、约1,250Wh/L至约1,500Wh/L、约1,250Wh/L至约1,750Wh/L、约1,250Wh/L至约2,000Wh/L、约1,375Wh/L至约1,500Wh/L、约1,375Wh/L至约1,750Wh/L、约1,375Wh/L至约2,000Wh/L、约1,500Wh/L至约1,750Wh/L、约1,500Wh/L至约2,000Wh/L或约1,750Wh/L至约2,000Wh/L。
在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为约100Wh/kg至约2,000Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为至少约100Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为至多约2,000Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为约500Wh/kg至约625Wh/kg、约500Wh/kg至约750Wh/kg、约500Wh/kg至约875Wh/kg、约500Wh/kg至约100Wh/kg、约500Wh/kg至约1,125Wh/kg、约500Wh/kg至约1,250Wh/kg、约500Wh/kg至约1,375Wh/kg、约500Wh/kg至约1,500Wh/kg、约500Wh/kg至约1,750Wh/kg、约500Wh/kg至约2,000Wh/kg、约625Wh/kg至约750Wh/kg、约625Wh/kg至约875Wh/kg、约625Wh/kg至约100Wh/kg、约625Wh/kg至约1,125Wh/kg、约625Wh/kg至约1,250Wh/kg、约625Wh/kg至约1,375Wh/kg、约625Wh/kg至约1,500Wh/kg、约625Wh/kg至约1,750Wh/kg、约625Wh/kg至约2,000Wh/kg、约750Wh/kg至约875Wh/kg、约750Wh/kg至约100Wh/kg、约750Wh/kg至约1,125Wh/kg、约750Wh/kg至约1,250Wh/kg、约750Wh/kg至约1,375Wh/kg、约750Wh/kg至约1,500Wh/kg、约750Wh/kg至约1,750Wh/kg、约750Wh/kg至约2,000Wh/kg、约875Wh/kg至约100Wh/kg、约875Wh/kg至约1,125Wh/kg、约875Wh/kg至约1,250Wh/kg、约875Wh/kg至约1,375Wh/kg、约875Wh/kg至约1,500Wh/kg、约875Wh/kg至约1,750Wh/kg、约875Wh/kg至约2,000Wh/kg、约100Wh/kg至约1,125Wh/kg、约100Wh/kg至约1,250Wh/kg、约100Wh/kg至约1,375Wh/kg、约100Wh/kg至约1,500Wh/kg、约100Wh/kg至约1,750Wh/kg、约100Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,125Wh/kg至约1,250Wh/kg、约1,125Wh/kg至约1,375Wh/kg、约1,125Wh/kg至约1,500Wh/kg、约1,125Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,125Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,250Wh/kg至约1,375Wh/kg、约1,250Wh/kg至约1,500Wh/kg、约1,250Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,250Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,375Wh/kg至约1,500Wh/kg、约1,375Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,375Wh/kg至约2,000Wh/kg、约1,500Wh/kg至约1,750Wh/kg、约1,500Wh/kg至约2,000Wh/kg或约1,750Wh/kg至约2,000Wh/kg。
在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为约100Wh/L至约1,800Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为至少约100Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为至多约1,800Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极和氧化还原电解质的体积归一化，为约400Wh/L至约600Wh/L、约400Wh/L至约800Wh/L、约400Wh/L至约100Wh/L、约400Wh/L至约1,200Wh/L、约400Wh/L至约1,400Wh/L、约400Wh/L至约1,600Wh/L、约400Wh/L至约1,800Wh/L、约600Wh/L至约800Wh/L、约600Wh/L至约100Wh/L、约600Wh/L至约1,200Wh/L、约600Wh/L至约1,400Wh/L、约600Wh/L至约1,600Wh/L、约600Wh/L至约1,800Wh/L、约800Wh/L至约100Wh/L、约800Wh/L至约1,200Wh/L、约800Wh/L至约1,400Wh/L、约800Wh/L至约1,600Wh/L、约800Wh/L至约1,800Wh/L、约100Wh/L至约1,200Wh/L、约100Wh/L至约1,400Wh/L、约100Wh/L至约1,600Wh/L、约100Wh/L至约1,800Wh/L、约1,200Wh/L至约1,400Wh/L、约1,200Wh/L至约1,600Wh/L、约1,200Wh/L至约1,800Wh/L、约1,400Wh/L至约1,600Wh/L、约1,400Wh/L至约1,800Wh/L或约1,600Wh/L至约1,800Wh/L。
在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为约30Wh/kg至约120Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为至少约30Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为至多约120Wh/kg。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为约30Wh/kg至约40Wh/kg、约30Wh/kg至约50Wh/kg、约30Wh/kg至约60Wh/kg、约30Wh/kg至约70Wh/kg、约30Wh/kg至约80Wh/kg、约30Wh/kg至约90Wh/kg、约30Wh/kg至约100Wh/kg、约30Wh/kg至约120Wh/kg、约40Wh/kg至约50Wh/kg、约40Wh/kg至约60Wh/kg、约40Wh/kg至约70Wh/kg、约40Wh/kg至约80Wh/kg、约40Wh/kg至约90Wh/kg、约40Wh/kg至约100Wh/kg、约40Wh/kg至约120Wh/kg、约50Wh/kg至约60Wh/kg、约50Wh/kg至约70Wh/kg、约50Wh/kg至约80Wh/kg、约50Wh/kg至约90Wh/kg、约50Wh/kg至约100Wh/kg、约50Wh/kg至约120Wh/kg、约60Wh/kg至约70Wh/kg、约60Wh/kg至约80Wh/kg、约60Wh/kg至约90Wh/kg、约60Wh/kg至约100Wh/kg、约60Wh/kg至约120Wh/kg、约70Wh/kg至约80Wh/kg、约70Wh/kg至约90Wh/kg、约70Wh/kg至约100Wh/kg、约70Wh/kg至约120Wh/kg、约80Wh/kg至约90Wh/kg、约80Wh/kg至约100Wh/kg、约80Wh/kg至约120Wh/kg、约90Wh/kg至约100Wh/kg、约90Wh/kg至约120Wh/kg或约100Wh/kg至约120Wh/kg。
在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为约40Wh/L至约180Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为至少约40Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为至多约180Wh/L。在那些实施方案中，超级电容器的重量比能量密度，按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化，为约40Wh/L至约50Wh/L、约40Wh/L至约60Wh/L、约40Wh/L至约70Wh/L、约40Wh/L至约80Wh/L、约40Wh/L至约90Wh/L、约40Wh/L至约100Wh/L、约40Wh/L至约120Wh/L、约40Wh/L至约140Wh/L、约40Wh/L至约160Wh/L、约40Wh/L至约180Wh/L、约50Wh/L至约60Wh/L、约50Wh/L至约70Wh/L、约50Wh/L至约80Wh/L、约50Wh/L至约90Wh/L、约50Wh/L至约100Wh/L、约50Wh/L至约120Wh/L、约50Wh/L至约140Wh/L、约50Wh/L至约160Wh/L、约50Wh/L至约180Wh/L、约60Wh/L至约70Wh/L、约60Wh/L至约80Wh/L、约60Wh/L至约90Wh/L、约60Wh/L至约100Wh/L、约60Wh/L至约120Wh/L、约60Wh/L至约140Wh/L、约60Wh/L至约160Wh/L、约60Wh/L至约180Wh/L、约70Wh/L至约80Wh/L、约70Wh/L至约90Wh/L、约70Wh/L至约100Wh/L、约70Wh/L至约120Wh/L、约70Wh/L至约140Wh/L、约70Wh/L至约160Wh/L、约70Wh/L至约180Wh/L、约80Wh/L至约90Wh/L、约80Wh/L至约100Wh/L、约80Wh/L至约120Wh/L、约80Wh/L至约140Wh/L、约80Wh/L至约160Wh/L、约80Wh/L至约180Wh/L、约90Wh/L至约100Wh/L、约90Wh/L至约120Wh/L、约90Wh/L至约140Wh/L、约90Wh/L至约160Wh/L、约90Wh/L至约180Wh/L、约100Wh/L至约120Wh/L、约100Wh/L至约140Wh/L、约100Wh/L至约160Wh/L、约100Wh/L至约180Wh/L、约120Wh/L至约140Wh/L、约120Wh/L至约160Wh/L、约120Wh/L至约180Wh/L、约140Wh/L至约160Wh/L、约140Wh/L至约180Wh/L或约160Wh/L至约180Wh/L。
本文公开的第四个方面是一种超级电容器，其包括三个电极，其中每个电极均包括活性碳电极、集电器和电解质。在一些实施方案中，所述集电器是金属的。在一些实施方案中，所述集电器是铁氧体的。在一些实施方案中，所述集电器包括不锈钢、坩埚钢、碳钢、弹簧钢、合金钢、马氏体时效钢、耐候钢、工具钢或其任何组合。
在一些实施方案中，所述电解质设置于电极之间。在一些实施方案中，所述电解质包含酸。在一些实施方案中，所述电解质包含溶剂。在一些实施方案中，所述电解质包含酸和溶剂。在一些实施方案中，所述酸为强酸。在一些实施方案中，所述强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸或其任何组合。在一些实施方案中，所述溶剂包括四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。
在一些实施方案中，所述电解质为凝胶电解质，其中所述凝胶电解质包含醌。在那些实施方案中，所述醌的浓度为约0.25毫摩尔至约1毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至少约0.25毫摩尔。在那些实施方案中，所述醌的浓度为至多约1毫摩尔。在那些实施方案中，醌的浓度为约0.25毫摩尔至约0.375毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.25毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.25毫摩尔至约1毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.5毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.375毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.375毫摩尔至约1毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.625毫摩尔、约0.5毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.5毫摩尔至约1毫摩尔、约0.625毫摩尔至约0.75毫摩尔、约0.625毫摩尔至约1毫摩尔或约0.75毫摩尔至约1毫摩尔。
在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.2V至约1.2V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至少约0.2V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为至多约1.2V。在那些实施方案中，超级电容器的工作电位为约0.2V至约0.3V、约0.2V至约0.4V、约0.2V至约0.6V、约0.2V至约0.8V、约0.2V至约1V、约0.2V至约1.2V、约0.3V至约0.4V、约0.3V至约0.6V、约0.3V至约0.8V、约0.3V至约1V、约0.3V至约1.2V、约0.4V至约0.6V、约0.4V至约0.8V、约0.4V至约1V、约0.4V至约1.2V、约0.6V至约0.8V、约0.6V至约1V、约0.6V至约1.2V、约0.8V至约1V、约0.8V至约1.2V或约1V至约1.2V。
在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为约1,000F/g至约8,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为至少约1,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为至多约8,000F/g。在那些实施方案中，所述超级电容器的重量比电容，在约10A/g的电流密度下，为约7,000F/g至约8,000F/g、约7,000F/g至约1,000F/g、约7,000F/g至约1,250F/g、约7,000F/g至约1,500F/g、约7,000F/g至约2,000F/g、约7,000F/g至约2,250F/g、约7,000F/g至约2,500F/g、约7,000F/g至约2,800F/g、约8,000F/g至约1,000F/g、约8,000F/g至约1,250F/g、约8,000F/g至约1,500F/g、约8,000F/g至约2,000F/g、约8,000F/g至约2,250F/g、约8,000F/g至约2,500F/g、约8,000F/g至约2,800F/g、约1,000F/g至约1,250F/g、约1,000F/g至约1,500F/g、约1,000F/g至约2,000F/g、约1,000F/g至约2,250F/g、约1,000F/g至约2,500F/g、约1,000F/g至约2,800F/g、约1,250F/g至约1,500F/g、约1,250F/g至约2,000F/g、约1,250F/g至约2,250F/g、约1,250F/g至约2,500F/g、约1,250F/g至约2,800F/g、约1,500F/g至约2,000F/g、约1,500F/g至约2,250F/g、约1,500F/g至约2,500F/g、约1,500F/g至约2,800F/g、约2,000F/g至约2,250F/g、约2,000F/g至约2,500F/g、约2,000F/g至约2,800F/g、约2,250F/g至约2,500F/g、约2,250F/g至约2,800F/g或约2,500F/g至约2,800F/g。
本文提供的第五个方面是一种制造官能化碳电极的方法，其包括使碳基底官能化，制备官能化碳基底，配制聚合流体，并且在官能化碳基底上合成纳米管的步骤。
在一些实施方案中，所述官能化碳电极是聚苯胺官能化碳电极。在一些实施方案中，所述纳米管为聚苯胺纳米管。
在一些实施方案中，使碳基底官能化的步骤包括形成官能化溶液，加热官能化溶液，冷却官能化溶液，将碳基底片转移到官能化溶液内，并冲洗官能化碳基底片。在一些实施方案中，在水中冲洗所述基底。
在一些实施方案中，所述官能化溶液包含强酸，所述强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸和硝酸、氯酸或其任何组合。
在一些实施方案中，所述官能化溶液包含第一强酸和第二强酸，其中所述第一强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸、硝酸、氯酸或其任何组合。在一些实施方案中，所述第二强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸、硝酸、氯酸或其任何组合。
在一些实施方案中，所述官能化溶液包含约15％至约60％体积百分比的第一强酸。在一些实施方案中，所述官能化溶液包含至少约15％体积百分比的第一强酸。在一些实施方案中，所述官能化溶液包含至多约60％体积百分比的第一强酸。在一些实施方案中，所述官能化溶液包含的第一强酸的体积百分比为约15％至约20％、约15％至约25％、约15％至约30％、约15％至约35％、约15％至约40％、约15％至约45％、约15％至约50％、约15％至约55％、约15％至约60％、约20％至约25％、约20％至约30％、约20％至约35％、约20％至约40％、约20％至约45％、约20％至约50％、约20％至约55％、约20％至约60％、约25％至约30％、约25％至约35％、约25％至约40％、约25％至约45％、约25％至约50％、约25％至约55％、约25％至约60％、约30％至约35％、约30％至约40％、约30％至约45％、约30％至约50％、约30％至约55％、约30％至约60％、约35％至约40％、约35％至约45％、约35％至约50％、约35％至约55％、约35％至约60％、约40％至约45％、约40％至约50％、约40％至约55％、约40％至约60％、约45％至约50％、约45％至约55％、约45％至约60％、约50％至约55％、约50％至约60％或约55％至约60％。
在一些实施方案中，将官能化溶液加热到约30℃至约120℃的温度。在一些实施方案中，将官能化溶液加热到至少约30℃的温度。在一些实施方案中，将官能化溶液加热到至多约120℃的温度。在一些实施方案中，将官能化溶液加热到以下温度：约30℃至约40℃、约30℃至约50℃、约30℃至约60℃、约30℃至约70℃、约30℃至约80℃、约30℃至约90℃、约30℃至约100℃、约30℃至约110℃、约30℃至约120℃、约40℃至约50℃、约40℃至约60℃、约40℃至约70℃、约40℃至约80℃、约40℃至约90℃、约40℃至约100℃、约40℃至约110℃、约40℃至约120℃、约50℃至约60℃、约50℃至约70℃、约50℃至约80℃、约50℃至约90℃、约50℃至约100℃、约50℃至约110℃、约50℃至约120℃、约60℃至约70℃、约60℃至约80℃、约60℃至约90℃、约60℃至约100℃、约60℃至约110℃、约60℃至约120℃、约70℃至约80℃、约70℃至约90℃、约70℃至约100℃、约70℃至约110℃、约70℃至约120℃、约80℃至约90℃、约80℃至约100℃、约80℃至约110℃、约80℃至约120℃、约90℃至约100℃、约90℃至约110℃、约90℃至约120℃、约100℃至约110℃、约100℃至约120℃或约110℃至约120℃。
在一些实施方案中，将所述官能化溶液加热约60分钟至约240分钟。在一些实施方案中，将所述官能化溶液加热至少约60分钟。在一些实施方案中，将所述官能化溶液加热至多约240分钟。在一些实施方案中，将所述官能化溶液加热约60分钟至约80分钟、约60分钟至约100分钟、约60分钟至约120分钟、约60分钟至约140分钟、约60分钟至约160分钟、约60分钟至约180分钟、约60分钟至约200分钟、约60分钟至约220分钟、约60分钟至约240分钟、约80分钟至约100分钟、约80分钟至约120分钟、约80分钟至约140分钟、约80分钟至约160分钟、约80分钟至约180分钟、约80分钟至约200分钟、约80分钟至约220分钟、约80分钟至约240分钟、约100分钟至约120分钟、约100分钟至约140分钟、约100分钟至约160分钟、约100分钟至约180分钟、约100分钟至约200分钟、约100分钟至约220分钟、约100分钟至约240分钟、约120分钟至约140分钟、约120分钟至约160分钟、约120分钟至约180分钟、约120分钟至约200分钟、约120分钟至约220分钟、约120分钟至约240分钟、约140分钟至约160分钟、约140分钟至约180分钟、约140分钟至约200分钟、约140分钟至约220分钟、约140分钟至约240分钟、约160分钟至约180分钟、约160分钟至约200分钟、约160分钟至约220分钟、约160分钟至约240分钟、约180分钟至约200分钟、约180分钟至约220分钟、约180分钟至约240分钟、约200分钟至约220分钟、约200分钟至约240分钟或约220分钟至约240分钟。
在一些实施方案中，将所述官能化溶液冷却至室温。在一些实施方案中，将水去离子化。
在一些实施方案中，将水加热到约5℃至约40℃的温度。在一些实施方案中，将水加热到至少约5℃的温度。在一些实施方案中，将水加热到至多约40℃的温度。在一些实施方案中，将水加热到以下温度：约5℃至约10℃、约5℃至约15℃、约5℃至约20℃、约5℃至约25℃、约5℃至约30℃、约5℃至约35℃、约5℃至约40℃、约10℃至约15℃、约10℃至约20℃、约10℃至约25℃、约10℃至约30℃、约10℃至约35℃、约10℃至约40℃、约15℃至约20℃、约15℃至约25℃、约15℃至约30℃、约15℃至约35℃、约15℃至约40℃、约20℃至约25℃、约20℃至约30℃、约20℃至约35℃、约20℃至约40℃、约25℃至约30℃、约25℃至约35℃、约25℃至约40℃、约30℃至约35℃、约30℃至约40℃或约35℃至约40℃。
在一些实施方案中，水的体积为约0.5升(L)至约2L。在一些实施方案中，水的体积为至少约0.5L。在一些实施方案中，水的体积为至多约2L。在一些实施方案中，水的体积为约0.5L至约0.625L、约0.5L至约0.75L、约0.5L至约0.875L、约0.5L至约1L、约0.5L至约1.25L、约0.5L至约1.5L、约0.5L至约1.75L、约0.5L至约2L、约0.625L至约0.75L、约0.625L至约0.875L、约0.625L至约1L、约0.625L至约1.25L、约0.625L至约1.5L、约0.625L至约1.75L、约0.625L至约2L、约0.75L至约0.875L、约0.75L至约1L、约0.75L至约1.25L、约0.75L至约1.5L、约0.75L至约1.75L、约0.75L至约2L、约0.875L至约1L、约0.875L至约1.25L、约0.875L至约1.5L、约0.875L至约1.75L、约0.875L至约2L、约1L至约1.25L、约1L至约1.5L、约1L至约1.75L、约1L至约2L、约1.25L至约1.5L、约1.25L至约1.75L、约1.25L至约2L、约1.5L至约1.75L、约1.5L至约2L或约1.75L至约2L。
在一些实施方案中，所述碳基底由碳布、碳纤维、无定形碳、玻璃碳、碳纳米泡沫、碳气凝胶或其任何组合组成。
在一些实施方案中，在官能化之后将所述官能化碳基底退火。
在一些实施方案中，退火温度为约100℃至约400℃。在一些实施方案中，退火温度为至少约100℃。在一些实施方案中，退火温度为至多约400℃。在一些实施方案中，退火温度为约100℃至约150℃、约100℃至约200℃、约100℃至约250℃、约100℃至约300℃、约100℃至约350℃、约100℃至约400℃、约150℃至约200℃、约150℃至约250℃、约150℃至约300℃、约150℃至约350℃、约150℃至约400℃、约200℃至约250℃、约200℃至约300℃、约200℃至约350℃、约200℃至约400℃、约250℃至约300℃、约250℃至约350℃、约250℃至约400℃、约300℃至约350℃、约300℃至约400℃或约350℃至约400℃。
在一些实施方案中，将所述官能化碳基底退火约0.5小时至约14小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底退火至少约0.5小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底退火至多约14小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底退火约0.5小时至约1小时、约0.5小时至约2小时、约0.5小时至约5小时、约0.5小时至约7小时、约0.5小时至约9小时、约0.5小时至约11小时、约0.5小时至约14小时、约1小时至约2小时、约1小时至约5小时、约1小时至约7小时、约1小时至约9小时、约1小时至约11小时、约1小时至约14小时、约2小时至约5小时、约2小时至约7小时、约2小时至约9小时、约2小时至约11小时、约2小时至约14小时、约5小时至约7小时、约5小时至约9小时、约5小时至约11小时、约5小时至约14小时、约7小时至约9小时、约7小时至约11小时、约7小时至约14小时、约9小时至约11小时、约9小时至约14小时或约11小时至约14小时。
在一些实施方案中，制备官能化碳基底的步骤包括切割官能化碳基底片，将所述官能化碳基底片浸没在溶剂溶液中，在所述溶剂溶液中对所述官能化碳基底片进行声处理，并且干燥所述官能化碳基底片。
在一些实施方案中，所述官能化碳基底的几何面积为约0.1平方厘米(cm2)至约0.5cm2。在一些实施方案中，所述官能化碳基底的几何面积为至少约0.1cm2。在一些实施方案中，所述官能化碳基底的几何面积为至多约0.5cm2。在一些实施方案中，所述官能化碳基底的几何面积为约0.1cm2至约0.2cm2、约0.1cm2至约0.3cm2、约0.1cm2至约0.4cm2、约0.1cm2至约0.5cm2、约0.2cm2至约0.3cm2、约0.2cm2至约0.4cm2、约0.2cm2至约0.5cm2、约0.3cm2至约0.4cm2、约0.3cm2至约0.5cm2或约0.4cm2至约0.5cm2。
在一些实施方案中，所述溶剂溶液包含四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。在一些实施方案中，所述溶剂溶液包含第一溶剂和第二溶剂。在一些实施方案中，所述第一溶剂溶液包含四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。在一些实施方案中，所述第二溶剂溶液包含四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、硝基甲烷、碳酸亚丙酯、乙醇、甲酸、正丁醇、甲醇、乙酸、水或其任何组合。
在一些实施方案中，所述第一溶剂占所述溶剂溶液的约25％至约95％体积百分比。在一些实施方案中，所述第一溶剂占所述溶剂溶液至少约25％的体积百分比。在一些实施方案中，所述第一溶剂占所述溶剂溶液至多约95％的体积百分比。在一些实施方案中，所述第一溶剂占所述溶剂溶液的约25％至约35％、约25％至约45％、约25％至约55％、约25％至约65％、约25％至约75％、约25％至约85％、约25％至约95％、约35％至约45％、约35％至约55％、约35％至约65％、约35％至约75％、约35％至约85％、约35％至约95％、约45％至约55％、约45％至约65％、约45％至约75％、约45％至约85％、约45％至约95％、约55％至约65％、约55％至约75％、约55％至约85％、约55％至约95％、约65％至约75％、约65％至约85％、约65％至约95％、约75％至约85％、约75％至约95％或约85％至约95％的体积百分比。
在一些实施方案中，声处理时间为约30分钟至约60分钟。在一些实施方案中，声处理时间为至少约30分钟。在一些实施方案中，声处理时间为至多约60分钟。在一些实施方案中，声处理时间为约30分钟至约35分钟、约30分钟至约40分钟、约30分钟至约45分钟、约30分钟至约50分钟、约30分钟至约55分钟、约30分钟至约60分钟、约35分钟至约40分钟、约35分钟至约45分钟、约35分钟至约50分钟、约35分钟至约55分钟、约35分钟至约60分钟、约40分钟至约45分钟、约40分钟至约50分钟、约40分钟至约55分钟、约40分钟至约60分钟、约45分钟至约50分钟、约45分钟至约55分钟、约45分钟至约60分钟、约50分钟至约55分钟、约50分钟至约60分钟或约55分钟至约60分钟。
在一些实施方案中，干燥在约30℃至约120℃的温度下进行。在一些实施方案中，干燥在至少约30℃的温度下进行。在一些实施方案中，干燥在至多约120℃的温度下进行。在一些实施方案中，干燥在以下温度下进行：约30℃至约40℃、约30℃至约50℃、约30℃至约60℃、约30℃至约70℃、约30℃至约80℃、约30℃至约90℃、约30℃至约100℃、约30℃至约110℃、约30℃至约120℃、约40℃至约50℃、约40℃至约60℃、约40℃至约70℃、约40℃至约80℃、约40℃至约90℃、约40℃至约100℃、约40℃至约110℃、约40℃至约120℃、约50℃至约60℃、约50℃至约70℃、约50℃至约80℃、约50℃至约90℃、约50℃至约100℃、约50℃至约110℃、约50℃至约120℃、约60℃至约70℃、约60℃至约80℃、约60℃至约90℃、约60℃至约100℃、约60℃至约110℃、约60℃至约120℃、约70℃至约80℃、约70℃至约90℃、约70℃至约100℃、约70℃至约110℃、约70℃至约120℃、约80℃至约90℃、约80℃至约100℃、约80℃至约110℃、约80℃至约120℃、约90℃至约100℃、约90℃至约110℃、约90℃至约120℃、约100℃至约110℃、约100℃至约120℃或约110℃至约120℃。
在一些实施方案中，干燥进行约3小时至约12小时。在一些实施方案中，干燥进行至少约3小时。在一些实施方案中干燥进行至多约12小时。在一些实施方案中，干燥进行约3小时至约4小时、约3小时至约5小时、约3小时至约6小时、约3小时至约7小时、约3小时至约8小时、约3小时至约9小时、约3小时至约10小时、约3小时至约11小时、约3小时至约12小时、约4小时至约5小时、约4小时至约6小时、约4小时至约7小时、约4小时至约8小时、约4小时至约9小时、约4小时至约10小时、约4小时至约11小时、约4小时至约12小时、约5小时至约6小时、约5小时至约7小时、约5小时至约8小时、约5小时至约9小时、约5小时至约10小时、约5小时至约11小时、约5小时至约12小时、约6小时至约7小时、约6小时至约8小时、约6小时至约9小时、约6小时至约10小时、约6小时至约11小时、约6小时至约12小时、约7小时至约8小时、约7小时至约9小时、约7小时至约10小时、约7小时至约11小时、约7小时至约12小时、约8小时至约9小时、约8小时至约10小时、约8小时至约11小时、约8小时至约12小时、约9小时至约10小时、约9小时至约11小时、约9小时至约12小时、约10小时至约11小时、约10小时至约12小时或约11小时至约12小时。
在一些实施方案中，配制聚合流体的步骤包括形成包含导电聚合物、酸、洗涤剂、水和氧化剂的聚合溶液并搅拌聚合溶液。在一些实施方案中，所述导电聚合物包含聚苯胺、聚(对-苯醚)、聚(对-苯硫醚)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或其任何组合。
在一些实施方案中，所述导电聚合物经蒸馏。在一些实施方案中，所述导电聚合物经蒸汽蒸馏。在一些实施方案中，蒸汽包含水、石油、油、脂质、石油化学产品或其任何组合。
在一些实施方案中，导电聚合物的质量为约20毫克(mg)至约90mg。在一些实施方案中，导电聚合物的质量为至少约20mg。在一些实施方案中，导电聚合物的质量为至多约90mg。在一些实施方案中，导电聚合物的质量为约20mg至约30mg、约20mg至约40mg、约20mg至约50mg、约20mg至约60mg、约20mg至约70mg、约20mg至约80mg、约20mg至约90mg、约30mg至约40mg、约30mg至约50mg、约30mg至约60mg、约30mg至约70mg、约30mg至约80mg、约30mg至约90mg、约40mg至约50mg、约40mg至约60mg、约40mg至约70mg、约40mg至约80mg、约40mg至约90mg、约50mg至约60mg、约50mg至约70mg、约50mg至约80mg、约50mg至约90mg、约60mg至约70mg、约60mg至约80mg、约60mg至约90mg、约70mg至约80mg、约70mg至约90mg或约80mg至约90mg。
在一些实施方案中，所述酸含水。在一些实施方案中，所述酸包含强酸。在一些实施方案中，所述强酸包括高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸、硝酸、氯酸或其任何组合。
在一些实施方案中，酸的浓度为约0.1M至约0.5M。在一些实施方案中，酸的浓度为至少约0.1M。在一些实施方案中，酸的浓度为至多约0.5M。在一些实施方案中，酸的浓度为约0.1M至约0.2M、约0.1M至约0.3M、约0.1M至约0.4M、约0.1M至约0.5M、约0.2M至约0.3M、约0.2M至约0.4M、约0.2M至约0.5M、约0.3M至约0.4M、约0.3M至约0.5M或约0.4M至约0.5M。
在一些实施方案中，酸的体积为约0.1毫升(ml)至约0.6ml。在一些实施方案中，酸的体积为至少约0.1ml。在一些实施方案中，酸的体积为至多约0.6ml。在一些实施方案中，酸的体积为约0.1ml至约0.2ml、约0.1ml至约0.3ml、约0.1ml至约0.4ml、约0.1ml至约0.5ml、约0.1ml至约0.6ml、约0.2ml至约0.3ml、约0.2ml至约0.4ml、约0.2ml至约0.5ml、约0.2ml至约0.6ml、约0.3ml至约0.4ml、约0.3ml至约0.5ml、约0.3ml至约0.6ml、约0.4ml至约0.5ml、约0.4ml至约0.6ml或约0.5ml至约0.6ml。
在一些实施方案中，洗涤剂包含二辛基磺基琥珀酸钠、全氟辛烷磺酸盐、全氟丁烷磺酸盐、烷基芳基醚磷酸盐、烷基醚磷酸盐、西曲溴铵(cetrimonium bromide)、西吡氯铵(cetylpyridinium chloride)、苯扎氯铵(benzalkonium chloride)、苄索氯铵(benzethonium chloride)、二甲基双十八烷基氯化铵、双十八烷基二甲基溴化铵、奥替尼啶二盐酸盐(octenidine dihydrochloride)、八乙二醇单十二烷基醚、五乙二醇单十二烷基醚、聚丙二醇烷基醚、癸基葡糖苷、十二烷基葡糖苷、辛基葡糖苷、聚乙二醇辛基苯基醚、聚乙二醇烷基苯基醚、壬苯醇醚-9、甘油烷基酯、月桂酸甘油酯、聚氧乙二醇脱水山梨糖醇烷基酯、聚山梨醇酯脱水山梨糖醇烷基酯、十二烷基二甲基氧化胺、泊洛沙姆(poloxamer)、聚乙氧基化牛脂胺或其任何组合。
在一些实施方案中，洗涤剂的质量为约1mg至约10mg。在一些实施方案中，洗涤剂的质量为至少约1mg。在一些实施方案中，洗涤剂的质量为至多约10mg。在一些实施方案中，洗涤剂的质量为约1mg至约2mg、约1mg至约3mg、约1mg至约4mg、约1mg至约5mg、约1mg至约6mg、约1mg至约7mg、约1mg至约8mg、约1mg至约9mg、约1mg至约10mg、约2mg至约3mg、约2mg至约4mg、约2mg至约5mg、约2mg至约6mg、约2mg至约7mg、约2mg至约8mg、约2mg至约9mg、约2mg至约10mg、约3mg至约4mg、约3mg至约5mg、约3mg至约6mg、约3mg至约7mg、约3mg至约8mg、约3mg至约9mg、约3mg至约10mg、约4mg至约5mg、约4mg至约6mg、约4mg至约7mg、约4mg至约8mg、约4mg至约9mg、约4mg至约10mg、约5mg至约6mg、约5mg至约7mg、约5mg至约8mg、约5mg至约9mg、约5mg至约10mg、约6mg至约7mg、约6mg至约8mg、约6mg至约9mg、约6mg至约10mg、约7mg至约8mg、约7mg至约9mg、约7mg至约10mg、约8mg至约9mg、约8mg至约10mg或约9mg至约10mg。
在一些实施方案中，水的体积为约9ml至约40ml。在一些实施方案中，水的体积为至少约9ml。在一些实施方案中，水的体积为至多约40ml。在一些实施方案中，水的体积为约9ml至约10ml、约9ml至约15ml、约9ml至约20ml、约9ml至约25ml、约9ml至约30ml、约9ml至约35ml、约9ml至约40ml、约10ml至约15ml、约10ml至约20ml、约10ml至约25ml、约10ml至约30ml、约10ml至约35ml、约10ml至约40ml、约15ml至约20ml、约15ml至约25ml、约15ml至约30ml、约15ml至约35ml、约15ml至约40ml、约20ml至约25ml、约20ml至约30ml、约20ml至约35ml、约20ml至约40ml、约25ml至约30ml、约25ml至约35ml、约25ml至约40ml、约30ml至约35ml、约30ml至约40ml或约35ml至约40ml。
在一些实施方案中，氧化剂包括过硫酸铵和氧气、臭氧、过氧化氢、氟、氯、卤素、硝酸、硫酸、过氧二硫酸、过氧单硫酸、亚氯酸盐、高氯酸盐、次氯酸盐、家用漂白剂、铬酸、重铬酸、三氧化铬、氯铬酸吡啶鎓盐、高锰酸盐、过硼酸钠、氧化亚氮、硝酸钾、铋酸钠或其任何组合。在一些实施方案中，一次性添加氧化剂。
在一些实施方案中，氧化剂的浓度为约0.1M至约0.5M。在一些实施方案中，氧化剂的浓度为至少约0.1M。在一些实施方案中，氧化剂的浓度为至多约0.5M。在一些实施方案中，氧化剂的浓度为约0.1M至约0.2M、约0.1M至约0.3M、约0.1M至约0.4M、约0.1M至约0.5M、约0.2M至约0.3M、约0.2M至约0.4M、约0.2M至约0.5M、约0.3M至约0.4M、约0.3M至约0.5M或约0.4M至约0.5M。
在一些实施方案中，氧化剂的质量为约1mg至约10mg。在一些实施方案中，氧化剂的质量为至少约1mg。在一些实施方案中，氧化剂的质量为至多约10mg。在一些实施方案中，氧化剂的质量为约1mg至约2mg、约1mg至约3mg、约1mg至约4mg、约1mg至约5mg、约1mg至约6mg、约1mg至约7mg、约1mg至约8mg、约1mg至约9mg、约1mg至约10mg、约2mg至约3mg、约2mg至约4mg、约2mg至约5mg、约2mg至约6mg、约2mg至约7mg、约2mg至约8mg、约2mg至约9mg、约2mg至约10mg、约3mg至约4mg、约3mg至约5mg、约3mg至约6mg、约3mg至约7mg、约3mg至约8mg、约3mg至约9mg、约3mg至约10mg、约4mg至约5mg、约4mg至约6mg、约4mg至约7mg、约4mg至约8mg、约4mg至约9mg、约4mg至约10mg、约5mg至约6mg、约5mg至约7mg、约5mg至约8mg、约5mg至约9mg、约5mg至约10mg、约6mg至约7mg、约6mg至约8mg、约6mg至约9mg、约6mg至约10mg、约7mg至约8mg、约7mg至约9mg、约7mg至约10mg、约8mg至约9mg、约8mg至约10mg或约9mg至约10mg。
在一些实施方案中，在室温下搅拌所述聚合溶液。
在一些实施方案中，搅拌所述聚合溶液约10分钟至约40分钟。在一些实施方案中，搅拌所述聚合溶液至少约10分钟。在一些实施方案中，搅拌所述聚合溶液至多约40分钟。在一些实施方案中，搅拌所述聚合溶液约10分钟至约15分钟、约10分钟至约20分钟、约10分钟至约25分钟、约10分钟至约30分钟、约10分钟至约35分钟、约10分钟至约40分钟、约15分钟至约20分钟、约15分钟至约25分钟、约15分钟至约30分钟、约15分钟至约35分钟、约15分钟至约40分钟、约20分钟至约25分钟、约20分钟至约30分钟、约20分钟至约35分钟、约20分钟至约40分钟、约25分钟至约30分钟、约25分钟至约35分钟、约25分钟至约40分钟、约30分钟至约35分钟、约30分钟至约40分钟或约35分钟至约40分钟。
在一些实施方案中，在添加氧化剂之前搅拌所述聚合溶液。在一些实施方案中，用磁力搅拌器搅拌所述聚合溶液。
在一些实施方案中，在官能化碳基底上合成纳米管的步骤包括搅拌所述聚合流体，将所述官能化碳基底浸入所述聚合流体中，将所述官能化碳基底储存在所述聚合流体中，将所述官能化碳基底从所述聚合流体中取出，用水洗涤所述官能化碳基底，并且干燥所述官能化碳基底。在一些实施方案中，用水洗涤所述官能化碳基底去除过量聚合流体。在一些实施方案中，所述官能化碳基底是聚苯胺官能化碳基底。
在一些实施方案中，用力搅拌所述聚合流体。在一些实施方案中，不用力搅拌所述聚合流体。在一些实施方案中，储存官能化碳基底和聚合流体，不搅动。在一些实施方案中，搅动储存官能化碳基底和聚合流体。
在一些实施方案中，搅拌所述聚合流体约15秒至约60秒。在一些实施方案中，搅拌所述聚合流体至少约15秒。在一些实施方案中，搅拌所述聚合流体至多约60秒。在一些实施方案中，搅拌所述聚合流体约15秒至约20秒、约15秒至约25秒、约15秒至约30秒、约15秒至约35秒、约15秒至约40秒、约15秒至约45秒、约15秒至约50秒、约15秒至约55秒、约15秒至约60秒、约20秒至约25秒、约20秒至约30秒、约20秒至约35秒、约20秒至约40秒、约20秒至约45秒、约20秒至约50秒、约20秒至约55秒、约20秒至约60秒、约25秒至约30秒、约25秒至约35秒、约25秒至约40秒、约25秒至约45秒、约25秒至约50秒、约25秒至约55秒、约25秒至约60秒、约30秒至约35秒、约30秒至约40秒、约30秒至约45秒、约30秒至约50秒、约30秒至约55秒、约30秒至约60秒、约35秒至约40秒、约35秒至约45秒、约35秒至约50秒、约35秒至约55秒、约35秒至约60秒、约40秒至约45秒、约40秒至约50秒、约40秒至约55秒、约40秒至约60秒、约45秒至约50秒、约45秒至约55秒、约45秒至约60秒、约50秒至约55秒、约50秒至约60秒或约55秒至约60秒。
在一些实施方案中，将官能化碳基底储存在聚合流体中，温度为约10℃至约50℃。在一些实施方案中，将官能化碳基底储存在聚合流体中，温度为至少约10℃。在一些实施方案中，将官能化碳基底储存在聚合流体中，温度为至多约50℃。在一些实施方案中，将官能化碳基底储存在聚合流体中，温度为约10℃至约15℃、约10℃至约20℃、约10℃至约25℃、约10℃至约30℃、约10℃至约35℃、约10℃至约40℃、约10℃至约45℃、约10℃至约50℃、约15℃至约20℃、约15℃至约25℃、约15℃至约30℃、约15℃至约35℃、约15℃至约40℃、约15℃至约45℃、约15℃至约50℃、约20℃至约25℃、约20℃至约30℃、约20℃至约35℃、约20℃至约40℃、约20℃至约45℃、约20℃至约50℃、约25℃至约30℃、约25℃至约35℃、约25℃至约40℃、约25℃至约45℃、约25℃至约50℃、约30℃至约35℃、约30℃至约40℃、约30℃至约45℃、约30℃至约50℃、约35℃至约40℃、约35℃至约45℃、约35℃至约50℃、约40℃至约45℃、约40℃至约50℃或约45℃至约50℃。
在一些实施方案中，将所述官能化碳基底储存在聚合流体中约8小时至约70小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底储存在聚合流体中至少约8小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底储存在聚合流体中至多约70小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底储存在聚合流体中约8小时至约10小时、约8小时至约20小时、约8小时至约30小时、约8小时至约40小时、约8小时至约50小时、约8小时至约60小时、约8小时至约70小时、约10小时至约20小时、约10小时至约30小时、约10小时至约40小时、约10小时至约50小时、约10小时至约60小时、约10小时至约70小时、约20小时至约30小时、约20小时至约40小时、约20小时至约50小时、约20小时至约60小时、约20小时至约70小时、约30小时至约40小时、约30小时至约50小时、约30小时至约60小时、约30小时至约70小时、约40小时至约50小时、约40小时至约60小时、约40小时至约70小时、约50小时至约60小时、约50小时至约70小时或约60小时至约70小时。
在一些实施方案中，将所述官能化碳基底在一定温度下干燥约30小时至约120小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底在一定温度下干燥至少约30小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底在一定温度下干燥至多约120小时。在一些实施方案中，将所述官能化碳基底在一定温度下干燥约30小时至约40小时、约30小时至约50小时、约30小时至约60小时、约30小时至约70小时、约30小时至约80小时、约30小时至约90小时、约30小时至约100小时、约30小时至约110小时、约30小时至约120小时、约40小时至约50小时、约40小时至约60小时、约40小时至约70小时、约40小时至约80小时、约40小时至约90小时、约40小时至约100小时、约40小时至约110小时、约40小时至约120小时、约50小时至约60小时、约50小时至约70小时、约50小时至约80小时、约50小时至约90小时、约50小时至约100小时、约50小时至约110小时、约50小时至约120小时、约60小时至约70小时、约60小时至约80小时、约60小时至约90小时、约60小时至约100小时、约60小时至约110小时、约60小时至约120小时、约70小时至约80小时、约70小时至约90小时、约70小时至约100小时、约70小时至约110小时、约70小时至约120小时、约80小时至约90小时、约80小时至约100小时、约80小时至约110小时、约80小时至约120小时、约90小时至约100小时、约90小时至约110小时、约90小时至约120小时、约100小时至约110小时、约100小时至约120小时或约110小时至约120小时。
当结合以下描述和附图考虑时，将进一步认识和理解本文教导的方法和装置的其它目标和优点。虽然以下描述可以包含描述本文教导的方法和装置的特定实施方案的具体细节，但是这不应该被解释为对本文教导的方法和装置范围的限制，而应解释为优选实施方案的例证。对于本文教导的方法和装置的每个方面，如本文所建议的，本领域普通技术人员已知的许多变化是可能的。在不脱离本发明精神的情况下，可以在本文教导的方法和装置的范围内进行各种变化和修改。
附图说明
所附权利要求中特别阐述了本文教导的方法和装置的新颖特征。参考以下阐述说明性实施方案的详细描述以及附图或图片(也是本文的“图”)，将获得对本文所教导的本方法和装置的特征和优点的更好理解，实施方案中利用了本文所教导的方法和装置的原理，图中：
图1A依据一些实施方案，说明性地描绘了聚苯胺纳米纤维形态中的电子和离子转移途径。
图1B依据一些实施方案，说明性地描绘了聚苯胺(PANI)纳米球形态中的电子和离子转移途径。
图1C依据一些实施方案，说明性地描绘了聚苯胺纳米管形态中的电子和离子转移途径。
图2依据一些实施方案，说明性地描绘了示例性非对称装置。
图3依据一些实施方案，说明性地描绘了使碳布官能化的示例性过程。
图4依据一些实施方案，说明性地描绘了通过PANI和官能化碳布(FCC)之间的连接而改变的键的实例。
图5A依据一些实施方案，显示了在十二烷基硫酸钠(SDS)的存在下，在碳布(CC)上合成的PANI的示例性场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。
图5B依据一些实施方案，显示了在SDS的存在下，在CC上合成的PANI的示例性FESEM图像。
图6A依据一些实施方案，显示了CC的表面结构的示例性FESEM图像。
图6B依据一些实施方案，显示了高倍放大的16小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图6C依据一些实施方案，显示了低倍放大的16小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图6D依据一些实施方案，显示了20小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图6E依据一些实施方案，显示了低倍放大的24小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图6F依据一些实施方案，显示了高倍放大的24小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图6G依据一些实施方案，显示了28小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图6H依据一些实施方案，显示了32小时聚合的PANI-CC的示例性FESEM图像。
图7依据一些实施方案，显示了示例性CC和PANI-CC装置的示例性循环伏安(CV)图。
图8依据一些实施方案，显示了示例性对称PANI-CC装置的示例性恒电流充放电曲线。
图9依据一些实施方案，显示了具有不同聚合时间的示例性PANI-CC对称装置的示例性CV曲线。
图10依据一些实施方案，显示了具有不同聚合时间的示例性PANI-CC对称装置的示例性恒电流充放电曲线。
图11依据一些实施方案，显示了示例性碳布和官能化碳布的示例性x射线粉末衍射(XRD)图。
图12依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC和PANI-CC电极的示例性傅里叶变换红外(FTIR)光谱测量。
图13A依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC对称超级电容器在100mV/s的扫描速率下的示例性CV曲线。
图13B依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC对称超级电容器在1A/g的电流密度下的示例性充放电(CD)曲线。
图13C依据一些实施方案，显示了CC、FCC、PANI-CC和PANI-FCC的示例性奈奎斯特图(Nyquist plot)。
图13D依据一些实施方案，显示了CC、FCC、PANI-CC和PANI-FCC的示例性波特图(Bode plot)。
图13E依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC对称超级电容器在20mV/s至1000mV/s的扫描速率下的示例性CV曲线。
图13F依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC对称超级电容器在范围为1至50A/g的不同电流密度下的示例性CD曲线。
图13G依据一些实施方案，显示了根据示例性PANI-FCC和PANI-CC装置的电流密度计算的示例性电容。
图13H依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC装置在5000个循环内在1至20A/g-1的电流密度下的示例性循环特性(cyclability)。
图14依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC装置在不同电流下的示例性CD曲线。
图15A显示了示例性碳布的示例性CD曲线。
图15B显示了不同退火时间的PANI-FCC电极的示例性奈奎斯特图。
图16A显示了示例性PANI-FCC装置的电阻与弯曲角度之间的示例性关系。
图16B依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC装置的电阻与弯曲循环次数之间的示例性关系。
图16C依据一些实施方案，显示了示例性弯曲、扁平和重开PANI-FCC装置的示例性CV曲线。
图17A依据一些实施方案，显示了示例性三电极PANI-FCC和AC-FCC装置在20mV/s下的示例性CV曲线。
图17B依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC非对称装置在50mV/s下的示例性CV曲线。
图17C依据一些实施方案，显示了示例性非对称SC在不同电流密度下的示例性CD曲线。
图17D依据一些实施方案，显示了示例性对称和非对称装置在不同电流密度下的示例性Ragone图。
图18A依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC非对称装置在不同电位窗口的示例性CV曲线。
图18B依据一些实施方案，显示了在H2SO4和NQ凝胶电解质中，示例性PANI-FCC非对称装置在50mV/s下的示例性CV曲线。
图18C依据一些实施方案，显示了示例性PANI//AC装置的示例性奈奎斯特图。
图18D依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC非对称装置在2至50A/g的不同电流密度下的示例性放电曲线。
图18E依据一些实施方案，显示了根据示例性PANI//AC装置从5至50A/g的电流密度计算的电容。
图18F依据一些实施方案，显示了示例性对称和非对称装置的示例性Ragone图。
图19A依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC和AC-FCC电极的示例性CV曲线。
图19B依据一些实施方案，显示了示例性PANI-FCC和AC-FCC电极在NQ的存在下，在10A/g的电流密度下的示例性CD曲线。
图19C依据一些实施方案，显示了示例性AC-FCC//PANI-FCC装置在NQ的存在下，在不同电流密度下的示例性CD曲线。
图20A依据一些实施方案，显示了示例性非对称AC-FCC//PANI-FCC装置在NQ凝胶电解质中的示例性CV曲线。
图20B依据一些实施方案，显示了示例性非对称AC-FCC//PANI-FCC装置在有和无NQ时的示例性充放电曲线。
图20C依据一些实施方案，显示了在NQ的存在下，示例性AC-FCC//PANI-FCC装置的电流密度与比电容之间的示例性关系。
图20D依据一些实施方案，显示了示例性非对称AC-FCC//PANI-FCC装置在约47A/g的电流密度下的示例性充放电曲线。
图21依据一些实施方案，显示了示例性对称和非对称装置的功率密度与能量密度之间的示例性关系。
图22依据一些实施方案，显示了示例性电化学电池的组件的重量比和体积比能量密度。
图23A依据一些实施方案，说明性地显示了由两个串联的示例性非对称装置供电的示例性红色LED。
图23B依据一些实施方案，说明性地显示了由两个串联的示例性非对称装置供电的示例性时钟。
具体实施方式
诸如太阳能电池阵列、柔性显示器和可穿戴电子设备等柔性电子产品市场正在迅速发展，并因其便携性、坚固性、可弯曲性和可卷曲性而对未来电子产品的设计做出贡献。最近在大面积生产柔性电子装置方面的快速进步，以传统半导体成本的一小部分，已经导致各种储能装置和储电装置的开发，包括不同尺寸、形状和机械性质的各种柔性半导体。
因此，对与下一代印刷和柔性电子产品兼容的柔性固态储能装置的需求不断增长。为此，必须重新设计柔性组件之间的有源层和界面，以替换传统超级电容器(SC)的刚性组件。因此，提高SC的能量密度是必要的，并且将有助于储能装置的技术进步。
减小尺寸，增加柔性并实现高能量密度，与超级电容器的固有高功率密度和循环特性相结合，构成了向更加可持续和高效的储能系统迈出的重要一步。
因此，当前对于能够在几秒钟内再充电，长时间提供电力，可以反复弯曲而无容量损失，并且与其它相应电子产品组件一样小型化的电池装置的需求未满足。
本文提供了超级电容器装置及其制造方法。所述超级电容器装置可以是电化学装置。所述超级电容器装置可以配置为高能量密度和高功率密度。所述超级电容器装置可以包括由在官能化碳布(FCC)基底上化学合成的并且固定在集电器上的矩形管PANI组成的电极。所述超级电容器装置可以布置为含有固定在集电器上的电极的对称、非对称或3D电容器装置。本公开的超级电容器可包括互连装置。
本公开另外提供了使聚苯胺纳米管在碳布上生长的系统和方法。加工可包括官能化碳布的制造(或合成)和/或聚苯胺纳米管和纳米结构的制造(或合成)。一些实施方案提供了用于制造(或合成)官能化碳布和/或用于制造(或合成)聚苯胺纳米管和纳米结构和/或用于制造(或合成)电解质和/或用于制造(或合成)超级电容器的方法、装置和系统。本文描述的本公开的各个方面可以应用于下面阐述的任何特定应用或者任何其它类型的制造、合成或加工环境中。其它制造、合成或材料加工可同样受益于本文所述的特征。例如，本文的方法、装置和系统可有利地应用于制造(或合成)各种形式的官能化碳。本文教导的方法和装置可以作为独立的方法、装置或系统应用，或作为集成制造系统或材料(例如，化学品)加工系统的一部分应用。应当理解，可以单独地、共同地或彼此组合地理解本文所教导的方法和装置的不同方面。
本公开进一步提供了由化学合成的矩形管聚苯胺(PANI)制成的示例性储能装置。所述矩形管PANI，作为活性材料，在作为基底的官能化碳布(FCC)上合成，并且所得复合材料固定在作为集电器的不锈钢网上。本公开另外呈现了一种在化学活化的CC上直接合成带矩形孔的PANI纳米管的技术。
本文所述的超级电容器可以在一个或多个应用或领域中起重要作用，例如但不限于便携式电子产品(例如，手机、计算机、相机等)、医疗设备(例如，维持生命的和改善生活的医疗设备，包括起搏器、除颤器、助听器、疼痛管理设备、药泵)、电动车辆(例如，需要长寿命的电池来改善电动车辆行业)、航天(例如，在太空中使用电池为航天系统供电，包括流动站、着陆器、航天服和电子设备)、军用电池(例如，军方使用特殊电池为大量电子产品和设备供电；本文所述的电池的质量/体积减小是非常优选的)、电动飞机(例如，靠电机而不是内燃机运行的飞机，电力来自太阳能电池或电池)、网格规模储能器(例如，电池用于在来自于电厂的生产量超过消耗量时存储电能并且在消耗量超过生产量时使用存储的能量)、可再生能源(例如，因为太阳在夜间不发光并且不会一直刮风，所以离网电力系统中的电池能够存储来自可再生能源的多余电力，以便在日落之后和不刮风的几个小时使用；高功率电池可以从太阳能电池获得能量，其效率高于当前最先进的电池)、电动工具(例如，本文所述的电池可以启动快速充电无线电动工具，例如钻头、螺丝刀、锯、扳手和研磨机；当前电池的再充电时间很长)或其任何组合。
超级电容器
超级电容器是电容比普通电容器高得多的高功率储能装置。超级电容器(SC)最近作为高功率密度储能资源引起了相当大的关注，并且已经成为便携式电子装置、再生制动系统、电压稳定装置、混合动力公交车、医疗设备和混合动力电动车辆中越来越多采用的储能资源。
在一些实施方案中，超级电容器或电化学电容器由两个或多个被离子渗透膜(隔板)隔开的电极和离子键连接电极的电解质组成，而电解质中的离子在电极被外加电压极化时形成与电极极性相反极性的双电层。
在一些实施方案中，电化学电池中的电极包括基底和活性材料，鉴于电子离开电池内的活性材料并发生氧化，将所述活性材料称为阳极，或鉴于电子进入电池内的活性材料并发生还原，将所述活性材料称为阴极。根据通过电池的电流方向，每个电极均可变成阳极或阴极。在一些实施方案中，超级电容器可以是对称或不对称的，其中所述电极分别相同或不同。在一些实施方案中，超级电容器配置有两个或更多个电极。
超级电容器通过三个主要机制储能：(i)电双层电容(EDLC)，(ii)法拉第电容(Faradaic capacitance)，及(iii)直接来自氧化还原活性电解质的电容。通过前两种机制，只有固相电极材料有助于电荷存储，而其它电池组件，包括电极和电解质是电化学惰性的。向电解质中添加氧化还原活性物质通过电极/电解质界面处的电化学反应增加了电池电容。
在一些实施方案中，本文的装置(例如，超级电容器和/或微型超级电容器)可以配置成不同结构。在一些实施方案中，所述装置可以配置成堆叠结构(例如，包括堆叠电极)、平面结构(例如，包括叉指电极)、螺旋缠绕结构或其任何组合。在一些实施方案中，所述装置可以配置成夹层结构或叉指结构。
电极
超级电容器电极中常用的材料包括过渡金属氧化物、导电聚合物和高表面碳。然而，不幸的是，基于这些材料的传统超级电容器可展现出低能量密度，并且受电极活性材料的质量负荷限制。
在一些实施方案中，采用法拉第材料(Faradaic material)作为电极，是因为它们在表面上和本体内存储电荷，与仅通过离子吸附在电极表面存储电荷的EDLC材料完全不同。
在一些实施方案中，高表面积电极是含碳的并且包括碳布、碳纤维、无定形碳、玻璃碳、碳纳米泡沫、碳气凝胶或活性碳(AC)。
在一些实施方案中，AC是指已经过处理以增大其表面积的碳。在一些实施方案中，AC的晶体密度为约0.5g/cm3。
导电聚合物聚苯胺由于其成本低、易于合成、电导率可控、比电容大和环境稳定性而充当理想的电荷存储材料。
在绝大多数超级电容组件材料中，聚苯胺(PANI)及其不同形态已被用作活性材料，这是由于其固有的高氧化-还原(氧化还原)活性-比电容、柔性和在多种氧化还原状态之间转化的能力，充电和放电过程中伴有反离子的快速掺杂和去掺杂。
在一些实施方案中，聚苯胺(PANI)是半柔性棒状导电聚合物的一个实例，其易于合成，在环境中稳定，便宜且展现出高的电导率和比赝电容。另外，PANI可以在多种氧化还原状态之间容易地转化，充电和放电过程中伴有反离子的快速掺杂和去掺杂，因此，PANI中的电子转移通过共轭双键实现，电流通过相干包。最后，在一些实施方案中，PANI展现出固有的高氧化-还原(氧化还原)活性-比电容和柔性。因此，开发基于PANI的混合电极一直是一个有吸引力的主题，以期改善其循环稳定性。
尽管是一种优良储能材料，但是在一些实施方案中，本体PANI遭受差的机械性能和中等循环稳定性，而与反离子的掺杂和去掺杂相关的大的体积变化在循环中破坏了聚合物主链，从而使容量减小并限制PANI赝电容器的潜在商业应用。由于PANI中的电子转移通过共轭双键进行，然而，使电流通过相干包可能比两个独立部件之间的电子转移更容易。
在一些实施方案中，在纳米级改变PANI的结构和几何形状，通过允许小表面特征自由空间弯曲来松弛其内部应变。在一些实施方案中，PANI是官能化的，其中通过改变其表面化学性质和形态来增加材料的新功能、特征、能力或性质。
在一些实施方案中，法拉第电极材料的形态对电化学性能有显著影响。一些电极结构利于活性材料中的电子转移，因此增加了其各自装置的导电性和容量。电极材料的纳米结构化代表了通过增加电极和电解质之间的界面面积以及通过使活性材料内的离子扩散途径最小化来改变超级电容器电极的形态并显著改善其性能的有效策略。在一些实施方案中，电极纳米结构化另外使活性材料内的离子扩散途径最小化。
在一些实施方案中，PANI的晶体密度为约1.3g/cm3。
在一些实施方案中，通过添加经由赝电容效应增加电荷存储容量的表面官能团，增强电极的化学和电化学性质。在一些实施方案中，官能化通过改变材料的表面化学性质和形态来改变材料的特征、容量或性质。官能化合成几种形式的表面纳米结构例如纳米球、纳米盘、纳米线、纳米纤维、纳米管、纳米板和纳米花。其中，小直径的纳米管结构允许更好地适应体积变化，并且从基底指引一维电子通路，以允许有效的电子转运，并因此提供增加的电导率和容量。此外，组合的暴露于电解质的纳米管外表面和内表面区域实现高电荷存储容量，并通过增加可用于表面弯曲的自由空间来提供应变消除。这种方法解决了锂离子电池中硅阳极的稳定性问题，锂离子电池在循环期间展现出大的体积变化。
在设计超级电容器电极时，可以做出特别努力以提供高能量密度和高功率密度，包括优化制备条件以促进电极内的离子和电子转运，如图1A-C所示。因此，高性能混合超级电容器的设计需要高能量-高功率混合超级电容器电极。
图1A-C分别用示意图说明了具有纳米纤维101、纳米球102和纳米管形态103的高能量-高功率混合超级电容器电极设计，而图1C中用示意图显示的具有PANI纳米管形态的电极能够更加促进离子电流102(IC)和电子电流(EC)，因此可能够形成具有高能量和高功率的超级电容器。
在一些实施方案中，具有纳米结构形态的电极展现出增强的性能，而根据图1A-C，这些电极的多孔结构增加了活性材料和电解质之间的暴露面积，因此与固体电极表面相比增加了放电面积。特别地，具有纳米管形态的电极允许增加的电荷存储容量，因为纳米管的外表面和内表面都暴露于电解质。
基底
在一些实施方案中，碳布(CC)用作电池基底。在一些实施方案中，碳布包含多根碳纤维的编织组件。在一些实施方案中，碳纤维和石墨纤维是主要由碳原子组成的纤维。另外，碳布的良好导电性和柔性使得装置具有低内阻(通过提供短的电子转运途径)和机械柔性。
在一些实施方案中，CC是优良的三维导电骨架，其支持高电解可及表面积，提供电子转移的直接路径，改善其复合材料的导电性，并减轻循环期间伴随体积变化的降解。进一步地，CC因为其机械柔性、多孔结构、高电导率、短电子转运路径、低内阻、高面积负荷以及易于包装的能力而充当柔性储能系统的理想基底。
在一些实施方案中，通过混杂化，通过在电极表面合成导电聚合物纳米结构而增强碳布的化学活化。在一些实施方案中，改变碳布的化学和电化学性质以增强其复合混杂物的性质，而CC的化学活化，通过向表面添加官能团，通过赝电容效应增大电荷存储容量。另外，官能化碳布表面的官能团允许与PANI更坚固的连接，从而利于电子从聚合物传递到基底。在一些实施方案中，CC的化学活化通过将其天然疏水表面转化为能够增加与通常含水的聚合或单体料液的相互作用的亲水表面而有助于原位聚合。在一些实施方案中，导电聚合物的原位聚合确保与CC的直接电接触，从而消除了对粘合剂和导电添加剂的需要并消除其额外重量。
CC 602的表面结构的示例性图像，根据图6A，显示了包含纤维结构的形态。CC的最优3D结构使得PANI的高面积负荷成为可能，这是商业上可行的电极的重要参数。
在一些实施方案中，碳布的晶体密度为约1.6g/cm3。
电解质
本文所述的储能装置可包含电解质。本文的电解质可包括，例如但不限于含水电解质、有机电解质和基于离子液体的电解质，其可以呈液体、固体或凝胶形式。在一些实施方案中，电解质是由导电溶质溶于极性溶剂中形成的阳离子和阴离子的均一分散体。
虽然电解质的电荷为中性，但是向溶液施加电位(电压)会将溶液的阳离子吸到具有大量电子的电极，而将阴离子吸到缺电子的电极。因此，阴离子和阳离子在溶液内沿相反方向运动形成能流。本文所述的电解质可包括例如含水电解质、有机电解质和/或基于离子液体的电解质。电解质可为液体、固体或凝胶。离子液体可以与另一种固体组分，例如聚合物或二氧化硅(例如煅制二氧化硅)混合，以形成凝胶状电解质(本文也称为“离子凝胶”)。含水电解质可以与(例如)聚合物混杂以形成凝胶状电解质(本文也称为“水凝胶”和“水凝胶-聚合物”)。在一些情况下，水凝胶电解质在装置制造期间固化，使电池组件粘合在一起以改善电极的机械和电气性质。有机电解质可以与(例如)聚合物混杂以形成凝胶状电解质。在一些实施方案中，电解质还可包括锂盐(例如，LiPF6、LiBF4或LiClO4)。例如，电解质可包括于有机溶液(例如，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯(DEC)中的锂盐(例如，LiPF6、LiBF4或LiClO4)。电解质可包含一种或多种附加组分(例如，一种或多种添加剂)以形成电解质组合物。在一个实例中，软包装聚合物LIB电解质包含EC、碳酸乙甲酯(EMC)、DEC、LiPF6和其它添加剂中的一种或多种。在另一个实例中，高容量LIB电解质可包含EC、DEC、碳酸亚丙酯(PC)、LiPF6和其它添加剂中的一种或多种。
醌电解质添加剂因其每个醌单元储存2e-/2H+的能力而用于增大双层超级电容器的容量。充放电操作期间，醌添加剂在电极处经历氧化还原过程。在一些实施方案中，醌电解质是特别优良的氧化还原活性电解质，因为它们在充放电期间的电化学可逆性优良，尺寸小，迁移率高，以及与当前的酸掺杂聚合物家族相容的酸性pH。
超级电容器装置设计
在一些实施方案中，通过选择电极材料与电解质组合以实现装置组件之间的协同相互作用来设计具有超高能量密度的储能装置。目前的三电极装置中的法拉第储能材料需要含水电解质才能工作，由于水在1.23V下分解，其工作限制在约1.0V。虽然对称装置展现出为1.0V的最大理论电压窗口，但非对称装置通过将其工作电压扩大超过水的热力学分解电压来达到含水电解质的电压窗口。
在一些实施方案中，包含能够在多种氧化还原状态之间转化，作为电化学活性材料的PANI和1,4-萘醌(NQ)氧化还原对电解质的超级电容器装置，形成可调双氧化还原梭，而NQ通过在电极表面上的直接氧化还原反应而提供赝电容，催化氧化形式的PANI再生，并且作为聚苯胺的可逆性氧化/还原的氧化还原梭，以大大增强装置的整体性能。
官能化碳布上支持的聚苯胺矩形管的3D性质提供了有效的电子和离子转运途径并且为添加NQ提供了足够空间，从而形成第二氧化还原体系，并因此在电解质中形成增强电极表面上的电子转运过程的可调氧化还原梭。进一步地，添加NQ不但增大了聚苯胺电极的电容，而且提高了EDLC超级电容器材料，例如活性碳的电容。
因此，使用NQ通过电催化机制作为氧化还原添加剂，能够实现多个电荷转移过程，在电极表面上经直接氧化还原反应提供法拉第电容，用作长期利用电极活性材料的再生途径的基础，并且使超级电容器装置具有高得多的能量密度。在一些实施方案中，NQ的晶体密度为约1.4g/cm3。
图2示出了示例性超级电容器200的组成，而正极201和负极202被离子和分子渗透膜203隔开，离子和分子渗透膜浸入包含硫酸(H2SO4)和乙酸(AcOH)的NQ电解质中。
在一些实施方案中，NQ包含在具有30％乙酸(AcOH)的1M H2SO4中的聚乙烯醇(PVA)凝胶电解质。在一些实施方案中，聚乙烯醇(PVA)凝胶电解质是通过将1g的PVA溶于10mL去离子水和AcOH中，用力搅拌30分钟，添加0.56mL的H2SO4原液并添加1.53mg的NQ而形成的。
NQ促进的能够在多个氧化还原反应中重复利用的聚苯胺(PANI)的再生，在超级电容器装置中起重要作用。图4显示了将官能化碳布转化为PANI官能化碳布的化学过程，其中根据图2和下面的方程式，PANI氧化在电极表面上经电化学还原为PANI还原，并且电解质中的NQ通过EC′再生机制，将还原形式的PANI氧化回来，然后可以在表面上再次进行电子转移反应。
Figure BDA0001851300370000481
Figure BDA0001851300370000482
Figure BDA0001851300370000483
因此，由于适当形式(取决于充电和放电过程)的聚苯胺作为电活性原材料的多次重复利用，所述装置的法拉第电容大大增加。除了其电催化再生机制外，NQ还可以在基底表面上发生氧化还原反应。NQ作为可调氧化还原梭和氧化还原添加剂的组合效应提高了超级电容器的性能，因为能量使用赝电容机制存储在聚苯胺表面上并且通过氧化还原反应存储在电极-电解质界面中。由于电催化反应，其提供电极活性材料的原位再生,所以存在几个优点。首先，因为Q＝mnF，所以活性原材料再生增大了m的值，从而在电池中提供了附加电荷。另外，因为在不增加活性材料的初始质量的情况下，活性材料的催化再生获得更高电流，所以减少非活性组分的质量会增加比能量和电容。进一步地，因为不需要附加质量来增加电容，所以系统的等效串联电阻(ESR)仍然很低。而且，因为再生的活性材料牢牢固定在基底表面上，所以系统的ESR不会增加。同样，由于电流是活性材料的表面浓度(CAM)的函数，所以电极活性材料通过EC'机制的电催化再生显著增加了CAM。最后，电催化反应消除了将电活性材料从溶液本体扩散到电极表面的需要。
制造电极的方法
图3中示出了一种制造超级电容器装置300的示例性方法，其包括制造聚苯胺官能化电极并包装所述电极。
在示例性实施方案中，制造聚苯胺官能化电极305的方法包括使碳基底301官能化以形成官能化碳基底303，制备官能化碳基底303，配制聚合流体304，并且在官能化碳基底上合成聚苯胺纳米管306。
在示例性实施方案中，使碳基底301官能化以形成官能化碳基底303的步骤包括形成官能化溶液302，加热官能化溶液302，冷却官能化溶液302，将碳基底301片转移到官能化溶液302内，并冲洗官能化碳基底303片。
在一个示例性实施方案中，官能化溶液302包含硝酸(HNO3)和硫酸(H2SO4)，其中官能化溶液302中硝酸的体积百分比为约15％至约60％。在一个实例中，官能化溶液302包含约33％体积百分比的硝酸。
在一个示例性实施方案中，在合适温度下，例如在约30℃至约120℃下加热官能化溶液302。在一个实例中，在约60℃的温度下加热官能化溶液302。在一个示例性实施方案中，将碳基底301浸入官能化溶液302中合适的一段时间，例如约60分钟至约240分钟。在一个实例中，将碳基底301浸入官能化溶液302中约120分钟。
在示例性实施方案中，制备官能化碳基底303的步骤包括切割官能化碳基底303片，将官能化碳基底303片浸没在聚合流体304中，在聚合流体304中对官能化碳基底303片进行声处理，并且干燥官能化碳基底303片。
在一个示例性实施方案中，官能化碳基底303具有合适的几何表面积，例如约0.1cm2至约0.5cm2。在一个实例中，官能化碳基底303具有约0.25cm2的合适几何表面积。
在一些实施方案中，然后将聚苯胺官能化碳基底305在炉内，于空气气氛中在200℃下退火。在一个示例性实施方案中，聚苯胺官能化碳基底305退火一段合适的时间，约0.5小时至约14小时。在一个实例中，聚苯胺官能化碳基底305退火约4小时。
在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含丙酮和乙醇。在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含合适体积百分比的丙酮，例如约25％至约100％。在一个实例中，聚合流体304中丙酮的体积百分比为约50％。
在一个示例性实施方案中，对官能化碳基底303声处理一段合适的时间，例如约15分钟至约60分钟。在一个实例中，对官能化碳基底303声处理约30分钟。
在一个示例性实施方案中，在合适的温度下，例如在约20℃至约120℃下干燥官能化碳基底303。在一个实例中，在约60℃的温度下干燥官能化碳基底303。
在一个示例性实施方案中，将官能化碳基底303干燥约3小时至约12小时。在一个实例中，将官能化碳基底303干燥约6小时。
在示例性实施方案中，配制聚合流体304的步骤包括混合聚苯胺、酸、洗涤剂、水和氧化剂；并搅拌聚合溶液304。在一个示例性实施方案中，所述酸包含盐酸(HCl)，所述洗涤剂包含十二烷基硫酸钠(SDS)，并且所述氧化剂包含过硫酸铵(APS)。
在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约20mg至约90mg合适质量的聚苯胺。在一个实例中，聚合流体304中聚苯胺的质量为约45mg。
在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约0.1M至约0.5M合适浓度的盐酸(HCl)。在一个实例中，聚合流体304中HCl的浓度为约0.25M。在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约0.1ml至约0.6ml合适体积的HCl。在一个实例中，聚合流体304中HCl的体积为约0.3ml。
在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约1mg至约10mg合适质量的SDS。在一个实例中，聚合流体304中SDS的浓度为约5mg。
在一些实施方案中，水包括去离子水。在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约9ml至约40ml合适体积的水。在一个实例中，聚合流体304中水的体积为约18ml。
在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约0.1M至约0.5M合适浓度的APS。在一个实例中，聚合流体304中APS的浓度为约0.24M。在一个示例性实施方案中，聚合流体304包含约1ml至约4ml合适体积的APS。在一个实例中，聚合流体304中APS的浓度为约2ml。
在一个示例性实施方案中，搅拌聚合流体304约10分钟至约40分钟的合适时间量。在一个实例中，可以搅拌聚合流体304约20分钟。
在示例性实施方案中，在官能化碳基底303上合成聚苯胺纳米管306的步骤包括搅动聚合流体304，将官能化碳基底303浸入聚合流体304中，将官能化碳基底303储存在聚合流体304中，将聚苯胺官能化碳基底305从聚合流体304中取出，洗涤聚苯胺官能化碳基底305，并干燥聚苯胺官能化碳基底305。
在一个示例性实施方案中，搅动聚合流体304约15秒至约60秒的合适时间量。在一个实例中，可以搅动聚合流体304约30秒。
在一个示例性实施方案中，将官能化碳基底303储存在约10℃至约50℃的合适温度下的聚合流体304中。在一个实例中，将官能化碳基底303储存在温度为约25℃的聚合流体304中。
在一个示例性实施方案中，将官能化碳基底303储存在聚合流体304中持续约8小时至70小时的合适聚合时间。在一个实例中，将官能化碳基底303储存在聚合流体304中持续约24小时的聚合时间。
在一个示例性实施方案中，在约30℃至约120℃的合适温度下，干燥聚苯胺官能化碳基底305。在一个实例中，在约60℃的温度下干燥聚苯胺官能化碳基底305。
在一些实施方案中，直接使用聚苯胺官能化碳基底305作为SC电极，无需传统装置中常用的粘合剂和导电添加剂。
最后，在一个示例性实施方案中，将聚苯胺官能化碳基底305包装成对称超级电容器装置300，而浸泡在电解质中的隔板夹在两个聚苯胺官能化碳基底305的PANI面之间。
作为电极的PANI官能化布，连同不锈钢集电器和电解质一起形成对称(PANI-FCC//PANI-FCC或PANI-CC//PANI-CC)和非对称(PANI-FCC//AC)超级电容器装置。
表征和测量
可以使用场发射扫描电子显微镜(Philips和JEOL-JSM-6700)检查不同电极材料的结构和形态。可以使用x射线粉末衍射表征CC在强酸混合物中官能化之前和之后的结构变化(Philips X pert衍射仪，在40kV和40mA下产生Co Kα辐射[λ＝0.178纳米]，步长为0.02°s-1)。分光光度计(Tensor 27Bruker)可用于进行傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析。
使用循环伏安法(CV)、恒电流充放电(CD)曲线和电化学阻抗谱(EIS)实验测试示例性装置的电化学性能。生物恒电位仪(SP-300)可用于获取不同装置的循环伏安法和电化学阻抗谱数据。配备有Cell Test软件的电池测试仪(Solartron)可用于恒电流CD研究。
在一些实施方案中，本文所述的方法采用磁力搅拌器，其包括实验室装置，而发射的旋转磁场使浸入液体中的磁化搅棒快速旋转，以便快速、一致地混合。
本文使用的所有化学品均可如同购买时那样直接使用，无需进一步纯化。使用前用水蒸汽蒸馏苯胺。
SDS对表面形态和性能的影响
在一些实施方案中，阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)作为软模板在掺杂、聚合过程中对合成的PANI的形态，以及装置的电化学性质和电容起着重要作用。PANI结构中掺杂SDS产生带状结构，随后进行卷起，其中进一步聚合导致形成具有矩形管形态的PANI。在一些实施方案中，低浓度的HCl在低酸度介质中引发PANI聚合，这减缓了反应过程并且可以允许形成纳米结构。
在一个实例中，图5A显示在SDS存在下在CC上合成的PANI形态由矩形纳米管502及其表面的PANI纳米颗粒形成，其中图5B显示在SDS不存在时在CC上合成的PANI形态由不规则的大结节503组成。因此，在SDS存在下生成的PANI具有矩形形状，其表面上具有纳米结构。
在一个示例性实施方案中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502的长度为约1微米至200微米。在一个实例中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502的长度为约1微米。
在一个示例性实施方案中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502的外径为约100纳米至1,000纳米。在一个实例中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502的外部宽度为约350纳米。
在一个示例性实施方案中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502的内径为约50纳米至800纳米。在一个实例中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502的内部宽度为约250纳米。
在一个示例性实施方案中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502表面上的纳米结构为纳米棒。在一个示例性实施方案中，矩形纳米管502表面上的纳米棒的长度为约4微米至约50微米。在一个实例中，矩形纳米管502表面上的纳米棒的长度为约9微米。
在一个示例性实施方案中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502表面上的纳米棒的宽度为约20纳米至120纳米。在一个实例中，在SDS存在下在CC上合成的矩形纳米管502表面上的纳米棒的宽度为约50纳米。
规则空心纳米管形态增加了在SDS存在下合成的PANI结构中的电子转移。合成的PANI的矩形空心纳米管形态及其表面上的纳米颗粒形态增强了电极的电化学性能。根据图7中示例性CC和PANI-CC装置的循环伏安图，在0.4V和0.2V下的氧化还原峰分别表示PANI的还原和氧化。PANI-CC的CV曲线显示其赝电容特性并且确认了示例性装置中CC的电双层电容(EDLC)，并且证实由PANI引起的赝电容是占优势的。示例性CD曲线显示了CD步骤中的两个平稳段，与示例性CV曲线中PANI的氧化还原峰相对应。可以看出，含有在SDS存在下合成的PANI的示例性装置，分别根据图7和8中的示例性CV曲线下面积和放电时间，展现出更高的电容和倍率性能(rate capability)。因此，PANI-FCC展现出显著较高的充电/放电电流密度并且显示出分配给氧化还原添加剂的明显氧化还原峰。
聚合时间对表面形态和性能的影响
图6A-H中示出了经不同聚合时间(16、20、24、28和32小时)在CC上合成的PANI所展现出的表面形态的实例。16小时聚合的PANI-CC 601a，按照低倍放大的图6C，在CC表面上显示出空心矩形横截面PANI纳米管的形态，外径为约200-500纳米，内径为约100-400nm，而长度为几微米。另外，16小时聚合的PANI-CC 601a，按照高倍放大的图6B，在PANI纳米管表面上显示出分层结构中无序排列的纳米棒的形态，其长度和直径范围分别为约100-200纳米和约40-60纳米。
示例性20小时聚合的PANI-CC 601b的图像，如图6D所示，展现出较大纳米管的形态，其表面含有更大尺寸和量的纳米棒。
示例性24小时聚合的PANI-CC 601c的图像，如低倍和高倍放大的图6E和6F，分别展现出多孔纳米管的形态，其表面含有尺寸为8-10纳米的纳米结构均一阵列。
示例性28小时聚合的PANI-CC 601d和32小时聚合的PANI-CC601e的图像，根据图6G和6H，分别显示随着聚合时间增加，矩形管上的纳米结构可以在其生长时聚集。
图9和10显示了对称PANI-CC装置中16、20、24、28和32小时聚合的PANI-CC的示例CV和CD曲线，而包含两种24小时聚合的PANI-CC的示例性装置展现出约341F/g的最高电容和最大放电时间。
包含24小时聚合的PANI-CC的示例性装置的电容增大可能是由于下述事实，其粗糙表面具有直径介于8纳米和10纳米之间的多个较小纳米结构，展现出更大的表面积和减小的扩散长度。
官能化表征
图11中显示了CC和FCC的示例性XRD图，而原始CC的XRD图在20°至35°和50°至55°展现出两个主要特征衍射峰，这归因于六边形CC结构的(002)和(101)平面。可以看出，CC在20°至35℃的宽强度峰可能会大大减少，这是由于CC的有序晶体结构破坏，并且由于C═N和COO-基团之间的键强度增加，因为它们的双键在官能化过程中转化为单键。初始宽峰可能与FCC上羧酸官能团的-OH基团有关，并且CC和FCC之间的峰位移可以用醌型环和苯型环中C═C的伸缩振动，及正的PANI C-N带与负的羧酸的相互作用来解释。
根据图12，CC和PANI-FCC的傅里叶变换红外(FTIR)光谱的实例显示了PANI和FCC之间牢固而均一的连接，因此提供了等效串联电阻降低和电导增加的证据。如图所示，示例性CC活化后，宽峰出现在3,300cm-1至3,650cm-1范围之间，这可能表明存在通常来自于FCC上的羧酸、醇和胺官能团的可交换质子。PANI的特征峰可通过使CC官能化而改变，而分别对应于醌型环和苯型环中C═C的伸缩振动的1,576cm-1和1,503cm-1的键分别略微位移到1,580cm-1和1,507cm-1。另外，与C-N伸缩振动相关的1,301cm-1处的峰经历到1,261cm-1的较大位移，揭示了正的PANI C-N带与负的羧酸的强烈相互作用。最后，与示例性装置的C-N伸缩振动相关的1,240cm-1处的条带完全消失，这可能表明C═N和COO-基团之间形成了共价连接。因此，FT-IR光谱为PANI和FCC之间的良好连接，以及ESR降低，并从而为装置电导增加提供了有力证据，这在高速充放电时实现了良好的功率密度，并且提高了超级电容器装置的循环寿命。
计算
电容是主体存储电荷的能力。虽然任何物体都可以带电并且展现出电容，但是电容大的主体在给定电压下比低电容的物体保持更多的电荷。在一些实施方案中，按法拉/克(F/g)测量电容。
可以通过CD测量，使用以下方程式计算装置的比电容，其中Csp为比电容，I为放电电流密度(A)，Δt为放电持续时间(s)，m为质量负荷(g)，ΔV为电位范围(V)。
Figure BDA0001851300370000541
可以使用以下方程式计算具有非线性CD曲线的装置的比电容，其中Csp为比电容，I为放电电流密度(A)，Δt为放电持续时间(s)，V为电位范围(V)。
Figure BDA0001851300370000542
为了达到最高工作电位范围，根据电荷平衡理论(q+＝q-)确定负极与正极的质量比。可以根据以下方程式计算伏安电荷(Q)，其中C单为三电极设置中测量的每个电极的比电容(F/g)(由10mV s-1扫描速率下的循环伏安图计算)，ΔV为电位窗口(V)，m为电极质量(g)。
Q＝C单×ΔV×m
为了维持两个电极之间的电荷平衡，正极(m+)和负极(m-)之间的质量比需要遵循：
Figure BDA0001851300370000551
可以使用以下方程式由恒电流放电曲线推导出能量密度(ED)，其中Csp为比电容(F/g)，ΔV为电位范围(V)。
Figure BDA0001851300370000552
由以下方程式计算电极的功率密度，其中ED为按Wh/kg计的能量密度，Δt为放电时间。
Figure BDA0001851300370000553
面积比电容是主体每单位面积的电容。在一些实施方案中，面积比电容按法拉/立方厘米(F/cm2)进行测量。
电流密度是每横截面面积的电流，其定义为大小是空间中给定点处每横截面面积的电流的矢量。在一些实施方案中，以安培/克(A/g)测量电流密度。
能量密度是对每单位质量存储的能量的量的度量。在一些实施方案中，能量密度按瓦时/千克(Wh/kg)进行测量。
功率密度是对每单位质量存储的功率的量的度量。在一些实施方案中，功率密度按千瓦/千克(kW/kg)进行测量。
装置性能特征
图13A-H中示出了示例性PANI-FCC装置的电化学性能特征。正如根据图13A中的CV图表所见，原始CC展现出具有极低电容的小矩形曲线。FCC显示出矩形CV形状，EDLC电荷存储能力较高，这可能是由于使碳布官能化增加了其可湿性，并从而促进电荷吸附和解吸的事实。另外，根据图13C，示例性PANI-FCC装置展现出更呈矩形形状的CV，因此展现出比示例性PANI-CC装置的CV曲线更高的电容性能。这种性能改善很可能与示例性PANI-FCC在其双层机构上的电荷存储增加，FCC的可湿性及电荷吸附和解吸有关。另外，很明显，造成装置赝电容的PANI的氧化还原峰被FCC产生的电容部分所覆盖，并且造成装置赝电容的PANI的氧化还原峰被FCC的电双层电容大大减小。
正如图13B中所见，示例性PANI-FCC装置展现出比图13A中示出其CD曲线的PANI-CC更对称形状的CD曲线，并因此展现出更高的电容性能。另外，图13B显示示例性PANI-FCC装置放电步骤中的红外(IR)下降比示例性FCC和CC装置放电步骤中的红外(IR)下降小得多，这很可能是由于碳基底的可湿性增加并且PANI和FCC之间的连接更牢固。因为CC官能化可以形成一些带负电荷的羧酸基团，所以在将FCC浸入聚合流体中的同时，羧酸基团和苯胺离子之间可以发生静电相互作用。因此，PANI和FCC之间的连接比PANI和CC之间的连接更牢固，并且更多的PANI沉淀在FCC上。这种容量提高很可能是由于PANI之间的相互作用增强和在FCC基底上存在的官能团。
考虑到根据图13A的峰值电流密度和图13B中的示例性电容值，在1A/g电流密度下示例性PANI-FCC装置所展现的电容为约667F/g，而在相同条件下示例性PANI-CC装置的电容为约341F/g。因为酸处理CC在CC的表面上强加带负电的羧基官能度，所以将FCC浸入聚合流体内可以引起羧酸基团和带正电的苯胺离子之间的静电相互作用，这样可以产生更强的共轭产物。因此，示例性PANI-FCC装置的超级电容性能的改善可能是由于PANI与FCC基底上存在的官能团之间更好的相互作用(即PANI与FCC之间更快的电子交换)以及官能团本身的氧化还原活性的组合效应。
图13C和13D分别示出了在开路电位下工作的示例性CC、FCC、PANI-CC和PANI-FCC装置的奈奎斯特图和波特图。根据图13C，正如由x轴截距所评估的，示例性PANI-FCC装置显示出比示例性PANI-CC低的等效串联电阻，这确认了图13B中所示的低IR下降测量。根据图13D，示例性PANI-CC装置的波特图也显示出较大相位角，确认了在图13C的奈奎斯特图中观察到的较低装置电阻。
另外，图13E中显示的10mV/s至1,000mV/s的扫描速率测量显示示例性PANI-FCC装置在200mV/s的高扫描速率下保持相似CV曲线形状，表明通过图13F的CD图确认的良好倍率性能。可以填充氧化还原活性电解质的大孔体积允许通过吸附和氧化还原电容储存电荷。正如预期的，电解质物质以低扫描速率容易地插入和移出电极表面和整个示例性PANI-FCC装置的孔中，产生预期矩形响应曲线。随着扫描速率增加，电解质物质和电极表面之间的相互作用在理论上受动力学和质量传递参数的限制。
在这种情况下，大部分基底表面与电解质的动态相互作用很小，可能产生非矩形和倾斜的CV曲线。如图13F所示，不同电流密度(1-50A/g)下的类似CD实例图用作示例性装置的良好倍率性能的附加指示。
即使以高CD速率工作，示例性PANI-FCC装置也保持其电化学性能。图13G示出了与示例性PANI-CC装置相比，示例性PANI-FCC装置根据电流密度的比电容。在1至50A/g的不同电流密度下测试的示例性对称装置的倍率性能在50A/g的电流密度下显示出274F/g的优良比电容。示例性PANI-FCC装置的比电容(上部曲线)在20A/g和50A/g时分别多达1A/g时比电容的约56％和约41％。这些结果证明了示例性PANI-FCC装置在高电流密度下的良好倍率性能，这对于实际的高速SC应用很重要。
长期充电/放电循环的电容保持对于实际SC材料而言是必不可少的。根据图13H，在CD循环期间在一定范围的电流密度(1、2、5、10和20A/g)下经5,000次循环测量示例性PANI-FCC装置的电容，而在前200次循环期间，电流密度为1A/g的示例性装置的电容增大，而在1,000至5,000次循环期间示例性装置的电容减小。在1A/g电流密度下200次循环之后，示例性装置的比电容减小，并且在第1,000次循环结束时，示例性装置提供其667F/g的初始比电容的约91％。最后，示例性器件在5,000次循环后展现出约87％的电容保持率，表明可循环性非常好。图13H中的插图另外显示了在1A/g下示例性PANI-FCC电极的第1和第5,000次循环。
根据图14，示出了示例性PANI-FCC装置在不同电流下的CD曲线以计算面积比电容。示例性堆叠的面积比电容在7mA/cm2(相当于1A/g电流)下为约374mF/cm2。
官能化后，将示例性FCC在炉内于空气气氛中在200℃下退火1小时、4小时或7小时。示例性PANI-(未退火)FCC装置显示出比示例性PANI-(退火)FCC装置高得多的放电时间。如图15A所示，增加退火时间增加了示例性PANI-FCC装置的放电时间，而不影响其电容，最有可能是由于退火减小了CC上存在的官能团的数量，从而减小了赝电容的事实。另外，图15B描绘了增加退火时间减少了高频区域中的半圆，表明电荷转移电阻降低，这最有可能是由于随着FCC上的官能团在退火过程中减少，FCC导电性增加的事实。因此，使示例性FCC装置退火减小了功能性赝电容，增加了导电性，并降低了示例性装置的电阻。退火时间似乎不影响示例性装置的电容。
示例性装置在恒定机械应力下的性能显示出其充当柔性储能装置的能力。图16A显示在从0°扁平状态到180°弯曲状态的机械应力下示例性PANI-FCC装置的电阻减小。另外，图16B显示按照该实例，当其经过1,000次循环从其扁平状态弯曲到其折叠状态时，装置的电阻保持在约4％以内。所制备的示例性装置展现出高柔性并且可以弯曲180°而不丧失性能。另外，根据图16C，示例性PANI-FCC装置在其折叠状态下保持其矩形CV曲线和电容。该示例性装置的这种优良性能耐久性可归因于电极的高机械柔性及FCC与PANI之间的牢固连接，并且证明此类装置适于灵活运用。
图17A-D显示了包含PANI-FCC正极、活性碳负极和1M H2SO4电解质的示例性不对称装置的电化学性能。根据图17A中所示的示例性测量，AC电极具有1.2V(-0.6至0.6V)的预定义电压电位窗口，其受H2演化的水氧化还原范围限制。图17B和17C示出了上述示例性装置分别在50mV/s和1A/g下的CV和CD，而不对称装置的电位窗口扩展到1.3V的含水电解质氧化壁，超出AC电极的容量。
功率密度和能量密度是用于评估超级电容器装置性能的两个主要参数。图17D描绘了Ragone图，其比较了在1A/g至50A/g的电流密度范围内，示例性PANI-FCC对称和非对称装置的能量密度和功率密度。根据图17D，示例性对称装置的最大能量密度为约59Wh/Kg，随着功率密度从约0.4kW/kg增加至约20kW/kg，能量密度降至约24Wh/kg。示例性不对称装置的能量和功率密度分别增加至约91Wh/kg和33W/kg。
图23A和23B显示了示例性装置应用，而串联连接的两个不对称PANI-FCC//AC装置分别成功地为5mm直径的红色LED 2101指示器供电约47分钟，为时钟2102供电1小时17分钟。
NQ是能够提供附加氧化还原反应的有效氧化还原活性电解质。在一个实施方案中，图18A-F中示出了具有1M H2SO4+10毫摩尔NQ混合凝胶电解质的示例性PANI//AC非对称超级电容器装置的电化学性能，而添加NQ使测得的电位窗口扩展。图18A中示出了具有NQ电解质的示例性非对称PANI//AC装置在不同电压窗口和在100mV/s下的CV曲线，而看到电位窗口扩展到1.7V。在图18A的插图中看到示例性装置的电位窗口与电容之间的关系，而1.4V的电位窗口允许最高电容。图18B显示与H2SO4电解质相比，在示例性装置中施加H2SO4+NQ混合电解质增大了循环伏安法的积分面积。根据图18C，混合和均一电解质中PANI//AC装置的奈奎斯特图还证明，由于电解质的高电导率，混合电解质中的示例性PANI//AC装置展现出比在均一电解质(3.1Ω)中低的等效串联电阻(2.5Ω)。因为根据插图与H2SO4电解质中的PANI//AC装置相比，混合电解质中的示例性PANI//AC装置另外在高频区域中展现出较小半圆，所以混合电极装置展现出更高的电容。另外，根据图18C中的测量，H2SO4+NQ电解质中示例性PANI//AC装置的等效串联电阻低于无NQ的示例性PANI//AC装置的计算等效串联电阻，NQ较低的电荷转移电阻可以通过增加电子转移而提高了装置的电容。根据图18D在不同电流密度下，示例性混合电解质装置放电曲线中平稳段的出现确认了NQ对在2A/g电流密度下使放电时间增加至约2,000秒的贡献。正如根据图18D中的值所计算的，向1M H2SO4中添加10毫摩尔1,4-萘醌(NQ)产生了混合电解质和在1A/g电流密度和约827Wh/kg能量密度下，展现出约3,200F/g的比容量的示例性装置，其性能比不存在NQ的示例性装置好8倍以上。
图18D和图18E的插图分别显示了示例性混合电极装置在50A/g电流密度下的CD曲线和根据电流密度计算的电容，其突出了高倍率性能和约671F/g的容量。最后，图18F示出了电解质中有和无NQ存在的示例性装置的Ragone图，以突出NQ对能量密度的8倍正面效应。
添加NQ不但能够增加PANI氧化还原活性电极的电容，而且提高了EDLC材料例如活性碳的电容。图19A示出了包括在PVA/H2SO4凝胶氧化还原电解质中的活性碳电极的示例性装置的循环伏安图，所述装置展示出约13,456F/g的突出电容。由于具有高析氢过电位的活性碳可以在更高负电压下工作而不会引起电解质分解，所以示例性非对称超级电容器通过同时对负极和正极作用的氧化还原电解质，展现出扩展的电压窗口和受控的电荷存储容量。图19B显示了在10A/g电流密度下呈3E电池(三层堆叠)构造的示例性非对称AC-FCC和PANI-FCC电极的CD曲线，其结果与CV实验结果一致。图19C描绘了示例性装置在2A/g电流密度下展现出约2,000秒的长放电时间。放电曲线中新平稳段的出现可以确认NQ对示例性装置电容的贡献。图19C的插图展示了装置在极高电流密度(100A/g)下的CD曲线，揭示了AC-FCC//PANI-FCC装置在NQ存在下的高倍率性能。
Figure BDA0001851300370000591
图20A示出了包括在有和无氧化还原添加剂的酸性聚合物水凝胶电解质中的PANI-FCC正极和AC-FCC负极的示例性非对称超级电容器的性能。这种非对称超级电容器绕过了对称聚苯胺装置固有的低电压(0.8V)，并将工作电压窗口扩展到1.4V。此外，在氧化还原添加剂存在下，循环伏安图的积分面积明显更高。图20B中的充放电曲线显示在1.88A/g电流密度下的放电时间为约6,000秒，而不存在NQ时相同装置仅放电185秒。换言之，在NQ存在下装置的比电容在1.88A/g电流密度下为约5,661F/g(2.3F/cm2)，这比不存在NQ时高20倍以上。
图20C显示即使在高达94A/g的极高电流密度下，所述装置也保持高比电容，揭示在NQ存在下，示例性AC-FCC//PANI-FCC装置的高倍率性能。
另外，根据图20D，在47A/g电流密度下AC-FCC//PANI-FCC装置的充电/放电(GCD)循环表明经7,000次循环电容保持84％。
图21依据一些实施方案，显示了示例性对称和非对称装置的功率密度与能量密度之间的示例性关系。根据本公开构造的示例性氧化还原超级电容器，仅基于活性材料的质量，展示出1,541Wh/kg的突出能量密度。
实施例
在一个实施例中，示例性电化学电池的覆盖区(footprint)为约1cm2且厚度为约1毫米，从而包围0.005cm3的体积。在该实施例中，下面示出了示例性电化学电池的组成。
Figure BDA0001851300370000601
在电化学电池的这个实施例中，因为根据图5A，SEM图像显示PANI纳米管的孔隙率为约28.4％，所以计算实际PANI体积为约1.05x10-4cm3。另外，
在这个实施例中，示例性电化学电池显示出分别为约1.14F、1.4V和0.0003Wh的电容、电压和能量。另外，图22显示了具有NQ氧化还原电解质和碳布的非对称PANI//AC装置的重量和体积密度，按电极的质量和体积归一化(1554Wh/kg，1019Wh/L)，按电极和氧化还原电解质的质量和体积归一化(1091Wh/kg，851Wh/L)，以及按电极、氧化还原电解质和碳布的质量和体积归一化(59Wh/kg，87Wh/L)。
术语和定义
除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语均具有与本文所述装置所属领域中的普通技术人员通常所理解的相同含义。如本说明书和所附权利要求书中所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一种(个)”和“所述(该)”包括复数指示物。除非另有说明，否则本文对“或”的任何提及旨在涵盖“和/或”。
如本文所用，除非另有说明，否则术语AC是指活性碳。
如本文所用，除非另有说明，否则术语CC是指碳布。
如本文所用，除非另有说明，否则术语FCC是指官能化碳布。
如本文所用，除非另有说明，否则术语PANI是指聚苯胺。
如本文所用，除非另有说明，否则术语PANI-CC是指其上已经合成了聚苯胺结构的碳布。
如本文所用，除非另有说明，否则术语PANI-FCC是指其上已经合成了聚苯胺结构的官能化碳布。
如本文所用，除非另有说明，否则术语SDS是指十二烷基硫酸钠。
如本文所用，除非另有说明，否则CV图是指循环伏安图。
如本文所用，除非另有说明，否则CD图是指充放电图。
虽然本文已经示出和描述了本文教导的本方法和装置的优选实施方案，但是对于本领域技术人员显而易见的是，仅以举例的方式提供此类实施方案。在不脱离本文教导的方法和装置的情况下，对于本领域技术人员而言现在将进行许多改变、变化和替代。应当理解，本文描述的本文所教导的方法和装置的实施方案的各种替代方案可用于实践本文所教导的方法和装置。其意图是以下权利要求限定本文所教导的方法和装置的范围，并且由此覆盖这些权利要求及其等同项范围内的方法和结构。
如本文所用，除非另有说明，否则术语“约”或“近似”意指本领域普通技术人员所确定的特定值的可接受误差，其部分取决于测量或确定该值的方式。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在1、2、3或4个标准偏差内。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在给定值或范围的30％、25％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％或0.05％内。
在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在100纳米、90纳米、80纳米、70纳米、60纳米、50纳米、40纳米、30纳米、20纳米、10纳米、9纳米、8纳米、7纳米、6纳米、5纳米、4纳米、3纳米、2纳米或1纳米内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在100mF/cm2、90mF/cm2、80mF/cm2、70mF/cm2、60mF/cm2、50mF/cm2、40mF/cm2、30mF/cm2、20mF/cm2、10mF/cm2、9mF/cm2、mF/cm2、8mF/cm2、7mF/cm2、6mF/cm2、5mF/cm2、4mF/cm2、3mF/cm2、2mF/cm2或1mF/cm2内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在5V、4V、3V、2V、1V、0.5V、0.1V或0.05V内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在100F/g、90F/g、80F/g、70F/g、60F/g、50F/g、40F/g、30F/g、20F/g、10F/g、9F/g、F/g、8F/g、7F/g、6F/g、5F/g、4F/g、3F/g、2F/g或1F/g内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在100Wh/kg、80Wh/kg、60Wh/kg、40Wh/kg、20Wh/kg、15Wh/kg、10Wh/kg、9Wh/kg、8Wh/kg、7Wh/kg、6Wh/kg、5Wh/kg、4Wh/kg、3Wh/kg、2Wh/kg、1Wh/kg、0.5Wh/kg、0.1Wh/kg或0.05Wh/kg内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在40℃、30℃、20℃、10℃、9℃、℃,8℃、7℃、6℃、5℃、4℃、3℃、2℃或1℃内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在60分钟、50分钟、40分钟、30分钟、20分钟、10分钟、9分钟、8分钟、7分钟、6分钟、5分钟、4分钟、3分钟、2分钟或1分钟内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在60小时、50小时、40小时、30小时、20小时、10小时、9小时、8小时、7小时、6小时、5小时、4小时、3小时、2小时或1小时内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在40.0克、30.0克、20.0克、10.0克、5.0克、1.0克、0.9克、0.8克、0.7克、0.6克、0.5克、0.4克、0.3克、0.2克或0.1克、0.05克或0.01克内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在30.0A/g、20.0A/g、10.0A/g,5.0A/g、1.0A/g、0.9A/g、0.8A/g、0.7A/g、0.6A/g、0.5A/g、0.4A/g、0.3A/g、0.2A/g或0.1A/g内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在20kW/kg、15kW/kg、10kW/kg、9kW/kg、8kW/kg、7kW/kg、6kW/kg、5kW/kg、4kW/kg、3kW/kg、2kW/kg、1kW/kg、0.5kW/kg、0.1kW/kg或0.05kW/kg内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在5L、4L、3L、2L、1L、0.5L、0.1L或0.05L内。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在30.0ml、20.0ml、10.0ml、5.0ml、1.0ml、0.9ml、0.8ml、0.7ml、0.6ml、0.5ml、0.4ml、0.3ml、0.2ml或0.1ml内的给定值或范围。在某些实施方案中，术语“约”或“近似”意指在5M、4M、3M、2M、1M、0.5M、0.1M或0.05M内的给定值或范围。

Claims (33)

1.一种超级电容器，其包括：
两个或更多个电极，其中至少一个电极是官能化碳电极，所述官能化碳电极包括碳基底和设置于所述碳基底上的导电聚合物，所述导电聚合物形成一种或多种空心纳米管，其中所述导电聚合物包含聚苯胺、聚(对-苯醚)、聚(对-苯硫醚)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或其任何组合，其中所述一种或多种空心纳米管的表面含有纳米结构；
集电器；和
氧化还原电解质。
2.根据权利要求1所述的超级电容器，其中
所述碳基底包含碳布、碳纤维、无定形碳、玻璃碳、碳纳米泡沫、碳气凝胶、石墨烯泡沫或其任何组合。
3.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述一种或多种空心纳米管的长度为100纳米至10,000纳米。
4.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述一种或多种空心纳米管的外部宽度为10纳米至1,000纳米。
5.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述一种或多种空心纳米管的内部宽度为50纳米至800纳米。
6.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述纳米结构包括纳米棒、纳米链、纳米纤维、纳米薄片、纳米花、纳米颗粒、纳米板、纳米带、纳米环、纳米片或其任何组合。
7.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述纳米结构的长度为4纳米至400纳米。
8.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述纳米结构的宽度为4纳米至50纳米。
9.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述官能化碳电极的面积比电容为至少150mF/cm2至750mF/cm2。
10.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述官能化碳电极的电阻在1,000次弯曲循环后降低至多8％。
11.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述氧化还原电解质包含醌。
12.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述超级电容器的工作电位为0.1V至1.7V。
13.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述超级电容器的重量比电容在1,000次充电循环后降低至多26％。
14.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述超级电容器的重量比电容为125F/g至20,000F/g。
15.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述超级电容器的重量比能量密度为12Wh/kg至3,000Wh/kg。
16.一种制造官能化碳电极的方法，其包括：
a)使碳基底官能化以形成官能化碳基底；
b)制备所述官能化碳基底；
c)配制聚合流体；并且
d)在所述官能化碳基底上由导电聚合物合成一种或多种空心聚合物纳米管，其中所述导电聚合物包含聚苯胺、聚(对-苯醚)、聚(对-苯硫醚)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或其任何组合，其中所述一种或多种空心聚合物纳米管的表面含有纳米结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述使所述碳基底官能化以形成所述官能化碳基底包括：
i)形成官能化溶液；
ii)加热所述官能化溶液；
iii)冷却所述官能化溶液；
iv)将碳基底的片转移到所述官能化溶液内；并且
v)冲洗官能化的所述碳基底的片。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述官能化溶液的所述加热在30℃至120℃的温度下进行。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述官能化溶液的所述加热进行60分钟至240分钟的时段。
20.根据权利要求16所述的方法，其还包括在所述官能化碳基底的所述制备之前将所述官能化碳基底退火的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中将所述官能化碳基底在100℃至400℃的温度下退火。
22.根据权利要求20所述的方法，其中将所述官能化碳基底退火0.5小时至14小时的时段。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述官能化碳基底的所述制备包括：
i)切割所述官能化碳基底的片；
ii)将所述官能化碳基底的片浸没在溶剂溶液中；
ii)在所述溶剂溶液中对所述官能化碳基底的片进行声处理；并且
iv)干燥所述官能化碳基底的片。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述声处理进行15分钟至60分钟的时段。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述干燥在30℃至120℃的温度下进行。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述干燥进行3小时至12小时的时段。
27.根据权利要求16所述的方法，其中所述聚合流体的所述配制包括：
i)形成包含以下的聚合溶液：
导电聚合物；
酸；
洗涤剂；
水；和
氧化剂；
ii)搅拌所述聚合溶液以形成所述聚合流体。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述导电聚合物包括聚苯胺、聚(对-苯醚)、聚(对-苯硫醚)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或其任何组合。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述聚合溶液的所述搅拌进行10分钟至40分钟的时段。
30.根据权利要求16所述的方法，其中在所述官能化碳基底上合成所述一种或多种空心聚合物纳米管包括：
i)搅动所述聚合流体；
ii)将所述官能化碳基底浸入所述聚合流体中；
iii)将所述官能化碳基底储存在所述聚合流体中；
iv)将所述官能化碳基底从所述聚合流体中取出；
v)洗涤所述官能化碳基底；并且
vi)干燥所述官能化碳基底。
31.根据权利要求30所述的方法，其中将所述官能化碳基底储存在所述聚合流体中在10℃至50℃的温度下进行。
32.根据权利要求30所述的方法，其中将所述官能化碳基底储存在所述聚合流体中进行至少8小时的时段。
33.根据权利要求30所述的方法，其中所述官能化碳基底的所述干燥在30℃至120℃的温度下进行。
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