KR20240055878A - 에너지 저장 디바이스를 위한 나노구조 전극 - Google Patents

에너지 저장 디바이스를 위한 나노구조 전극 Download PDF

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KR20240055878A
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니콜로 미켈레 브람빌라
파브리지오 마르티니
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패스트캡 시스템즈 코포레이션
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Abstract

일 실시예에서, 전극이 제공된다. 전극은 탄소 나노튜브(CNT)들의 적어도 하나의 층이 배치되는 적어도 하나의 표면 상에 알루미늄 탄화물 층을 가지는 알루미늄을 포함하는 전류 콜렉터를 포함한다. 전극은 수직-정렬된, 수평-정렬된, 또는 정렬되지 않은(예를 들어, 얽힌 또는 다발성의) CNT들을 포함한다. 전극은 압축된 CNT들을 포함할 수 있다. 전극은 단일-벽, 이중-벽, 또는 다중벽 CNT들을 포함할 수 있다. 전극은 CNT들의 다수의 층들을 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장 디바이스를 위한 나노구조 전극{NANOSTRUCTURED ELECTRODE FOR ENERGY STORAGE DEVICE}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2014년 10월 9일에 "ELECTRODE FOR ENERGY STORAGE DEVICE USING ANODIZED ALUMINUM"라는 명칭으로 출원되었으며 그 전체 내용이 참조로 본원에 포함되는, 미국 가출원 제62/061,947호를 우선권 주장한다.
연방 지원 연구의 선언
이 발명은 미국 에너지국에 의해 수여된 DE-AR0000035/0001(ARPA-E) 및/또는 미국 에너지국에 의해 수여된 DE- DE-EE0005503/001(EERE)의 승인 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 발명의 특정 권한들을 가진다.
기술 분야
본 발명은, 에너지 저장 디바이스들에서의 사용을 위한 탄소 나노튜브 집합체들을 포함하는 전극들을 생산하기 위한 방법들 및 이러한 전극들을 이용하는 에너지 저장 디바이스들을 포함한, 전극들의 생산에 관한 것이다.
탄소 나노튜브(CNT: carbon nanotube)들은 다양한 특징들을 보이는 탄소 구조체들이다. 특징들 중 다수는 다양한 기술 영역들에서의 개선을 위한 기회들을 제안한다. 이러한 기술 영역들은 전자 디바이스 재료들, 광학 재료들, 뿐만 아니라 다른 재료들을 포함한다. 예를 들어, CNT들은 커패시터들에서의 에너지 저장을 위해 유용한 것으로 판명된다.
그러나, 커패시터를 위한 전류 콜렉터 상으로의 CNT들의 효과적인 전사(transfer)가 도전적인 것으로(challenging) 판명되었다. 또한, 기법들은 원하는 성능 능력들, 예를 들어, 전력 밀도, 에너지 밀도, 최대 전압 정격, 등가 직렬 저항(ESR), 주파수 응답, 사이클 효율성, 및 안정성을 제공할 형태로의 CNT들의 전사를 가능하게 하지 않았다. 예를 들어, 결합층(bonding layer)이 통상적으로 사용되어 CNT들이 전류 콜렉터의 표면에 접착하게 한다. 결합층은 통상적으로, ESR을 증가시키는 것 및 에너지 밀도와 전력 밀도를 감소시키는 것을 포함한, 다수의 방식들로 결과적인 커패시터의 성능에 영향을 준다.
따라서, 탄소 나노튜브들에 기초한 고성능 전극의 생산을 위한 방법들 및 장치가 요구된다. 바람직하게는, 방법들 및 장치는 수행하기에 단순하고, 따라서 감소한 제조 비용 뿐만 아니라 개선된 생산 레이트를 제공한다.
일 실시예에서, 전극이 제공된다. 전극은 CNT들의 적어도 하나의 층이 배치되는 적어도 하나의 표면 상에 알루미늄 탄화물층을 가지는 알루미늄을 포함하는 전류 콜렉터를 포함한다. 전극은 수직-정렬된, 수평-정렬된, 또는 정렬되지 않은 (예를 들어, 얽힌 또는 다발성의) CNT들을 포함한다. 전극은 압축된 CNT들을 포함할 수 있다. 전극은 단일-벽, 이중-벽, 또는 다중벽 CNT들을 포함할 수 있다. 전극은 CNT들의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
또다른 실시예에서, 전극을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 전류 콜렉터의 적어도 하나의 표면 상에 알루미늄 탄화물의 층을 가지는 전류 콜렉터를 선택하는 것, 및 알루미늄 탄화물 층 상에 CNT들을 배치하는 것을 포함한다. 알루미늄 탄화물 층 상에 CNT들을 배치하는 것은 수직-정렬된, 수평-정렬된, 또는 정렬되지 않은 (예를 들어, 얽힌 또는 다발성의) CNT들을 배치하는 것을 포함할 수 있다. 결과적인 전극은 수직-정렬된, 수평-정렬된, 또는 정렬되지 않은 (예를 들어, 얽힌 또는 다발성의) CNT들을 포함할 수 있다. 알루미늄 탄화물 층 상에 CNT들을 배치하는 것은 압축된 CNT들을 배치하는 것 및/또는 CNT들이 알루미늄 탄화물 층 상에 배치된 이후 이들을 압축하는 것을 포함할 수 있다. 결과적인 전극은 압축된 CNT들을 포함할 수 있다. 알루미늄 탄화물 층 상에 CNT들을 배치하는 것은 단일-벽, 이중-벽, 또는 다중벽 CNT들을 배치하는 것을 포함할 수 있다. 결과적인 전극은 단일-벽, 이중-벽, 또는 다중벽 CNT들을 포함할 수 있다. 방법은 알루미늄 탄화물 층 상에 배치되는 CNT의 층 상으로 CNT들의 추가적인 층들을 배치하는 것을 더 포함할 수 있는데, 상기 CNT들의 추가적인 층들은 수직-정렬된, 수평-정렬된, 또는 정렬되지 않은 (예를 들어, 얽힌 또는 다발성의) CNT들; 압축된 CNT들; 또는 단일-벽, 이중-벽, 또는 다중벽 CNT들일 수 있다.
알루미늄 탄화물 층 상에 CNT들을 배치하는 것은 용액으로부터 CNT들을 전사시키는 것, 임의의 다양한 건식 전사 방법들을 사용하여 CNT들을 전사시키는 것, 알루미늄 탄화물 층 바로 위에 CNT들을 성장시키는 것을 포함하는, 표면 상에 CNT들의 층을 생성하기 위한 임의의 다양한 방법들, 및 이러한 방법들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, CNT들의 층은 적어도 하나의 표면 상에 알루미늄 탄화물층을 가지는 알루미늄 전류 콜렉터 바로 위에 성장된다. 층은 단일-벽, 이중-벽, 또는 다중벽 CNT들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, CNT들의 층은 전사 테이프, 압축과 같은 임의의 다양한 건식 전사 방법들을 사용하여 전류 콜렉터에 전사된다. 특정 실시예들에서, 건식 전사 방법이 사용되어 전류 콜렉터의 알루미늄 탄화물 층 상에 배치되는 CNT들의 층 상에 추가적인 CNT들의 층들을 더한다. 특정 실시예들에서, CNT들의 층은 침전, 증발, 스프레이-건조를 포함한, 임의의 다양한 습식, 용매-기반 전사 방법들을 사용하여, 전류 콜렉터에 전사된다.
추가적인 실시예에서, 울트라커패시터가 제공된다. 울트라커패시터는 본원에 기술되는 타입의 적어도 하나의 전극을 포함한다.
울트라커패시터는 울트라커패시터의 전기적 성능 및 다른 재료들, 예를 들어, 전극 또는 분리기와의 호환성의 견지에서 특정 원하는 특징들을 가지는 전해질을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전해질은 이온성 액체와 같은 적어도 하나의 무기 또는 유기염을 포함하는, 그리고 선택적으로는 적어도 하나의 용매를 더 포함하는, 용액이다. 특정 실시예들에서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체 및 적어도 하나의 겔화제를 포함하는, 그리고 선택적으로 용매들, 염들 및 계면활성제들과 같은 다른 첨가제들을 포함하는 겔이다. 특정 실시예들에서, 전해질은 이온성 액체와 같은 적어도 하나의 무기 또는 유기염, 및 불소중합체(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 또는 이들의 공-중합체들)와 같은 적어도 하나의 중합성 재료를 포함하는, 그리고 선택적으로 용매들, 용제들 및 계면활성제들과 같은 다른 첨가제들을 포함하는, 고체 중합체 전해질이다. 특정 실시예에서, 전해질은 습기, 및 울트라커패시터의 성능에 악영향을 줄 수 있는 다른 오염원들이 실질적으로 없다.
울트라커패시터는 울트라커패시터의 양전극과 음전극 사이의 전기적 분리를 제공하기 위한 분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 분리기는 울트라커패시터의 전기적 성능 및 다른 재료들, 예를 들어, 전극 또는 전해질과의 호환성의 견지에서 특정 원하는 특징들을 가진다. 특정 실시예들에서, 분리기는 폴리아미드, PTFE, PEEK, PVDF, 알루미늄 산화물(Al2O3), 섬유유리, 섬유유리 강화 플라스틱, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 특정 실시예에서, 분리기는 실질적으로 습기가 없다. 다른 특정 실시예에서, 분리기는 실질적으로 소수성이다.
또다른 실시예에서, 울트라커패시터를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 적어도 하나의 표면 상의 알루미늄 탄화물층, 및 알루미늄 탄화물층 상에 배치되는 CNT들을 가지는 전류 콜렉터를 포함하는 전극을 선택하는 것, 및 전극을 울트라커패시터에 포함시키는 것을 포함한다. 방법은 울트라커패시터의 전기적 성능 및 다른 재료들, 예를 들어, 전극 또는 분리기와의 호환성의 견지에서 특정 원하는 특징들을 가지는 전해질을 선택하는 것을 더 포함할 수 있다. 방법은 울트라커패시터의 전기적 성능 및 다른 재료들, 예를 들어, 전극 또는 전해질과의 호환성의 견지에서 특정 원하는 특징들을 가지는 분리기를 선택하는 것을 더 포함할 수 있다.
개시내용의 이전의 그리고 다른 특징들 및 장점들은 첨부 도면들과 함께 취해지는 후속하는 상세한 기재로부터 명백하다.
도 1은 본 개시내용의 전극의 실시예를 도시하는 블록도들이다.
총체적으로 도 2라 지칭되는 도 2(a), 2(b), 2(c), 및 2(d)는 본 개시내용의 전극들의 실시예들을 도시하는 블록도들이다.
도 3은 본 개시내용의 울트라커패시터에 대한 나이퀴스트 선도이다.
도 4(a)는 본 개시내용의 울트라커패시터에 대한 커패시턴스 대 주파수 선도이다.
도 4(b)는 본 개시내용의 울트라커패시터에 대한 위상 대 주파수 선도이다.
도 4(c)는 순환 전압전류법이다.
도 5(a)는 탄소 나노튜브들을 가지는 그리고 탄소 나노튜브들이 없는 본 개시내용의 울트라커패시터에 대한 순환 전압전류법 선도이다.
도 5(b)는 도 5(b)의 선도의 일부분의 상세한 뷰이다.
도 5(c) 는 탄소 나노튜브들을 가지는 그리고 탄소 나노튜브들이 없는 본 개시내용의 울트라커패시터에 대한 나이퀴스트 선도이다.
도 6은 본 개시내용의 울트라커패시터의 실시예를 도시하는 블록도들이다.
에너지 저장 디바이스, 예를 들어, 울트라커패시터를 위한 고성능 전극을 제공하기 위한 방법들 및 장치가 개시되며, 여기서 전극은 적어도 하나의 표면 상의 알루미늄 탄화물의 층 및 알루미늄 탄화물 층 상에 배치되는 탄소 나노튜브(CNT)들을 가지는 알루미늄 전류 콜렉터를 포함한다. 유리하게는, 전극은 대량-생산된 재료들, 예를 들어, 알루미늄 탄화물로 코팅된 전류 콜렉터들 및 CNT들로 제조될 수 있다. 본 개시된 전극을 포함하는, 울트라커패시터들과 같은 에너지 저장 디바이스들은, 특히, 중량측정 전력 밀도(무게의 함수로서의 전력), 용적측정 전력 밀도(용적의 함수로서의 밀도), 중량측정 에너지 밀도(중량의 함수로서의 에너지), 용적측정 에너지 밀도(용적의 함수로서의 에너지), 등가 직렬 저항(ESR), 주파수 응답, 최대 전압 중 적어도 하나의 견지에서, 이전에 달성가능한 것보다 더 높은 성능을 보인다.
본원에서의 교시들을 위한 일부 상황들을 제공하기 위해, "Apparatus and Method for Producing Aligned Carbon Nanotube Aggregate"라는 명칭의 미국 특허 제7,897,209호에 대한 참조가 먼저 이루어진다. 이 특허는 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
앞의 특허("209 특허")는 정렬된 탄소 나노튜브 집합체를 생산하기 위한 프로세스를 교시한다. 따라서, 정렬된 탄소 나노튜브 집합체를 생산하기 위한 기법들 중 단지 한 예인 209 특허의 교시들은, 본원에서 지칭되는 탄소 나노튜브 집합체(CNT)를 생산하기 위해 사용될 수 있다.
본원에 제공되는 바와 같은 전극을 포함하는 디바이스의 일 예는, 그 전체가 참조로서 본원에 또한 포함되는 "Engineered Structure for Charge Storage and Method of Making"라는 명칭의 미국 특허 출원 공보 제2007-0258192호에 제공된다. 일반적으로, 본원에 개시되는 방법들 및 장치는 이 공보에 개시된 실시예들과 같은, 에너지 저장 시스템을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 에너지 저장소의 일 실시예는 "울트라커패시터"라 지칭된다. 그러나, 본원의 교시들이 에너지 저장소의 다른 실시예들에 적용가능할 수 있으며 따라서 울트라커패시터를 이용한 구현에 제한되지 않는다는 점이 인지되어야 한다.
에너지 저장 디바이스들을 위한 전극들이 본원에 개시된다. 도 1을 참조하면 일부 실시예들에서, 전극(100)은 적어도 제1 표면(103)을 가지는 전도체 층(102)을 포함하는 전류 콜렉터(101)를 포함한다. 전도체 층은 임의의 적절한 전기적으로 전도성 재료, 예를 들어, 알루미늄과 같은 금속으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전도체 층은 딱딱하거나(예를 들어, 금속 플레이트), 또는 유연할(예를 들어, 금속 포일) 수 있다.
일부 실시예들에서, 세장형 금속 탄화물 나노구조체들(104)은 제1 표면(103)으로부터 연장된다. 전류 콜렉터(101)의 표면(103) 상의 금속 탄화물 재료의 구조체는 달라질 수 있다. 금속 탄화물의 구조체 재료는 통상적으로, 전류 콜렉터(101) 상에 탄소를 퇴적시키는 방법에 의존한다. 구조체는, 다른 인자들 중 특히, 소스 콜렉터로서 사용되는 금속 또는 금속 합금의 타입 및 금속 탄화물 층을 형성하는데 사용되는 탄소의 소스에 의존할 수 있다.
한 가지 유리한 금속 탄화물 구조체는 도시된 바와 같은 금속 탄화물 "위스커들(whiskers)"이다. 이러한 위스커들은 전류 콜렉터(101)의 표면(103)으로부터 일반적으로 떨어져 연장되는 얇은 세장형 구조체들(예를 들어, 나노로드들)이다. 위스커들은, 100 nm, 50 nm, 25, nm, 10 nm 미만, 또는 예를 들어, 1 nm 내지 100 nm의 범위 내의 또는 그것의 임의의 하위범위 내에서의 그 미만의 방사 두께를 가질 수 있다. 위스커들은 방사 두께에 대해 몇몇 내지 다수 배, 예를 들어, 200 nm, 300, nm, 400, nm, 500 nm, 1 ㎛, 5㎛, 10 ㎛ 초과, 또는 예를 들어, 100 nm 내지 100 ㎛의 범위 내의 또는 그것의 임의의 하위범위 내에서의 그 이상인 종단 길이들을 가질 수 있다.
"Manufacture of transition metal carbide and carbonitride whiskers with low amounts of oxygen and residual oxide phases"라는 명칭의, 그 전체 개시내용이 참조로 포함되는, 2000년 8월 3일자 PCT 공보 제 WO WO/2000/044965 호는 본 개시내용의 특정 실시예들에서 유용한 전이 금속 탄화물 "위스커들"을 개시한다. 본 개시내용의 금속 탄화물 위스커들은, 탄화물이 상대적으로 안정적이고 탄화물을 포함하는 전극이 사용되는 조건들 하에서 수용가능한 전기적 성능을 보이는 경우, 임의의 금속, 예를 들어, 1족 알칼리 금속, 2족 알칼리 토금속, 3-12존 전이 금속, 또는 13-15족 전이-후 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 금속 탄화물 위스커들은 마그네슘 탄화물, 알루미늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 지르코늄 탄화물, 하프늄 탄화물, 바나듐 탄화물, 니오븀탄화물, 탄탈륨 탄화물, 크롬 탄화물, 몰리브덴 탄화물, 텅스텐 탄화물, 또는 임의의 혼합 금속 탄화물(예를 들어, 티타늄-탄탈륨 탄화물, 알루미늄-티타늄 탄화물, 또는 니켈-실리콘 탄화물과 같은 금속-실리콘 탄화물)을 포함할 수 있다. 예시적인 전류 콜렉터는 상표명 TOYAL-CARBO® 하의 Toyo Aluminum K.K.사로부터 이용가능한 전류 콜렉터이다.
금속 탄화물 위스커들은, 금속 탄화물 위스커들과 동일한 금속을 통상적으로 포함하며, 추가적인 금속-포함층들, 예를 들어, 다른 금속들, 금속 합금들, 또는 금속 산화물 또는 수산화물들을 포함하는 층들을 포함할 수 있는, 다양한 금속 기판들 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 전류 콜렉터(101)는 제1 표면(103) 상에 배치되는 커버층(105)(예를 들어, 알루미늄 산화물층과 같은 금속 산화물 층)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 이 커버층(105)은 세장형 금속 탄화물 나노구조체들(104)이 커버층(105)을 통해 연장되도록 얇을 수 있다(예를 들어, 1 ㎛ 이하).
일부 실시예들에서, 탄소질 에너지 저장 매체(106)가 제1 표면(103) 또는 전류 콜렉터 상에 배치되고, 세장형 금속 탄화물 나노구조체들(104)과 접촉한다. 나노 구조체들(104)과 매체(106) 상의 인터페이스.
매체(106)는 활성화된 탄소 또는 나노폼 탄소를 포함하는 탄소의 하나 이상의 형태들을 포함할 수 있다. 언어 "나노폼 탄소"는 예를 들어, 나노튜브들, (단일 또는 다중-벽의, 정렬된 또는 미정렬된) 나노뿔들, 나노-어니언들(nano-onion), 카본 블랙, 풀러렌, 그래핀, 및 산화 그래핀을 포함하지만 이에 제한되지 않는 탄소의 동소체들의 일반적인 클래스를 기술하기 위해 본원에서 사용된다. 발명의 특정 실시예들에서, 나노폼 탄소는 나노튜브, 예를 들어, 정렬된 탄소 나노튜브들이다.
일부 실시예들에서, 매체(106)는 모놀리식일 수 있다. 다른 실시예들에서, 매체(106)는 내부 구조체, 예를 들어, 복수의 적층된 층들을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탄소질 에너지 저장 매체는 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있는 콘택트층(106a)을 포함한다. 콘택트층(106a)은 제1 표면(103)으로부터 연장되는 세장형 금속 탄화물 나노구조체들(104)과 접촉한다.
일부 실시예들에서, 콘택트층(106a)은 탄소 나노튜브들의 압축층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 나노튜브들(예를 들어, 수직 정렬된 나노튜브들)은 캐리어 기판(미도시됨) 상에 성장되어, 임의의 적절한 기법을 사용하여 표면(103) 상에 전사될 수 있다. 예시적인 전사 기법들은 2012년 12월 13일에 공개된 PCT 공보 제WO/2012/170749호, 및 "High Power and High Energy Electrodes Using Carbon Nanotubes"라는 명칭으로 2013년 2월 21일에 공개된 미국 특허 공보 제2013/0044405호에 개시되어 있으며, 이들 각각의 전체 내용들은 참조로 본원에 포함된다. 일부 실시예들에서, 전사 프로세스 동안 압력이 인가되어 나노튜브들을 압축할 수 있다. 압축된 나노튜브들은 윈도우들 및 균열들과 같은 물리적 결함들을 포함하여, 일반적으로 전하 저장을 위한 더 많은 표면 영역을 제공하는 동시에, 압축되지 않은 재료보다 더 작은 용적을 점유한다.
일부 실시예들에서, 나노튜브들은 제1 표면(103)에 대해 횡단(예를 들어, 표면에 대해 실질적으로 직교하는) 방향으로 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노튜브들은 제1 표면(103)에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 정렬될 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 나노튜브들은 정렬되지 않거나 또는 다양한 구성들의 조합일 수 있다.
일부 실시예들에서, 콘택트층(106a)은 예를 들어, 탄소 나노튜브들을 포함하는, 탄소질 재료들의 집합체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 집합체는 본질적으로 탄소 나노튜브들로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집합체는 활성화된 탄소 또는 또다른 나노폼 탄소 재료와 같은, 상이한 형태의 탄소질 재료와 혼합되는 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 무게로, 집합체의 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 10%, 5%, 2.5%, 1% 미만, 또는 그 미만을 이룰 수 있다. 일부 실시예들에서, 집합체는 예를 들어, 용매들과 같은 임의의 액체 또는 습기가 실질적으로 없는, 건조된 집합체일 수 있다.
집합체는 PCT 공보 제 WO/2012/170749호에 기술된 것과 같은 임의의 적절한 기법을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 집합체는 다음과 같이 형성될 수 있다. 용매 및 탄소 나노튜브들의 분산, 예를 들어, 수직 정렬된 탄소 나노튜브들을 포함하는, 제1 용액(또한 본원에서 슬러리라 지칭됨)이 제공된다. 그 내부에 배치되는 탄소를 가지는 용매를 포함하는 제2 용액(또한 본원에서 슬러리라 지칭됨)이 제공될 수 있다. 탄소 추가는 실질적으로 탄소로 조성된 적어도 한 형태의 재료를 포함할 수 있다. 탄소 추가의 예시적인 형태들은, 예를 들어, 활성화된 탄소, 탄소 가루, 탄소 섬유들, 레이온, 그래핀, 에어로겔, 나노뿔들, 탄소 나노튜브들 등 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 탄소 추가가 실질적으로 탄소로 형성되지만, 탄소 추가가 예를 들어, 설계에 의해, 적어도 일부 불순물들을 포함할 수 있다는 것이 인지된다.
일반적으로, 사용되는 용매들 중 하나 이상이 무수성 용매일 수 있지만, 이는 요구조건은 아니다. 예를 들어, 용매는 에탄올, 메탄올, DMSO, DMF, 아세톤, 타세토니트릴 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로, 수직 정렬된 탄소 나노튜브들의 분산은 제조 사이클에 의해 제조되는 수직 정렬된 탄소 나노튜브들의 프라그먼트(fragment)들을 포함할 수 있다. 즉, 수직 정렬된 탄소 나노튜브들은 기판으로부터 취득될 때 프라그먼트들로 세그먼트화될 수 있다.
2개 용액들은 "음파처리"(sonication)(초음파계에서 구현되는 물리적 효과들)를 거칠 수 있다. 제1 용액에 대해, 음파처리는 탄소 나노튜브들을 가지런하게 하고, 부풀리거나, 그렇지 않은 경우 분석(parse)하는데 적합한 기간 동안 일반적으로 수행된다. 제2 용액에 대해, 음파 처리는 용매 내에서의 탄소 추가들의 양호한 분사 또는 혼합을 보장하기에 적합한 기간 동안 일반적으로 수행된다.
일단 제1 용액 및 제2 용액이 적절하게 음파처리되면, 이들은 이후 함께 혼합되어, 조합된 용액을 제공하고 다시 음파처리될 수 있다. 일반적으로, 혼합물은 탄소 첨가와 수직 정렬된 탄소 나노튜브들의 양호한 혼합을 보장하기에 적합한 기간 동안 음파처리된다. 이러한 제2 혼합은 탄소질 집합체를 초래한다.
탄소질 집합체는 이후 조합된 용액으로부터 도출되어 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 습식 탄소질 집합체가 적절한 표면 상에 배치될 수 있다. 적절한 것으로 간주되는 임의의 재료가 표면을 위해 사용될 수 있지만, 예시적인 재료는, 표면으로부터의 후속적인 제거가 그것의 특징들에 의해 용이해짐에 따라, PTFE를 포함한다.
일부 실시예들에서, 탄소질 집합체는 원하는 두께, 면적 및 밀도를 보이는 층을 제공하기 위해 압축되어 형성된다.
일부 실시예들에서, 집합체는 표면(103a) 상에 직접 습식으로 주조되고, 모든 용매 및 임의의 다른 액체들이 실질적으로 제거될 때까지 (예를 들어, 열 또는 진공 또는 둘 모두를 인가함으로써) 건조되어, 이에 의해 콘택트층(106a) 을 형성할 수 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 예를 들어, 특정 영역들을 마스킹하거나, 또는 용매를 지향시키기 위한 드레인을 제공함으로써, 용매로부터 전류 콜렉터(101)의 다양한 파트들(예를 들어, 그리고 전류 콜렉터가 양측 동작을 위해 의도되는 하부 측)을 보호하는 것이 바람직할 수 있다.
다른 실시예들에서, 집합체는, 임의의 적절한 기법(예를 들어, 롤-대-롤 층 도포)을 사용하여, 다른 어느 곳에서나 건조될 수 있고, 이후 표면(103) 상으로 전사되어 콘택트 층(106a)을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 매체(106)는 콘택트 층(106a) 상에 배치되는 탄소질 재료의 제1 오버레이어(106b)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 오버레이어(106b)는 동일한 디멘젼을 따라(도시된 바와 같이, 수직 방향) 콘택트 층(106a)의 두께보다 더 큰, 제1 표면(103)에 대해 직교하는 방향으로의 두께를 가진다. 일부 실시예들에서, 제1 오버레이어(106b)는 약 1 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛의 범위 내의, 또는 10-100㎛와 같은 그것의 임의의 하위범위 내의, 제1 표면에 대해 직교하는 방향으로의 두께를 가진다.
일부 실시예들에서, 오버레이어(106b)는 탄소 나노튜브들의 압축층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들(예를 들어, 수직 정렬된 나노튜브들)이 임의의 적절한 기법을 사용하여 캐리어 기판(미도시됨) 상에 성장되어 콘택트층(106a) 상에 전사될 수 있다. 예시적인 전사 기법들은 2012년 12월 13일에 공개된 PCT 공보 제WO/2012/170749호, 및 "High Power and High Energy Electrodes Using Carbon Nanotubes"라는 명칭으로 2013년 2월 21일에 공개된 미국 특허 공보 제2013/0044405호에 개시되어 있으며, 이들 각각의 전체 내용들은 참조로 본원에 포함된다. 일부 실시예들에서, 전사 프로세스 동안 압력이 인가되어 나노튜브들을 압축할 수 있다. 압축된 나노튜브들은 윈도우들 및 균열들과 같은 물리적 결함들을 포함하여, 일반적으로 전하 저장을 위한 더 많은 표면을 제공할 수 있다.
일부 실시예들에서, 나노튜브들은 제1 표면(103)에 대해 횡단(예를 들어, 표면에 대해 실질적으로 직교하는) 방향으로 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노튜브들은 제1 표면(103)에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 정렬될 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 나노튜브들은 정렬되지 않거나 또는 다양한 구성들의 조합일 수 있다.
일부 실시예들에서, 오버레이어(106b)는, 예를 들어, 탄소 나노튜브들을 포함하는, 탄소질 재료들의 집합체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 집합체는 본질적으로 탄소 나노튜브들로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집합체는 활성화된 탄소 또는 또다른 나노폼 탄소 재료와 같은 상이한 형태의 탄소질 재료와 혼합되는 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 무게로, 집합체의 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 10%, 5%, 2.5%, 1% 미만, 또는 그 미만을 이룰 수 있다. 일부 실시예들에서, 집합체는 예를 들어, 용매들과 같은 임의의 액체 또는 습기가 실질적으로 없는, 건조된 집합체일 수 있다.
집합체는 PCT 공보 제WO/2012/170749호에 기술되는 것과 같은, 임의의 적절한 기법을 사용하여 형성될 수 있다. 집합체는 콘택트 층(106a) 상에 습식 주조되거나, 또는 주조되고 건조되어 오버레이(106b)를 형성할 수 있다. 집합체는 콘택트 층(106a) 상에 전사되는 건조 층으로서 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 오버레이어(106b)는, 예를 들어, 그 사이에 어떠한 콘택트층 또는 결합층도 배치되지 않도록, 콘택트 층(106a)과 직접 물리적 접촉할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 콘택트 층(106a) 및 오버레이어(106b)는 각각의 층 내의 탄소질 재료 사이의 반 데르 발스 결합을 통해 서로 접착한다.
다양한 실시예들에서, 탄소질 재료를 포함하는, 하나 이상의 추가적인 오버레이어들(미도시됨)은 예를 들어, 제1 오버레이어(106b)의 도포에 대해 전술된 기법들 중 임의의 것을 반복함으로써, 제1 오버레이어(106b) 위에 적층될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전극(100)은 양측 전극일 수 있으며, 여기서 전류 콜렉터는, 그 위에 유사한 구조체 및 에너지 저장 매체가 배치되는, 제2 표면, 예를 들어, 하부 표면을 포함한다.
다양한 실시예들에서, 본 개시된 전극들은 금속 탄화물 층, 및 금속 탄화물 층 상에 배치되는 적어도 하나의 표면 및 CNT들을 가지는 전류 콜렉터를 포함한다. 도 2는 본 개시내용에 따른 다양한 전극들(1)을 도시한다. 도 2(a)는 전류 콜렉터(2)의 표면 상의 금속 탄화물 위스커들(5)의 층 상에 배치되는 수평 정렬된 CNT들(6)을 포함한다. 전류 콜렉터(2)는 전도층(3) 및 산화물 층(4)을 포함할 수 있다. 전도층(3)은 전도성, 안정성, 전기화학적 반응성, 강도, 인열 저항, 및 가공성과 같이, 특정 애플리케이션을 위한 수용가능한 전기적 및 기계적 특징들을 가지는 임의의 재료로부터 선택될 수 있다. 전도층(3)은 알루미늄, 또는 금속 합금들과 같은, 다양한 전도성 금속들로부터 통상적으로 선택된다. 산화물 층(4)이 존재하거나 부재할 수 있지만, 전도층(4)이 알루미늄과 같은 산화가능한 금속을 포함할 때 통상적으로 존재한다. 금속 탄화물 위스커들(5)은 일반적으로, 전류 콜렉터(2)의 전도체 층(3)에 접속되며, 산화물 층(4)이 존재할 때, 산화물 층(4)을 통해 연장되는 나노구조 금속 탄화물이다. 도 2(a)에서 CNT뜰(6)과 수평 정렬되는 것으로 도시되는 CNT들은 예를 들어, 반 데르 발스 힘을 통해, 금속 탄화물 위스커들(5)에 접착한다. 금속 탄화물 위스커들(5)은, 금속 탄화물 위스커들이 없는 유사한 전류 콜렉터를 가지는 전극에 비해, CNT들과 전도층(3) 사이에 개선된 전기적 콘택트를 제공하여, 전극의 내재 저항의 감소를 가능하게 하는 동시에, 전류 콜렉터(2)와 CNT들(6) 사이의 양호한 접착을 유지한다.
도 2(b)는 전극이 수직 정렬된 CNT들(7)을 포함하는 특정 실시예들을 도시한다. 도 2(c)는 전극이, 얽힌 또는 다발성의 CNT들과 같은, 정렬되지 않은 CNT들(8)을 포함하는 특정 실시예들을 도시한다. 도 2(d)는 전극이 압축된 CNT들(9)을 포함하는 특정 실시예들을 도시하며, 이들은, 전류 콜렉터(2) 상에 배치하기 전후에 압축되는 수평 정렬된 CNT들 또는 수직 정렬된 CNT들일 수 있다. 일반적으로, 압축된 CNT들은 대응하는 미압축된 CNT들보다 더 높은 특정 표면 면적(m2/g)을 가진다. "High Power and High Energy Electrodes Using Carbon Nanotubes"라는 명칭으로 2013년 2월 21일에 공개되었으며 그 전체 내용이 참조로 본원에 포함되는 US 특허 공보 제2013/0044405호는 압축된 CNT들, 및 본 개시내용에 따라 전극들을 구성하기 위해 사용될 수 있는 압축된 CNT들을 포함하는 전극들을 제조하는 방법을 개시한다. 구체적으로, 문단들 [0028] 내지 [0038], 및 미국 특허 공보 제2013/0044405호 및 관련 도면들은, 특히, 압축된 CNT들을 포함하는 전극들 및 이러한 전극들을 제조하는 방법들을 기술한다.
특정 실시예들에서, 전류 콜렉터는 알루미늄 전도층(전도층(3)과 유사함) 및 알루미늄 산화물층(산화물 층(4)과 유사함)을 가지는 알루미늄 전류 콜렉터(전류 콜렉터(2)와 유사함) 상의 알루미늄 탄화물 위스커들(금속 탄화물 위스커들(5)과 유사함)을 포함한다. 예시적인 전류 콜렉터는 상표명 TOYAL-CARBO®하에서 Toyo Aluminum K.K.사로부터 이용가능한 전류 콜렉터이다. 알루미늄 탄화물 "위스커들"은 직경이 통상적으로 <50 nm, <30 nm, 또는 약 20-30 nm이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "울트라커패시터"는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 그것의 평범한 그리고 관례적인 의미로 주어져야 하며, 제한 없이, "슈퍼커패시터"로서 그리고 때때로 "전기적 이중층 커패시터"라고 또한 알려진 에너지 저장 디바이스를 지칭한다.
본원에 개시되는 전극들을 사용하는 울트라커패시터들이 본원에 개시된다. 본원에 개시되는 울트라커패시터들은 본원에 개시되는 전극들이 사용될 수 있는 예시적인 에너지 저장 디바이스들이다. 본원에 개시되는 전극들을 포함하는, 전해질 커패시터들 및 재충전가능한 배터리들을 포함한 다른 에너지 저장 디바이스들이 또한 이 개시내용에 의해 참작되며, 기존의 제조 방법들을 조정함으로써 구성될 수 있다.
특정 실시예들에서, 본원에 개시되는 타입의 전극들을 포함하는 울트라커패시터가 형성될 수 있다. 울트라커패시터는 울트라커패시터의 전기적 성능 및 다른 재료들, 예를 들어, 전극 또는 분리기와의 호환성의 견지에서 특정 원하는 특징들을 가지는 전해질을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전해질은 이온성 액체와 같은 적어도 하나의 무기 또는 유기염을 포함하며, 선택적으로 적어도 하나의 용매를 더 포함하는 용액이다. 특정 실시예들에서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체 및 적어도 하나의 겔화제를 포함하는, 그리고 선택적으로 용매들, 염들 및 계면활성제들과 같은 다른 첨가제들을 포함하는 겔이다. 특정 실시예들에서, 전해질은 이온성 액체와 같은 적어도 하나의 무기 또는 유기염, 및 불소중합체(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 또는 이들의 공-중합체들)와 같은 적어도 하나의 중합성 재료를 포함하는, 그리고 선택적으로 용매들, 염들(salts) 및 계면활성제들과 같은 다른 첨가제들을 포함하는, 고체 중합체 전해질이다. 특정 실시예에서, 전해질은 습기, 및 울트라커패시터의 성능에 악영향을 줄 수 있는 다른 오염원들이 실질적으로 없다.
울트라커패시터는 울트라커패시터의 양전극과 음전극 사이에 전기적 분리를 제공하는 분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 분리기는 울트라커패시터의 전기적 성능 및 다른 재료들, 예를 들어, 전극 또는 전해질과의 호환성의 견지에서 특정 원하는 특징들을 가진다. 특정 실시예들에서, 분리기는 폴리아미드, PTFE, PEEK, PVDF, 알루미늄 산화물(Al2O3), 섬유유리, 섬유유리 강화 플라스틱, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 특정 실시예에서, 분리기는 실질적으로 습기가 없다. 또다른 특정 실시예에서, 분리기는 실질적으로 소수성이다. 일부 실시예들에서 (예를 들어, 디바이스의 전극들을 분리시키도록 동작할 수 있는 고체 상태 전해질이 사용되는 경우), 분리기는 생략될 수 있다.
도 6은 울트라커패시터(10)의 예시적인 구현예를 도시한다(도 6에 대해, 동일한 참조번호는 다른 도면들에서의 등가적 엘리먼트들에 대한 대응성을 나타내지 않는다는 것에 유의한다). 이 경우,울트라커패시터(10)는 전기적 이중층 커패시터(EDLC)이다. EDLC는 예를 들어, 위에서 상세히 기술된 타입들의 적어도 하나의 전극(3)을 포함한다(일부 경우들에서, 예컨대, 2개의 전극들(3)이 존재하는 경우, 전극들은 음전극(3)과 양전극(3)으로 지칭될 수 있다). 울트라커패시터(10)로 조립될 때, 각각의 전극(3)은 전해질 인터페이스에서 전하의 이중층을 제시한다. 일부 실시예들에서,복수의 전극들(3)이 포함된다. 그러나, 논의의 목적으로, 2개의 전극들(3)만이 도시된다. 본원에서 관례상, 전극들(3) 중 적어도 하나는 탄소-기반 에너지 저장 매체(1)를 사용하여 (본원에 추가로 논의되는 바와 같이) 에너지 저장소를 제공한다.
전극들(3) 각각은 각자의 전류 콜렉터(2)(또한 "전하 콜렉터"라 지칭됨)를 포함한다. 전극들(3)은 분리기(5)에 의해 분리된다. 일반적으로, 분리기(5)는 전극들(3)을 2개 이상의 구획들로 분리하기 위해 사용되는 얇은 구조 재료(일반적으로 시트)이다.
적어도 한 형태의 전해질(6)이 포함되어, 전극들(3)과 분리기(5) 내의 그리고 그 사이의 빈 공간들을 채운다. 일반적으로, 전해질(6)은 대전된 이온들로 분리하는 물질이다. 물질을 용해시키는 용매가 일부 실시예들에서 포함될 수 있다. 결과적인 전해질 용액은 이온 전달에 의해 전기를 도통시킨다.
일반적으로, 전극(들)(3)과 분리기(5)의 조합이 이후 감긴 형태 또는 각기둥 형태 중 하나로 형성되는데, 이는 이후 원통형 또는 각기둥형 하우징(7)으로 패키지화된다. 전해질(6)이 일단 포함되면, 하우징(7)은 밀폐 봉인된다. 다양한 실시예들에서, 패키지는 레이저, 초음파, 및/또는 용접 기술들을 사용하는 기법들에 의해 밀폐 봉인된다. 하우징(7)(또한 "인클로징 바디" 또는 "케이스"로서 또는 다른 유사한 용어들로 지칭됨)은 적어도 하나의 단자(8)를 포함한다. 각각의 단자(8)는 일반적으로 에너지 저장 매체(1)에 커플링되는 전기적 리드들(미도시됨)을 통해, 에너지 저장 매체(1) 내에 저장된 에너지에 대한 전기적 액세스를 제공한다.
즉, 일부 실시예들에서, 복수의 리드들(미도시됨)은 전류 콜렉터들(2) 각각에 전기적으로 커플링된다. 각각의 복수(대응적으로, 울트라커패시터(10)의 극성)는 접지되고, 하우징(7)의 각자의 단자(8)에 커플링된다.
본 개시내용에 기술되는 타입의 전극들을 포함할 수 있는 울트라커패시터들의 추가적인 예시적인 적절한 구현예들은 "ADVANCED ELECTROLYTES FOR HIGH TEMPERATURE ENERGY STORAGE DEVICE"라는 명칭으로 2015년 7월 9일에 공개되었으며 그 전체 내용들이 참조로 본원에 포함되는 PCT 공보 번호 제WO/2015/102716호에 개시된다.
도 3 내지 5(c)는 본원에 기술되는 타입의 예시적인 울트라커패시터들에 대한 실험 결과들을 도시한다. 도 3은 우수한 성능을 보이는 본원에 기술된 타입의 울트라커패시터의 통상적인 나이퀴스트 선도를 도시한다.
도 4(a) 및 도 4(b)는, 각자, 알루미늄 탄화물 위스커들 및 그 위에 배치되는 탄소 나노튜브층들을 가지는 50㎛ 알루미늄 포일을 포함하는 전극을 특징으로 하는 전극을 가지는 본원에 기술된 타입의 울트라커패시터에 대한 커패시터 및 위상 대 주파수의 선도들이다. 울트라커패시터는 약 10 Hz의 차단 주파수까지 양호한 용량성 행태를 보인다. 도 4(c)는 0V 내지 3V 초과를 범위로 하는 양호한 동작 전압 윈도우를 보이는, 동일한 울트라커패시터에 대한 순환 전압전류법 결과들을 도시한다.
도 5(a), 5(b) 및 5(c)는 알루미늄 탄화물 위스커들 및 그 위에 배치되는 탄소 나노튜브들을 가지는 50㎛ 알루미늄 포일을 포함하는 전극 또는, 어떠한 탄소 나노튜브들도 없는 유사한 전극을 특징으로 하는 전극을 가지는 본원에 기술된 타입의 울트라커패시터들에 대한 성능 비교를 도시한다. 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 바와 같이, 나노튜브-기반 전극은 전극이 없는 나노튜브들보다 실질적으로 더 양호한 성능을 보인다.
탄소나노튜브들의 집합체들을 제조하기 위한 생산 장치 및 기법들의 실시예들의 양태들을 개시하였지만, 다양한 실시예들이 실현될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 또한 다양한 제조 기법들이 구현될 수 있다. 예를 들어, 제조 단계들, 뿐만 아니라, 결합 기법들, 사용되는 재료들 및 화학물질들 등이 조정될 수 있다.
관례상, 본원에서 사용되는 바와 같은 용어들 "~할 수 있다"가 선택적인 것으로서 해석되어야 하며; "포함하다", "가지다" 및 "가지는"은 다른 옵션들(즉, 단계들, 재료들, 컴포넌트들, 조성들 등)을 배제하는 것으로서 해석되지 않아야 하며; "~해야 한다"는 요건들을 내포하기보다는, 단지 가끔씩의 또는 상황적인 선호를 내포한다는 것이 고려되어야 한다. 다른 유사한 용어가 마찬가지로 일반적인 통상의 방식으로 사용된다.
발명이 예시적인 실시예들에 대해 기술되었지만, 다양한 변경들이 이루어질 수 있으며, 등가물들이 발명의 범위에서 벗어나지 않고 발명의 엘리먼트들로 치환될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이전층들 중 하나는 그 내부에 복수의 층들을 포함할 수 있다. 추가로, 발명의 본질적 범위로부터 벗어나지 않고 발명의 교시들에 대한 특수한 기기, 상황 또는 재료를 조정하기 위한 많은 수정들이 인식될 것이다. 따라서, 발명이 이 발명을 수행하기 위해 참작되는 최상의 모드로서 개시되는 특정 실시예에 제한되는 것이 아니라, 발명이 첨부되는 청구항들의 범위에 드는 모든 실시예들을 포함할 것임이 의도된다.

Claims (21)

  1. 전극으로서,
    전류 콜렉터 - 상기 전류 콜렉터는,
    적어도 제1 표면을 가지는 전도체 층,
    상기 제1 표면 상에 배치된 금속 산화물 층, 및
    상기 제1 표면으로부터 연장되는 세장형(elongated) 금속 탄화물 나노구조체들을 포함함 -; 및
    상기 금속 산화물 층 상에 배치되며 상기 세장형 금속 탄화물 나노구조체들과 접촉하는 탄소질 에너지 저장 매체를 포함하고, 상기 탄소질 에너지 저장 매체는 콘택트 층 및 오버레이어의 형태로 존재하고, 상기 콘택트 층은 탄소 나노튜브들 및 활성화된 탄소를 포함하는, 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오버레이어는 상기 콘택트 층 상에 배치되는, 전극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 오버레이어는 탄소 나노튜브들을 포함하는, 전극.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들은 압축되는, 전극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들은 압축되는, 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들은 탄소 나노튜브 집합체(aggregate)들의 형태로 존재하는, 전극.
  7. 제1항에 있어서, 상기 세장형 금속 탄화물 나노구조체들은 상기 콘택트 층을 통해 연장되는, 전극.
  8. 제7항에 있어서, 상기 세장형 금속 탄화물 나노구조체들은 마그네슘 탄화물, 알루미늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 지르코늄 탄화물, 하프늄 탄화물, 바나듐 탄화물, 니오븀 탄화물, 탄탈륨 탄화물, 크롬 탄화물, 몰리브덴 탄화물, 텅스텐 탄화물 또는 혼합 금속 탄화물을 포함하는, 전극.
  9. 제8항에 있어서, 상기 혼합 금속 탄화물은 티타늄-탄탈륨 탄화물, 알루미늄-티타늄 탄화물, 또는 니켈-실리콘 탄화물을 포함하는, 전극.
  10. 제1항에 있어서, 상기 콘택트 층은 약 5μm 미만의, 상기 제1 표면에 대해 직교하는 방향으로의 두께를 가지는, 전극.
  11. 제1항에 있어서, 상기 콘택트 층은 약 10μm 미만의, 상기 제1 표면에 대해 직교하는 방향으로의 두께를 가지는, 전극.
  12. 제1항에 있어서, 상기 오버레이어는 약 10 μm 내지 약 1,000 μm의 범위 내의, 상기 제1 표면에 대해 직교하는 방향으로의 두께를 가지는, 전극.
  13. 제1항에 있어서, 상기 오버레이어는 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브들을 포함하는, 전극.
  14. 제1항에 있어서, 상기 오버레이어는 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브들을 포함하는, 전극.
  15. 제1항에 있어서, 상기 콘택트 층과 상기 오버레이어 사이에 어떠한 접착 또는 결합층도 배치되지 않고, 상기 콘택트 층 및 상기 오버레이어는 각각의 층 내의 탄소질 재료 사이의 반 데르 발스 결합을 통해 접착되는, 전극.
  16. 제1항에 있어서, 상기 세장형 금속 탄화물 나노구조체들은 각각이 50 nm 미만의 방사 두께 및 500 nm 초과의 종단 길이를 가지는 나노로드들을 포함하는, 전극.
  17. 에너지 저장 디바이스로서,
    적어도 하나의 전극을 포함하며, 상기 전극은,
    전류 콜렉터로서,
    적어도 제1 표면을 가지는 전도체 층,
    상기 제1 표면 상에 배치된 금속 산화물 층, 및
    상기 제1 표면으로부터 연장되는 세장형(elongated) 금속 탄화물 나노구조체들을 포함하는 전류 콜렉터; 및
    상기 금속 산화물 층 상에 배치되며 상기 세장형 금속 탄화물 나노구조체들과 접촉하는 탄소질 에너지 저장 매체를 포함하고, 상기 탄소질 에너지 저장 매체는 콘택트 층 및 오버레이어의 형태로 존재하고, 상기 콘택트 층은 탄소 나노튜브들 및 활성화된 탄소를 포함하는, 에너지 저장 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 오버레이어는 상기 콘택트 층 상에 배치되는, 에너지 저장 디바이스.
  19. 제17항에 있어서, 상기 오버레이어는 탄소 나노튜브들을 포함하는, 에너지 저장 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들은 압축되는, 에너지 저장 디바이스.
  21. 제17항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들은 압축되는, 에너지 저장 디바이스.
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