JP2019517130A - 柔軟性があり高性能なスーパーキャパシタのための炭素布上でのポリアニリンナノチューブの直接的成長 - Google Patents

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Abstract

本開示は、簡易かつ利便的方法によって化学的に合成される長方形チューブのポリアニリン（ＰＡＮＩ）から作製される例示的なエネルギー貯蔵装置を更に提供する。活物質としての長方形チューブのＰＡＮＩは、基材としての官能化炭素布（ＦＣＣ）上で合成され、得られた複合体は、集電体としてのステンレス鋼メッシュ上に固定化される。本開示は、化学的に活性化されたＣＣ上での長方形の細孔を有するＰＡＮＩナノチューブの直接的合成のための容易な技術を更に提示する。【選択図】図２

Description

関連出願
相互参照
本出願は、２０１６年４月１日に出願された米国仮出願第６２／３１７，１２０号の利益を主張し、その出願は参照により本明細書に組み込まれる。
高性能エネルギー貯蔵装置の開発は、広範囲の用途において相当な注目を集めている。通常の電子装置は急速に進歩するが、ムーアの法則によれば、電池は、現在の材料のエネルギー密度及び容量の限界に主に起因して、わずかにしか進展していない。このように、短縮した充電時間及び増大した電荷密度を有する電池は、ポータブル電子機器及び再生可能エネルギー装置の設計及び使用に深い影響を及ぼし得る。
官能化炭素布上にナノチューブを成長させるための方法、装置、及びシステムが本明細書で提供される。成長には、官能化炭素布の製造（または合成）、ナノチューブ及びナノ構造の製造（または合成）、及び／または電解質の製造（または合成）が含まれ得る。いくつかの実施形態は、官能化炭素布の製造（または合成）のため及び／またはナノチューブ及びナノ構造の製造（または合成）のため及び／または電解質の製造（または合成）のため及び／またはスーパーキャパシタの製造（または合成）のための方法、装置、及びシステムを提供する。
本明細書に開示される第１の態様は、炭素基材及び炭素基材上に配置された導電性ポリマーを含む官能化炭素電極を含む装置である。
いくつかの実施形態では、官能化炭素電極は、ポリアニリン官能化炭素電極を含む。
いくつかの実施形態では、炭素基材は、炭素布、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲルまたはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは、半柔軟性ロッドポリマーである。いくつかの実施形態では、半柔軟性ロッドポリマーは、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンオキシド）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキチオフェン）、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは、ナノチューブモルフォロジーを有し、ナノチューブは、長方形、正方形、円形、または多角形を含む断面形状を有する。
いくつかの実施形態では、ナノチューブは、約１００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートルの長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、少なくとも約１００ナノメートルの長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、最大で約１０，０００ナノメートルの長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、約１００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約４，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約４，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約２，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約４，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約１，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約３，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約４，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約２，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約４，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約３，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約４，０００ナノメートル〜約５，０００ナノメートル、約４，０００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約４，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約４，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約４，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約４，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約６，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約５，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約６，０００ナノメートル〜約７，０００ナノメートル、約６，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約６，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約６，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約７，０００ナノメートル〜約８，０００ナノメートル、約７，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約７，０００ナノメートル〜約１０，０００ナノメートル、約８，０００ナノメートル〜約９，０００ナノメートル、約８，０００ナノメートル〜約１０，０００の長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、約１０ナノメートル〜約１，０００ナノメートルの外幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、少なくとも約１０ナノメートルの外幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、最大で約１，０００ナノメートルの外幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、約１０ナノメートル〜約５０ナノメートル、約１０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約５００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約６００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約７００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約８００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約９００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約５００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約６００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約７００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約９００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約７００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約７００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約７００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、約８００ナノメートル〜約９００ナノメートル、約８００ナノメートル〜約１，０００ナノメートル、または約９００ナノメートル〜約１，０００ナノメートルの外幅を有する。
いくつかの実施形態では、ナノチューブは、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートルの内幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、少なくとも約５０ナノメートルの内幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、最大で約８００ナノメートルの内幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノチューブは、約５０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約５００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約６００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約７００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約３００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約５００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約４００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約６００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約５００ナノメートル〜約８００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約７００ナノメートル、約６００ナノメートル〜約８００ナノメートル、または約７００ナノメートル〜約８００ナノメートルの内幅を有する。
いくつかの実施形態では、ナノチューブの表面は１つ以上のナノ構造を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のナノ構造は、ナノロッド、ナノチェーン、ナノ繊維、ナノフレーク、ナノフラワー、ナノ粒子、ナノプレートレット、ナノリボン、ナノリング、ナノシート、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約４ナノメートル〜約４００ナノメートルの長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、少なくとも約４ナノメートルの長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、最大で約４００ナノメートルの長さを有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約４ナノメートル〜約１０ナノメートル、約４ナノメートル〜約２５ナノメートル、約４ナノメートル〜約５０ナノメートル、約４ナノメートル〜約７５ナノメートル、約４ナノメートル〜約１００ナノメートル、約４ナノメートル〜約２００ナノメートル、約４ナノメートル〜約３００ナノメートル、約４ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約２５ナノメートル、約１０ナノメートル〜約５０ナノメートル、約１０ナノメートル〜約７５ナノメートル、約１０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約５０ナノメートル、約２５ナノメートル〜約７５ナノメートル、約２５ナノメートル〜約１００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約２００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約３００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約４００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約７５ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約１００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約２００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約３００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約４００ナノメートル、または約３００ナノメートル〜約４００ナノメートルの長さを有する。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約４ナノメートル〜約４００ナノメートルの幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、少なくとも約４ナノメートルの幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、最大で約４００ナノメートルの幅を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約４ナノメートル〜約１０ナノメートル、約４ナノメートル〜約２５ナノメートル、約４ナノメートル〜約５０ナノメートル、約４ナノメートル〜約７５ナノメートル、約４ナノメートル〜約１００ナノメートル、約４ナノメートル〜約２００ナノメートル、約４ナノメートル〜約３００ナノメートル、約４ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約２５ナノメートル、約１０ナノメートル〜約５０ナノメートル、約１０ナノメートル〜約７５ナノメートル、約１０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約５０ナノメートル、約２５ナノメートル〜約７５ナノメートル、約２５ナノメートル〜約１００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約２００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約３００ナノメートル、約２５ナノメートル〜約４００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約７５ナノメートル、約５０ナノメートル〜約１００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約３００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約４００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約１００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約２００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約３００ナノメートル、約７５ナノメートル〜約４００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約２００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約１００ナノメートル〜約４００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約３００ナノメートル、約２００ナノメートル〜約４００ナノメートル、または約３００ナノメートル〜約４００ナノメートルの幅を有する。
いくつかの実施形態では、電極は、約１５０ミリファラド／平方センチメートル（ｍＦ／ｃｍ２）〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも約１５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも約７５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。いくつかの実施形態では、電極は、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約２５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６５０ｍＦ／ｃｍ２、約１５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約３５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６５０ｍＦ／ｃｍ２、約２５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約４５０ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５５０ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６５０ｍＦ／ｃｍ２、約３５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２、約４５０ｍＦ／ｃｍ２〜約５５０ｍＦ／ｃｍ２、約４５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６５０ｍＦ／ｃｍ２、約４５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２、約５５０ｍＦ／ｃｍ２〜約６５０ｍＦ／ｃｍ２、約５５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２、または約６５０ｍＦ／ｃｍ２〜約７５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する。
いくつかの実施形態では、電極の抵抗は、１，０００回の折り畳みサイクル後に約１％〜約８％減少する。いくつかの実施形態では、電極の抵抗は、１，０００回の折り畳みサイクル後に最大で約８％減少する。いくつかの実施形態では、電極の抵抗は、１，０００回の折り畳みサイクル後に約１％〜約２％、約１％〜約３％、約１％〜約４％、約１％〜約５％、約１％〜約６％、約１％〜約７％、約１％〜約８％、約２％〜約３％、約２％〜約４％、約２％〜約５％、約２％〜約６％、約２％〜約７％、約２％〜約８％、約３％〜約４％、約３％〜約５％、約３％〜約６％、約３％〜約７％、約３％〜約８％、約４％〜約５％、約４％〜約６％、約４％〜約７％、約４％〜約８％、約５％〜約６％、約５％〜約７％、約５％〜約８％、約６％〜約７％、約６％〜約８％、または約７％〜約８％減少する。
本明細書に開示される第２の態様は、２つ以上の電極を含むスーパーキャパシタであって、各電極が、官能化炭素電極、集電体、及び電解質を含む、スーパーキャパシタである。
いくつかの実施形態では、官能化炭素電極は、炭素布、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲル、グラフェンフォームまたはそれらの任意の組み合わせを含む炭素基材；及び炭素基材上に配置された導電性ポリマーを含み、その導電性ポリマーは、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンオキシド）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキチオフェン）、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、官能化炭素電極は、ポリアニリン官能化炭素電極である。
いくつかの実施形態では、集電体は金属系である。いくつかの実施形態では、集電体はフェライト系である。いくつかの実施形態では、集電体は、ステンレス鋼、坩堝鋼、炭素鋼、ばね鋼、合金鋼、マルエージング鋼、耐候鋼、工具鋼、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、第１の官能化炭素電極と第２の官能化炭素電極との間に配置される。いくつかの実施形態では、電解質はレドックス電解質である。いくつかの実施形態では、電解質は酸を含む。いくつかの実施形態では、電解質は溶媒を含む。いくつかの実施形態では、電解質は酸及び溶媒を含む。いくつかの実施形態では、酸は強酸である。いくつかの実施形態では、強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、溶媒は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、酸の濃度は約０．５モル濃度（Ｍ）〜約２Ｍである。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、少なくとも約０．５Ｍである。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、最大で約２Ｍである。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、約０．５Ｍ〜約０．７５Ｍ、約０．５Ｍ〜約１Ｍ、約０．５Ｍ〜約１．２５Ｍ、約０．５Ｍ〜約１．５Ｍ、約０．５Ｍ〜約１．７５Ｍ、約０．５Ｍ〜約２Ｍ、約０．７５Ｍ〜約１Ｍ、約０．７５Ｍ〜約１．２５Ｍ、約０．７５Ｍ〜約１．５Ｍ、約０．７５Ｍ〜約１．７５Ｍ、約０．７５Ｍ〜約２Ｍ、約１Ｍ〜約１．２５Ｍ、約１Ｍ〜約１．５Ｍ、約１Ｍ〜１．７５Ｍ、約１Ｍ〜約２Ｍ、約１．２５Ｍ〜約１．５Ｍ、約１．２５Ｍ〜約１．７５Ｍ、約１．２５Ｍ〜約２Ｍ、約１．５Ｍ〜約１．７５Ｍ、約１．５Ｍ〜約２Ｍ、または約１．７５Ｍ〜約２Ｍである。
いくつかの実施形態では、電解質は水性である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．３ボルト（Ｖ）〜約１Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．３Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．３Ｖ〜約０．４Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．５Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．３Ｖ〜約１Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．５Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．４Ｖ〜約１Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．５Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．７Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．７Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．７Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、または約０．９Ｖ〜約１Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、約１，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、約４％〜約１８％減少する。それらの実施形態では、約１，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、最大で約１８％減少する。それらの実施形態では、約１，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、約４％〜約８％、約４％〜約１０％、約４％〜約１２％、約４％〜約１４％、約４％〜約１６％、約４％〜約１８％、約８％〜約１０％、約８％〜約１２％、約８％〜約１４％、約８％〜約１６％、約８％〜約１８％、約１０％〜約１２％、約１０％〜約１４％、約１０％〜約１６％、約１０％〜約１８％、約１２％〜約１４％、約１２％〜約１６％、約１２％〜約１８％、約１４％〜約１６％、約１４％〜約１８％、または約１６％〜約１８％減少する。
それらの実施形態では、約５，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、約６％〜約２６％減少する。それらの実施形態では、約５，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、少なくとも約６％減少する。それらの実施形態では、約５，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、最大で約２６％減少する。それらの実施形態では、約５，０００サイクルの充電の後、スーパーキャパシタの重量静電容量は、約６％〜約１０％、約６％〜約１４％、約６％〜約１８％、約６％〜約２２％、約６％〜約２６％、約１０％〜約１４％、約１０％〜約１８％、約１０％〜約２２％、約１０％〜約２６％、約１４％〜約１８％、約１４％〜約２２％、約１４％〜約２６％、約１８％〜約２２％、約１８％〜約２６％、または約２２％〜約２６％減少する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１アンペア／グラム（Ａ／ｇ）の電流密度で、約３００ファラド／グラム（Ｆ／ｇ）〜約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約３００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１Ａ／ｇの電流密度で、最大で約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１Ａ／ｇの電流密度で、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約９００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約９００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、または約１，１００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約２５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約２５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約１，２０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約２５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約７５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約７５０Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約７５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約７５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、または約１，０００Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、約２００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約２００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、最大で約９００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約８００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約８００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約８００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約８００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ〜約８００Ｆ／ｇ、約６００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約８００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、または約８００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２０Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２０Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２０Ａ／ｇの電流密度で、最大で約７００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２０Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、または約６５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５０Ａ／ｇの電流密度で、約１２５Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５０Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約１２５Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５０Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約６００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５０Ａ／ｇの電流密度で、約１２５Ｆ／ｇ〜約１５０Ｆ／ｇ、約１２５Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１２５Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１２５Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１２５Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１２５Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、または約５００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０ワット時間／キログラム（Ｗｈ／ｋｇ）〜約１２０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１２０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約４０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、または約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、電解質は水性であり、キノンを更に含み、キノンは、１，２−ベンゾキノン；１，４−ベンゾキノン；１，４−ナフトキノン；９，１０−アントラキノン；またはそれらの任意の組み合わせを含む。
それらの実施形態では、キノンは、約０．２５Ｍ〜約１Ｍの濃度を有する。それらの実施形態では、キノンは、少なくとも約０．２５Ｍの濃度を有する。それらの実施形態では、キノンは、最大で約１Ｍの濃度を有する。それらの実施形態では、キノンは、約０．２５Ｍ〜約０．３７５Ｍ、約０．２５Ｍ〜約０．５Ｍ、約０．２５Ｍ〜約０．６２５Ｍ、約０．２５Ｍ〜約１Ｍ、約０．３７５Ｍ〜約０．５Ｍ、約０．３７５Ｍ〜約０．６２５Ｍ、約０．３７５Ｍ〜約１Ｍ、約０．５Ｍ〜約０．６２５Ｍ、約０．５Ｍ〜約１Ｍ、または約０．６２５Ｍ〜約１Ｍの濃度を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．４Ｖ〜約１．２Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．４Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１．２Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．４Ｖ〜約０．５Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．４Ｖ〜約１Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．１Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．５Ｖ〜約１Ｖ、約０．５Ｖ〜約１．１Ｖ、約０．５Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．７Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．７Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．７Ｖ〜約１Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．１Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．９Ｖ〜約１Ｖ、約０．９Ｖ〜約１．１Ｖ、約０．９Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．１Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、または約１．１Ｖ〜約１．２Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．２Ａ／ｇの電流密度で、約３００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約３００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約１１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．２Ａ／ｇの電流密度で、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約９００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約７００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約９００Ｆ／ｇ〜約１，１００Ｆ／ｇ、約９００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、または約１，１００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約１２Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１２０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約２０Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約４０Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約１２Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約４０Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、または約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、電解質はゲルであり、１，２−ベンゾキノン；１，４−ベンゾキノン；１，４−ナフトキノン；９，１０−アントラキノンまたはそれらの任意の組み合わせを含むキノンを更に含む。
それらの実施形態では、キノンの濃度は、約５ミリモル濃度（ｍＭ）〜約２０ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、少なくとも約５ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、最大で約２０ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、約５ミリモル濃度〜約７ミリモル濃度、約５ミリモル濃度〜約９ミリモル濃度、約５ミリモル濃度〜約１１ミリモル濃度、約５ミリモル濃度〜約１３ミリモル濃度、約５ミリモル濃度〜約１５ミリモル濃度、約５ミリモル濃度〜約２０ミリモル濃度、約７ミリモル濃度〜約９ミリモル濃度、約７ミリモル濃度〜約１１ミリモル濃度、約７ミリモル濃度〜約１３ミリモル濃度、約７ミリモル濃度〜約１５ミリモル濃度、約７ミリモル濃度〜約２０ミリモル濃度、約９ミリモル濃度〜約１１ミリモル濃度、約９ミリモル濃度〜約１３ミリモル濃度、約９ミリモル濃度〜約１５ミリモル濃度、約９ミリモル濃度〜約２０ミリモル濃度、約１１ミリモル濃度〜約１３ミリモル濃度、約１１ミリモル濃度〜約１５ミリモル濃度、約１１ミリモル濃度〜約２０ミリモル濃度、約１３ミリモル濃度〜約１５ミリモル濃度、約１３ミリモル濃度〜約２０ミリモル濃度、または約１５ミリモル濃度〜約２０ミリモル濃度である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．４Ｖ〜約１．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．４Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約０．４Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．４Ｖ〜約０．５Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．４Ｖ〜約１Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．５Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．５Ｖ〜約１Ｖ、約０．５Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．５Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．５Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．７Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．７Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．７Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．７Ｖ〜約１Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約０．９Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．９Ｖ〜約１Ｖ、約０．９Ｖ〜１．２Ｖ、約０．９Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．９Ｖ〜約１．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．６Ｖ、または約１．４Ｖ〜約１．６Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約３５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約３５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約３５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約７５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約８５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約７５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約８５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約７５０Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約８５０Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約６５０Ｆ／ｇ〜約７５０Ｆ／ｇ、約６５０Ｆ／ｇ〜約８５０Ｆ／ｇ、約６５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約６５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約６５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約７５０Ｆ／ｇ〜約８５０Ｆ／ｇ、約７５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約７５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約７５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約８５０Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約８５０Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約８５０Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約１，２００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇ、または約１，２００Ｆ／ｇ〜約１，４００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約４０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、または約１２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、第３の官能化炭素電極を更に含む。いくつかの実施形態では、第３の官能化炭素電極は、ポリアニリン官能化炭素電極である。
いくつかの実施形態では、電解質は電極間に配置される。いくつかの実施形態では、電解質は酸を含む。いくつかの実施形態では、電解質は溶媒を含む。いくつかの実施形態では、電解質は酸及び溶媒を含む。いくつかの実施形態では、酸は強酸である。いくつかの実施形態では、強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、溶媒は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）の構造及び特性に大きな影響を及ぼす。
それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、少なくとも約０．２５ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、最大で約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約０．３７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、または約０．７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．１Ｖ〜約１．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．１Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．１Ｖ〜約０．２Ｖ、約０．１Ｖ〜約０．３Ｖ、約０．１Ｖ〜約０．４Ｖ、約０．１Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．１Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．１Ｖ〜約１Ｖ、約０．１Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．１Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．１Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．３Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．４Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．２Ｖ〜約１Ｖ、約０．２Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．２Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．４Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．３Ｖ〜約１Ｖ、約０．３Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．３Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．３Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．４Ｖ〜約１Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．６Ｖ、または約１．４Ｖ〜約１．６Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、約５，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約５，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、最大で約２０，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、約５，０００Ｆ／ｇ〜約６，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約１２，５００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約１２，５００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１２，５００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１２，５００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約９，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約９，０００Ｆ／ｇ〜約１２，５００Ｆ／ｇ、約９，０００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約９，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約９，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約１０，０００Ｆ／ｇ〜約１２，５００Ｆ／ｇ、約１０，０００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約１０，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約１０，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約１２，５００Ｆ／ｇ〜約１５，０００Ｆ／ｇ、約１２，５００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約１２，５００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、約１５，０００Ｆ／ｇ〜約１７，５００Ｆ／ｇ、約１５，０００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇ、または約１７，５００Ｆ／ｇ〜約２０，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
本明細書に開示される第３の態様は、２つ以上の電極であって、第１の電極が官能化炭素電極を含み、第２の電極が活性炭電極を含む、２つ以上の電極；集電体；及び電解質を含むスーパーキャパシタである。いくつかの実施形態では、集電体は金属系である。いくつかの実施形態では、官能化炭素電極は、ポリアニリン官能化炭素電極である。いくつかの実施形態では、集電体はフェライト系である。いくつかの実施形態では、集電体は、ステンレス鋼、坩堝鋼、炭素鋼、ばね鋼、合金鋼、マルエージング鋼、耐候鋼、工具鋼、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、第１の官能化炭素電極と第２の官能化炭素電極との間に配置される。いくつかの実施形態では、電解質は酸を含む。いくつかの実施形態では、電解質は溶媒を含む。いくつかの実施形態では、電解質は酸及び溶媒を含む。いくつかの実施形態では、酸は強酸である。いくつかの実施形態では、強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、溶媒は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、電解質は水性電解質である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．６Ｖ〜約２．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約２．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約２Ｖ、約０．６Ｖ〜約２．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約２．４Ｖ、約０．６Ｖ〜約２．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．８Ｖ〜約２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．８Ｖ、約１Ｖ〜約２Ｖ、約１Ｖ〜約２．２Ｖ、約１Ｖ〜約２．４Ｖ、約１Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．２Ｖ〜約２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．４Ｖ〜約２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．６Ｖ〜約２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．８Ｖ〜約２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．６Ｖ、約２Ｖ〜約２．２Ｖ、約２Ｖ〜約２．４Ｖ、約２Ｖ〜約２．６Ｖ、約２．２Ｖ〜約２．４Ｖ、約２．２Ｖ〜約２．６Ｖ、または約２．４Ｖ〜約２．６Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約６００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、または約５５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約４５Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１８０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約１４０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約１６０Ｗｈ／ｋｇ、約４５Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１４０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１６０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１４０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１６０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１４０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１６０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇ、約１２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１４０Ｗｈ／ｋｇ、約１２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１６０Ｗｈ／ｋｇ、約１２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇ、約１４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１６０Ｗｈ／ｋｇ、約１４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇ、または約１６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１８０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、水性電解質はキノンを含む。
それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、少なくとも約０．２５ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、最大で約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約０．３７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、または約０．７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．６Ｖ〜約３．５Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約３．５Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約２Ｖ、約０．６Ｖ〜約２．５Ｖ、約０．６Ｖ〜約３Ｖ、約０．６Ｖ〜約３．５Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．８Ｖ〜約２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．５Ｖ、約０．８Ｖ〜約３Ｖ、約０．８Ｖ〜約３．５Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．８Ｖ、約１Ｖ〜約２Ｖ、約１Ｖ〜約２．５Ｖ、約１Ｖ〜約３Ｖ、約１Ｖ〜約３．５Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．２Ｖ〜約２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．５Ｖ、約１．２Ｖ〜約３Ｖ、約１．２Ｖ〜約３．５Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．４Ｖ〜約２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．５Ｖ、約１．４Ｖ〜約３Ｖ、約１．４Ｖ〜約３．５Ｖ、約１．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．６Ｖ〜約２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．５Ｖ、約１．６Ｖ〜約３Ｖ、約１．６Ｖ〜約３．５Ｖ、約１．８Ｖ〜約２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．５Ｖ、約１．８Ｖ〜約３Ｖ、約１．８Ｖ〜約３．５Ｖ、約２Ｖ〜約２．５Ｖ、約２Ｖ〜約３Ｖ、約２Ｖ〜約３．５Ｖ、約２．５Ｖ〜約３Ｖ、約２．５Ｖ〜約３．５Ｖ、または約３Ｖ〜約３．５Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約７００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇ、または約６００Ｆ／ｇ〜約７００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約４０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１，６００Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約５００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約５００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約５００Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、約２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約５００Ｗｈ／ｋｇ、約２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇ、または約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，６００Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、電解質はゲル電解質である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．６Ｖ〜約２．４Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．６Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約２．４Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約２Ｖ、約０．６Ｖ〜約２．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約２．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．８Ｖ〜約２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．８Ｖ、約１Ｖ〜約２Ｖ、約１Ｖ〜約２．２Ｖ、約１Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．２Ｖ〜約２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．４Ｖ〜約２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．６Ｖ〜約２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．８Ｖ〜約２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．４Ｖ、約２Ｖ〜約２．２Ｖ、約２Ｖ〜約２．４Ｖ、または約２．２Ｖ〜約２．４Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約１５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約６５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約１５０Ｆ／ｇ〜約２００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約１５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約２５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２００Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約２５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約３５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３００Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約３５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約４５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４００Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約４５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約５５０Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約５００Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約６００Ｆ／ｇ、約５５０Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇ、または約６００Ｆ／ｇ〜約６５０Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約４０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約９０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約９０Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約９０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約９０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１１０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、約１１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約１１０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇ、または約１２０Ｗｈ／ｋｇ〜約１３０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する。
いくつかの実施形態では、ゲル電解質はキノンを含む。
それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、少なくとも約０．２５ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、最大で約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約０．３７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、または約０．７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．７Ｖ〜約２．８Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．７Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約２．８Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．７Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．７Ｖ〜約１Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．７Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．７Ｖ〜約２Ｖ、約０．７Ｖ〜約２．２Ｖ、約０．７Ｖ〜約２．４Ｖ、約０．７Ｖ〜約２．６Ｖ、約０．７Ｖ〜約２．８Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．８Ｖ、約０．８Ｖ〜約２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．４Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．６Ｖ、約０．８Ｖ〜約２．８Ｖ、約１Ｖ〜約１．２Ｖ、約１Ｖ〜約１．４Ｖ、約１Ｖ〜約１．６Ｖ、約１Ｖ〜約１．８Ｖ、約１Ｖ〜約２Ｖ、約１Ｖ〜約２．２Ｖ、約１Ｖ〜約２．４Ｖ、約１Ｖ〜約２．６Ｖ、約１Ｖ〜約２．８Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．２Ｖ〜約２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．２Ｖ〜約２．８Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．６Ｖ、約１．４Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．４Ｖ〜約２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．４Ｖ〜約２．８Ｖ、約１．６Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．６Ｖ〜約２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．６Ｖ〜約２．８Ｖ、約１．８Ｖ〜約２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．２Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．４Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．６Ｖ、約１．８Ｖ〜約２．８Ｖ、約２Ｖ〜約２．２Ｖ、約２Ｖ〜約２．４Ｖ、約２Ｖ〜約２．６Ｖ、約２Ｖ〜約２．８Ｖ、約２．２Ｖ〜約２．４Ｖ、約２．２Ｖ〜約２．６Ｖ、約２．２Ｖ〜約２．８Ｖ、約２．４Ｖ〜約２．６Ｖ、約２．４Ｖ〜約２．８Ｖ、または約２．６Ｖ〜約２．８Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約２，５００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約２，５００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、最大で約１０，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約２Ａ／ｇの電流密度で、約２，５００Ｆ／ｇ〜約３，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約４，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約５，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約６，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約２，５００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約４，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約５，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約６，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約３，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約４，０００Ｆ／ｇ〜約５，０００Ｆ／ｇ、約４，０００Ｆ／ｇ〜約６，０００Ｆ／ｇ、約４，０００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約４，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約４，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約４，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約６，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約５，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約７，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約６，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約９，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇ、または約９，０００Ｆ／ｇ〜約１０，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約７００Ｗｈ／ｋｇの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約３，００Ｗｈ／ｋｇの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，０００Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約７００Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約２，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約２，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約２，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約２，０００Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，５００Ｗｈ／ｋｇ、約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約２，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、約２，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約２，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇ、または約２，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約３，０００Ｗｈ／ｋｇの、電極の重量によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌの、電極の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約１００Ｗｈ／Ｌの、電極の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約２，０００Ｗｈ／Ｌの、電極の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約６２５Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約７５０Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約８７５Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約１，１２５Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約１，２５０Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約５００Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約７５０Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約８７５Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，１２５Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，２５０Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約６２５Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約８７５Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，１２５Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，２５０Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約７５０Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，１２５Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，２５０Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約８７５Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，１２５Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，２５０Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約１，１２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，２５０Ｗｈ／Ｌ、約１，１２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約１，１２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約１，１２５Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約１，１２５Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約１，２５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，３７５Ｗｈ／Ｌ、約１，２５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約１，２５０Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約１，２５０Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約１，３７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，５００Ｗｈ／Ｌ、約１，３７５Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約１，３７５Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、約１，５００Ｗｈ／Ｌ〜約１，７５０Ｗｈ／Ｌ、約１，５００Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌ、または約１，７５０Ｗｈ／Ｌ〜約２，０００Ｗｈ／Ｌの、電極の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約１００Ｗｈ／ｋｇの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約２，０００Ｗｈ／ｋｇの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約６２５Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約８７５Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約７５０Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約８７５Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約６２５Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約８７５Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約８７５Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，１２５Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，２５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，５００Ｗｈ／ｋｇ、約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，３７５Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ、約１，５００Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇ、または約１，７５０Ｗｈ／ｋｇ〜約２，０００Ｗｈ／ｋｇの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約１００Ｗｈ／Ｌの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１，８００Ｗｈ／Ｌの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約６００Ｗｈ／Ｌ、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約８００Ｗｈ／Ｌ、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約１，２００Ｗｈ／Ｌ、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約１，４００Ｗｈ／Ｌ、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約１，６００Ｗｈ／Ｌ、約４００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌ、約６００Ｗｈ／Ｌ〜約８００Ｗｈ／Ｌ、約６００Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約６００Ｗｈ／Ｌ〜約１，２００Ｗｈ／Ｌ、約６００Ｗｈ／Ｌ〜約１，４００Ｗｈ／Ｌ、約６００Ｗｈ／Ｌ〜約１，６００Ｗｈ／Ｌ、約６００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌ、約８００Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約８００Ｗｈ／Ｌ〜約１，２００Ｗｈ／Ｌ、約８００Ｗｈ／Ｌ〜約１，４００Ｗｈ／Ｌ、約８００Ｗｈ／Ｌ〜約１，６００Ｗｈ／Ｌ、約８００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，２００Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，４００Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，６００Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌ、約１，２００Ｗｈ／Ｌ〜約１，４００Ｗｈ／Ｌ、約１，２００Ｗｈ／Ｌ〜約１，６００Ｗｈ／Ｌ、約１，２００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌ、約１，４００Ｗｈ／Ｌ〜約１，６００Ｗｈ／Ｌ、約１，４００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌ、または約１，６００Ｗｈ／Ｌ〜約１，８００Ｗｈ／Ｌの、電極及びレドックス電解質の体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約３０Ｗｈ／ｋｇの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１２０Ｗｈ／ｋｇの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約４０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約３０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約５０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約４０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約６０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約５０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約７０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約６０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約８０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約７０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約９０Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約８０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、約９０Ｗｈ／ｋｇ〜約１００Ｗｈ／ｋｇ、約９０Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇ、または約１００Ｗｈ／ｋｇ〜約１２０Ｗｈ／ｋｇの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約４０Ｗｈ／Ｌの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１８０Ｗｈ／Ｌの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約５０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約６０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約７０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約８０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約９０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約４０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約６０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約７０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約８０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約９０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約５０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約７０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約８０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約９０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約６０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約８０Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約９０Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約７０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約８０Ｗｈ／Ｌ〜約９０Ｗｈ／Ｌ、約８０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約８０Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約８０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約８０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約８０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約９０Ｗｈ／Ｌ〜約１００Ｗｈ／Ｌ、約９０Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約９０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約９０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約９０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１２０Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約１００Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約１２０Ｗｈ／Ｌ〜約１４０Ｗｈ／Ｌ、約１２０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約１２０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、約１４０Ｗｈ／Ｌ〜約１６０Ｗｈ／Ｌ、約１４０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌ、または約１６０Ｗｈ／Ｌ〜約１８０Ｗｈ／Ｌの、電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積によって正規化された重量エネルギー密度を有する。
本明細書に開示される第４の態様は、３つの電極を含むスーパーキャパシタであって、各電極が、活性炭電極、集電体、及び電解質を含む、スーパーキャパシタである。いくつかの実施形態では、集電体は金属系である。いくつかの実施形態では、集電体はフェライト系である。いくつかの実施形態では、集電体は、ステンレス鋼、坩堝鋼、炭素鋼、ばね鋼、合金鋼、マルエージング鋼、耐候鋼、工具鋼、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、電解質は電極間に配置される。いくつかの実施形態では、電解質は酸を含む。いくつかの実施形態では、電解質は溶媒を含む。いくつかの実施形態では、電解質は酸及び溶媒を含む。いくつかの実施形態では、酸は強酸である。いくつかの実施形態では、強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、溶媒は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、電解質はゲル電解質であり、ゲル電解質はキノンを含む。それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、少なくとも約０．２５ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、最大で約１ミリモル濃度である。それらの実施形態では、キノンの濃度は、約０．２５ミリモル濃度〜約０．３７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．３７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．６２５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約０．７５ミリモル濃度、約０．６２５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度、または約０．７５ミリモル濃度〜約１ミリモル濃度である。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．２Ｖ〜約１．２Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、少なくとも約０．２Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、最大で約１．２Ｖの動作電位を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約０．２Ｖ〜約０．３Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．４Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．２Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．２Ｖ〜約１Ｖ、約０．２Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．４Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．３Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．３Ｖ〜約１Ｖ、約０．３Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．６Ｖ、約０．４Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．４Ｖ〜約１Ｖ、約０．４Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．６Ｖ〜約０．８Ｖ、約０．６Ｖ〜約１Ｖ、約０．６Ｖ〜約１．２Ｖ、約０．８Ｖ〜約１Ｖ、約０．８Ｖ〜約１．２Ｖ、または約１Ｖ〜約１．２Ｖの動作電位を有する。
それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、約１，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、少なくとも約１，０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、最大で約８．０００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。それらの実施形態では、スーパーキャパシタは、約１０Ａ／ｇの電流密度で、約７，０００Ｆ／ｇ〜約８，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１，２５０Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約１，５００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約２，０００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約２，２５０Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約７，０００Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１，２５０Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約１，５００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約２，０００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約２，２５０Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約８，０００Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約１，２５０Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約１，５００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約２，０００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約２，２５０Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約１，０００Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、約１，２５０Ｆ／ｇ〜約１，５００Ｆ／ｇ、約１，２５０Ｆ／ｇ〜約２，０００Ｆ／ｇ、約１，２５０Ｆ／ｇ〜約２，２５０Ｆ／ｇ、約１，２５０Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約１，２５０Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、約１，５００Ｆ／ｇ〜約２，０００Ｆ／ｇ、約１，５００Ｆ／ｇ〜約２，２５０Ｆ／ｇ、約１，５００Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約１，５００Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、約２，０００Ｆ／ｇ〜約２，２５０Ｆ／ｇ、約２，０００Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約２，０００Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、約２，２５０Ｆ／ｇ〜約２，５００Ｆ／ｇ、約２，２５０Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇ、または約２，５００Ｆ／ｇ〜約２，８００Ｆ／ｇの重量静電容量を有する。
本明細書で提供される第５の態様は、官能化炭素電極を作製する方法であって、炭素基材を官能化する工程、官能化炭素基材を調製する工程、重合流体を配合する工程、及び官能化炭素基材上にナノチューブを合成する工程を含む、方法である。
いくつかの実施形態では、官能化炭素電極は、ポリアニリン官能化炭素電極である。いくつかの実施形態では、ナノチューブはポリアニリンナノチューブである。
いくつかの実施形態では、炭素基材を官能化する工程は、官能化溶液を形成すること、官能化溶液を加熱すること、官能化溶液を冷却すること、炭素基材のピースを官能化溶液中に移すこと、及び官能化炭素基材のピースをすすぐことを含む。いくつかの実施形態では、基材は水中ですすがれる。
いくつかの実施形態では、官能化溶液は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、及び硝酸、塩素酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む強酸を含む。
いくつかの実施形態では、官能化溶液は、第１の強酸及び第２の強酸を含み、第１の強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、硝酸、塩素酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第２の強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、硝酸、塩素酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、官能化溶液は、約１５％〜約６０％の体積百分率の第１の強酸を含む。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、少なくとも約１５％の体積百分率の第１の強酸を含む。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、最大で約６０％の体積百分率の第１の強酸を含む。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、約１５％〜約２０％、約１５％〜約２５％、約１５％〜約３０％、約１５％〜約３５％、約１５％〜約４０％、約１５％〜約４５％、約１５％〜約５０％、約１５％〜約５５％、約１５％〜約６０％、約２０％〜約２５％、約２０％〜約３０％、約２０％〜約３５％、約２０％〜約４０％、約２０％〜約４５％、約２０％〜約５０％、約２０％〜約５５％、約２０％〜約６０％、約２５％〜約３０％、約２５％〜約３５％、約２５％〜約４０％、約２５％〜約４５％、約２５％〜約５０％、約２５％〜約５５％、約２５％〜約６０％、約３０％〜約３５％、約３０％〜約４０％、約３０％〜約４５％、約３０％〜約５０％、約３０％〜約５５％、約３０％〜約６０％、約３５％〜約４０％、約３５％〜約４５％、約３５％〜約５０％、約３５％〜約５５％、約３５％〜約６０％、約４０％〜約４５％、約４０％〜約５０％、約４０％〜約５５％、約４０％〜約６０％、約４５％〜約５０％、約４５％〜約５５％、約４５％〜約６０％、約５０％〜約５５％、約５０％〜約６０％、または約５５％〜約６０％の体積百分率の第１の強酸を含む。
いくつかの実施形態では、官能化溶液は、約３０℃〜約１２０℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、少なくとも約３０℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、最大で約１２０℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、約３０℃〜約４０℃、約３０℃〜約５０℃、約３０℃〜約６０℃、約３０℃〜約７０℃、約３０℃〜約８０℃、約３０℃〜約９０℃、約３０℃〜約１００℃、約３０℃〜約１１０℃、約３０℃〜約１２０℃、約４０℃〜約５０℃、約４０℃〜約６０℃、約４０℃〜約７０℃、約４０℃〜約８０℃、約４０℃〜約９０℃、約４０℃〜約１００℃、約４０℃〜約１１０℃、約４０℃〜約１２０℃、約５０℃〜約６０℃、約５０℃〜約７０℃、約５０℃〜約８０℃、約５０℃〜約９０℃、約５０℃〜約１００℃、約５０℃〜約１１０℃、約５０℃〜約１２０℃、約６０℃〜約７０℃、約６０℃〜約８０℃、約６０℃〜約９０℃、約６０℃〜約１００℃、約６０℃〜約１１０℃、約６０℃〜約１２０℃、約７０℃〜約８０℃、約７０℃〜約９０℃、約７０℃〜約１００℃、約７０℃〜約１１０℃、約７０℃〜約１２０℃、約８０℃〜約９０℃、約８０℃〜約１００℃、約８０℃〜約１１０℃、約８０℃〜約１２０℃、約９０℃〜約１００℃、約９０℃〜約１１０℃、約９０℃〜約１２０℃、約１００℃〜約１１０℃、約１００℃〜約１２０℃、または約１１０℃〜約１２０℃の温度に加熱される。
いくつかの実施形態では、官能化溶液は、約６０分〜約２４０分の期間加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、少なくとも約６０分の期間加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、最大で約２４０分の期間加熱される。いくつかの実施形態では、官能化溶液は、約６０分〜約８０分、約６０分〜約１００分、約６０分〜約１２０分、約６０分〜約１４０分、約６０分〜約１６０分、約６０分〜約１８０分、約６０分〜約２００分、約６０分〜約２２０分、約６０分〜約２４０分、約８０分〜約１００分、約８０分〜約１２０分、約８０分〜約１４０分、約８０分〜約１６０分、約８０分〜約１８０分、約８０分〜約２００分、約８０分〜約２２０分、約８０分〜約２４０分、約１００分〜約１２０分、約１００分〜約１４０分、約１００分〜約１６０分、約１００分〜約１８０分、約１００分〜約２００分、約１００分〜約２２０分、約１００分〜約２４０分、約１２０分〜約１４０分、約１２０分〜約１６０分、約１２０分〜約１８０分、約１２０分〜約２００分、約１２０分〜約２２０分、約１２０分〜約２４０分、約１４０分〜約１６０分、約１４０分〜約１８０分、約１４０分〜約２００分、約１４０分〜約２２０分、約１４０分〜約２４０分、約１６０分〜約１８０分、約１６０分〜約２００分、約１６０分〜約２２０分、約１６０分〜約２４０分、約１８０分〜約２００分、約１８０分〜約２２０分、約１８０分〜約２４０分、約２００分〜約２２０分、約２００分〜約２４０分、または約２２０分〜約２４０分の期間加熱される。
いくつかの実施形態では、官能化溶液は室温に冷却される。いくつかの実施形態では、水は脱イオン化される。
いくつかの実施形態では、水は、約５℃〜約４０℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、水は、少なくとも約５℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、水は、最大で約４０℃の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、水は、約５℃〜約１０℃、約５℃〜約１５℃、約５℃〜約２０℃、約５℃〜約２５℃、約５℃〜約３０℃、約５℃〜約３５℃、約５℃〜約４０℃、約１０℃〜約１５℃、約１０℃〜約２０℃、約１０℃〜約２５℃、約１０℃〜約３０℃、約１０℃〜約３５℃、約１０℃〜約４０℃、約１５℃〜約２０℃、約１５℃〜約２５℃、約１５℃〜約３０℃、約１５℃〜約３５℃、約１５℃〜約４０℃、約２０℃〜約２５℃、約２０℃〜約３０℃、約２０℃〜約３５℃、約２０℃〜約４０℃、約２５℃〜約３０℃、約２５℃〜約３５℃、約２５℃〜約４０℃、約３０℃〜約３５℃、約３０℃〜約４０℃、または約３５℃〜約４０℃の温度に加熱される。
いくつかの実施形態では、水の体積は、約０．５リットル（Ｌ）〜約２Ｌである。いくつかの実施形態では、水の体積は、少なくとも約０．５Ｌである。いくつかの実施形態では、水の体積は、最大で約２Ｌである。いくつかの実施形態では、水の体積は、約０．５Ｌ〜約０．６２５Ｌ、約０．５Ｌ〜約０．７５Ｌ、約０．５Ｌ〜約０．８７５Ｌ、約０．５Ｌ〜約１Ｌ、約０．５Ｌ〜約１．２５Ｌ、約０．５Ｌ〜約１．５Ｌ、約０．５Ｌ〜約１．７５Ｌ、約０．５Ｌ〜約２Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約０．７５Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約０．８７５Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約１Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約１．２５Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約１．５Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約１．７５Ｌ、約０．６２５Ｌ〜約２Ｌ、約０．７５Ｌ〜約０．８７５Ｌ、約０．７５Ｌ〜約１Ｌ、約０．７５Ｌ〜約１．２５Ｌ、約０．７５Ｌ〜約１．５Ｌ、約０．７５Ｌ〜約１．７５Ｌ、約０．７５Ｌ〜約２Ｌ、約０．８７５Ｌ〜約１Ｌ、約０．８７５Ｌ〜約１．２５Ｌ、約０．８７５Ｌ〜約１．５Ｌ、約０．８７５Ｌ〜約１．７５Ｌ、約０．８７５Ｌ〜約２Ｌ、約１Ｌ〜約１．２５Ｌ、約１Ｌ〜約１．５Ｌ、約１Ｌ〜約１．７５Ｌ、約１Ｌ〜約２Ｌ、約１．２５Ｌ〜約１．５Ｌ、約１．２５Ｌ〜約１．７５Ｌ、約１．２５Ｌ〜約２Ｌ、約１．５Ｌ〜約１．７５Ｌ、約１．５Ｌ〜約２Ｌ、または約１．７５Ｌ〜約２Ｌである。
いくつかの実施形態では、炭素基材は、炭素布、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲル、またはそれらの任意の組み合わせから構成される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、官能化の後にアニール処理される。
いくつかの実施形態では、アニール処理温度は、約１００℃〜約４００℃である。いくつかの実施形態では、アニール処理温度は、少なくとも約１００℃である。いくつかの実施形態では、アニール処理温度は、最大で約４００℃である。いくつかの実施形態では、アニール処理温度は、約１００℃〜約１５０℃、約１００℃〜約２００℃、約１００℃〜約２５０℃、約１００℃〜約３００℃、約１００℃〜約３５０℃、約１００℃〜約４００℃、約１５０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約３００℃、約１５０℃〜約３５０℃、約１５０℃〜約４００℃、約２００℃〜約２５０℃、約２００℃〜約３００℃、約２００℃〜約３５０℃、約２００℃〜約４００℃、約２５０℃〜約３００℃、約２５０℃〜約３５０℃、約２５０℃〜約４００℃、約３００℃〜約３５０℃、約３００℃〜約４００℃、または約３５０℃〜約４００℃である。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約０．５時間〜約１４時間の期間アニール処理される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、少なくとも約０．５時間の期間アニール処理される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、最大で約１４時間の期間アニール処理される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約０．５時間〜約１時間、約０．５時間〜約２時間、約０．５時間〜約５時間、約０．５時間〜約７時間、約０．５時間〜約９時間、約０．５時間〜約１１時間、約０．５時間〜約１４時間、約１時間〜約２時間、約１時間〜約５時間、約１時間〜約７時間、約１時間〜約９時間、約１時間〜約１１時間、約１時間〜約１４時間、約２時間〜約５時間、約２時間〜約７時間、約２時間〜約９時間、約２時間〜約１１時間、約２時間〜約１４時間、約５時間〜約７時間、約５時間〜約９時間、約５時間〜約１１時間、約５時間〜約１４時間、約７時間〜約９時間、約７時間〜約１１時間、約７時間〜約１４時間、約９時間〜約１１時間、約９時間〜約１４時間、または約１１時間〜約１４時間の期間アニール処理される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材を調製する工程は、官能化炭素基材のピースを切断すること、官能化炭素基材のピースを溶媒溶液中に沈めること、官能化炭素基材のピースを溶媒溶液中で超音波処理すること、及び官能化炭素基材のピースを乾燥させることを含む。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約０．１平方センチメートル（ｃｍ２）〜約０．５ｃｍ２の幾何学的面積を有する。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、少なくとも約０．１ｃｍ２の幾何学的面積を有する。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、最大で約０．５ｃｍ２の幾何学的面積を有する。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約０．１ｃｍ２〜約０．２ｃｍ２、約０．１ｃｍ２〜約０．３ｃｍ２、約０．１ｃｍ２〜約０．４ｃｍ２、約０．１ｃｍ２〜約０．５ｃｍ２、約０．２ｃｍ２〜約０．３ｃｍ２、約０．２ｃｍ２〜約０．４ｃｍ２、約０．２ｃｍ２〜約０．５ｃｍ２、約０．３ｃｍ２〜約０．４ｃｍ２、約０．３ｃｍ２〜約０．５ｃｍ２、または約０．４ｃｍ２〜約０．５ｃｍ２の幾何学的面積を有する。
いくつかの実施形態では、溶媒溶液は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、溶媒溶液は第１の溶媒及び第２の溶媒を含む。いくつかの実施形態では、第１の溶媒溶液は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第２の溶媒溶液は、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、炭酸プロピレン、エタノール、ギ酸、ｎ−ブタノール、メタノール、酢酸、水、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、第１の溶媒は、約２５％〜約９５％の体積百分率の溶媒溶液を含む。いくつかの実施形態では、第１の溶媒は、少なくとも約２５％の体積百分率の溶媒溶液を含む。いくつかの実施形態では、第１の溶媒は、最大で約９５％の体積百分率の溶媒溶液を含む。いくつかの実施形態では、第１の溶媒は、約２５％〜約３５％、約２５％〜約４５％、約２５％〜約５５％、約２５％〜約６５％、約２５％〜約７５％、約２５％〜約８５％、約２５％〜約９５％、約３５％〜約４５％、約３５％〜約５５％、約３５％〜約６５％、約３５％〜約７５％、約３５％〜約８５％、約３５％〜約９５％、約４５％〜約５５％、約４５％〜約６５％、約４５％〜約７５％、約４５％〜約８５％、約４５％〜約９５％、約５５％〜約６５％、約５５％〜約７５％、約５５％〜約８５％、約５５％〜約９５％、約６５％〜約７５％、約６５％〜約８５％、約６５％〜約９５％、約７５％〜約８５％、約７５％〜約９５％、または約８５％〜約９５％の体積百分率の溶媒溶液を含む。
いくつかの実施形態では、超音波処理の期間は、約３０分〜約６０分である。いくつかの実施形態では、超音波処理の期間は、少なくとも約３０分である。いくつかの実施形態では、超音波処理の期間は、最大で約６０分である。いくつかの実施形態では、超音波処理の期間は、約３０分〜約３５分、約３０分〜約４０分、約３０分〜約４５分、約３０分〜約５０分、約３０分〜約５５分、約３０分〜約６０分、約３５分〜約４０分、約３５分〜約４５分、約３５分〜約５０分、約３５分〜約５５分、約３５分〜約６０分、約４０分〜約４５分、約４０分〜約５０分、約４０分〜約５５分、約４０分〜約６０分、約４５分〜約５０分、約４５分〜約５５分、約４５分〜約６０分、約５０分〜約５５分、約５０分〜約６０分、または約５５分〜約６０分である。
いくつかの実施形態では、乾燥は、約３０℃〜約１２０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、乾燥は、少なくとも約３０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、乾燥は、最大で約１２０℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、乾燥は、約３０℃〜約４０℃、約３０℃〜約５０℃、約３０℃〜約６０℃、約３０℃〜約７０℃、約３０℃〜約８０℃、約３０℃〜約９０℃、約３０℃〜約１００℃、約３０℃〜約１１０℃、約３０℃〜約１２０℃、約４０℃〜約５０℃、約４０℃〜約６０℃、約４０℃〜約７０℃、約４０℃〜約８０℃、約４０℃〜約９０℃、約４０℃〜約１００℃、約４０℃〜約１１０℃、約４０℃〜約１２０℃、約５０℃〜約６０℃、約５０℃〜約７０℃、約５０℃〜約８０℃、約５０℃〜約９０℃、約５０℃〜約１００℃、約５０℃〜約１１０℃、約５０℃〜約１２０℃、約６０℃〜約７０℃、約６０℃〜約８０℃、約６０℃〜約９０℃、約６０℃〜約１００℃、約６０℃〜約１１０℃、約６０℃〜約１２０℃、約７０℃〜約８０℃、約７０℃〜約９０℃、約７０℃〜約１００℃、約７０℃〜約１１０℃、約７０℃〜約１２０℃、約８０℃〜約９０℃、約８０℃〜約１００℃、約８０℃〜約１１０℃、約８０℃〜約１２０℃、約９０℃〜約１００℃、約９０℃〜約１１０℃、約９０℃〜約１２０℃、約１００℃〜約１１０℃、約１００℃〜約１２０℃、または約１１０℃〜約１２０℃の温度で行われる。
いくつかの実施形態では、乾燥は、約３時間〜約１２時間の期間にわたって行われる。いくつかの実施形態では、乾燥は、少なくとも約３時間の期間にわたって行われる。いくつかの実施形態では、乾燥は、最大で約１２時間の期間にわたって行われる。いくつかの実施形態では、乾燥は、約３時間〜約４時間、約３時間〜約５時間、約３時間〜約６時間、約３時間〜約７時間、約３時間〜約８時間、約３時間〜約９時間、約３時間〜約１０時間、約３時間〜約１１時間、約３時間〜約１２時間、約４時間〜約５時間、約４時間〜約６時間、約４時間〜約７時間、約４時間〜約８時間、約４時間〜約９時間、約４時間〜約１０時間、約４時間〜約１１時間、約４時間〜約１２時間、約５時間〜約６時間、約５時間〜約７時間、約５時間〜約８時間、約５時間〜約９時間、約５時間〜約１０時間、約５時間〜約１１時間、約５時間〜約１２時間、約６時間〜約７時間、約６時間〜約８時間、約６時間〜約９時間、約６時間〜約１０時間、約６時間〜約１１時間、約６時間〜約１２時間、約７時間〜約８時間、約７時間〜約９時間、約７時間〜約１０時間、約７時間〜約１１時間、約７時間〜約１２時間、約８時間〜約９時間、約８時間〜約１０時間、約８時間〜約１１時間、約８時間〜約１２時間、約９時間〜約１０時間、約９時間〜約１１時間、約９時間〜約１２時間、約１０時間〜約１１時間、約１０時間〜約１２時間、または約１１時間〜約１２時間の期間にわたって行われる。
いくつかの実施形態では、重合流体を配合する工程は、導電性ポリマー、酸、洗浄剤、水、及び酸化剤を含む重合溶液を形成すること及び重合溶液を撹拌することを含む。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンオキシド）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキチオフェン）、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは蒸留される。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーは蒸気によって蒸留される。いくつかの実施形態では、蒸気は、水、石油、油、脂質、石油化学物質、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、導電性ポリマーの質量は、約２０ミリグラム（ｍｇ）〜約９０ｍｇである。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーの質量は、少なくとも約２０ｍｇである。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーの質量は、最大で約９０ｍｇである。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーの質量は、約２０ｍｇ〜約３０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約４０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約５０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約６０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約７０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約８０ｍｇ、約２０ｍｇ〜約９０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約４０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約５０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約６０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約７０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約８０ｍｇ、約３０ｍｇ〜約９０ｍｇ、約４０ｍｇ〜約５０ｍｇ、約４０ｍｇ〜約６０ｍｇ、約４０ｍｇ〜約７０ｍｇ、約４０ｍｇ〜約８０ｍｇ、約４０ｍｇ〜約９０ｍｇ、約５０ｍｇ〜約６０ｍｇ、約５０ｍｇ〜約７０ｍｇ、約５０ｍｇ〜約８０ｍｇ、約５０ｍｇ〜約９０ｍｇ、約６０ｍｇ〜約７０ｍｇ、約６０ｍｇ〜約８０ｍｇ、約６０ｍｇ〜約９０ｍｇ、約７０ｍｇ〜約８０ｍｇ、約７０ｍｇ〜約９０ｍｇ、または約８０ｍｇ〜約９０ｍｇである。
いくつかの実施形態では、酸は水性である。いくつかの実施形態では、酸は強酸を含む。いくつかの実施形態では、強酸は、過塩素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、硝酸、塩素酸、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、酸の濃度は、約０．１Ｍ〜約０．５Ｍである。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、少なくとも約０．１Ｍである。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、最大で約０．５Ｍである。いくつかの実施形態では、酸の濃度は、約０．１Ｍ〜約０．２Ｍ、約０．１Ｍ〜約０．３Ｍ、約０．１Ｍ〜約０．４Ｍ、約０．１Ｍ〜約０．５Ｍ、約０．２Ｍ〜約０．３Ｍ、約０．２Ｍ〜約０．４Ｍ、約０．２Ｍ〜約０．５Ｍ、約０．３Ｍ〜約０．４Ｍ、約０．３Ｍ〜約０．５Ｍ、または約０．４Ｍ〜約０．５Ｍである。
いくつかの実施形態では、酸の体積は、約０．１ミリリットル（ｍｌ）〜約０．６ｍｌである。いくつかの実施形態では、酸の体積は、少なくとも約０．１ｍｌである。いくつかの実施形態では、酸の体積は、最大で約０．６ｍｌである。いくつかの実施形態では、酸の体積は、約０．１ｍｌ〜約０．２ｍｌ、約０．１ｍｌ〜約０．３ｍｌ、約０．１ｍｌ〜約０．４ｍｌ、約０．１ｍｌ〜約０．５ｍｌ、約０．１ｍｌ〜約０．６ｍｌ、約０．２ｍｌ〜約０．３ｍｌ、約０．２ｍｌ〜約０．４ｍｌ、約０．２ｍｌ〜約０．５ｍｌ、約０．２ｍｌ〜約０．６ｍｌ、約０．３ｍｌ〜約０．４ｍｌ、約０．３ｍｌ〜約０．５ｍｌ、約０．３ｍｌ〜約０．６ｍｌ、約０．４ｍｌ〜約０．５ｍｌ、約０．４ｍｌ〜約０．６ｍｌ、または約０．５ｍｌ〜約０．６ｍｌである。
いくつかの実施形態では、洗浄剤は、ジオクチルナトリウムスルホスクシネート、パーフルオロオクタンスルホネート、パーフルオロブタンスルホネート、アルキルーアリールエーテルホスフェート、アルキルエーテルホスフェート、臭化セトリモニウム、塩化セチルピリジニウム、塩化ベンザルコニウム、塩化ベンゼトニウム、ジメチルジオクタデシルアンモニウムクロライド、ジオクタデシルジメチルアンモニウムブロマイド、オクテニジンジヒドロクロライド、オクタエチレングリコールモノドデシルエーテル、ペンタエチレングリコールモノドデシルエーテル、ポリプロピレングリコールアルキルエーテル、デシルグルコシド、ラウリルグルコシド、オクチルグルコシド、ポリエチレングリコールオクチルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテル、ノノキシノール−９、グリセロールアルキルエステル、グリセリルラウレート、ポリオキシエチレングリコールソルビタンアルキルエステル、ポリソルベートソルビタンアルキルエステル、ドデシルジメチルアミンオキシド、ポロキサマー、ポリエトキシル化獣脂アミン、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、洗浄剤の質量は、約１ｍｇ〜約１０ｍｇである。いくつかの実施形態では、洗浄剤の質量は、少なくとも約１ｍｇである。いくつかの実施形態では、洗浄剤の質量は、最大で約１０ｍｇである。いくつかの実施形態では、洗浄剤の質量は、約１ｍｇ〜約２ｍｇ、約１ｍｇ〜約３ｍｇ、約１ｍｇ〜約４ｍｇ、約１ｍｇ〜約５ｍｇ、約１ｍｇ〜約６ｍｇ、約１ｍｇ〜約７ｍｇ、約１ｍｇ〜約８ｍｇ、約１ｍｇ〜約９ｍｇ、約１ｍｇ〜約１０ｍｇ、約２ｍｇ〜約３ｍｇ、約２ｍｇ〜約４ｍｇ、約２ｍｇ〜約５ｍｇ、約２ｍｇ〜約６ｍｇ、約２ｍｇ〜約７ｍｇ、約２ｍｇ〜約８ｍｇ、約２ｍｇ〜約９ｍｇ、約２ｍｇ〜約１０ｍｇ、約３ｍｇ〜約４ｍｇ、約３ｍｇ〜約５ｍｇ、約３ｍｇ〜約６ｍｇ、約３ｍｇ〜約７ｍｇ、約３ｍｇ〜約８ｍｇ、約３ｍｇ〜約９ｍｇ、約３ｍｇ〜約１０ｍｇ、約４ｍｇ〜約５ｍｇ、約４ｍｇ〜約６ｍｇ、約４ｍｇ〜約７ｍｇ、約４ｍｇ〜約８ｍｇ、約４ｍｇ〜約９ｍｇ、約４ｍｇ〜約１０ｍｇ、約５ｍｇ〜約６ｍｇ、約５ｍｇ〜約７ｍｇ、約５ｍｇ〜約８ｍｇ、約５ｍｇ〜約９ｍｇ、約５ｍｇ〜約１０ｍｇ、約６ｍｇ〜約７ｍｇ、約６ｍｇ〜約８ｍｇ、約６ｍｇ〜約９ｍｇ、約６ｍｇ〜約１０ｍｇ、約７ｍｇ〜約８ｍｇ、約７ｍｇ〜約９ｍｇ、約７ｍｇ〜約１０ｍｇ、約８ｍｇ〜約９ｍｇ、約８ｍｇ〜約１０ｍｇ、または約９ｍｇ〜約１０ｍｇである。
いくつかの実施形態では、水の体積は、約９ｍｌ〜約４０ｍｌである。いくつかの実施形態では、水の体積は、少なくとも約９ｍｌである。いくつかの実施形態では、水の体積は、最大で約４０ｍｌである。いくつかの実施形態では、水の体積は、約９ｍｌ〜約１０ｍｌ、約９ｍｌ〜約１５ｍｌ、約９ｍｌ〜約２０ｍｌ、約９ｍｌ〜約２５ｍｌ、約９ｍｌ〜約３０ｍｌ、約９ｍｌ〜約３５ｍｌ、約９ｍｌ〜約４０ｍｌ、約１０ｍｌ〜約１５ｍｌ、約１０ｍｌ〜約２０ｍｌ、約１０ｍｌ〜約２５ｍｌ、約１０ｍｌ〜約３０ｍｌ、約１０ｍｌ〜約３５ｍｌ、約１０ｍｌ〜約４０ｍｌ、約１５ｍｌ〜約２０ｍｌ、約１５ｍｌ〜約２５ｍｌ、約１５ｍｌ〜約３０ｍｌ、約１５ｍｌ〜約３５ｍｌ、約１５ｍｌ〜約４０ｍｌ、約２０ｍｌ〜約２５ｍｌ、約２０ｍｌ〜約３０ｍｌ、約２０ｍｌ〜約３５ｍｌ、約２０ｍｌ〜約４０ｍｌ、約２５ｍｌ〜約３０ｍｌ、約２５ｍｌ〜約３５ｍｌ、約２５ｍｌ〜約４０ｍｌ、約３０ｍｌ〜約３５ｍｌ、約３０ｍｌ〜約４０ｍｌ、または約３５ｍｌ〜約４０ｍｌである。
いくつかの実施形態では、酸化剤は、過硫酸アンモニウム及び酸素、オゾン、過酸化水素、フッ素、塩素、ハロゲン、硝酸、硫酸、ペルオキシ二硫酸、ペルオキシモノ硫酸、亜塩素酸塩、過塩素酸塩、次亜塩素酸塩、家庭用漂白剤、クロム酸、二クロム酸、三酸化クロム、クロロクロム酸ピリジニウム、過マンガン酸塩、過ホウ酸ナトリウム、亜酸化窒素、硝酸カリウム、ビスマス酸ナトリウム、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、酸化剤は一度に添加される。
いくつかの実施形態では、酸化剤の濃度は、約０．１Ｍ〜約０．５Ｍである。いくつかの実施形態では、酸化剤の濃度は、少なくとも約０．１Ｍである。いくつかの実施形態では、酸化剤の濃度は、最大で約０．５Ｍである。いくつかの実施形態では、酸化剤の濃度は、約０．１Ｍ〜約０．２Ｍ、約０．１Ｍ〜約０．３Ｍ、約０．１Ｍ〜約０．４Ｍ、約０．１Ｍ〜約０．５Ｍ、約０．２Ｍ〜約０．３Ｍ、約０．２Ｍ〜約０．４Ｍ、約０．２Ｍ〜約０．５Ｍ、約０．３Ｍ〜約０．４Ｍ、約０．３Ｍ〜約０．５Ｍ、または約０．４Ｍ〜約０．５Ｍである。
いくつかの実施形態では、酸化剤の質量は、約１ｍｇ〜約１０ｍｇである。いくつかの実施形態では、酸化剤の質量は、少なくとも約１ｍｇである。いくつかの実施形態では、酸化剤の質量は、最大で約１０ｍｇである。いくつかの実施形態では、酸化剤の質量は、約１ｍｇ〜約２ｍｇ、約１ｍｇ〜約３ｍｇ、約１ｍｇ〜約４ｍｇ、約１ｍｇ〜約５ｍｇ、約１ｍｇ〜約６ｍｇ、約１ｍｇ〜約７ｍｇ、約１ｍｇ〜約８ｍｇ、約１ｍｇ〜約９ｍｇ、約１ｍｇ〜約１０ｍｇ、約２ｍｇ〜約３ｍｇ、約２ｍｇ〜約４ｍｇ、約２ｍｇ〜約５ｍｇ、約２ｍｇ〜約６ｍｇ、約２ｍｇ〜約７ｍｇ、約２ｍｇ〜約８ｍｇ、約２ｍｇ〜約９ｍｇ、約２ｍｇ〜約１０ｍｇ、約３ｍｇ〜約４ｍｇ、約３ｍｇ〜約５ｍｇ、約３ｍｇ〜約６ｍｇ、約３ｍｇ〜約７ｍｇ、約３ｍｇ〜約８ｍｇ、約３ｍｇ〜約９ｍｇ、約３ｍｇ〜約１０ｍｇ、約４ｍｇ〜約５ｍｇ、約４ｍｇ〜約６ｍｇ、約４ｍｇ〜約７ｍｇ、約４ｍｇ〜約８ｍｇ、約４ｍｇ〜約９ｍｇ、約４ｍｇ〜約１０ｍｇ、約５ｍｇ〜約６ｍｇ、約５ｍｇ〜約７ｍｇ、約５ｍｇ〜約８ｍｇ、約５ｍｇ〜約９ｍｇ、約５ｍｇ〜約１０ｍｇ、約６ｍｇ〜約７ｍｇ、約６ｍｇ〜約８ｍｇ、約６ｍｇ〜約９ｍｇ、約６ｍｇ〜約１０ｍｇ、約７ｍｇ〜約８ｍｇ、約７ｍｇ〜約９ｍｇ、約７ｍｇ〜約１０ｍｇ、約８ｍｇ〜約９ｍｇ、約８ｍｇ〜約１０ｍｇ、または約９ｍｇ〜約１０ｍｇである。
いくつかの実施形態では、重合溶液は室温で撹拌される。
いくつかの実施形態では、重合溶液は、約１０分〜約４０分の期間撹拌される。いくつかの実施形態では、重合溶液は、少なくとも約１０分の期間撹拌される。いくつかの実施形態では、重合溶液は、最大で約４０分の期間撹拌される。いくつかの実施形態では、重合溶液は、約１０分〜約１５分、約１０分〜約２０分、約１０分〜約２５分、約１０分〜約３０分、約１０分〜約３５分、約１０分〜約４０分、約１５分〜約２０分、約１５分〜約２５分、約１５分〜約３０分、約１５分〜約３５分、約１５分〜約４０分、約２０分〜約２５分、約２０分〜約３０分、約２０分〜約３５分、約２０分〜約４０分、約２５分〜約３０分、約２５分〜約３５分、約２５分〜約４０分、約３０分〜約３５分、約３０分〜約４０分、または約３５分〜約４０分の期間撹拌される。
いくつかの実施形態では、重合溶液は、酸化剤の添加前に撹拌される。いくつかの実施形態では、重合溶液は、マグネチックスターラーによって撹拌される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材上にナノチューブを合成する工程は、重合流体を撹拌すること、官能化炭素基材を重合流体に浸漬すること、官能化炭素基材を重合流体中で保存すること、重合流体から官能化炭素基材を除去すること、官能化炭素基材を水で洗浄すること、及び官能化炭素基材を乾燥させることを含む。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材を水で洗浄すると、過剰の重合流体が除去される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、ポリアニリン官能化炭素基材である。
いくつかの実施形態では、重合流体は激しく撹拌される。いくつかの実施形態では、重合流体は激しくなく撹拌される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材及び重合流体は掻き混ぜずに保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材及び重合流体は掻き混ぜて保存される。
いくつかの実施形態では、重合流体は、約１５秒〜約６０秒の期間撹拌される。いくつかの実施形態では、重合流体は、少なくとも約１５秒の期間撹拌される。いくつかの実施形態では、重合流体は、最大で約６０秒の期間撹拌される。いくつかの実施形態では、重合流体は、約１５秒〜約２０秒、約１５秒〜約２５秒、約１５秒〜約３０秒、約１５秒〜約３５秒、約１５秒〜約４０秒、約１５秒〜約４５秒、約１５秒〜約５０秒、約１５秒〜約５５秒、約１５秒〜約６０秒、約２０秒〜約２５秒、約２０秒〜約３０秒、約２０秒〜約３５秒、約２０秒〜約４０秒、約２０秒〜約４５秒、約２０秒〜約５０秒、約２０秒〜約５５秒、約２０秒〜約６０秒、約２５秒〜約３０秒、約２５秒〜約３５秒、約２５秒〜約４０秒、約２５秒〜約４５秒、約２５秒〜約５０秒、約２５秒〜約５５秒、約２５秒〜約６０秒、約３０秒〜約３５秒、約３０秒〜約４０秒、約３０秒〜約４５秒、約３０秒〜約５０秒、約３０秒〜約５５秒、約３０秒〜約６０秒、約３５秒〜約４０秒、約３５秒〜約４５秒、約３５秒〜約５０秒、約３５秒〜約５５秒、約３５秒〜約６０秒、約４０秒〜約４５秒、約４０秒〜約５０秒、約４０秒〜約５５秒、約４０秒〜約６０秒、約４５秒〜約５０秒、約４５秒〜約５５秒、約４５秒〜約６０秒、約５０秒〜約５５秒、約５０秒〜約６０秒、または約５５秒〜約６０秒の期間撹拌される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約１０℃〜約５０℃の温度で重合流体中で保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、少なくとも約１０℃の温度で重合流体中で保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、最大で約５０℃の温度で重合流体中で保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約１０℃〜約１５℃、約１０℃〜約２０℃、約１０℃〜約２５℃、約１０℃〜約３０℃、約１０℃〜約３５℃、約１０℃〜約４０℃、約１０℃〜約４５℃、約１０℃〜約５０℃、約１５℃〜約２０℃、約１５℃〜約２５℃、約１５℃〜約３０℃、約１５℃〜約３５℃、約１５℃〜約４０℃、約１５℃〜約４５℃、約１５℃〜約５０℃、約２０℃〜約２５℃、約２０℃〜約３０℃、約２０℃〜約３５℃、約２０℃〜約４０℃、約２０℃〜約４５℃、約２０℃〜約５０℃、約２５℃〜約３０℃、約２５℃〜約３５℃、約２５℃〜約４０℃、約２５℃〜約４５℃、約２５℃〜約５０℃、約３０℃〜約３５℃、約３０℃〜約４０℃、約３０℃〜約４５℃、約３０℃〜約５０℃、約３５℃〜約４０℃、約３５℃〜約４５℃、約３５℃〜約５０℃、約４０℃〜約４５℃、約４０℃〜約５０℃、または約４５℃〜約５０℃の温度で重合流体中で保存される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約８時間〜約７０時間の期間、重合流体中で保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、少なくとも約８時間の期間、重合流体中で保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、最大で約７０時間の期間、重合流体中で保存される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約８時間〜約１０時間、約８時間〜約２０時間、約８時間〜約３０時間、約８時間〜約４０時間、約８時間〜約５０時間、約８時間〜約６０時間、約８時間〜約７０時間、約１０時間〜約２０時間、約１０時間〜約３０時間、約１０時間〜約４０時間、約１０時間〜約５０時間、約１０時間〜約６０時間、約１０時間〜約７０時間、約２０時間〜約３０時間、約２０時間〜約４０時間、約２０時間〜約５０時間、約２０時間〜約６０時間、約２０時間〜約７０時間、約３０時間〜約４０時間、約３０時間〜約５０時間、約３０時間〜約６０時間、約３０時間〜約７０時間、約４０時間〜約５０時間、約４０時間〜約６０時間、約４０時間〜約７０時間、約５０時間〜約６０時間、約５０時間〜約７０時間、または約６０時間〜約７０時間の期間、重合流体中で保存される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約３０時間〜約１２０時間の温度で乾燥される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、少なくとも約３０時間の温度で乾燥される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、最大で約１２０時間の温度で乾燥される。いくつかの実施形態では、官能化炭素基材は、約３０時間〜約４０時間、約３０時間〜約５０時間、約３０時間〜約６０時間、約３０時間〜約７０時間、約３０時間〜約８０時間、約３０時間〜約９０時間、約３０時間〜約１００時間、約３０時間〜約１１０時間、約３０時間〜約１２０時間、約４０時間〜約５０時間、約４０時間〜約６０時間、約４０時間〜約７０時間、約４０時間〜約８０時間、約４０時間〜約９０時間、約４０時間〜約１００時間、約４０時間〜約１１０時間、約４０時間〜約１２０時間、約５０時間〜約６０時間、約５０時間〜約７０時間、約５０時間〜約８０時間、約５０時間〜約９０時間、約５０時間〜約１００時間、約５０時間〜約１１０時間、約５０時間〜約１２０時間、約６０時間〜約７０時間、約６０時間〜約８０時間、約６０時間〜約９０時間、約６０時間〜約１００時間、約６０時間〜約１１０時間、約６０時間〜約１２０時間、約７０時間〜約８０時間、約７０時間〜約９０時間、約７０時間〜約１００時間、約７０時間〜約１１０時間、約７０時間〜約１２０時間、約８０時間〜約９０時間、約８０時間〜約１００時間、約８０時間〜約１１０時間、約８０時間〜約１２０時間、約９０時間〜約１００時間、約９０時間〜約１１０時間、約９０時間〜約１２０時間、約１００時間〜約１１０時間、約１００時間〜約１２０時間、または約１１０時間〜約１２０時間の温度で乾燥される。
本明細書で教示される方法及び装置の他の目標及び利点は、以下の説明及び添付の図面と併せて考慮した場合に更に把握され、理解されるであろう。以下の説明は、本明細書で教示される方法及び装置の特定の実施形態を説明する特定の詳細を含有し得るが、これは本明細書で教示される方法及び装置の範囲に対する限定としてではなく、むしろ好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。本明細書で教示される方法及び装置の各態様について、当業者に知られている本明細書で示唆されるような多くの変形が可能である。本明細書で教示される方法及び装置の範囲内で、その趣旨から逸脱することなく、様々な変更及び改変がなされ得る。
本明細書で教示される方法及び装置の新規な特徴は、添付の特許請求の範囲に具体的に記述されている。本明細書で教示される本方法及び装置の特徴及び利点のより良好な理解は、本明細書で教示される方法及び装置の原理が利用される例示的な実施形態を記述する以下の詳細な説明、及び添付の図面または図（本明細書では「図（ＦＩＧ．）」及び「図（ＦＩＧ．ｓ）」ともいう）を参照することによって得られるであろう。
図１Ａは、いくつかの実施形態による、ポリアニリンのナノ繊維モルフォロジーにおける電子及びイオンの移動経路を実例として図示している。図１Ｂは、いくつかの実施形態による、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）のナノスフィアモルフォロジーにおける電子及びイオンの移動経路を実例として図示している。図１Ｃは、いくつかの実施形態による、ポリアニリンのナノチューブモルフォロジーにおける電子及びイオンの移動経路を実例として図示している。 いくつかの実施形態による、例示的な非対称装置を実例として図示している。 いくつかの実施形態による、炭素布を官能化する例示的なプロセスを実例として図示している。 いくつかの実施形態による、ＰＡＮＩと官能化された炭素布（ＦＣＣ）との間の接続を介して変化する結合の例を実例として図示している。 図５Ａは、いくつかの実施形態による、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）の存在下で炭素布（ＣＣ）上に合成されたＰＡＮＩの例示的な電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ）画像を示している。図５Ｂは、いくつかの実施形態による、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成されたＰＡＮＩの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。 図６Ａは、いくつかの実施形態による、ＣＣの表面構造の例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｂは、いくつかの実施形態による、高倍率での１６時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｃは、いくつかの実施形態による、低倍率での１６時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｄは、いくつかの実施形態による、２０時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｅは、いくつかの実施形態による、低倍率での２４時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｆは、いくつかの実施形態による、高倍率での２４時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｇは、いくつかの実施形態による、２８時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。図６Ｈは、いくつかの実施形態による、３２時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣの例示的なＦＥＳＥＭ画像を示している。 いくつかの実施形態による、例示的なＣＣ及びＰＡＮＩ−ＣＣ装置の例示的なサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）グラフを示している。 いくつかの実施形態による、例示的な対称ＰＡＮＩ−ＣＣ装置の例示的な定電流充電−放電曲線を示している。 いくつかの実施形態による、異なる重合時間を有する例示的なＰＡＮＩ−ＣＣ対称装置の例示的なＣＶ曲線を示している。 いくつかの実施形態による、異なる重合時間を有する例示的なＰＡＮＩ−ＣＣ対称装置の例示的な定電流充電−放電曲線を示している。 いくつかの実施形態による、例示的な炭素布及び官能化炭素布の例示的な粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンを示している。 いくつかの実施形態による、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ及びＰＡＮＩ−ＣＣ電極の例示的なフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光スペクトルの測定結果を示している。 図１３Ａは、いくつかの実施形態による、１００ｍＶ／ｓの走査速度での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ対称スーパーキャパシタの例示的なＣＶ曲線を示している。図１３Ｂは、いくつかの実施形態による、１Ａ／ｇの電流密度での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ対称スーパーキャパシタの例示的な充電−放電（ＣＤ）曲線を示している。 図１３Ｃは、いくつかの実施形態による、ＣＣ、ＦＣＣ、ＰＡＮＩ−ＣＣ及びＰＡＮＩ−ＦＣＣの例示的なナイキストプロットを示している。図１３Ｄは、いくつかの実施形態による、ＣＣ、ＦＣＣ、ＰＡＮＩ−ＣＣ及びＰＡＮＩ−ＦＣＣの例示的なボードプロットを示している。 図１３Ｅは、いくつかの実施形態による、２０ｍＶ／ｓ〜１０００ｍＶ／ｓの走査速度下での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ対称スーパーキャパシタの例示的なＣＶ曲線を示している。図１３Ｆは、いくつかの実施形態による、１〜５０Ａ／ｇの範囲の様々な電流密度での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ対称スーパーキャパシタの例示的なＣＤプロファイルを示している。 図１３Ｇは、いくつかの実施形態による、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ及びＰＡＮＩ−ＣＣ装置の電流密度に応じた例示的な計算された静電容量を示している。図１３Ｈは、いくつかの実施形態による、５０００サイクルにわたる１〜２０Ａ／ｇ−１の電流密度での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的なサイクル性を示している。 いくつかの実施形態による、異なる電流での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的なＣＤ曲線を示している。 図１５Ａは、例示的な炭素布の例示的なＣＤ曲線を示している。 図１５Ｂは、様々なアニール処理時間のＰＡＮＩ−ＦＣＣ電極の例示的なナイキストプロットを示している。 図１６Ａは、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の抵抗と曲げ角度との間の例示的な関係を示している。 図１６Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の抵抗と曲げサイクルの数との間の例示的な関係を示している。図１６Ｃは、いくつかの実施形態による、例示的な曲げられた、平坦な、及び再開されたＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的なＣＶ曲線を示している。 図１７Ａは、いくつかの実施形態による、２０ｍＶ／ｓでの例示的な３つの電極のＰＡＮＩ−ＦＣＣ及びＡＣ−ＦＣＣ装置の例示的なＣＶ曲線を示している。図１７Ｂは、いくつかの実施形態による、５０ｍＶ／ｓでの例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ非対称装置の例示的なＣＶ曲線を示している。 図１７Ｃは、いくつかの実施形態による、様々な電流密度での例示的な非対称ＳＣの例示的なＣＤ曲線を示している。図１７Ｄは、いくつかの実施形態による、様々な電流密度下での例示的な対称及び非対称装置の例示的なラゴンプロットを示している。 図１８Ａは、いくつかの実施形態による、異なる電位窓での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ非対称装置の例示的なＣＶ曲線を示している。図１８Ｂは、いくつかの実施形態による、Ｈ２ＳＯ４及びＮＱゲル電解質における５０ｍＶ／ｓでの例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ非対称装置の例示的なＣＶ曲線を示している。 図１８Ｃは、いくつかの実施形態による、例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ装置の例示的なナイキストプロットを示している。図１８Ｄは、いくつかの実施形態による、２〜５０Ａ／ｇの異なる電流密度での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ非対称装置の例示的な放電曲線を示している。 図１８Ｅは、いくつかの実施形態による、５〜５０Ａ／ｇの例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ装置の電流密度に応じた計算された静電容量を示している。図１８Ｆは、いくつかの実施形態による、例示的な対称及び非対称装置の例示的なラゴンプロットを示している。 図１９Ａは、いくつかの実施形態による、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ及びＡＣ−ＦＣＣ電極の例示的なＣＶ曲線を示している。図１９Ｂは、いくつかの実施形態による、１０Ａ／ｇの電流密度でのＮＱの存在下での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ及びＡＣ−ＦＣＣ電極の例示的なＣＤ曲線を示している。 図１９Ｃは、いくつかの実施形態による、異なる電流密度でのＮＱの存在下での例示的なＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的なＣＤ曲線を示している。 図２０Ａは、いくつかの実施形態による、ＮＱゲル電解質での例示的な非対称ＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的なＣＶ曲線を示している。図２０Ｂは、いくつかの実施形態による、ＮＱを有する及び有しない例示的な非対称ＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的な充電及び放電曲線を示している。 図２０Ｃは、いくつかの実施形態による、ＮＱの存在下での例示的なＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の電流密度と比静電容量との間の例示的な関係を示している。図２０Ｄは、いくつかの実施形態による、約４７Ａ／ｇの電流密度下での例示的な非対称ＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の例示的な充電及び放電曲線を示している。 いくつかの実施形態による、例示的な対称及び非対称装置の出力密度とエネルギー密度との間の例示的な関係を示している。 いくつかの実施形態による、例示的な電気化学セルの構成要素の重量及び体積エネルギー密度を示している。 図２３Ａは、いくつかの実施形態による、直列の２つの例示的な非対称装置によって給電される例示的な赤色ＬＥＤを実例として示している。図２３Ｂは、いくつかの実施形態による、直列の２つの例示的な非対称装置によって給電される例示的な時計を実例として示している。
詳細な説明
太陽電池アレイ、フレキシブルディスプレイ、及びウェアラブル電子機器などの柔軟性のある電子機器の市場は、急速に成長しており、それらの可搬性、耐久性、曲げ性、及びロール性のため、将来の電子機器の設計に寄与している。多くの分野にわたる柔軟性のある電子装置の製造における最近の急速な進歩は、従来の半導体の何分の１かのコストで、様々なサイズ、形状、及び機械的特性の柔軟性のある半導体の幅広いアレイを含む、様々なエネルギー貯蔵及び電力貯蔵装置の開発をもたらしてきた。
このように、次世代の印刷された柔軟性のある電子機器と適合する柔軟性のある固体状態のエネルギー貯蔵装置に対する需要が増大している。この趣旨で、従来のスーパーキャパシタ（ＳＣ）の剛性構成要素を置換するために、柔軟性のある構成要素間の活性層及び接触部を再設計しなければならない。このように、ＳＣのエネルギー密度を改善することは、必要であり、エネルギー貯蔵装置の技術的進歩に寄与するであろう。
スーパーキャパシタの固有の高出力密度及びサイクル性と統合された、サイズの縮小、柔軟性の増大、高エネルギー密度の達成は、より持続可能で効率的なエネルギー貯蔵システムへの大きな前進を構成する。
そのため、数秒で再充電することができ、長期間にわたって電力を提供し、機能損失を伴わずに繰り返し曲げることができ、他の対応する電子機器構成要素と同じように小型化可能である電池装置について現在満たされていない必要性が存在する。
本明細書では、スーパーキャパシタ装置及びその作製のための方法が提供される。スーパーキャパシタ装置は電気化学装置であり得る。スーパーキャパシタ装置は、高いエネルギー及び出力密度のために構成され得る。スーパーキャパシタ装置は、官能化炭素布（ＦＣＣ）基材上に化学的に合成され、集電体上に固定化される長方形チューブのＰＡＮＩから構成される電極を含み得る。スーパーキャパシタ装置は、集電体上に固定化された電極を含有する対称、非対称、または３Ｄキャパシタ装置として構築され得る。本開示のスーパーキャパシタ装置は、相互接続された装置を含み得る。
本開示は、炭素布上にポリアニリンナノチューブを成長させるためのシステム及び方法を更に提供する。処理は、官能化炭素布の製造（または合成）及び／またはポリアニリンナノチューブ及びナノ構造の製造（または合成）を含み得る。いくつかの実施形態は、官能化炭素布の製造（または合成）のため及び／またはポリアニリンナノチューブ及びナノ構造の製造（または合成）のため及び／または電解質の製造（または合成）のため及び／またはスーパーキャパシタの製造（または合成）のための方法、装置、及びシステムを提供する。本明細書に記載された開示の様々な態様は、以下に記述される特定の用途のいずれか、または任意の他の種類の製造、合成、または処理設定に適用され得る。材料の他の製造、合成、または処理は、本明細書に記載の特徴から等しく利益を得ることができる。例えば、本明細書における方法、装置、及びシステムは、官能化炭素の様々な形態の製造（または合成）に有利に適用され得る。本明細書で教示される方法及び装置は、独立型の方法、装置、もしくはシステムとして、または統合された製造もしくは材料（例えば、化学物質）処理システムの一部として適用され得る。本明細書で教示される方法及び装置の異なる態様は、個別に、集合的に、または互いに組み合わせて把握され得ることが理解されるべきである。
本開示は、化学的に合成される長方形チューブのポリアニリン（ＰＡＮＩ）から作製される例示的なエネルギー貯蔵装置を更に提供する。活物質としての長方形チューブのＰＡＮＩは、基材としての官能化炭素布（ＦＣＣ）上で合成され、得られた複合体は、集電体としてのステンレス鋼メッシュ上に固定化される。本開示は、化学的に活性化されたＣＣ上での長方形の細孔を有するＰＡＮＩナノチューブの直接的合成のための技術を更に提示する。
本明細書に記載のスーパーキャパシタは、限定されないが、ポータブル電子機器（例えば、携帯電話、コンピュータ、カメラなど）、医療装置（例えば、ペースメーカー、除細動器、補聴器、疼痛管理装置、薬物ポンプを含む、生命維持及び生命強化医療装置）、電気自動車（例えば、電気自動車産業を向上させるために長寿命の電池が必要である）、宇宙（例えば、ローバー、着陸船、宇宙服、及び電子設備を含む宇宙システムに給電するために宇宙で電池が使用される）、軍用電池（例えば、軍隊は多数の電子機器及び設備に給電するための特殊電池を使用する；本明細書に記載の減少した質量／体積の電池が非常に好ましい）、電気航空機（例えば、内部燃焼エンジンではなく太陽電池または電池から来る電気を用いて電動機で稼働する航空機）、グリッドスケールエネルギー貯蔵体（例えば、発電所からの生産が消費を超えた時間に電気エネルギーを貯蔵するために電池が使用され、貯蔵されたエネルギーは消費が生産を超えた時に使用される）、再生可能エネルギー（例えば、太陽は夜間に輝かず、風はいつも吹くわけではないので、オフグリッド電力システムにおける電池は、日没後の時間帯及び風が吹かない場合に使用するための再生可能エネルギー源からの余剰電力を貯蔵することができる；高出力電池は、現在の最先端の電池よりも高い効率で太陽電池からエネルギーを獲得し得る）、電動工具（例えば、本明細書に記載の電池は、ドリル、スクリュードライバー、のこぎり、レンチ、グラインダーなどのコードレス電動工具の急速充電を可能とし得る；現在の電池は長い再充電時間を有する）、またはそれらの任意の組み合わせなどの１つ以上の用途または領域で重要な役割を果たし得る。
スーパーキャパシタ
スーパーキャパシタは、通常のキャパシタよりもはるかに高い静電容量を有する高出力のエネルギー貯蔵装置である。スーパーキャパシタ（ＳＣ）は、最近、高出力密度のエネルギー貯蔵源としてかなりの注目を集めており、ポータブル電子装置、回生ブレーキシステム、電圧安定化装置、ハイブリッドバス、医療装置、及びハイブリッド電気自動車においてますます用いられているエネルギー貯蔵源である。
いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタまたは電気化学キャパシタは、イオン透過性膜（セパレータ）によって分離された２つ以上の電極及び電極をイオン的に接続する電解質を含む一方で、電極が印加電圧によって分極したときに電解質中のイオンは、電極の極性とは反対の極性の電気二重層を形成する。
いくつかの実施形態では、電気化学セルにおける電極は、基材及び活物質を含み、セル内で電子が活物質を離れて酸化が起こるアノード、またはセル内で電子が活物質に入って還元が起こるカソードのいずれかで称される。各電極は、セルを流れる電流の方向に応じて、アノードまたはカソードのいずれかになり得る。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、対称または非対称であり得、電極はそれぞれ同一または非類似である。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタは、２つ以上の電極で構成される。
スーパーキャパシタは、（ｉ）電気二重層静電容量（ＥＤＬＣ）、（ｉｉ）ファラデー静電容量、及び（ｉｉｉ）レドックス活性電解質からの直接的な静電容量という３つの主なメカニズムを介してエネルギーを貯蔵する。最初の２つのメカニズムを介して、固相電極材料のみが電荷貯蔵に寄与する一方で、電極及び電解質を含む他のセルの構成要素は電気化学的に不活性である。電解質へのレドックス活性種の添加は、電極／電解質界面での電気化学反応を介してセルの静電容量を向上させる。
いくつかの実施形態では、本明細書における装置（例えば、スーパーキャパシタ及び／またはマイクロスーパーキャパシタ）は、異なる構造で構成され得る。いくつかの実施形態では、装置は、積層された構造（例えば、積層された電極を含む）、平面構造（例えば、互いにかみ合わされた電極を含む）、螺旋状に巻かれた構造、またはそれらの任意の組み合わせで構成され得る。いくつかの実施形態では、装置は、サンドイッチ構造または互いに噛み合わされた構造で構成され得る。
電極
スーパーキャパシタの電極に一般的に用いられる材料には、遷移金属酸化物、導電性ポリマー、及び高表面炭素が含まれる。しかしながら、残念なことに、これらの材料に基づく慣用のスーパーキャパシタは、低いエネルギー密度を示す場合があり、電極の活物質の質量負荷によって制限される。
いくつかの実施形態では、ファラデー材料が電極として用いられるが、その理由はそれらが、電極の表面上でのイオン吸着を介してしか電荷を貯蔵しないＥＤＬＣ材料とは対称的に、表面上及びバルク中の両方で電荷を貯蔵するからである。
いくつかの実施形態では、高表面積電極は、炭素質であり、炭素布、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲル、または活性炭（ＡＣ）を含む。
いくつかの実施形態では、ＡＣは、その表面積を増加させるように処理された炭素を指す。いくつかの実施形態では、ＡＣの結晶密度は約０．５ｇ／ｃｍ３である。
導電性ポリマーのポリアニリンは、その低コスト、合成の容易さ、制御可能な電気伝導性、大きな比静電容量、及び環境安定性のために、理想的な電荷貯蔵材料として機能する。
スーパーキャパシタの構成要素の材料の大部分の中で、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、及びその異なるモルフォロジーは、その固有の高い酸化−還元（レドックス）活性−比静電容量、柔軟性、及び充電及び放電プロセス中の対イオンの急速なドーピング及び脱ドーピングを伴う複数のレドックス状態間で変換する能力のため、活物質として使用されてきた。
いくつかの実施形態では、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）は、合成が容易であり、環境的に安定であり、安価であり、高い電気伝導性及び特定の疑似静電容量を示す半柔軟性ロッド導電性ポリマーの一例である。また、ＰＡＮＩは、充電及び放電プロセス中に対イオンの急速なドーピング及び脱ドーピングを伴う複数のレドックス状態間で容易に変換され得、このように、ＰＡＮＩにおける電子移動は、共役二重結合を介して達成され、コヒーレントラップにおいて電流を通過させる。最後に、いくつかの実施形態では、ＰＡＮＩは、固有の高い酸化還元（レドックス）活性比静電容量及び柔軟性を示す。そのため、ＰＡＮＩ系のハイブリッド電極を開発することは、そのサイクル安定性を改善することを望む魅力的なトピックであり続けている。
いくつかの実施形態では、バルクＰＡＮＩは、優れたエネルギー貯蔵材料であるにもかかわらず、不十分な機械的特性及び平凡なサイクル安定性に悩まされている一方で、対イオンのドーピング及び脱ドーピングに関連する大きな体積変化は、サイクルにわたってポリマー骨格を破壊し、それ故、容量を低下させ、ＰＡＮＩ疑似キャパシタの潜在的な商業的用途を制限する。しかしながら、ＰＡＮＩにおける電子移動は共役二重結合を介して起こるので、コヒーレントラップにおける電流の通過は、２つの独立した部分間の電子移動よりも容易であり得る。
いくつかの実施形態では、ＰＡＮＩの構造及び幾何学的形状は、小さな表面のフィーチャの自由空間を屈曲させることを可能にすることによって、その内部歪みを緩和するためにナノスケールで変更される。いくつかの実施形態では、ＰＡＮＩは官能化され、その表面の化学的性質及びモルフォロジーを変化させることによって材料の新しい機能、特徴、機能、または特性が加えられる。
いくつかの実施形態では、ファラデー電極の材料のモルフォロジーは、電気化学的性能に相当な影響を及ぼす。いくつかの電極構造は、活物質中の電子移動を容易にし、そのため、それらのそれぞれの装置の導電率及び容量を増加させる。電極材料のナノ構造化は、電極と電解質との間の界面面積を増加させることによって、及び活物質内のイオン拡散経路を最小限にすることによって、スーパーキャパシタ電極のモルフォロジーを変え、その性能を大幅に改善するための効果的な戦略を提示する。いくつかの実施形態では、電極ナノ構造化は、活物質内のイオン拡散経路を更に最小限にする。
いくつかの実施形態では、ＰＡＮＩは、約１．３ｇ／ｃｍ３の結晶密度を有する。
いくつかの実施形態では、電極の化学的及び電気化学的特性は、擬似静電容量効果を介して電荷貯蔵容量を増加させる表面官能基の付加により向上する。いくつかの実施形態では、官能化は、材料の特徴、機能、または特性を、その表面の化学的性質及びモルフォロジーを変化させることによって変える。官能化は、ナノスフィア、ナノディスク、ナノワイヤ、ナノ繊維、ナノチューブ、ナノプレート、及びナノフラワーなどの表面ナノ構造のいくつかの形態を合成する。これらの中で、小さな直径を有するナノチューブ構造は、体積変化のより良好な適応を可能にし、効率的な電子輸送を可能にするために基材からの一次元の電子経路を導き、そのため、増加した電気伝導性及び容量を提供する。更に、組み合わされた電解質曝露ナノチューブの外部及び内部の表面積は、高い電荷貯蔵容量を可能にし、表面屈曲に利用可能な自由空間を増加させることによって歪みの軽減を提供する。このアプローチは、サイクル中に大きな体積変化を示す、リチウムイオン電池におけるシリコンアノードの安定性の問題に取り組んでいる。
スーパーキャパシタの電極を設計する際には、図１Ａ〜Ｃに示されるように、電極内でのイオン及び電子の輸送を容易にするための調製条件の最適化を含む、高いエネルギー密度及び高い出力密度を提供するための特別な努力がなされ得る。このように、高性能ハイブリッドスーパーキャパシタの設計は、高エネルギー高出力ハイブリッドスーパーキャパシタ電極を必要とする。
図１Ａ〜Ｃは、それぞれ、ナノ繊維１０１、ナノスフィア１０２及びナノチューブモルフォロジー１０３を有する高エネルギー高出力のハイブリッドスーパーキャパシタ電極の設計を概略的に示している一方で、図１Ｃに概略的に示されているＰＡＮＩのナノチューブモルフォロジーを有する電極は、イオン電流１０２（ＩＣ）及び電子電流（ＥＣ）の両方の改善された促進が可能であり、それ故、高エネルギー及び高出力を有するスーパーキャパシタを形成することが可能であり得る。
いくつかの実施形態では、ナノ構造化されたモルフォロジーを有する電極は、向上した性能を示す一方で、図１Ａ〜Ｃによれば、これらの電極の多孔質構造は、活物質と電解質との間の曝露領域を増加させ、それ故、固体電極の表面と比較して放電領域を増加させる。特に、ナノチューブモルフォロジーを有する電極は、ナノチューブの外部及び内部の表面の両方が電解質に曝露されるため、増加した電荷蓄積容量を可能とする。
基材
いくつかの実施形態では、炭素布（ＣＣ）がセル基材として使用される。いくつかの実施形態では、炭素布は、複数の炭素繊維の織物アセンブリを含む。いくつかの実施形態では、炭素繊維及びグラファイト繊維は、大部分が炭素原子から構成される繊維である。また、炭素布の良好な電気伝導性及び柔軟性は、（電子輸送のための短い経路を提供することによって）低い内部抵抗及び機械的柔軟性を有する装置を可能にする。
いくつかの実施形態では、ＣＣは、高い電解アクセス可能な表面積を支持し、電子移動のための直接的経路を提供し、その複合体の導電性を改善し、サイクル中の体積変化に伴う劣化を緩和する優れた三次元導電性骨格である。更に、ＣＣは、その機械的柔軟性、多孔質構造、高い電気伝導性、短い電子輸送経路、低い内部抵抗、高い面積負荷、及び容易にパッケージ化されるその能力のために、柔軟なエネルギー貯蔵システムのための理想的な基材として作用する。
いくつかの実施形態では、炭素布の化学的活性化は、電極の表面上に導電性ポリマーナノ構造を合成することによって、ハイブリッド化を介して向上する。いくつかの実施形態では、炭素布の化学的及び電気化学的特性を改変してその複合体ハイブリッドの特性を向上させ得る一方で、表面上への官能基の付加を介するＣＣの化学的活性化は、擬似静電容量効果を介して電荷貯蔵容量を向上させる。また、官能化炭素布の表面上の官能基は、ＰＡＮＩに対するより強い接続を可能にし、それ故、ポリマーから基材への電子の通過を促進する。いくつかの実施形態では、ＣＣの化学的活性化は、その天然の疎水性表面を、典型的には水性の重合またはモノマー供給溶液との相互作用の増加が可能な親水性表面に変換することによって現場重合を補助する。いくつかの実施形態では、導電性ポリマーの現場重合は、ＣＣとの直接的電気接触を保証し、それ故、バインダー及び導電性添加剤の必要性及び余分な重量を排除する。
図６Ａによれば、ＣＣ６０２の表面構造の例示的な画像は、繊維構造を含むモルフォロジーを示している。ＣＣの最適な３Ｄ構造は、商業的に実行可能な電極にとって重要なパラメータであるＰＡＮＩの高い面積負荷を可能にする。
いくつかの実施形態では、炭素布は、約１．６ｇ／ｃｍ３の結晶密度を有する。
電解質
本明細書に記載のエネルギー貯蔵装置は、電解質を含み得る。本明細書における電解質には、例えば、液体、固体、またはゲルの形態であり得る水性、有機、及びイオン液体系電解質が含まれ得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、電解質は、極性溶媒に溶解した電気伝導性溶質から形成されるカチオン及びアニオンの均一な分散を有する溶液である。
電解質は電荷が中性であるが、溶液に電位（電圧）を印加すると、溶液のカチオンが電子に富んだ電極に引き寄せられ、アニオンは電子欠損を有する電極に引き寄せられる。このように、溶液中の反対方向のアニオン及びカチオンの移動がエネルギー電流を形成する。本明細書に記載の電解質は、例えば、水性、有機、及び／またはイオン液体系の電解質を含み得る。電解質は、液体、固体、またはゲルであり得る。イオン液体は、ゲル状電解質（本明細書では「イオノゲル」ともいう）を形成するために、例えば、ポリマーまたはシリカ（例えば、ヒュームドシリカ）などの別の固体成分とハイブリッド化され得る。水性電解質は、ゲル状電解質（本明細書では「ヒドロゲル」及び「ヒドロゲルーポリマー」ともいう）を形成するために、例えば、ポリマーとハイブリッド化され得る。いくつかの場合では、ヒドロゲル電解質は、装置作製中に固まり、セルの構成要素を一緒に結合させて電極の機械的及び電気的特性を改善する。有機電解質は、ゲル状電解質を形成するために、例えば、ポリマーとハイブリッド化され得る。いくつかの実施形態では、電解質にはまた、リチウム塩（例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、またはＬｉＣｌＯ４）が含まれ得る。例えば、電解質には、有機溶液（例えば、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、または炭酸ジエチル（ＤＥＣ））中のリチウム塩（例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、またはＬｉＣｌＯ４）が含まれ得る。電解質は、電解質組成物を形成するための１種以上の追加の成分（例えば、１種以上の添加剤）を含み得る。一例では、軟質パックポリマーＬＩＢ電解質は、ＥＣ、炭酸エチルメチル（ＥＭＣ）、ＤＥＣ、ＬｉＰＦ６、及び他の添加剤のうちの１つ以上を含む。別の例では、高容量ＬＩＢ電解質は、ＥＣ、ＤＥＣ、炭酸プロピレン（ＰＣ）、ＬｉＰＦ６、及び他の添加剤のうちの１つ以上を含み得る。
キノン電解質添加剤は、二重層スーパーキャパシタにおいて容量を向上させるためにキノン単位あたり２ｅ−／２Ｈ＋を貯蔵するそれらの能力のために用いられてきた。充電及び放電動作の間、キノン添加剤は電極でレドックスプロセスを受ける。いくつかの実施形態では、キノン電解質は、充電及び放電中のそれらの優れた電気化学的可逆性、小さなサイズ、高い移動度、及び酸ドープポリマーの現在のファミリーと適合する酸性ｐＨのため、特に優れたレドックス活性電解質である。
スーパーキャパシタ装置の設計
いくつかの実施形態では、超高エネルギー密度を有するエネルギー貯蔵装置は、装置の構成要素間の相乗的相互作用を獲得するために電解質と組み合わせて電極材料を選択することによって設計される。現在の３つの電極の装置におけるファラデーエネルギー貯蔵材料は、１．２３Ｖにおける水の分解のため、約１．０Ｖに制限されるそれらの動作のための水性電解質を必要とする。対称装置は１．０Ｖの最大理論電位窓を示すが、非対称装置は、水の熱力学的分解電圧を超えてそれらの動作電圧を拡張することによって水性電解質の電圧窓を獲得する。
いくつかの実施形態では、電気化学的活物質及び１，４−ナフトキノン（ＮＱ）レドックスカップル電解質として、複数のレドックス状態の間で変換することが可能なＰＡＮＩを含むスーパーキャパシタ装置は、調整可能な二重レドックスシャトルを形成する一方で、ＮＱは、電極表面上での直接的レドックス反応を介する擬似静電容量を提供し、酸化形態のＰＡＮＩの再生を触媒し、ポリアニリンの可逆的酸化／還元のためのレドックスシャトルとして動作して、装置の全体的な性能を著しく向上させる。
官能化炭素布上に支持されたポリアニリンの長方形チューブの３Ｄ性質は、効率的な電子及びイオンの輸送経路をもたらし、ＮＱの添加にとって十分な空間を提供し、それ故、第２のレドックスシステム、ひいては電極の表面上での電子移動プロセスを向上させる電解質における調整可能なレドックスシャトルを形成する。更に、ＮＱの添加は、ポリアニリン電極の静電容量を増加させるだけでなく、活性炭などのＥＤＬＣスーパーキャパシタ材料の静電容量も改善する。
このように、ＮＱの使用は、レドックス添加剤としての電極触媒メカニズムを介して、複数の電荷移動プロセスを可能にし、電極表面上での直接的レドックス反応でファラデー静電容量を提供し、電極活物質の長期間の利用のための再生経路の基礎として機能し、はるかに高いエネルギー密度を有するスーパーキャパシタ装置を可能にする。いくつかの実施形態では、ＮＱは、約１．４ｇ／ｃｍ３の結晶密度を有する。
図２は、例示的なスーパーキャパシタ２００の構成を示している一方で、正極２０１及び負極２０２は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び酢酸（ＡｃＯＨ）を含むＮＱ電解質に浸されたイオン及び分子透過性膜２０３によって分離されている。
いくつかの実施形態では、ＮＱは、３０％酢酸（ＡｃＯＨ）を有する１ＭのＨ２ＳＯ４中のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）ゲル電解質を含む。いくつかの実施形態では、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）ゲル電解質は、１ｇのＰＶＡを１０ｍＬの脱イオン水及びＡｃＯＨに溶解し、３０分間激しく撹拌し、０．５６ｍＬストークのＨ２ＳＯ４を添加し、１．５３ｍｇのＮＱを添加することによって形成される。
複数のレドックス反応で再使用することができるポリアニリン（ＰＡＮＩ）のＮＱ促進再生は、スーパーキャパシタ装置において重要な役割を果たす。図４は、官能化炭素布をＰＡＮＩ官能化炭素布に変換する化学プロセスを示しており、図２及び以下の方程式によれば、ＰＡＮＩ酸化は電極表面上でＰＡＮＩ還元に電気化学的に還元され、電解質中のＮＱはＥＣ´再生メカニズムを介してＰＡＮＩの還元形態を酸化して戻り、それは次いで表面上で電子移動反応を再び受け得る。
このように、装置のファラデー静電容量は、出発電極活物質としてのポリアニリンの適切な形態（充電及び放電プロセスに依存する）の複数回の再使用のため著しく増加する。その電極触媒再生メカニズムに加えて、ＮＱは基材の表面上でレドックス反応を受け得る。調整可能なレドックスシャトル及びレドックス添加剤の両方としてのＮＱの組み合わせ効果は、スーパーキャパシタの性能を向上させるが、その理由は、擬似静電容量的メカニズムを使用してポリアニリン表面上で、及びレドックス反応を介して電極−電解質界面においてエネルギーが貯蔵されるからである。電極触媒反応の結果として、電極活物質のその場での再生を提供するいくつかの利点がある。第１に、Ｑ＝ｍｎＦのため、出発活物質の再生はｍの値を増加させ、それ故、セル内で追加の電荷を提供する。また、活物質の触媒再生は、活物質の初期質量を増加させることなく、より高い電流を獲得するので、不活性成分の質量を減少させることにより、比エネルギー及び静電容量が増加する。更に、静電容量を増加させるために追加の質量を必要としないので、システムの等価直列抵抗（ＥＳＲ）は低いままである。その上、再生された活物質が基材表面上にしっかりと固定化されるので、システムのＥＳＲは増加しない。また、電流は活物質の表面濃度（ＣＡＭ）の関数であるため、ＥＣ´メカニズムを介する電極活物質の電極触媒再生は、ＣＡＭを顕著に増加させる。最後に、電極触媒反応は、電極活物質を溶液のバルクから電極表面へ拡散させる必要性を排除する。
電極を作製する方法
ポリアニリン官能化電極を作製すること及び電極をパッケージ化することを含むスーパーキャパシタ装置３００を作製する例示的なプロセスが図３に示されている。
例示的な実施形態では、ポリアニリン官能化電極３０５を作製する方法は、炭素基材３０１を官能化して官能化炭素基材３０３を形成すること、官能化炭素基材３０３を調製すること、重合流体３０４を配合すること、及び官能化炭素基材上にポリアニリンナノチューブ３０６を合成することを含む。
例示的な実施形態では、炭素基材３０１を官能化して官能化炭素基材３０３を形成する工程は、官能化溶液３０２を形成すること、官能化溶液３０２を加熱すること、官能化溶液３０２を冷却すること、炭素基材３０１のピースを官能化溶液３０２中に移すこと、及び官能化炭素基材３０３のピースをすすぐことを含む。
例示的な実施形態では、官能化溶液３０２は、硝酸（ＨＮＯ３）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を含み、官能化溶液３０２中の硝酸の体積百分率は約１５％〜約６０％である。一例では、官能化溶液３０２は、約３３％の体積百分率の硝酸を含む。
例示的な実施形態では、官能化溶液３０２は、約３０℃〜約１２０℃などの好適な温度で加熱される。一例では、官能化溶液３０２は、約６０℃の温度で加熱される。例示的な実施形態では、炭素基材３０１は、約６０分〜約２４０分などの好適な期間、官能化溶液３０２に浸漬される。一例では、炭素基材３０１は、約１２０分の期間、官能化溶液３０２に浸漬される。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３を調製する工程は、官能化炭素基材３０３のピースを切断すること、官能化炭素基材３０３のピースを重合流体３０４中に沈めること、官能化炭素基材３０３のピースを重合流体３０４中で超音波処理すること、及び官能化炭素基材３０３のピースを乾燥させることを含む。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３は、約０．１ｃｍ２〜約０．５ｃｍ２などの好適な幾何学的表面積を有する。一例では、官能化炭素基材３０３は、約０．２５ｃｍ２の好適な幾何学的表面積を有する。
いくつかの実施形態では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は次いで、２００℃で空気雰囲気中で炉内でアニール処理される。例示的な実施形態では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は、約０．５時間〜約１４時間の好適な期間アニール処理される。一例では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は、約４時間の期間アニール処理される。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、アセトン及びエタノールを含む。例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約２５％〜約１００％などの好適な体積百分率のアセトンを含む。一例では、重合流体３０４中のアセトンの体積百分率は約５０％である。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３は、約１５分〜約６０分などの好適な期間、超音波処理される。一例では、官能化炭素基材３０３は、約３０分の期間、超音波処理される。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３は、約２０℃〜約１２０℃などの好適な温度で乾燥される。一例では、官能化炭素基材３０３は、約６０℃の温度で乾燥される。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３は、約３時間〜約１２時間の好適な期間、乾燥される。一例では、官能化炭素基材３０３は、約６時間の期間、乾燥される。
例示的な実施形態では、重合流体３０４を配合する工程は、ポリアニリン、酸、洗浄剤、水、及び酸化剤を混合すること；及び重合溶液３０４を撹拌することを含む。例示的な実施形態では、酸は塩酸（ＨＣｌ）を含み、洗浄剤はドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）を含み、酸化剤は過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）を含む。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約２０ｍｇ〜約９０ｍｇの好適な質量のポリアニリンを含む。一例では、重合流体３０４中のポリアニリンの質量は約４５ｍｇである。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約０．１Ｍ〜約０．５Ｍの好適な濃度の塩酸（ＨＣｌ）を含む。一例では、重合流体３０４中のＨＣｌの濃度は、約０．２５Ｍである。例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約０．１ｍｌ〜約０．６ｍｌの好適な体積のＨＣｌを含む。一例では、重合流体３０４中のＨＣｌの体積は、約０．３ｍｌである。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約１ｍｇ〜約１０ｍｇの好適な質量のＳＤＳを含む。一例では、重合流体３０４中のＳＤＳの濃度は約５ｍｇである。
いくつかの実施形態では、水は脱イオン水を含む。例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約９ｍｌ〜約４０ｍｌの好適な体積の水を含む。一例では、重合流体３０４中の水の体積は、約１８ｍｌである。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約０．１Ｍ〜約０．５Ｍの好適な濃度のＡＰＳを含む。一例では、重合流体３０４中のＡＰＳの濃度は、約０．２４Ｍである。例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約１ｍｌ〜約４ｍｌの好適な体積のＡＰＳを含む。一例では、重合流体３０４中のＡＰＳの濃度は、約２ｍｌである。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約１０分〜約４０分の好適な時間、撹拌される。一例では、重合流体３０４は、約２０分の期間、撹拌され得る。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３上にポリアニリンナノチューブ３０６を合成する工程は、重合流体３０４を掻き混ぜること、官能化炭素基材３０３を重合流体３０４に浸漬すること、官能化炭素基材３０３を重合流体３０４中で保存すること、重合流体３０４からポリアニリン官能化炭素基材３０５を除去すること、ポリアニリン官能化炭素基材３０５を洗浄すること、及びポリアニリン官能化炭素基材３０５を乾燥させることを含む。
例示的な実施形態では、重合流体３０４は、約１５秒〜約６０秒の好適な時間、掻き混ぜられる。一例では、重合流体３０４は、約３０秒の期間、掻き混ぜられ得る。
例示的な実施形態では、官能化炭素基材３０３は、約１０℃〜約５０℃の好適な温度で重合流体３０４中で保存される。一例では、官能化炭素基材３０３は、約２５℃の温度で重合流体３０４中で保存される。
いくつかの実施形態では、官能化炭素基材３０３は、約８時間〜約７０時間の好適な重合時間、重合流体３０４中で保存される。一例では、官能化炭素基材３０３は、約２４時間の重合時間、重合流体３０４中で保存される。
例示的な実施形態では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は、約３０℃〜約１２０℃の好適な温度で乾燥される。一例では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は、約６０℃の温度で乾燥される。
いくつかの実施形態では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は、従来の装置で典型的に使用されるバインダーまたは導電性添加剤を必要とせずにＳＣ電極として直接使用される。
最後に、例示的な実施形態では、ポリアニリン官能化炭素基材３０５は、対称スーパーキャパシタ装置３００にパッケージ化される一方で、電解質に浸されたセパレータは、２つのポリアニリン官能化炭素基材３０５のＰＡＮＩ面の間に挟まれる。
電極としてのＰＡＮＩ官能化布は、ステンレス鋼集電体及び電解質と共に、対称（ＰＡＮＩ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣまたはＰＡＮＩ−ＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＣＣ）及び非対称（ＰＡＮＩ−ＦＣＣ／／ＡＣ）スーパーキャパシタ装置を形成する。
特性化及び測定
異なる電極材料の構造及びモルフォロジーは、電界放出走査型電子顕微鏡法（Ｐｈｉｌｉｐｓ及びＪＥＯＬ−ＪＳＭ−６７００）を使用して試験され得る。強酸混合物におけるＣＣの官能化の前及び後の構造変化は、Ｘ線粉末回折（４０ｋＶ及び４０ｍＡで０．０２°ｓ−１のステップサイズで生成されたＣｏＫα線［λ＝０．１７８ナノメートル］を用いるＰｈｉｌｉｐｓ Ｘ´ｐｅｒｔ回折計）を使用して特性化され得る。分光光度計（Ｔｅｎｓｏｒ ２７Ｂｒｕｋｅｒ）がフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光法を実施するために使用され得る。
例示的な装置は、それらの電気化学的性能についてサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）、定電流充電−放電（ＣＤ）曲線、及び電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）実験を使用して試験される。生物学的ポテンショスタット（ＳＰ−３００）を使用して、異なる装置についてサイクリックボルタンメトリー及び電気化学インピーダンス分光法のデータを得ることができる。定電流ＣＤ研究には、セル試験ソフトウェアを備えた電池テスター（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ）が使用され得る。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスは、実験室装置を含む磁気撹拌器を用いる一方で、放出された回転磁場は迅速で一貫性のある混合のために液体に浸漬された磁化撹拌バーを迅速に回す。
本明細書で使用される化学物質の全ては、更に精製することなく、購入したままで直接使用される。使用前にアニリンが水蒸気によって蒸留される。
表面モルフォロジー及び性能に対するＳＤＳの影響
いくつかの実施形態では、アニオン性界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）は、装置の電気化学的特性及び静電容量と共に、合成されるＰＡＮＩのモルフォロジーに対して重合プロセスにおいて、ドーピングにおける軟質テンプレートとして重要な役割を果たす。ＰＡＮＩ構造のＳＤＳドーピングはベルト状構造を発生させ、その巻き上げはその後に起こり、更なる重合により長方形チューブモルフォロジーを有するＰＡＮＩの形成がもたらされる。いくつかの実施形態では、低濃度のＨＣｌは、低い酸性度を有する媒体中でのＰＡＮＩ重合を誘発し、これは反応プロセスを遅延させ、ナノ構造の形成を可能にし得る。
一例では、図５Ａは、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成されたＰＡＮＩのモルフォロジーが、それらの表面上にＰＡＮＩナノ粒子を有する長方形チューブ５０２から形成されていることを示しており、図５Ｂは、ＳＤＳの非存在下でＣＣ上に合成されたＰＡＮＩのモルフォロジーが不規則なバルク小塊５０３から構成されていることを示している。そのため、ＳＤＳの存在下で生成されたＰＡＮＩは、その表面上にナノ構造を有する長方形の形状を有する。
例示的な実施形態では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の長さは、約１マイクロメートル〜２００マイクロメートルである。一例では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の長さは、約１マイクロメートルである。
例示的な実施形態では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の外径は、約１００ナノメートル〜１，０００ナノメートルである。一例では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の外幅は、約３５０ナノメートルである。
例示的な実施形態では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の内径は、約５０ナノメートル〜８００ナノメートルである。一例では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の内幅は、約２５０ナノメートルである。
例示的な実施形態では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の表面上のナノ構造は、ナノロッドである。例示的な実施形態では、長方形のナノチューブ５０２の表面上のナノロッドは、約４マイクロメートル〜５０マイクロメートルの長さを有する。一例では、長方形のナノチューブ５０２の表面上のナノロッドは、約９マイクロメートルの長さを有する。
例示的な実施形態では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の表面上のナノロッドは、約２０ナノメートル〜１２０ナノメートルである。一例では、ＳＤＳの存在下でＣＣ上に合成された長方形のナノチューブ５０２の表面上のナノロッドは、約５０ナノメートルの幅を有する。
規則的な中空ナノチューブのモルフォロジーは、ＳＤＳの存在下で合成されたＰＡＮＩ構造における電子移動を増加させる。合成されたＰＡＮＩの長方形の中空ナノチューブのモルフォロジー、及びその表面上のナノ粒子のモルフォロジーは、電極の電気化学的性能を向上させる。図７における例示的なＣＣ及びＰＡＮＩ−ＣＣ装置のサイクリックボルタモグラムによれば、０．４Ｖ及び０．２Ｖにおけるレドックスピークは、それぞれ、ＰＡＮＩの還元及び酸化を表す。ＰＡＮＩ−ＣＣのＣＶ曲線は、その擬似静電容量的挙動を示し、例示的な装置におけるＣＣの電気二重層静電容量（ＥＤＬＣ）を確認し、ＰＡＮＩによって引き起こされる擬似静電容量が支配的であることを示している。例示的なＣＤ曲線は、例示的なＣＶ曲線におけるＰＡＮＩのレドックスピークと一致するＣＤ工程における２つのプラトーを示している。ＳＤＳの存在下で合成されたＰＡＮＩを含有する例示的な装置は、図７及び８において、それぞれ、例示的なＣＶ曲線下の面積あたりのより高い静電容量及びレート性能、ならびに放電時間を示すことが見られる。このように、ＰＡＮＩ−ＦＣＣは、大幅に高い充電／放電電流密度を示し、レドックス添加剤に割り当てられた明らかなレドックスピークを示す。
表面モルフォロジー及び性能に対する重合時間の影響
異なる重合時間（１６、２０、２４、２８、及び３２時間）にわたってＣＣ上に合成されたＰＡＮＩによって示される表面モルフォロジーの例が図６Ａ〜Ｈに示されている。１６時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣ６０１ａは、低倍率での図６Ｃによれば、約２００〜５００ナノメートルの外径、約１００〜４００ｎｍの内径、及び数マイクロメートルの長さを有する、ＣＣの表面上の中空の長方形断面のＰＡＮＩナノチューブのモルフォロジーを示している。また、１６時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣ６０１ａは、高倍率での図６Ｂによれば、長さ及び直径がそれぞれ約１００〜２００ナノメートル及び約４０〜６０ナノメートルである、ＰＡＮＩナノチューブの表面上の階層構造において無秩序に配列したナノロッドのモルフォロジーを示している。
図６Ｄに示されるように、例示的な２０時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣ６０１ｂの画像は、より大きなナノチューブのモルフォロジーを示しており、その表面はより大きなサイズ及び量のナノロッドを含有する。
低倍率及び高倍率での図６Ｅ及び６Ｆに示されるように、例示的な２４時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣ６０１ｃの画像は、有孔ナノチューブのモルフォロジーを示しており、その表面は、サイズが８〜１０ナノメートルであるナノ構造の均一なアレイを含有する。
例示的な２８時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣ６０１ｄ及び３２時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣ６０１ｅの画像は、それぞれ図６Ｇ及び６Ｈによれば、重合時間が増加するにつれて、長方形チューブ上のナノ構造がそれらが成長するにつれて集合し得ることを示している。
図９及び図１０は、対称ＰＡＮＩ−ＣＣ装置における１６、２０、２４、２８、及び３２時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣのＣＶ及びＣＤ曲線の例を示している一方で、２つの２４時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣを含む例示的な装置は、約３４１Ｆ／ｇの最高静電容量、及び最長放電時間を示す。
２４時間重合されたＰＡＮＩ−ＣＣを含む例示的な装置の増加した静電容量は、直径が８ナノメートル〜１０ナノメートルである複数のより小さなナノ構造を有するその粗い表面が、より大きな表面積及び減少した拡散長さを示すという事実に起因し得る。
官能化の特性化
ＣＣ及びＦＣＣについての例示的なＸＲＤパターンが図１１に示されている一方で、初期のＣＣのＸＲＤパターンは、六角形のＣＣ構造の（００２）及び（１０１）面に起因する２０°〜３５°及び５０°〜５５°における２つの主な特有の回折ピークを示す。ＣＣの秩序ある結晶構造の破壊に起因して、及びＣ＝Ｎ基とＣＯＯ−基との間の増大した結合強度に起因して、２０°〜３５°ＣにおけるＣＣのブロードな強度ピークが大幅に減少し得ることが見られるが、その理由は、それらの二重結合が官能化プロセス中に単結合に変換されるからである。初期のブロードピークは、ＦＣＣ上のカルボン酸官能基の−ＯＨ基に関連し得、ＣＣとＦＣＣとの間のピークシフトは、キノノイド及びベンゼノイド環におけるＣ＝Ｃの伸縮振動、及び正のＰＡＮＩのＣ−Ｎバンドの負のカルボン酸との相互作用によって説明され得る。
図１２によれば、ＣＣ及びＰＡＮＩ−ＦＣＣのフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルの例は、ＰＡＮＩとＦＣＣとの間の強く均一な接続を示しており、それ故、等価直列抵抗の減少及びコンダクタンスの増加の証拠を提供する。示されているように、例示的なＣＣの活性化後に、ブロードピークが３，３００ｃｍ−１〜３，６５０ｃｍ−１の範囲の間に現れており、これは、ＦＣＣ上の、典型的にはカルボン酸、アルコール、及びアミン官能基からの交換可能なプロトンの存在を示している可能性がある。ＰＡＮＩの特有のピークは、ＣＣを官能化することによって変更され得る一方で、キノノイド及びベンゼノイド環におけるＣ＝Ｃの伸縮振動に相当する１，５７６ｃｍ−１及び１，５０３ｃｍ−１における結合は、それぞれ、１，５８０ｃｍ−１及び１，５０７ｃｍ−１にわずかにシフトした。また、Ｃ−Ｎ伸縮振動に関連する１，３０１ｃｍ−１におけるピークは、正のＰＡＮＩのＣ−Ｎバンドの負のカルボン酸との強い相互作用を明らかにする１，２６１ｃｍ−１への大きなシフトを経験した。最後に、例示的な装置のＣ−Ｎ伸縮振動に関連する１，２４０ｃｍ−１におけるバンドは完全に消失し、これはＣ＝ＮとＣＯＯ−基との間の共有結合の形成を示している可能性がある。それ故、ＦＴ−ＩＲ分光法は、ＰＡＮＩとＦＣＣとの間の優れた接続、及び減少したＥＳＲ、ならびにそれ故、高いレートの充電−放電での良好な出力密度を可能にし、スーパーキャパシタ装置のサイクル寿命を改善する増加した装置コンダクタンスについての強力な証拠を提供する。
計算
静電容量は、本体が電荷を貯蔵する能力である。いずれの物体も帯電して静電容量を示し得るものの、大きな静電容量を有する本体は、低い静電容量を有する本体よりも所与の電圧でより多くの電荷を保持する。いくつかの実施形態では、静電容量は、グラムあたりのファラド（Ｆ／ｇ）で測定される。
装置の比静電容量は、以下の方程式（Ｃｓｐは比静電容量であり、Ｉは放電電流密度（Ａ）であり、Δｔは放電継続時間（秒）であり、ｍは質量負荷（ｇ）であり、ΔＶは電位範囲（Ｖ）である）を使用するＣＤ測定を介して計算され得る。
非線形ＣＤ曲線を有する装置の比静電容量は、以下の方程式（Ｃｓｐは比静電容量であり、Ｉは放電電流密度（Ａ）であり、Δｔは放電継続時間（秒）であり、Ｖは電位範囲（Ｖ）である）を使用して計算され得る。
最高動作電位範囲を達成するため、正極に対する負極の質量比は、電荷平衡理論（ｑ＋＝ｑ−）に従って決定される。ボルタンメトリー電荷（Ｑ）は、以下の方程式（Ｃ単一は３電極構成で測定された各電極の比静電容量（Ｆ／ｇ）（１０ｍＶｓ−１の走査速度でサイクリックボルタモグラムから計算される）であり、ΔＶは電位窓（Ｖ）であり、ｍは電極の質量（ｇ）である）に基づいて計算され得る。
２つの電極間の電荷平衡を維持するために、正（ｍ＋）極と負（ｍ−）極との間の質量比は以下に従う必要がある：
エネルギー密度（ＥＤ）は、以下の方程式（Ｃｓｐは比静電容量（Ｆ／ｇ）であり、ΔＶは電位範囲（Ｖ）である）を使用する定電流放電曲線から導き出され得る。
電極の出力密度は、以下の方程式（ＥＤはＷｈ／ｋｇでのエネルギー密度であり、Δｔは放電時間である）から計算される。
面積静電容量は、単位面積あたりの本体の静電容量である。いくつかの実施形態では、面積静電容量は、立方センチメートルあたりのファラド（Ｆ／ｃｍ２）で測定される。
電流密度は、断面積あたりの電流であり、大きさが空間の所与の点における断面積あたりの電流であるベクトルとして定義される。いくつかの実施形態では、電流密度は、グラムあたりのアンペア（Ａ／ｇ）で測定される。
エネルギー密度は、単位質量あたりの貯蔵されるエネルギーの量の指標である。いくつかの実施形態では、エネルギー密度は、キログラムあたりのワット時間（Ｗｈ／ｋｇ）で測定される。
出力密度は、単位質量あたりの貯蔵される電力の量の指標である。いくつかの実施形態では、出力密度は、キログラムあたりのキロワット（ｋＷ／ｋｇ）で測定される。
装置性能特性
例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の電気化学性能特性が図１３Ａ〜Ｈに示されている。図１３ＡにおけるＣＶグラフを通じて見られるように、初期のＣＣは、非常に低い静電容量を有する小さな長方形曲線を示す。ＦＣＣは、炭素布の官能化がその濡れ性を増加させ、それ故電荷の吸着及び脱着を容易にするという事実におそらく起因して、より高いＥＤＬＣ電荷貯蔵機能を有する長方形のＣＶ形状を示す。また、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置は、図１３Ｃによれば、例示的なＰＡＮＩ−ＣＣ装置のＣＶ曲線よりも、より長方形の形状をしたＣＶ、及びそれ故より高い静電容量性能を示す。この性能改善は、その二重層メカニズムにおける例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣの増加した電荷貯蔵、ＦＣＣの濡れ性、及び電荷の吸収及び脱着に関連している可能性が最も高い。また、装置の擬似静電容量の原因となるＰＡＮＩのレドックスピークは、ＦＣＣから生じる静電容量部分によってカバーされ、装置の擬似静電容量の原因となるＰＡＮＩのレドックスピークは、ＦＣＣの電気二重層の静電容量によって著しく低下することは明らかである。
図１３Ｂで見られるように、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置は、ＣＤ曲線が図１３Ａに示されているＰＡＮＩ−ＣＣよりも対照的な形状をしたＣＤ曲線、及びそれ故より高い静電容量性能を示す。また、図１３Ｂは、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の放電工程における赤外線（ＩＲ）低下が、炭素基材の増加した濡れ性及びとＰＡＮＩとＦＣＣとの間のより強い接続に最もおそらく起因して、例示的なＦＣＣ及びＣＣ装置の放電工程における赤外線（ＩＲ）低下よりもはるかに小さいことを示している。ＣＣの官能化は、負電荷を有するいくつかのカルボン酸基を形成し得るので、カルボン酸基とアニリニウムイオンとの間に静電相互作用が生じ得る一方で、ＦＣＣは重合流体に浸漬される。それ故、ＰＡＮＩとＦＣＣとの間の接続は、ＰＡＮＩとＣＣとの間の接続よりも強く、より多くのＰＡＮＩがＦＣＣ上に堆積する。この容量の改善は、ＦＣＣ基材上に存在するＰＡＮＩと官能基との間の増大した相互作用に起因する可能性が最も高い。
図１３Ａを通じてピーク電流密度、及び図１３Ｂにおける例示的な静電容量値を考慮すると、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置によって示される静電容量は、１Ａ／ｇの電流密度で約６６７Ｆ／ｇである一方で、例示的なＰＡＮＩ−ＣＣ装置の静電容量は、同じ条件下で約３４１Ｆ／ｇである。ＣＣの酸処理は、ＣＣの表面上で負に帯電したカルボキシル基官能性を付与するので、ＦＣＣの重合流体への浸漬は、カルボン酸基と正に帯電したアニリニウムイオンとの間の静電相互作用を作り出し得、これはより強いコンジュゲーション生成物をもたらし得る。このように、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置のスーパーキャパシタ性能の改善は、ＦＣＣ基材上に存在するＰＡＮＩと官能基との間のより良好な相互作用（すなわち、ＰＡＮＩとＦＣＣとの間のより速い電子交換）、及び官能基自体のレドックス活性の組み合わせ効果に起因し得る。
開路電位下で動作された例示的なＣＣ、ＦＣＣ、ＰＡＮＩ−ＣＣ、及びＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置について、それぞれ、図１３Ｃ及び１３Ｄにナイキスト及びボードプロットが示されている。図１３Ｃによれば、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置は、ｘ切片から評価されるように、例示的なＰＡＮＩ−ＣＣよりも低い等価直列抵抗を示し、これは図１３Ｂに示される低いＩＲ低下測定結果を確認するものである。図１３Ｄによれば、例示的なＰＡＮＩ−ＣＣ装置のボードプロットはまた、より大きな位相角を示し、図１３Ｃにおけるナイキストプロットで観察されるように、より低い装置抵抗を確認している。
また、１０ｍＶ／ｓ〜１，０００ｍＶ／ｓの図１３Ｅに示される走査速度測定は、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置が２００ｍＶ／ｓの高い走査速度で類似するＣＶ曲線形状を保持したことを示しており、図１３ＦにおけるＣＤプロットによって確認される良好なレート性能を示している。レドックス活性電解質で満たされ得る大きな細孔容積により、吸着及びレドックス静電容量の両方を介した電荷貯蔵が可能になる。予想されるように、電解質種は、電極表面の内外へ、及び例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の細孔全体を通して、低い走査速度で容易に挿入及び脱挿入され、予想される長方形の応答曲線をもたらす。走査速度が増加するにつれて、電解質種と電極表面との間の相互作用は、動力学及び質量輸送パラメータによって理論的に制限される。
そのような場合、基材表面の大部分は電解質との動的相互作用がほとんどなく、おそらくは非長方形で傾いたＣＶ曲線となる。異なる電流密度（１〜５０Ａ／ｇ）での同様のＣＤの例のプロットは、図１３Ｆに示されるように、例示的な装置の良好なレート性能の追加の指標として機能する。
例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置はまた、高いＣＤ速度で作動された場合であっても、その電気化学的性能を維持した。図１３Ｇは、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置と比較した、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の電流密度に応じた比静電容量を示している。１〜５０Ａ／ｇの異なる電流密度で試験された例示的な対称装置のレート性能は、５０Ａ／ｇの電流密度で２７４Ｆ／ｇの優れた比静電容量を示す。２０Ａ／ｇ及び５０Ａ／ｇでの例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置（上側の曲線）の比静電容量は、それぞれ、１Ａ／ｇにおけるものの約５６％及び約４１％ほどである。これらの結果は、高い電流密度下での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の良好なレート性能を実証しており、これは実用的な高いレートのＳＣ用途にとって重要である。
長期の充電／放電サイクルにわたる静電容量保持は、実用的なＳＣ材料にとって不可欠である。例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の静電容量は、図１３Ｈによれば、５，０００サイクルにわたって電流密度の範囲（１、２、５、１０、及び２０Ａ／ｇ）でＣＤサイクル中に測定される一方で、１Ａ／ｇの電流密度における例示的な装置の静電容量は最初の２００サイクルの間に増加し、また一方で、例示的な装置の静電容量は１，０００〜５，０００サイクルの期間の間に減少する。１Ａ／ｇの電流密度での２００サイクルの後、例示的な装置の比静電容量は減少し、１，０００サイクル目の最後では、例示的な装置は、６６７Ｆ／ｇの初期の比静電容量の約９１％を提供する。最後に、例示的な装置は、５，０００サイクルにわたって約８７％の静電容量保持率を示し、非常に良好なサイクル性を示す。図１３Ｈにおける挿入図は、１Ａ／ｇでの例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ電極の１番目及び５，０００番目のサイクルを追加で示している。
図１４によれば、異なる電流における例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置についてのＣＤ曲線の例が、その面積静電容量を計算するために示されている。例示的な積層体の面積静電容量は、７ｍＡ／ｃｍ２（１Ａ／ｇの電流と同等）において約３７４ｍＦ／ｃｍ２である。
官能化後、例示的なＦＣＣは、１時間、４時間、または７時間、２００℃で空気雰囲気中で炉内でアニール処理され、例示的なＰＡＮＩ−（アニール処理されていない）ＦＣＣ装置は、例示的なＰＡＮＩ−（アニール処理された）ＦＣＣ装置よりもはるかに高い放電時間を示す。図１５Ａに示されているように、アニール処理がＣＣ上に存在する官能基の数、ひいては擬似静電容量を減少させるという事実に最もおそらく起因して、アニール処理時間を増加させると、その静電容量に影響を及ぼすことなく、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の放電時間を増加させる。また、図１５Ｂは、アニール処理中にＦＣＣ上の官能基が減少するにつれてＦＣＣ導電率が増加するという事実に最もおそらく起因して、アニール処理時間を増加させると、高周波数領域における半円が減少することを図示しており、電荷移動抵抗の減少を示している。このように、例示的なＦＣＣ装置をアニール処理すると、官能性擬似静電容量が減少し、導電性が増大し、例示的な装置の抵抗が減少する。アニール処理の期間は、例示的な装置の静電容量に影響を及ぼさないようである。
一定の機械的ストレス下での例示的な装置の性能は、柔軟性のあるエネルギー貯蔵装置として作用するその能力を示す。図１６Ａは、０°の平坦な状態から１８０°の曲げられた状態への機械的ストレス下での例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の抵抗を示している。また、図１６Ｂは、装置の抵抗が、この例によれば、１，０００サイクルにわたってその平坦からその折り畳まれた状態に曲げられたときに、約４％以内に維持されることを示している。調製時の例示的な装置は、高い柔軟性を示し、性能の低下を伴わずに１８０°曲げられ得る。また、図１６Ｃによれば、例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置は、その折り畳まれた状態においてその長方形の形状をしたＣＶ曲線及び静電容量を維持する。例示的な装置のこの優れた性能耐久性は、電極の高い機械的柔軟性及びＦＣＣとＰＡＮＩとの間の強い接続に起因し得、そのような装置が柔軟な使用に好適であることを証明している。
図１７Ａ〜Ｄは、ＰＡＮＩ−ＦＣＣ正極、活性炭負極、及び１ＭのＨ２ＳＯ４電解質を含む例示的な非対称装置の電気化学的性能を示している。図１７Ａに示された測定例によれば、ＡＣ電極は、Ｈ２発生の水レドックス範囲によって制限される１．２Ｖ（−０．６〜０．６Ｖ）の既定の電位窓を有する。図１７Ｂ及び１７Ｃは、それぞれ、５０ｍＶ／ｓ及び１Ａ／ｇでの上記の例示的な装置のＣＶ及びＣＤを示している一方で、非対称装置の電位窓は、ＡＣ電極の機能を超えて、１．３Ｖの水性電解質酸化壁まで拡張される。
出力密度及びエネルギー密度は、スーパーキャパシタ装置の性能を評価するために使用される２つの主なパラメータである。図１７Ｄは、１Ａ／ｇ〜５０Ａ／ｇの電流密度の範囲にわたる例示的なＰＡＮＩ−ＦＣＣ対称及び非対称装置のエネルギー密度及び出力密度を比較するラゴンプロットを図示している。図１７Ｄによれば、例示的な対称装置の最大エネルギー密度は約５９Ｗｈ／Ｋｇであり、これは、出力密度が約０．４ｋＷ／ｋｇから約２０ｋＷ／ｋｇに増加すると約２４Ｗｈ／ｋｇに減少した。例示的な非対称装置のエネルギー及び出力密度は、それぞれ、約９１Ｗｈ／ｋｇ及び３３Ｗ／ｋｇに増加した。
図２３Ａ及び２３Ｂは、例示的な装置の用途を示しているが、直列に接続された２つの非対称ＰＡＮＩ−ＦＣＣ／／ＡＣ装置は、それぞれ、約５ｍｍの直径の赤色ＬＥＤ２１０１インジケータに約４７分間、及び時計２１０２に約１時間１７分、成功裏に給電した。
ＮＱは、追加のレドックス反応を提供することができる効果的なレドックス活性電解質である。一実施形態では、１ＭのＨ２ＳＯ４＋１０ミリモル濃度のＮＱ混合ゲル電解質を有する例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ非対称スーパーキャパシタ装置の電気化学的性能が図１８Ａ〜Ｆに示されている一方で、ＮＱの追加は、測定される電位窓を拡張する。異なる電圧窓及び１００ｍＶ／ｓでのＮＱ電解質を有する例示的な非対称ＰＡＮＩ／／ＡＣ装置のＣＶ曲線が図１８Ａに示されている一方で、電位窓は１．７Ｖに拡張されることが分かる。例示的な装置の電位窓と静電容量との関係が図１８Ａの挿入図に示されている一方で、１．４Ｖの電位窓は最高静電容量を可能とする。図１８Ｂは、例示的な装置におけるＨ２ＳＯ４＋ＮＱ混合電解質の導入が、Ｈ２ＳＯ４電解質と比較してサイクリックボルタンメトリーの積分面積を増加させることを示している。混合された均一な電解質におけるＰＡＮＩ／／ＡＣ装置のナイキストプロットはまた、図１８Ｃによれば、混合電解質における例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ装置が、電解質の高い電気伝導性に起因して均一な電解質（３．１Ω）よりも低い２．５Ωの等価直列抵抗を示すことを証明している。混合電解質における例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ装置は、挿入図のグラフによれば、Ｈ２ＳＯ４電解質におけるＰＡＮＩ／／ＡＣ装置よりも高い周波数領域においてより小さな半円を更に示すので、混合電極装置はより高い静電容量を示す。また、図１８Ｃにおける測定結果によれば、Ｈ２ＳＯ４＋ＮＱ電解質における例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ装置の等価直列抵抗は、ＮＱを有しない例示的なＰＡＮＩ／／ＡＣ装置の計算された等価直列抵抗よりも低いので、ＮＱのより低い電荷移動抵抗は、増加した電子移動により装置の静電容量を改善し得る。図１８Ｄによれば、異なる電流密度での例示的な混合電解質装置の放電曲線におけるプラトーの出現は、２Ａ／ｇの電流密度において放電時間を約２，０００秒に増加させるためのＮＱの寄与を確認するものである。図１８Ｄにおける値により計算すると、１ＭのＨ２ＳＯ４中への１０ミリモル濃度の１，４−ナフトキノン（ＮＱ）の添加は、混合電解質及び例示的な装置を製造し、その装置は、１Ａ／ｇの電流密度で約３，２００Ｆ／ｇの比容量及び約８２７Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を示し、ＮＱの非存在下での例示的な装置よりも８倍を超えて良好に機能する。
図１８Ｄの挿入図、及び１８Ｅは、それぞれ、５０Ａ／ｇの電流密度での例示的な混合電極装置のＣＤ曲線、及び電流密度に応じた計算された静電容量を示しており、これは高いレート性能、及び約６７１Ｆ／ｇの容量を強調している。最後に、図１８Ｆは、電解質中にＮＱの存在を有する及び有しない例示的な装置のラゴンプロットを示しており、エネルギー密度に対するＮＱの８倍の良い効果を強調している。
ＮＱの添加は、ＰＡＮＩレドックス活性電極の静電容量を増加させることができるだけでなく、活性炭などのＥＤＬＣ材料の静電容量も改善する。図１９Ａは、ＰＶＡ／Ｈ２ＳＯ４ゲルレドックス電解質中に活性炭電極を含む例示的な装置のサイクリックボルタモグラムを示しており、これは約１３，４５６Ｆ／ｇの顕著な静電容量を実証している。高い水素発生過電圧を有する活性炭は、電解質の分解を引き起こすことなくより負の電圧で動作し得るので、例示的な非対称スーパーキャパシタは、負極及び正極に同時に作用するレドックス電解質を介して、拡張した電位窓及び制御された電荷貯蔵容量を示す。図１９Ｂは、１０Ａ／ｇの電流密度での３Ｅセル（３重に積層された）構成における例示的な非対称ＡＣ−ＦＣＣ及びＰＡＮＩ−ＦＣＣ電極のＣＤ曲線を示しており、その結果はＣＶ実験のものと一致する。図１９Ｃは、例示的な装置が２Ａ／ｇの電流密度下で約２，０００秒の長い放電時間を示すことを図示している。放電曲線における新しいプラトーの出現は、例示的な装置の静電容量に対するＮＱからの寄与を確認し得る。図１９Ｃへの挿入図は、非常に高い電流密度（１００Ａ／ｇ）での装置のＣＤ曲線を示しており、ＮＱの存在下でＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の高いレート性能を明らかにしている。
図２０Ａは、レドックス添加剤を有する及び有しない酸性ポリマーヒドロゲル電解質中にＰＡＮＩ−ＦＣＣ正極及びＡＣ−ＦＣＣ負極を含む例示的な非対称スーパーキャパシタの性能を示している。この非対称スーパーキャパシタは、対称ポリアニリン装置（０．８Ｖ）の本質的に低い電圧をバイパスし、動作電位窓を１．４Ｖまで拡張する。更に、サイクリックボルタモグラムの積分面積は、レドックス添加剤の存在下で明らかにはるかに高い。図２０Ｂにおける充電及び放電曲線は、１．８８Ａ／ｇの電流密度下で約６，０００秒の放電時間を示している一方で、ＮＱが非存在下では、同じ装置はわずか１８５秒で放電する。換言すれば、ＮＱの存在下での装置の比静電容量は、１．８８Ａ／ｇの電流密度下で約５，６６１Ｆ／ｇ（２．３Ｆ／ｃｍ２）であり、これは、ＮＱの非存在下におけるものよりも２０倍超高い。
図２０Ｃは、その装置が最大で９４Ａ／ｇの非常に高い電流密度でも高い比静電容量を維持することを示しており、ＮＱの存在下での例示的なＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の高いレート性能を明らかにしている。
また、図２０Ｄによれば、４７Ａ／ｇの電流密度下でのＡＣ−ＦＣＣ／／ＰＡＮＩ−ＦＣＣ装置の充電／放電（ＧＣＤ）サイクルは、７，０００サイクルにわたって８４％の静電容量保持率を示す。
図２１は、いくつかの実施形態による、例示的な対称及び非対称装置の出力密度とエネルギー密度との間の例示的な関係を示している。本開示に従って構成された例示的なレドックススーパーキャパシタは、活物質のみの質量に基づいて１，５４１Ｗｈ／ｋｇの顕著なエネルギー密度を実証する。
一例では、例示的な電気化学セルは、約１ｃｍ２の実装面積及び約１ミリメートルの厚さを有し、それ故、０．００５ｃｍ３の体積を包含する。この例において、例示的な電気化学セルの組成を以下に示す。
電気化学セルのこの例では、ＳＥＭ画像は、図５Ａによれば、ＰＡＮＩナノチューブが約２８．４％の多孔度を有することを示しているので、実際のＰＡＮＩの体積は約１．０５×１０ー４ｃｍ３であると計算される。また、
この例では、例示的な電気化学セルは、それぞれ、約１．１４Ｆ、１．４Ｖ、及び０．０００３Ｗｈの静電容量、電圧、及びエネルギーを示している。また、図２２は、電極の質量及び体積（１５５４Ｗｈ／ｋｇ、１０１９Ｗｈ／Ｌ）によって、電極及びレドックス電解質の質量及び体積（１０９１Ｗｈ／ｋｇ、８５１Ｗｈ／Ｌ）によって、ならびに電極、レドックス電解質及び炭素布の質量及び体積（５９Ｗｈ／ｋｇ、８７Ｗｈ／Ｌ）によって正規化されたＮＱレドックス電解質及び炭素布を有する非対称ＰＡＮＩ／／ＡＣ装置の重量及び体積密度を示している。
用語及び定義
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的用語は、本明細書に記載の装置が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が他に明確に指示していない限り、複数の言及を含む。本明細書における「または」に対する任意の言及は、他に記述されていない限り、「及び／または」を包含することが意図される。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＡＣという用語は活性炭を指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＣＣという用語は炭素布を指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＦＣＣという用語は官能化炭素布を指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＰＡＮＩという用語はポリアニリンを指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＰＡＮＩ−ＣＣという用語は、ポリアニリン構造が合成された炭素布を指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＰＡＮＩ−ＦＣＣという用語は、ポリアニリン構造が合成された官能化炭素布を指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＳＤＳという用語はドデシル硫酸ナトリウムを指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＣＶチャートという用語はサイクリックボルタモグラムチャートを指す。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、ＣＤチャートは充電−放電チャートを指す。
本明細書で教示された本方法及び装置の好ましい実施形態が本明細書に示され、説明されているが、そのような実施形態は単なる例示として提供されていることは当業者に明らかであろう。本明細書で教示された方法及び装置から逸脱することなく、多くの類型、変更、及び置換が今は当業者に想起されるであろう。本明細書に記載の本明細書で教示された方法及び装置の実施形態に対する様々な代替手段が、本明細書で教示された方法及び装置を実施する際に用いられ得ることが理解されるべきである。以下の特許請求の範囲は、本明細書で教示された方法及び装置の範囲を定義し、これらの特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内の方法及び構造がそれによってカバーされることが意図される。
本明細書で使用される場合、他に規定されない限り、「約」または「およそ」という用語は、値がどのように測定または決定されるかに部分的に依存する、当業者によって決定される特定の値に対する許容可能な誤差を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、１、２、３、または４の標準偏差以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、または０．０５％以内を意味する。
所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の１００ナノメートル、９０ナノメートル、８０ナノメートル、７０ナノメートル、６０ナノメートル、５０ナノメートル、４０ナノメートル、３０ナノメートル、２０ナノメートル、１０ナノメートル、９ナノメートル、ナノメートル、８ナノメートル、７ナノメートル、６ナノメートル、５ナノメートル、４ナノメートル、３ナノメートル、２ナノメートル、または１ナノメートル以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の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、または１ｍＦ／ｃｍ２以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の５Ｖ、４Ｖ、３Ｖ、２Ｖ、１Ｖ、０．５Ｖ、０．１Ｖ、または０．０５Ｖ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の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、または１Ｆ／ｇ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の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、または０．０５Ｗｈ／ｋｇ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の４０℃、３０℃、２０℃、１０℃、９℃、℃、８℃、７℃、６℃、５℃、４℃、３℃、２℃、または１℃以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の６０分、５０分、４０分、３０分、２０分、１０分、９分、分、８分、７分、６分、５分、４分、３分、２分、または１分以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の６０時間、５０時間、４０時間、３０時間、２０時間、１０時間、９時間、時間、８時間、７時間、６時間、５時間、４時間、３時間、２時間、または１時間以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の４０．０グラム、３０．０グラム、２０．０グラム、１０．０グラム、５．０グラム、１．０グラム、０．９グラム、０．８グラム、０．７グラム、０．６グラム、０．５グラム、０．４グラム、０．３グラム、０．２グラムまたは０．１グラム、０．０５グラム、または０．０１グラム以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の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、または０．１Ａ／ｇ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の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、または０．０５ｋＷ／ｋｇ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、５Ｌ、４Ｌ、３Ｌ、２Ｌ、１Ｌ、０．５Ｌ、０．１Ｌ、または０．０５Ｌ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の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、または０．１ｍｌ以内を意味する。所定の実施形態では、「約」または「およそ」という用語は、所与の値または範囲の５Ｍ、４Ｍ、３Ｍ、２Ｍ、１Ｍ、０．５Ｍ、０．１Ｍ、または０．０５Ｍ以内を意味する。

Claims (35)

  1. スーパーキャパシタであって：
    ２つ以上の電極であって、少なくとも１つの電極が官能化炭素電極を含む、前記２つ以上の電極；
    集電体；及び
    レドックス電解質
    を含む、前記スーパーキャパシタ。
  2. 前記官能化炭素電極が：
    炭素布、炭素繊維、非晶質炭素、ガラス状炭素、炭素ナノフォーム、炭素エーロゲル、グラフェンフォームまたはそれらの任意の組み合わせを含む炭素基材；及び
    前記炭素基材上に配置された導電性ポリマーであって、前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンオキシド）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキチオフェン）、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、またはそれらの任意の組み合わせを含む、前記導電性ポリマー
    を含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
  3. 前記導電性ポリマーが、１つ以上のナノチューブのモルフォロジーを有する、請求項２に記載のスーパーキャパシタ。
  4. ナノチューブは、１００ナノメートル〜１０，０００ナノメートルの長さを有する、請求項３に記載のスーパーキャパシタ。
  5. ナノチューブは、１０ナノメートル〜１，０００ナノメートルの外幅を有する、請求項３に記載のスーパーキャパシタ。
  6. ナノチューブは、５０ナノメートル〜８００ナノメートルの内幅を有する、請求項３に記載のスーパーキャパシタ。
  7. ナノチューブの表面は、ナノ構造を含有する、請求項３に記載のスーパーキャパシタ。
  8. ナノ構造は、ナノロッド、ナノチェーン、ナノ繊維、ナノフレーク、ナノフラワー、ナノ粒子、ナノプレートレット、ナノリボン、ナノリング、ナノシート、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項７に記載のスーパーキャパシタ。
  9. ナノ構造は、４ナノメートル〜５０ナノメートルの長さを有する、請求項７に記載のスーパーキャパシタ。
  10. ナノ構造は、４ナノメートル〜５０ナノメートルの幅を有する、請求項７に記載のスーパーキャパシタ。
  11. 前記官能化炭素電極が、少なくとも１５０ｍＦ／ｃｍ２〜７５０ｍＦ／ｃｍ２の面積静電容量を有する、請求項２に記載のスーパーキャパシタ。
  12. 前記官能化炭素電極が、１，０００サイクルの曲げ処理の後に最大で８％減少する抵抗を有する、請求項２に記載のスーパーキャパシタ。
  13. 前記レドックス電解質が、キノンを含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
  14. 前記スーパーキャパシタが、０．１Ｖ〜１．７Ｖの動作電位を有する、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
  15. 前記スーパーキャパシタが、１，０００サイクルの充電の後、最大で２６％減少する重量静電容量を有する、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
  16. 前記スーパーキャパシタが、１２５Ｆ／ｇ〜２０，０００Ｆ／ｇである重量静電容量を有する、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
  17. 前記スーパーキャパシタが、１２Ｗｈ／ｋｇ〜３，０００Ｗｈ／ｋｇである重量エネルギー密度を有する、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
  18. 官能化電極を作製する方法であって：
    ａ）炭素基材を官能化して官能化炭素基材を形成すること；
    ｂ）前記官能化炭素基材を調製すること；
    ｃ）重合流体を配合すること；及び
    ｄ）前記官能化炭素基材上に１つ以上のナノチューブを合成すること
    を含む、前記方法。
  19. 前記炭素基材を官能化して官能化炭素基材を形成することが：
    ｉ）官能化溶液を形成すること；
    ｉｉ）前記官能化溶液を加熱すること；
    ｉｉｉ）前記官能化溶液を冷却すること；
    ｉｖ）炭素基材のピースを前記官能化溶液中に移すこと；及び
    ｖ）官能化炭素基材のピースをすすぐこと；
    を含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記官能化溶液の前記加熱が、３０℃〜１２０℃の温度で行われる、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記官能化溶液の前記加熱が、６０分〜２４０分の期間行われる、請求項１９に記載の方法。
  22. 前記官能化炭素基材の前記調製の前に前記官能化炭素基材をアニール処理する工程を更に含む、請求項１８に記載の方法。
  23. 前記官能化炭素基材が、１００℃〜４００℃の温度でアニール処理される、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記官能化炭素基材が、０．５時間〜１４時間の期間アニール処理される、請求項２２に記載の方法。
  25. 前記官能化炭素基材の前記調製が：
    ｉ）前記官能化炭素基材のピースを切断すること；
    ｉｉ）前記官能化炭素基材のピースを溶媒溶液中に沈めること；
    ｉｉｉ）前記官能化炭素基材のピースを前記溶媒溶液中で超音波処理すること；及び
    ｉｖ）前記官能化炭素基材のピースを乾燥させること；
    を含む、請求項１８に記載の方法。
  26. 前記超音波処理が、１５分〜６０分の期間行われる、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記乾燥が、３０℃〜１２０℃の温度で行われる、請求項２５に記載の方法。
  28. 前記乾燥が、３時間〜１２時間の期間行われる、請求項２５に記載の方法。
  29. 重合流体の前記配合が：
    ｉ）導電性ポリマー；
    酸；
    洗浄剤；
    水；及び
    酸化剤；
    を含む重合溶液を形成すること；
    ｉｉ）前記重合溶液を撹拌して前記重合流体を形成すること
    を含む、請求項１８に記載の方法。
  30. 前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンオキシド）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキチオフェン）、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記重合溶液の前記撹拌が、１０分〜４０分の期間行われる、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記官能化炭素基材上でのナノチューブの前記合成が：
    ｉ）重合流体を掻き混ぜること；
    ｉｉ）前記官能化炭素基材を前記重合流体に浸漬すること；
    ｉｉｉ）前記官能化炭素基材を前記重合流体中で保存すること；
    ｉｖ）前記重合流体から官能化炭素基材を除去すること；
    ｖ）前記官能化炭素基材を洗浄すること；及び
    ｖｉ）前記官能化炭素基材を乾燥させること
    を含む、請求項１８に記載の方法。
  33. 前記重合流体中での前記官能化炭素基材の前記保存が、１０℃〜５０℃の温度で行われる、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記重合流体中での前記官能化炭素基材の前記保存が、少なくとも８時間の期間行われる、請求項３２に記載の方法。
  35. 前記官能化炭素基材の前記乾燥が、３０℃〜１２０℃の温度で行われる、請求項３２に記載の方法。
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