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TW201624510A - 用於高溫高電壓操作之電雙層電容器 - Google Patents

用於高溫高電壓操作之電雙層電容器 Download PDF

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TW201624510A
TW201624510A TW104133392A TW104133392A TW201624510A TW 201624510 A TW201624510 A TW 201624510A TW 104133392 A TW104133392 A TW 104133392A TW 104133392 A TW104133392 A TW 104133392A TW 201624510 A TW201624510 A TW 201624510A
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layer capacitor
electric double
carbon
electrolyte
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TW104133392A
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蔣偉榮
庫瑪爾亞圖
圖菲卡麥隆約翰
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康寧公司
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Abstract

一種用於高操作溫度下的高電壓操作的電雙層電容器，包括殼體、位於該殼體中的碳、及位於該殼體中的電解質。該碳被活化並包括孔，其中該等孔部分提供該碳至少500m2/g的高表面積。在該電雙層電容器在海平面85℃的操作溫度下，該電雙層電容器具有至少2.6V的電壓輸出。

Description

用於高溫高電壓操作之電雙層電容器 【交叉引用】
本專利申請案主張於2014年10月10日提出申請的美國專利申請案第62/062,496號的優先權權益，該申請案之內容以引用方式全部併入本文中。
本揭示大體而言係關於能量存儲元件，例如電雙層電容器，也稱作電化學雙層電容器、電雙層電容器、超電容器、或超級電容器。
能量存儲元件(例如電雙層電容器)可被用於各種應用，例如需要不連續功率脈衝之處。例示的應用範圍從手機到混合動力車。電雙層電容器已在需要高功率、長儲放壽命、及/或長循環壽命的應用中成為電池的替代品或補充品。電雙層電容器通常包含被夾置在一對電極之間的多孔隔板和有機電解質。能量存儲是藉由在電極與電解質之間的界面形成的電化學雙層中分離和儲存電荷來實現。
傳統的電雙層電容器在較高的操作溫度和較高的輸出(例如較高的電壓)下可能具有降低的性能。為了克服這種降低的性能，一些業內人士已推動在較高溫度 下不會蒸發掉的特殊電解質。此外，傳統的電雙層電容器可能遭受高濃度電解質材料的損壞和內部磨損，特別是在較高的操作電壓下。需要一種在高溫下操作良好並克服一些或全部的上述現有技術問題的電雙層電容器。
實施例包括一種用於高溫高電壓操作的電雙層電容器。該電雙層電容器包括殼體、位於該殼體中的碳、及位於該殼體中的電解質。該碳被活化並包括孔，其中該等孔提供該碳至少500m2/g的高表面積。該碳為低氧活化碳，該低氧活化碳具有正量的化學鍵結氧含量，該化學鍵結氧含量係小於1.5重量%。該電解質為低溫電解質，該低溫電解質具有溶劑，該溶劑在海平面大氣壓下具有低於85℃的沸點。另外，該電解質為高濃度電解質，該高濃度電解質具有至少1.0M的莫耳濃度。在該電雙層電容器在海平面至少85℃的溫度下(即在海平面85℃或約85℃的溫度下操作)，(A)該電雙層電容器的殼體具有大於大氣壓力的內部壓力，及(B)該電雙層電容器具有至少2.6V(例如至少2.7V)的電壓輸出。在較高的內部壓力下，電解質的沸點可能升高。在該電雙層電容器在海平面至少65℃(例如65℃或約65℃)的溫度下，該電雙層電容器具有至少2.9V的電壓輸出。
申請人瞭解，在85℃下至少2.6V的電壓相對於傳統的電雙層電容器是特別高的。
申請人相信，較高的電解質濃度，例如至少1.0M或更高可以促進在高溫下供應自由離子；而申請人相信，在高溫下，濃度較低的電解質可能會耗盡自由離子的供應，從而導致不可接受的等效串聯電阻及/或在高溫下失效。
高濃度電解質對於用於高溫操作的電氣雙層電容器的設計者來說可能是反直覺的，因為設計者可能相信高濃度電解質會使雙電層電容器的內部結構(例如電極)降解。申請人發現，低氧活化碳能夠在高溫(例如在海平面在大氣壓力下至少85℃(例如85℃))下支持較高濃度的電解質，而不會實質損壞電雙層電容器，例如損壞到較高氧含量的活化碳可能發生的程度。
另外，本文揭示的電雙層電容器在65℃下在至少2.9V操作，這又是特別高的。本文揭示的實施例在海平面至少65℃(例如65℃)下在至少2.9V應力測試1500小時之後具有至少約70%的初始電容和不超過200%的初始等效串聯電阻。
申請人意外地發現，這樣的高電壓輸出可以使用傳統的較低溫電解質來實現，例如電解質具有的溶劑之沸點實際上低於電雙層電容器之操作溫度。例如，在一些實施例中，電解質可以是有機電解質，該有機電解質包括溶於有機溶劑的鹽，該鹽例如四乙銨四氟硼酸鹽(TEA-TFB)、三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(TEMA-TFB)、或其他的這種電解質鹽，該有機溶劑 例如乙腈、碳酸丙烯酯、或其他溶劑。這樣的電解質(即其中的液體組分)可以具有低於85℃的沸點，而當在至少85℃(例如85℃)的溫度下操作時，相關的電雙層電容器可以實現至少2.6V的電壓輸出。在一些這樣的實施例中，特殊的高溫電解質對於在高操作溫度下實現這種很大的電壓輸出可能是不必要的。
將在以下的實施方式中提出本揭示之標的物的其他特徵與優點，而且從實施方式，部分的特徵與優點對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的，或者可藉由實施本文所述的本揭示之標的物而認可部分的特徵與優點，本揭示之標的物包括以下的實施方式、申請專利範圍以及附圖。
應瞭解的是，前述的一般性描述與以下的實施方式皆呈現本揭示之標的物的實施例，而且意圖提供用以瞭解所主張的本揭示之標的物的本質與特點的概觀或架構。附圖被涵括以提供對本揭示之標的物的進一步瞭解，而且附圖被併入本說明書中並構成本說明書的一部分。圖式說明本揭示之標的物的各種實施例，而且該等圖式與實施方式一起用以解釋本揭示之標的物的原理與操作。此外，該等圖式與實施方式之意僅為說明性的，並無意以任何方式限制申請專利範圍之範圍。
10‧‧‧超電容器
12‧‧‧封閉主體
14‧‧‧第一碳墊
16‧‧‧第二碳墊
18‧‧‧多孔隔板層
20‧‧‧液體電解質
22‧‧‧集電器
24‧‧‧集電器
26‧‧‧電引線
28‧‧‧電引線
當結合以下圖式來閱讀時，可以最好地理解本揭示之具體實施例的下述實施方式，在該等圖式中使用相同的元件符號來表示相同的結構，並且在該等圖式中：第1圖為包括電容(C)和等效串聯電阻(ESR)的EDLC模型之示意圖。
第2圖為來自和到達開路的EDLC放電之圖形表示。
第3圖為使用IEC 62391-1(2006)第4.6.2節的方法特徵化ESR之圖形表示。
第4圖為使用放電後開路法特徵化ESR之圖形表示。
第5圖為本文揭示的選定碳之孔體積對孔徑之圖形表示。
第6圖為含不同氧濃度的碳的EDLC元件在3V和65℃應力測試中的電容衰減之圖形表示。
第7圖為具有不同電解質濃度的EDLC元件之電壓應力測試中的電容衰減之圖形表示。
第8圖為對於選定的碳在放電循環期間在t=0秒ESR為電壓的函數之圖形表示。
第9圖為對於選定的碳在放電循環期間在t=5秒ESR為電壓的函數之圖形表示。
第10圖為本文揭示的EDLC碳和電解質結構的Ragone圖之圖形表示。
第11圖為具有本文揭示的選定碳的EDLC之高電壓和65℃應力測試的圖形表示。
第3A圖為例示超電容器之示意圖。
將參照圖式(若有的話)詳細描述本揭示的各種實施例。參照各種實施例不會限制本發明的範圍，本發明的範圍只由所附申請專利範圍的範圍來限定。此外，本說明書中闡述的任何實例都不是限制性的，且僅闡述要求保護的發明之許多可能的實施例中的一些實施例。
本文揭示的技術大體而言係關於能量存儲元件產品的領域。更具體言之，該技術係關於利用一個範圍的電解質濃度的高電容、高電壓、及低ESR電雙層電容器產品。高電容可以至少部分藉由併入高表面積的鹼金屬活化碳來實現。高電壓可以至少部分藉由減少碳上的表面氧官能基的數量來實現。低ESR可以至少部分藉由相對於傳統的EDLC調整(例如增加)電解質濃度來實現。這些方法的組合致能在高操作溫度下具有高電容、高電壓、及低ESR的新EDLC元件產品。
許多傳統的EDLC元件採用低電容蒸氣碳，而這些元件可能具有一般的ESR特性。在EDLC元件中使用高電容鹼金屬活化碳可能導致ESR明顯增加，因此，許多製造商都避免將鹼金屬活化碳使用於低ESR EDLC元件。申請人期望藉由提高操作電壓來實現更高的能量密 度。需要有一種能夠使用高電容鹼金屬碳的元件級解決方案。
還揭示的是用於隨電壓特徵化ESR的方法，該方法可用於特徵化非恆定電解質濃度-例如，在充電期間電解質濃度隨著離子被拉入碳中以儲存能量而減少，此可在元件電壓增加時觀察到。
依據本文揭示的一些實施例，含少氧鹼金屬活化碳和高濃度電解質的EDLC表現出比許多傳統元件高20%以上的電容。在一些這樣的實施例中，其他的特性，例如等效串聯電阻(ESR)、自放電、及漏電流可與許多傳統元件相等。
依據本文揭示的一些實施例，與傳統的2.7V相比，含少氧鹼金屬活化碳和高濃度電解質的EDLC表現出高電壓的性能，例如2.85V或甚至3V。
依據本文揭示的一些實施例，含有較高電解質濃度的EDLC表現出比傳統EDLC更好的ESR電壓特性。
依據本文揭示的一些實施例，含有較高電解質濃度的EDLC可以促進高電容鹼金屬活化碳的使用。
依據本文揭示的一些實施例，EDLC元件可以在約2.85V下操作得到比現有元件增加約三分之一的能量密度(例如39%)及/或在3V下操作得到比現有元件增加約50%的能量密度，該現有元件例如具有蒸氣碳的2.7V額定EDLC。
申請人的瞭解是，傳統的EDLC製造商一般仍未能在大型EDLC元件中商業化使用鹼金屬活化碳。一些鹼金屬活化碳的問題可能包括在壽命測試中有更高的降解、由於陽離子陷入較小的孔中所造成的較高初始降解、及高的ESR。此外，申請人已發現，利用濃度較低的電解質來改良電壓性能的感知需求會導致甚至更高的ESR。迄今，所有這些問題都教導避免在大型高電壓EDLC元件中使用鹼金屬活化碳。
參照第1圖的頂部，依據一些例示性實施例，EDLC是由兩層分離並浸入電解質的活化碳構成。每個碳層都被黏合於電流載體，例如鋁箔，該電流載體提供相對低的電阻，用於與碳進行電接觸，而且與傳導通過碳本身相比，用於傳導電流通過各個碳層。當充電時，在負極終端的碳層得到過多的電子和在電解質表面的相應正離子；這些電子-離子對形成第1圖中的第一電容器「C1」。在正極終端，離子-電洞對形成第二電容器「C2」。在碳和終端(RE1和RE2)之間看到由於通過材料的電子(和電洞)傳導性所產生的電阻。在第1圖底部的模型圖示離子移動的物理和靜電電阻為電阻R1。電性上，將模型簡化為單個電容器和單個等效串聯電阻(ESR)。
與許多電池相比，EDLC是表現出明顯高功率但具有明顯較低能量密度的充電元件。EDLC通常被歸類為功率元件而不是能量元件，用於可能需要非常快速(但 在短的時間內)供應或吸收能量的能力的應用中。雖然主要影響能量的是電容和電壓，但ESR會影響功率效能。
EQ.1和EQ.2分別是第1圖的電容器和ESR的電壓方程式。所得電壓的方程式為EQ.3。
V ESR (t)=I(t)ESR EQ.2
遵照EQ.3，電流(I)影響電池電壓；將電容器(電壓)平穩地充電，並在電阻器造成瞬間的電壓變化。當發生放電以從靜止供電時，結果具有第2圖的形式。電壓在t=0和t=1.36秒的不連續是由ESR導致的。
一種量測ESR的方法是使用功率平衡。電容器的能量是½CV2；至於電容，可以計算能量損耗，如第2圖所示。還可以在測試過程中藉由積分P=VI來量測實際由電容器供應的能量。這兩個值之間的差是ESR的結果；具體來說，功率損耗是只為ESR積分P=V(t)I(t)，其中V(t)=I(t)ESR(參見EQ.2)。電容也可從能量估計，其結果與ESR無關。能量從方程式抵消掉，而且ESR通常是電壓不連續和電流的函數。從EQ.3，在電壓不連續間：
具體來說，IEC 62391-1(2006)第4.6.2節如第3圖所示計算ESR並描述如下。首先，從EQ.3，假使放電是在恆定電流下，則曲線的放電部分應該是一條線。IEC法是用於其中電流是如此之小以至於具有微小影響的狀態。IEC法藉由找到曲線變平直之處來說明非理想的ESR行為，並外推回去以找出在放電開始時的假定等效電壓，該假定等效電壓被用於EQ.4。使用此方法的一個問題是，此方法假設電容是恆定的，而且沒有其他的電壓驅動效果-在放電的電壓-時間曲線中的非線性可能一點也不是ESR效果。
為了查看ESR與電壓對功率的影響，請注意，假使EDLC放電到一半的電壓，則電流加倍以保持電力。如前所述，由於ESR的功率損耗為P=I 2 (t)ESR，所以電流加倍導致功率損耗增加為四倍。因此，當放電到低電壓時，能量返回迅速減少(例如，放電到電壓的10%會放出99%的儲存能量，但最終的功率損耗為放電開始時的100倍)，所以，除非EDLC被用於低功率模式，否則許多的附加能量會損耗。應當注意的是，當固定電流被以不同速率接通和斷開以引出恆定功率時，使用脈寬調變(PWM)者可能會看到由於ESR隨著電壓降低而線性增加所造成的功率損耗取代上述的平方關係。然而，在這兩種情況下申請人發現，在許多應用中，在半電壓下具有低ESR比在全電壓下具有低ESR更重要2至4倍。
依據例示性實施例，本文揭示的EDLC可以包括以下要素的獨特組合。
(a)使用鹼金屬活化碳對現有技術的蒸氣活化碳
(b)使用少氧活化碳對多氧活化碳
(c)使用高濃度電解質對低濃度電解質
在一個實例中，在大型EDLC元件中評估碳和電解質。首先在高強度亨歇爾剪切混合機(裝有雙螺旋鈍葉片的FML 10)中在5℃下將活化碳與PTFE黏結劑和碳黑以85：10：5的比例混合。將混合速度的每分鐘轉數(rpm)設定在2000rpm，並且混合時間為40分鐘。乾混35分鐘之後將約5重量%的IPA引入混合機中，接著是另外5分鐘的濕混。在混合步驟期間加入IPA以輔助纖維化。在電極組分被均勻分散和分佈之後，進行纖維化。使用具有碳化鎢襯裡的4英吋微粉化噴射研磨機來進行纖維化製程。讓材料通過10目篩網過篩，以在饋入噴射研磨機之前打破團塊。將進料壓力設定為70psi，將研磨壓力設定為85psi，並將進料速率設定為1020g/hr。使用小繩將從粉碎機獲得的粉末消除凝聚。然後在100℃下藉由使消除凝聚的混合物通過系列的壓力輥進行延壓，以形成100μm厚的自由獨立片。將這些自由站立碳網中的兩片層壓在塗佈導電碳墨的集電器的每一側上，以獲得電極。集電器是具有約5μm厚導電碳墨塗層的25μm厚鋁箔(DAG EB012，來自Henkel，前身為Acheson)。將被多孔隔板紙(例如，來自Nippon Kodoshi公司的TF4030)分隔的兩個這種電極(負極具有YP50碳並且正極具有鹼金屬活化微孔碳)捲繞成膠捲並包裝/密封在鋁罐中，以形成EDLC元件。該元件在130℃下真空乾燥48小時，然後被填充預定濃度和量的電解質。將電池進行電化學調節，然後進行測試用於進一步的評估。
高表面積鹼金屬活化碳
蒸氣活化碳是用於製造活化碳的普遍方法。然而，使用蒸氣活化得到的碳孔徑分佈可能不適合用於EDLC，因為迄今為止，活化碳的許多商業製造商還無法使用椰子炭作為碳前驅物來實現超過67F/cc的碳性能。
已利用化學活化製程來製造高表面積的活化碳。有幾種化學物質已被使用，包括KOH、NaOH、LiOH、H3PO4、Na2CO3、KCl、NaCl、MgCl2、AlCl3、P2O5、K2CO3、K2S、KCNS、及/或ZnCl2；然而，使用鹼金屬氫氧化物(例如KOH和NaOH)來實現各種理想性質可能是較佳的。碳前驅物包括椰子殼、澳洲堅果、小麥粉、煤、及焦碳。在一些情況下，例如使用椰子殼、澳洲堅果、及小麥粉，碳化步驟有助於去除大部分的非碳元素，例如氫、氧、微量的硫和氮。該製程涉及在惰性N2氛圍中將碳加熱以去除非碳元素。從而釋放的元素碳原子被聚集成有組織的結晶形式，稱為初級石墨微晶。這些微晶的相互排列可以是不規則的，使得這些微晶之間保持自由間隙，而且由於焦油狀物質沉積和分解的結 果，這些自由間隙可以變成被混亂的碳填充或阻塞。在煤和焦碳前驅物的情況下，可以跳過碳化步驟，因為這些材料含有大量的固定碳(例如約90重量%)。活化是藉由將KOH固體粉末與碳化粉末以所需比例混合並在活化循環期間加熱混合物來進行。在一些情況下，顆粒狀物可以使用KOH和碳化粉末形成，以在活化製程中提供幫助。在較高的溫度(例如>700℃)下，金屬鉀插入碳基質中，並在洗滌後在該基質中形成微孔。
與蒸氣碳的1600m2/g相比，由這種方法生產的碳具有1700-2500m2/g的高BET表面積。雖然，鹼金屬活化碳的總孔體積類似於或大於蒸氣碳，但與蒸氣碳(例如<0.3cm3/g)相比，前者在小於1nm的孔徑範圍中具有更大量的孔隙(例如>0.3cm3/g)(參見第5圖)。鹼金屬碳在小於1nm範圍中的更大量孔隙可以導致超過80F/cc的高體積電容。與現有技術的蒸氣元件相比，這樣的碳可以在EDLC元件中提供高能量密度。
少氧鹼金屬活化碳
氧以表面官能基的形式存在於活化碳中。表面官能基是由雜原子組成，雜原子主要是氧和氫，以及較少程度的氮、硫及鹵素。這些雜原子可衍生自起始碳前驅物或在活化或其他製程中從外部取得。官能基影響碳表面的潤濕性和電化學狀態及雙層性質，例如自放電特性。
以上提到的雜原子包括碳-氧複合物。許多氧官能基是在活化過程中形成，活化基本上是部分氧化的過 程。活化碳可以在暴露於空氣時物理吸附分子氧，即使在低於環境溫度下亦可。化學吸附也在低溫下開始並隨溫度增加。不同的官能基可以是酸性、鹼性、及中性的。酸性官能基是最不穩定的，而且可以在碳暴露於200和700℃之間的氧時或藉由在室溫下與氧化溶液反應形成。被保留在碳中的氧水平(無論是物理吸附或化學吸附)與EDLC自放電或漏電流成正比，並且最終會影響壽命特性。氧官能基作為可以催化或參與碳的電化學氧化或還原及/或電解質成分分解的活性位點。從碳去除氧通常可改良碳在EDLC環境中的穩定性。
活化碳的氧含量可以藉由在高溫下在還原環境中熱處理來減少。這個在形成氣體(1% H2/N2)環境中進行的製程減少碳表面上的含氧官能基，以改良碳在EDLC中的長期耐久性。將活化碳放在SiC坩堝中並裝入爐中。爐溫以150℃/hr的加熱速率升高到期望的溫度(400、675或900℃)、保持溫度2小時、然後使其自然冷卻。在前述的加熱/冷卻循環期間，不斷使用形成氣體淨化該爐。表1顯示用於揭示的碳的氧含量，而表2顯示通過在選定碳上的貝姆(Boehm)滴定所獲得的酸性表面官能基之量。高溫熱處理導致碳上的表面官能基減少。
表3顯示含有的碳具有不同氧含量的EDLC元件之壽命起始數據。實例10描述具有多氧KOH活化碳和1.2M TEMA-BF4電解質濃度的EDLC元件。BOL 電容為3156F，並且在額定電壓的ESR為0.65mΩ。此元件在3V-65℃的應力測試中提早失效，在275小時衰退到75%的標準化電容。實例11顯示含有少氧KOH活化碳和1.2M TEMA-BF4電解質濃度的EDLC元件。BOL電容為3010F，並且在額定電壓的ESR為0.50mΩ。此元件在1350小時實現了78%的標準化電容。此實例顯示在電壓應力測試中表面官能基中的碳氧含量在EDLC衰退上的影響。同樣地，實例12顯示在正極上含有多氧KOH碳並且在負極上含有初接收YP50碳、及含有1.2M TEMA-BF4電解質濃度的調整電池結構。BOL電容為2930F，並且在額定電壓的ESR為0.44mΩ。此元件在3V恆電壓應力測試中提早失效。實例13顯示與上述類似但具有含少氧的碳之調整電池結構。BOL電容為2883F，並且在額定電壓的ESR為0.43mΩ。此元件在1500小時實現了78%的標準化電容。實驗顯示，少氧的碳改良了EDLC元件的高電壓穩定性。將3V-65℃的應力數據圖示於第6圖。
高電解質濃度
較高的電壓有利於較高的能量密度。由於能量密度與操作電壓的平方成正比，所以從2.7V提高到3V導致能量密度增加23%。一種提高操作電壓的方法是降低電解質濃度。較低濃度的電解質導致在較高電壓的感應電流反應較少，並減少EDLC元件的衰退。因此，較低的電解質濃度改良了電壓性能。然而，這是以不利ESR的 代價得到的。表4顯示具有不同電解質濃度的EDLC之壽命起始數據，並且第7圖圖示在電壓應力測試中的相應電容衰退。所使用的元件結構是美國專利申請公開第2012/0257326號中揭示的調整電池結構。此調整電池結構包括具有不同孔徑分佈的第一和第二碳材料，其中第一碳材料的孔體積比大於第二碳材料的孔體積比，孔體積比R被定義為R=V1/V，其中V1為孔徑小於1nm的孔之總體積，並且V為孔徑大於1nm的孔之總體積。第一碳為KOH活化碳，並且第二碳為蒸氣活化碳(YP50F)，例如可商購自Kuraray Chemicals者。這兩種碳類型的氧含量都在1到1.5wt%之間。
實例14顯示含有1.2M TEMA-BF4電解質濃度的調整電池結構。BOL電容為2921F，並且在額定電壓的ESR為0.46mΩ。在2.7恆定電壓應力測試中，1500小時後的標準化電容為約80%。同一元件在3V恆定電壓應力測試中過早失效(80%標準化電容在約300小時)(實例12)。實例15顯示具有減少的0.9M電解質濃度的調整電池結構。BOL電容為2948F，並且在額定電壓的ESR為0.53mΩ。在這個實例中，電解質濃度的降低會以不利的方式影響額定電壓的ESR。這個元件也在450小時以80%標準化電容過早失效-比實例12稍好。實例16顯示具有進一步減少的0.6M電解質濃度的調整電池結構。BOL電容為2901F，並且在額定電壓的ESR為3.09mΩ。在額定電壓的高ESR是由於元件中 使用的電解質濃度非常低。雖然在額定電壓的ESR是高的，但在恆電壓應力測試中這樣的元件在3V下執行地極其良好(88%標準化電容在1500小時)。實驗顯示，雖然高電壓性能可以藉由降低電解質濃度來實現，但元件的ESR也會明顯增加。因為EDLC是功率元件，所以這樣的方法可能不實用，除非增加的ESR可經由其他方法(例如添加更多的碳黑、增大電極面積等)進行補償。
鹼金屬活化-少氧碳與高濃度電解質的整合
本技術的各個態樣是基於鹼金屬活化-少氧碳與高濃度電解質的獨特組合。發明人意外地發現，可以組合這三個要素來實現高電容、高電壓及低ESR的電雙層電容器。這樣的元件與現有技術的元件相比具有優異的能量和功率密度能力。使用鹼金屬活化碳取代蒸氣活化碳提供了20%和更高的體積電容。使用少氧(0.2-0.8wt%)鹼金屬活化碳有利於高電壓操作，例如2.85V或3V。電解質濃度被設定在每單位體積電容10-20mM的範圍中。發明人已發現，較低的電解質濃度，特別是具有高容量的碳明顯增加了在額定電壓的ESR，並略微增加在半額定電壓的ESR。在較高的濃度，例如1.5M，提高電解質導電性的效益停止，而且由於感應電流反應，電容衰退可能會更高。
將使用以下的實例進一步闡明本技術。
實例17：
實例17描述含有市售蒸氣活化碳YP50F的EDLC元件。YP50F的氧含量為約1.5wt%。此元件含有0.8M的TEA-BF4電解質濃度，並實現67.1F/cc的體積電容。完全充電至2.85V所需的總離子經計算為0.07莫耳(=2381 x 2.85/96485)。電解質中的總離子經計算為0.10莫耳(=0.8 x 130/1000)。因此，在電解質中的過量離子經計算為0.03莫耳(=0.10-0.07)。過量的莫耳濃度經計算為0.26M(=0.03/130 x 1000)。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 11.9mM。ESR在額定電壓為0.55mΩ，而且在半額定電壓為0.38mΩ。此元件能夠在2.85V-65℃下操作1500小時。
實例18：
實例18類似於實例17，不同之處僅在於電解質濃度改變為1M。此元件實現66.2F/cc的體積電容。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 15.1mM。ESR在額定電壓為0.39mΩ，而且在半額定電壓為0.27mΩ。可將本實例與實例17比較來證明ESR隨著蒸氣碳的電解質濃度而改良。ESR對電壓特性被圖示於第8圖和第9圖，並顯示在電壓範圍間相對平的ESR。第10圖圖示實例18的元件之Ragone圖。此元件在較低的功率密度下能夠實現7Wh/L，並在高功率密度下落至4.57Wh/L。第11圖圖示2.85V-65℃的應力數據，在1500小時實現76%的標準化電容。
實例19：
實例19描述含有KOH活化碳的EDLC元件。這個碳中的氧含量為約0.54wt%。此元件含有0.8M的TEA-BF4電解質濃度，並實現80.7F/cc的體積電容。完全充電至2.85V所需的總離子經計算為0.085莫耳。電解質中的總離子經計算為0.10莫耳。因此，電解質中的過量離子經計算為0.02莫耳。過量的莫耳濃度經計算為0.15M。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 9.9mM。ESR在額定電壓為0.92mΩ，而且在半額定電壓為0.31mΩ。可以將本實例與實例18進行比較，而且在額定電壓和半額定電壓下都表現出高ESR。ESR對電壓特性(第8圖和第9圖)圖示在更高的電壓下增加的ESR，而且是由於每單位體積電容的低水平電解質濃度。Ragone圖(第10圖)圖示在較高功率密度下比實例18低的能量密度。此外，此元件能夠在2.85V下操作1500小時。
實例20：
實例20類似於實例19，不同之處僅在於電解質濃度改變為1M。此元件實現80.4F/cc的體積電容。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 12.4mM。ESR在額定電壓為0.53mΩ，而且在半額定電壓為0.28mΩ。可將本實例與實例19相比，而且在額定電壓和半額定電壓下都表現出低ESR。ESR對電壓特性(第8圖和第9圖)圖示在更高的電壓下稍微增加的ESR，而 且是由於每單位體積電容的低水平電解質濃度。Ragone圖(第10圖)圖示在測試的功率範圍間能量密度比實例18和實例19更高。此外，此元件能夠在2.85V-65℃下操作並在1500小時實現80%的標準化電容(第11圖)。
實例21：
實例21類似於實例19，不同之處僅在於電解質濃度改變為1.2M。此元件實現80.5F/cc的體積電容。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 14.9mM。ESR在額定電壓為0.47mΩ，而且在半額定電壓為0.26mΩ。可將本實例與實例19和20相比，而且在額定電壓和半額定電壓下都表現出低ESR。ESR對電壓特性(第8圖和第9圖)圖示隨著電壓相對平的ESR，而且是由於每單位體積電容的低水平電解質濃度。Ragone圖(第10圖)圖示在測試的功率範圍間能量密度比實例18-20更高。此外，此元件能夠在2.85V下操作1500小時。
實例22：
實例22類似於實例21，不同之處僅在於電解質類型改變為TEMA-BF4。此元件實現83F/cc的體積電容。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 14.5mM。ESR在額定電壓為0.43mΩ，而且在半額定電壓為0.27mΩ。可將本實例與實例21相比，而且在 額定電壓和半額定電壓下都表現出類似的ESR。此外，此元件能夠在3V-65℃下操作(第11圖)。
實例23：
實例23描述在正極上具有KOH碳並且在負極上具有YP50蒸氣碳的調整電池EDLC結構。KOH碳和蒸氣碳分別具有0.24wt%和0.18wt%的氧。此元件被填充有1.2M的TEMA-BF4電解質。此元件實現了74F/cc的體積電容，而且比實例19-22更低。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 16.2mM。ESR在額定電壓為0.43mΩ，並且在半額定電壓為0.31mΩ，而且類似於實例21和22。此元件能夠在3V下操作1500小時。
實例24：
實例24類似於實例20，不同之處僅在於此元件在膠捲中具有短25%的電極長度。此元件實現了82.1F/cc的體積電容。每單位體積電容的電解質濃度經計算為每F/cc 12.2mM。ESR在額定電壓為0.67mΩ，而且在半額定電壓為0.33mΩ。可以將本實例與實例20進行比較，而且表現出高約25%的ESR(在額定電壓和半額定電壓下皆如此)。這是由於小25%的電極面積。這個實例還顯示，較大量的電解質並沒有改良額定電壓和半額定電壓的ESR。
依據各種實施例，能量存儲元件包含正極和負極，正極包含第一活化碳材料，負極包含第二活化碳材料。第一活化碳材料包含尺寸1nm的孔(提供>0.3cm3/g的組合孔體積)、尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.05cm3/g的組合孔體積)、及組合孔體積<0.15cm3/g且尺寸>2nm的任何孔。第二活化碳材料包含尺寸1nm的孔(提供0.3cm3/g的組合孔體積)、尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.05cm3/g的組合孔體積)、及組合孔體積<0.15cm3/g且尺寸>2nm的任何孔。在實施例中，第一活化碳材料包括至多1.5wt.%的氧，例如至多1或0.5wt.%的氧。在相關的實施例中，第一活化碳材料和第二活化碳材料每個都包括至多1.5wt.%的氧，例如至多1或0.5wt.%的氧。例如，活化碳可以具有從1000ppm至1.5wt.%的氧含量，例如1000、2000、5000、10000或15000ppm，包括任何上述數值之間的範圍。
在實施例中，活化碳之特徵可以在於高的表面積。用於EDLC的碳基電極可以包括比表面積大於約300m2/g的碳，即大於300m2/g、350m2/g、400m2/g、500m2/g或1000m2/g。此外，活化碳可以具有小於2500m2/g的比表面積，即小於2500m2/g、2000m2/g、1500m2/g、1200m2/g或1000m2/g。
活化碳可以包含微、中、及/或大尺度孔隙。如本文所定義，微尺度孔具有2nm或更小的孔徑。中尺 度孔具有範圍從2至50nm的孔徑。大尺度孔具有大於50nm的孔徑。在一實施例中，活化碳包含多數的微尺度孔。術語「微孔碳」及其變體意指具有多數(即至少50%)微尺度孔的活化碳。微孔的活化碳材料可以包含大於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)。
依據實施例，用於EDLC的碳基電極包含總孔隙大於約0.4cm3/g(例如大於0.4cm3/g、0.45cm3/g、0.5cm3/g、0.55cm3/g、0.6cm3/g、0.65cm3/g、或0.7cm3/g、)的活化碳。得自微孔(d2nm)的總孔體積部分可為約90%或更高(例如至少90%、94%、94%、96%、98%、或99%)，並且得自超微孔(d1nm)的總孔體積部分可為約50%或更高(例如至少50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、或95%)。
活化碳的孔徑分佈可以包括超微孔、微孔、中孔及大孔，而且可被表徵為具有單峰、雙峰或多峰孔徑分佈。超微孔可以包含0.2cm3/g以上(例如0.2cm3/g、0.25cm3/g、0.3cm3/g、0.35cm3/g、或0.4cm3/g、或更大)的總孔體積。孔徑(d)在1<d2nm範圍中的孔可以包含0.05cm3/g或更大(例如至少0.1cm3/g、0.15cm3/g、0.2cm3/g、或0.25cm3/g)的總孔體積。假使存在的話，任何孔徑大於2nm的孔(可以包括 中孔及/或大孔)可以包含0.15cm3/g或更小(例如小於0.1或0.05cm3/g)的總孔體積。在一實施例中，活化碳材料包含尺寸1nm的孔(提供>0.2cm3/g的組合孔體積)、尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.05cm3/g的組合孔體積)、及組合孔體積<0.15cm3/g且尺寸>2nm的任何孔。
第3A圖為例示超電容器的示意圖。超電容器10包括封閉主體12、一對集電器22、24、各別被形成在其中一個集電器上的第一碳墊14和第二碳墊16、及多孔隔板層18。電引線26、28可被連接到個別的集電器22、24，以提供到外部裝置的電接觸。層14、16可以包含活化碳、碳黑及高分子量的氟聚合物黏結劑。液體電解質20被容納在封閉主體內，並被吸收到多孔隔板層和每個多孔電極的所有孔隙中。在實施例中，可以將個別的超電容器電池堆疊(例如以串聯的方式)，以提高整體操作電壓。
封閉主體12可以是超電容器常用的任何習知封閉工具。集電器22、24通常包含導電材料，例如金屬，而且由於鋁的導電性和相對成本通常由鋁製成。例如，集電器22、24可以是鋁箔薄片。
多孔隔板18以電子方式將電極彼此隔離，同時允許離子擴散。多孔隔板可以由介電材料製成，例如纖維素材料、玻璃、及無機或有機聚合物，例如聚丙烯、聚 酯或聚烯烴。在實施例中，隔板層的厚度範圍可以從約10至250微米。
電解質20作為離子傳導性的促進劑、作為離子源、而且可以作為碳的黏結劑。電解質通常包含溶於適當溶劑的鹽。適當的電解質鹽包括季銨鹽，例如在共同擁有的美國專利申請第13/682,211號中揭示的那些，該專利申請之揭示內容以引用方式併入本文中。例示的季銨鹽包括四乙銨四氟硼酸鹽((Et)4NBF4)或三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(Me(Et)3NBF4)。
用於電解質的例示溶劑包括但不限於腈，例如乙腈、丙烯腈及丙腈；亞碸，例如二甲基、二乙基、乙基甲基及芐基甲基亞碸；醯胺，例如二甲基甲醯胺和吡咯啶酮，例如N-甲基吡咯啶酮。在實施例中，電解質包括極性非質子有機溶劑，例如環狀酯、鏈狀碳酸酯、環狀碳酸酯、鏈狀醚及/或環狀醚溶劑。例示的環狀酯和鏈狀碳酸酯具有3至8個碳原子，而且在環狀酯的情況下包括 -丁內酯、 丁內酯、 -戊內酯及 -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、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯及碳酸乙丙酯。環狀碳酸酯可具有5至8個碳原子，實例包括1,2-丁烯碳酸酯、2,3-丁烯碳酸酯、1,2-戊烯碳酸酯、2,3-戊烯碳酸酯及碳酸丙烯酯。鏈狀醚可以具有4至8個碳原子。例示的鏈狀醚包括二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、二丁氧基乙烷、二甲氧基丙烷、二乙氧基丙烷及甲氧 基乙氧基丙烷。環狀醚可以具有3至8個碳原子。例示的環狀醚包括四氫呋喃、2-甲基-四氫呋喃、1,3-二氧戊環、1,2-二氧戊環、2-甲基二氧戊環及4-甲基-二氧戊環。也可以使用兩種或更多種溶劑的組合。
超電容器可以具有膠捲設計、棱柱設計、蜂窩狀設計、或其他適當的結構。
作為實例，組裝的EDLC可以包含有機液體電解質，例如溶於諸如乙腈的非質子溶劑的四乙銨四氟硼酸鹽(TEA-TFB)或三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(TEMA-TFB)。
在例示實施例中，正極包括第一活化碳材料，該第一活化碳材料包含尺寸1nm的孔(提供>0.3cm3/g的組合孔體積)、尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.05cm3/g的組合孔體積)、及組合孔體積<0.15cm3/g且尺寸>2nm的任何孔。負極包括第二活化碳材料，該第二活化碳材料包含尺寸1nm的孔(提供0.3cm3/g的組合孔體積)、尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.05cm3/g的組合孔體積)、及組合孔體積<0.15cm3/g且尺寸>2nm的任何孔。
摻入正極的活化碳可以例如包含尺寸1nm的孔，該等孔提供>0.3至0.5cm3/g的組合孔體積。這樣的活化碳可以具有尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.2cm3/g(例如0.2至0.3cm3/g)的組合孔體積)及 組合孔體積<0.1或<0.05cm3/g、尺寸>2nm的任何孔。
摻入負極的活化碳可以例如包含尺寸1nm的孔，該等孔提供0.2至0.3cm3/g的組合孔體積。這樣的活化碳可以具有尺寸>1nm至2nm的孔(提供0.2cm3/g(例如0.2至0.3cm3/g)的組合孔體積)及組合孔體積<0.1或<0.05cm3/g、尺寸>2nm的任何孔。
在例示的EDLC中，摻入正極的活化碳可以具有與尺寸>1nm至2nm的孔相關的組合孔體積，該組合孔體積小於摻入負極的活化碳中這種尺寸的孔之相應組合孔體積(即調整電池的實例)。在進一步的例示EDLC中，摻入正極的活化碳可以具有與尺寸>2nm的任何孔相關的組合孔體積，該組合孔體積小於摻入負極的活化碳中這種尺寸的孔之組合孔體積(即調整電池的實例)。
例示活化碳的總氧含量為至多1.5wt.%。所謂總氧含量是指碳中所有的原子和分子氧之總和，包括在含氧官能基中及/或碳上的氧。
定義
「電化學雙層電容器」、「EDLC」、「超級電容器」、「超電容器」、及類似用語是指具有雙層電容和偽電容的電化學電容器。「EDLC電池」、「EDLC鈕扣電池」、及類似用語是指電化學雙層電容器具有例如殼體及在該殼體內或與該殼體整合的：兩個電極；該等電極 之間的隔板；與該等電極接觸的電解質；及可選的兩個集電器。
「化學鍵結氧含量」和類似用語是指經由化學鍵附著於碳的氧，並且排除作為分子氧、水、二氧化碳、及其他被物理吸附在碳上的含氧氣體分子存在的氧。
「孔體積」及類似用語是指活化碳內的空隙體積。
可以使用所屬技術領域中具有通常知識者眾所周知的縮寫(例如，「h」或「hrs」為小時或數小時，「g」或「gm」為克，「mL」為毫升，而「rt」為室溫，「nm」為奈米，以及類似的縮寫)。
為成分、組分、添加劑、尺寸、條件、時間及類似方面揭示的具體和較佳值、以及該等值之範圍僅用於說明；該等值及範圍並不排除其他界定值或在界定範圍內的其他值。本揭示的組成物和方法可以包括任意值或本文揭示的值、具體值、更具體值、及較佳值之任意組合，包括明示或暗示的中間值和範圍。
本揭示提供一種能量存儲元件及用於製造和使用該元件的方法。
在實施例中，本揭示提供能量存儲元件中的電極，該電極包含：第一活化碳，該第一活化碳包含：從1000至1700m2/g的表面積；從0.3至0.6cc/g的孔體積；0.01至1.5wt%的化學鍵結氧含量；及7.5至10的pH。
在實施例中，該第一活化碳可以具有例如以下中之至少一者：1300至1700m2/g的表面積；0.4至0.6cc/g的孔體積；8至10的pH；0.01至1wt%的氧含量；80F/cc至120F/cc的初始比電容，在具有有機電解質的對稱電化學雙層電容器電池中量測；或上述之組合。有機電解質包含溶於有機溶劑的鹽，該鹽例如四乙銨四氟硼酸鹽(TEA-TBF)、三乙基甲基銨四氟硼酸鹽(TEMA-TFB)、或一些其他常用的電解質鹽，該有機溶劑例如乙腈、碳酸丙烯酯、或一些其他常用的有機溶劑；或上述有機溶劑與鹽之組合，藉由混合兩種或更多種鹽、兩種或更多種有機溶劑、或上述兩者之組合所形成。
在實施例中，能量存儲元件可以是例如具有耐久性的電化學雙層電容器，該耐久性之特徵在於，當保持在3V和65℃下持續1500小時時，保持至少80%的初始電容及最高200%的初始等效串聯電阻(ESR)。
在實施例中，除了上述的第一活化碳之外，該能量存儲元件可以進一步包含例如：殼體，及在該殼體內的：正和負極；位於該等電極之間的隔板；電解質；及可選的兩個集電器。
在實施例中，該正和負極可以是例如相同或不同的。在實施例中，正極和負極是相同的，即對稱的。在實施例中，正極和負極都包含第一活化碳。在其他實施例中，正和負極是不同的，即非對稱或不對稱的。在實施例 中，正極包含第一活化碳並且負極包含與第一活化碳不同的第二活化碳，例如可商購的YP-50F。
在實施例中，本揭示提供一種具有鹼性表面官能性並具有大於7(例如7.5至10、8至10、及8至9.5，包括中間的值和範圍)的pH的活化碳。鹼性表面官能性和pH性質是有利的，因為酸性表面官能性對EDLC元件的長期耐久性會是有害的。較佳的是，本揭示的第一活化碳可以具有8至10的pH，更佳的是，第一活化碳具有8至9的pH，包括中間的值和範圍。
在實施例中，本揭示提供基於第一活化碳的總重量具有從0.01至1.5wt%的化學鍵結氧含量的活化碳。低的化學鍵結氧含量是有利的，因為氧表面官能性對EDLC元件的長期耐久性會是有害的。較佳的是，所揭示的活化碳具有從0.01至1.0wt%(包括中間的值和範圍)的氧含量。
實例
以下實例依據上述的一般描述和程序說明揭示的活化碳、電極、及能量存儲元件之製造、使用、及分析。
在實施例中，本揭示提供製造所揭示的活化碳之一般方法。具體的細節可以改變，例如，如實例中提及的。
活化碳製備
在實施例中，在使用N2淨化的蒸餾爐中於800℃碳化小麥粉。將得到的焦炭研磨成d50約5微米的細粉。將焦炭粉末與KOH粉末以所需比例混合。
在使用N2淨化的蒸餾爐中活化焦碳-KOH混合物。
典型的爐循環是由例如以150℃/小時升溫至所需的活化溫度、持溫2小時、及自然冷卻至120℃所組成。
接著，藉由N2鼓泡通過熱(約90℃)水持續3小時來將水蒸汽引入爐中，並讓爐自然冷卻至70℃或更低。
使用DI水、HCl溶液、及DI水連續洗滌並過濾活化的材料，直到濾液的pH值匹配DI水的pH值。最終將洗滌過的活化碳在使用1vol% H2/N2混合物淨化的蒸餾爐中進行熱處理。將爐以150℃/hr升溫到所需的熱處理溫度、持溫2小時、並讓爐自然冷卻到室溫。
活化碳樣品特性
在Micrometrics ASAP 2420上使用N2吸附特徵化活化碳樣品。藉由BET理論特徵化表面積。使用密度函數理論(DFT)特徵化孔體積和孔徑分佈，並從吸附等溫線計算出孔體積和孔徑分佈。依據ASTM D3838-05量測活化碳樣品的pH值。依據ASTM D5622藉由真空乾燥樣品的元素燃燒分析測定活化碳樣品的氧含量(wt%)，並列於表1。
除非內文以其他方式清楚指明，否則本文中使用的單數形「一」及「該」包括複數的指示對象。因此，舉例來說，提及「含氧官能基」包括具有兩個或更多個這樣的「官能基」的實例，除非內文以其他方式清楚指明。
本文中可以將範圍表示為從「約」一個特定值，及/或至「約」另一個特定值。當表達這樣的範圍時，實例包括從該一個特定值及/或至其他的特定值。同樣地，當值被表達為近似值時，藉由使用先行詞「約」將瞭解的是，該特定值形成了另一個態樣。將進一步瞭解的是，每個範圍的端點無論是與另一個端點相關或是獨立於另一個端點皆是有意義的。
除非另有清楚陳述，否則絕無意圖將本文中提出的任何方法解讀為需要以特定的順序執行其步驟。因此，當方法請求項沒有實際陳述其步驟應遵循的順序或是請求項或描述中沒有另外具體陳述步驟被限制於特定的順序時，絕無意圖推斷出任何特定的順序。
還注意到的是，本文中的陳述是指元件「設以」或「適以」以特定的方式發揮功能。在這方面，這樣的元件係「設以」或「適以」體現特定的性質，或以特定的方式發揮功能，其中這樣的陳述相對於擬定用途的陳述為結構性的陳述。更具體來說，本文中所提及元件「設以」或「適以」的方式表示該元件之現存物理狀態並因此被視為該元件的結構特性之明確陳述。
雖然可以使用轉折連接詞「包含」揭示具體實施例的各種特徵、元件或步驟，但應理解的是，替代的實施例，包括可以使用轉折連接詞「由...組成」或「基本上由....組成」描述的那些實施例亦被隱含。因此，舉例來說，包含活化碳、碳黑及黏結劑的碳基電極之隱含替代實施例包括其中碳基電極由活化碳、碳黑及黏結劑組成的實施例及其中碳基電極基本上由活化碳、碳黑及黏結劑組成的實施例。
對於所屬技術領域中具有通常知識者而言顯而易見的是，可以在不偏離本發明之精神和範疇下對本發明進行各種修改和變化。由於結合本發明之精神和本質的揭示實施例之修改、組合、次組合以及變化為所屬技術領域中具有通常知識者可思及的，故應將本發明解讀為包括在所附申請專利範圍及其均等物之範圍內的一切。
已經參照各種具體實施例和技術描述了本揭示。然而，應當理解的是，許多變化和修改是可能的，同時仍在本揭示的範圍內。

Claims (14)

  1. 一種用於高操作溫度下的高電壓操作的電雙層電容器，包含：一用於該電雙層電容器的殼體；位於該殼體中的碳，其中該碳被活化並包括孔，其中該等孔部分提供該碳至少500m2/g的高表面積，其中該碳為一低氧活化碳，該低氧活化碳具有正量的化學鍵結氧含量，該化學鍵結氧含量係小於1.5重量%；位於該殼體中的電解質，其中該電解質為一低操作溫度電解質，該低操作溫度電解質具有一溶劑，該溶劑在海平面大氣壓下具有低於85℃的沸點；其中在該電雙層電容器在海平面85℃的操作溫度下：(A)該電雙層電容器的殼體具有一大於大氣壓力的內部壓力，及(B)該電雙層電容器具有至少2.6V的電壓輸出。
  2. 如請求項1所述之電雙層電容器，其中該電解質為一高濃度電解質，該高濃度電解質具有至少1.0M的莫耳濃度，從而促進在高操作溫度下供應自由離子。
  3. 如請求項1所述之電雙層電容器，其中該高濃度電解質具有至少1.2M的莫耳濃度，以及其中該低氧活化碳具有0.7重量%或更少的化學鍵結氧含量。
  4. 如請求項3所述之電雙層電容器，在該電雙層電容器在海平面85℃的操作溫度下具有至少約2.7V的電壓輸出，並且在該電雙層電容器在海平面65℃的操作溫度下具有至少2.9V的電壓輸出。
  5. 如請求項4所述之電雙層電容器，在海平面65℃下在至少2.9V應力測試1500小時之後具有至少約70%的初始電容和不超過200%的初始等效串聯電阻。
  6. 如請求項5所述之電雙層電容器，其中該電雙層電容器在至少2.6V的電壓輸出下具有約0.5mΩ或更小的壽命起始等效串聯電阻。
  7. 如請求項6所述之電雙層電容器，其中該電雙層電容器在至少2.6V的電壓輸出下具有約0.3mΩ或更小的壽命起始等效串聯電阻。
  8. 如請求項1所述之電雙層電容器，其中該電解質包含溶於一有機溶劑的一電解質鹽，其中該電解質鹽包含四乙銨四氟硼酸鹽或三乙基甲基銨四氟硼酸鹽。
  9. 如請求項8所述之電雙層電容器，其中該有 機溶劑包含乙腈。
  10. 一種用於高操作溫度下的高電壓操作的電雙層電容器，該電雙層電容器包含：一用於該電雙層電容器的殼體；位於該殼體中的碳，其中該碳被活化並包括孔，其中該等孔提供該碳至少500m2/g的高表面積，而且其中該碳為一低氧活化碳，該低氧活化碳具有正量的化學鍵結氧含量，該化學鍵結氧含量係小於1.5重量%；位於該殼體中的電解質，其中該電解質為一低操作溫度電解質，該低操作溫度電解質具有一溶劑，該溶劑在海平面大氣壓下具有低於85℃的沸點，而且其中該電解質為一高濃度電解質，該高濃度電解質具有至少1.0M的莫耳濃度；其中在該電雙層電容器在海平面85℃的操作溫度下：(A)該電雙層電容器的殼體具有一大於大氣壓力的內部壓力，及(B)該電雙層電容器具有至少2.6V的電壓輸出；以及其中在該電雙層電容器在海平面65℃的操作溫度下該電雙層電容器具有至少2.9V的電壓輸出。
  11. 如請求項10所述之電雙層電容器，在海平面65℃下在至少2.9V應力測試1500小時之後具有至少約70%的初始電容和不超過200%的初始等效串聯電阻。
  12. 如請求項10所述之電雙層電容器，其中該電雙層電容器在至少2.6V的電壓輸出下具有約0.5mΩ或更小的壽命起始等效串聯電阻。
  13. 一種用於高操作溫度下的高電壓操作的電雙層電容器，包含：一用於該電雙層電容器的殼體；位於該殼體中的碳，其中該碳被活化並包括孔，其中該等孔提供該碳至少500m2/g的高表面積，而且其中該碳為一低氧活化碳，該低氧活化碳具有正量的化學鍵結氧含量，該化學鍵結氧含量係小於1.5重量%；位於該殼體中的電解質，其中該電解質包含溶於一有機溶劑的一電解質鹽，其中該電解質鹽包含四乙銨四氟硼酸鹽或三乙基甲基銨四氟硼酸鹽；其中在該電雙層電容器在海平面85℃的操作溫度下：(A)該電雙層電容器具有至少2.6V的電壓輸出；及 (B)該電雙層電容器在至少2.6V的電壓輸出下具有約0.5mΩ或更小的壽命起始等效串聯電阻。
  14. 如請求項13所述之電雙層電容器，其中該電雙層電容器在至少2.6V的電壓輸出之一半下具有約0.3mΩ或更小的壽命起始等效串聯電阻。
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