用于能量存储设备的电极石墨膜和电极分配环

摘要

能量存储设备能够具有第一石墨膜(102)、第二石墨膜(104)、以及位于第一石墨膜与第二石墨膜之间的电极分配环(106)，从而形成密封外壳。能量存储设备可以与含水电解质或者非水电解质兼容。形成能量存储设备的方法可以包括提供电极分配环、第一石墨膜、以及第二石墨膜。该方法可包括将电极分配环的第一边缘压入第一石墨膜的表面，以及将电极分配环的第二相对边缘压入第二石墨膜的表面以形成密封外壳。密封外壳可具有作为第一石墨膜的表面和第二石墨膜的表面的相对表面。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月14日提交的申请号为61/785,952且发明名称 为“用于能量存储设备的电极石墨膜和电极分配环(electrodedividerring)” 的美国临时专利申请的权益，通过引用将其全部内容结合在此。

技术领域

本发明整体涉及一种电能存储设备，更具体地，涉及一种可提供用于 封闭能量存储设备部件中的一种或者多种的密封室的能量存储设备。

背景技术

诸如超级电容器、电池、和/或电池-电容器混合体之类能量存储设备 可包括多个个体能量存储单元，诸如，被封闭在共同外部壳体中的个体超 级电容器单元、电池单元、和/或电池-电容器混合单元等。该多个个体能 量存储单元可通过并联或者串联方式被布置成叠层配置。存在与布置有多 个个体能量存储单元的能量存储设备的可制造性、可靠性、以及性能有关 的挑战。因此，需要具有提高的可制造性、可靠性、以及性能的能量存储 设备。

发明内容

能量存储设备可包括：第一石墨膜、第二石墨膜、以及设置在第一石 墨膜与第二石墨膜之间的电极分配环，其中，第一石墨膜、第二石墨膜、 以及电极分配环可形成密封外壳。能量存储设备可包括超级电容器。在一 些实施方式中，能量存储设备可包括电池。能量存储设备可包括双层电容 器、混合式电容器、和/或赝电容器。

在一些实施方式中，电极分配环的第一边缘的至少一部分延伸至第一 石墨膜中，并且电极分配环的第二相对边缘的至少一部分延伸至第二石墨 膜中。在一些实施方式中，第一边缘和第二相对边缘中的至少一个具有突 起部分和凹陷部分中的至少一个。突起部分和凹陷部分中的至少一个可沿 着电极分配环边缘的整体长度延伸。

在一些实施方式中，能量存储设备可包括面向电极分配环的第一石墨 膜的表面上的第一电极膜，以及面向电极分配环的第二石墨膜的表面上的 第二电极膜。在一些实施方式中，能量存储设备可包括在第一电极膜与第 二电极膜之间的隔膜。

在一些实施方式中，能量存储设备可包括含水电解质。能量存储设备 可包括非水电解质。

在一些实施方式中，第一电极膜和第二电极膜中的至少一个可包括活 性碳材料、石墨烯材料、以及氧化物材料中的至少一种。

能量存储系统可包括：多个个体能量存储设备，该多个个体能量存储 设备在叠层配置中一个位于下一个的上面，其中，该多个个体能量存储设 备中的至少一个包括：第一石墨、第二石墨膜、以及设置在第一石墨膜与 第二石墨膜之间的电极分配环，其中，第一石墨、第二石墨膜、以及电极 分配环可形成密封外壳。

在一些实施方式中，该多个个体能量存储设备中的至少一个的第二石 墨膜与邻近的个体能量存储设备中的第一石墨膜邻近，其中，邻近的第一 石墨膜与第二石墨膜电耦接，从而与邻近的个体能量存储设备通过电串联 方式耦接。邻近的第一石墨膜与第二石墨膜可彼此直接接触。

在一些实施方式中，能量存储系统可包括：在第一个体能量存储设备 的第一石墨膜处耦接至多个个体能量存储设备的叠层的顶部的第一导电 部件，以及在最后的个体能量存储设备的第二石墨膜处耦接至多个个体能 量存储设备的叠层的底部的第二导电部件。

该多个个体能量存储设备中的至少一个可包括超级电容器。该多个个 体能量存储设备中的至少一个可包括电池。该多个个体能量存储设备中的 至少一个可包括双层电容器、混合式电容器、和/或赝电容器。

制造能量存储设备的方法可包括：提供电极分配环、第一石墨膜、以 及第二石墨膜；将电极分配环的第一边缘压入第一石墨膜的表面；以及将 电极分配环的第二相对边缘压入第二石墨膜的表面以形成密封外壳，密封 外壳具有作为第一石墨膜的表面和第二石墨膜的表面的相对表面。能量存 储设备可包括超级电容器。在一些实施方式中，能量存储设备可包括电池。 能量存储设备可包括双层电容器、混合式电容器、和/或赝电容器。

在一些实施方式中，该方法可包括：将第一电极膜附着至第一石墨膜 的表面上以及将第二电极膜附着至第二石墨膜的表面上。

在一些实施方式中，该方法可包括：在将电极分配环的第二相对边缘 压入第二石墨膜的表面中以形成密封外壳之前，浸渍第一电极膜和第二电 极膜。

在一些实施方式中，该方法可包括：在电极分配环内将隔膜放置在第 一电极膜上。在一些实施方式中，该方法可包括：在将隔膜放置在第一电 极膜上之前，使用电解质浸渍隔膜。

出于总结本发明和通过现有技术实现的优点之目的，此处描述了特定 的目标和优点。当然，应当理解的是，不需要一定必须根据任一具体实施 方式实现所有的目标和优点。因此，例如，本领域技术人员应当认识到， 在不一定必须实现其他目标或者优点的情况下，可通过能够实现或者优化 一种优点或者一组优点的方式涵盖或者完成本发明。

所有的这些实施方式旨在位于此处公开的本发明的范围内。从参考所 附图的下列细节描述中，这些实施方式和其他实施方式将对本领域技术人 员变得易于显而易见，本发明并不局限于任一具体公开的实施方式。

附图说明

图1A示出了根据一种实施方式的示例性能量存储单元的外侧平面 图。

图1B示出了图1A中的示例性能量存储单元的立体图。

图2示出了根据一种实施方式的示例性能量存储单元的一部分的俯视 平面图。

图3示出了根据一种实施方式的示例性能量存储单元的截面图。

图4示出了根据一种实施方式的示例性电极分配环的立体图。

图5示出了制造能量存储单元的示例性过程。

图6A示出了根据一种实施方式的具有叠层配置的示例性能量存储设 备的截面图。

图6B示出了图6A中的示例性能量存储设备的立体图。

图7示出了制造能量存储设备的示例性过程。

具体实施方式

尽管下面描述了特定实施方式和实施例，然而，本领域技术人员应当 认识到，本发明延伸至具体公开的实施方式之外和/或使用了显而易见的变 形及其等同物。因此，旨在使此处公开的本发明的范围不受下面描述的任 意具体实施方式的限制。

在制造具有被封闭在同一外部壳体中的多个个体能量存储单元的能 量存储设备时可能遭遇挑战。例如，个体单元之间的电解质材料可能泄露， 从而致使发生电短路和设备性能下降或者故障。出于此原因，难以提供个 体能量存储单元之间的可靠和可重复性的密封，从而防止电短路。

此外，个体能量存储设备单元中的一个或者多个部件可能不与单元的 电解质兼容，从而导致一种或者多种部件在能量存储设备操作过程中降 级。例如，在操作单元的过程中，能量存储单元的导电板，诸如集电体之 类，可能在化学和/或机械方面不稳定。例如，在操作单元的过程中，至少 部分由于与电解质的化学相互作用，其中包括例如电解质溶剂、和/或结构 变形，诸如由于单元膨胀，导电板可发生化学降解。单元在操作过程中的 化学和/或机械不稳定性可对电性能产生负面影响，诸如，使单元的操作电 压降低。

实施方式涉及具有便于能量存储设备的稳定操作的部件和/或配置的 能量存储设备。一种实施方式是包括叠层配置的多个个体超级电容器单元 的能量存储设备，例如，展示增强的电压性能的多个双极超级电容器单元。 每个个体超级电容器单元均可包括导电板，导电板包括石墨膜或者基本由 石墨膜构成。此处描述的导电板不需要是刚性的，并且例如可包括诸如箔 之类的挠性材料。导电板可以是便于单元与单元外部电路之间的电连接的 集电体。超级电容器单元可包括两个导电板和位于下面更为详细描述的石 墨膜之间的电极分配环，每个导电板均由石墨膜制成。

两个石墨膜中的每个均可耦接至电极分配环的相对部分上的边缘，以 使得该两个石墨膜和电极分配环形成密封外壳，超级电容器单元的其他元 件可放置在密封外壳中。石墨膜无气孔或者基本无气孔。这允许基本上几 乎不能通过其厚度泄露任何电解质。此外，将密封件放置在石墨膜与电极 分配环之间可提供密封的超级电容器单元。

该实施方式大致上可防止或者消除电解质泄露以及由此个体超级电 容器单元之间发生电短路。该实施方式可提供在单元操作过程中展示改善 的结构完整性的超级电容器单元。在一些实施方式中，超级电容器单元的 叠层中的第一石墨膜和最后石墨膜中的每个均可耦接至诸如铝膜之类的 导电元件，从而便于能量存储设备与外部电路之间的连接。应当理解的是， 此处提到对“电容器”、“超级电容器”、或者诸如“超级电容器单元”的 其部件的任何引用仅是出于示例性之目的，并且在其他能量存储设备的上 下文中，包括但不限于电池或者混合式电池-电容器设备，可以容易地对 其进行应用或者替换。

诸如双极超级电容器单元之类的超级电容器单元通常可包括第一电 极、第二电极、以及位于第一电极与第二电极之间的隔膜。一个或者多个 电极可耦接至集电体，从而便于与外部电路的电接触。电极和隔膜可浸入 电解质中，电解质提供在两个电极之间输送离子种类。隔膜可防止两个电 极之间的电接触，从而允许在电极之间输送离子种类。

在本发明的一种实施方式中，能量存储单元，如超级电容器单元，可 包括由石墨膜制成的集电体元件。图1A示出了根据一种实施方式的示例 性超级电容器单元100的外侧平面图。尽管此处描述为超级电容器单元 100，然而，应当理解的是，在保护超级电容器单元100和形成单单元电 容器的容器内可以采用超级电容器单元100，或者在容器内可采用带多个 单元的超级电容器单元100，从而形成多单元电容器。超级电容器单元100 可包括第一膜102、第二膜104、以及位于第一膜102与第二膜104之间 的电极分配环106。膜102、膜104可以导电，例如，用作集电体部件， 从而便于超级电容器单元100与外部电路之间的电接触。如下面进一步描 述的，由于与石墨密封分配器环状体106的能力有关的石墨的导电性和物 理性能，所以膜102、膜104可包括石墨或者基本上有石墨构成。应当理 解的是，膜102、膜104可包括与石墨具有相似物理特性和电特性的其他 材料或者基本上由与石墨具有相似物理特性和电特性的其他材料构成。

第一石墨膜102的表面112可耦接至电极分配环106的第一边缘108。 表面112可面向超级电容器单元100的内部或者如图1A中的方位所示向 下面向超级电容器单元100的内部。第二石墨膜104的表面114可耦接至 电极分配环106的第二相对边缘110。第二相对边缘110可位于电极分配 环106中与边缘108相对的一部分上，边缘108耦接至第一石墨膜102。 第二石墨膜104的表面114可面向超级电容器单元100的内部或者如图1A 中的方位所示向上面向超级电容器单元100的内部。

电极分配环106的第一边缘108可与表面112接触，从而在表面112 与电极分配环106之间形成密封件。例如，可将电极分配环106的第一边 缘108压入第一石墨膜102上，例如，使得边缘108延伸至第一石墨膜102 的表面112上，从而在第一石墨膜102与电极分配环106之间形成密封界 面116。同样，电极分配环106的第二相对边缘110可与表面114接触， 从而在表面114与电极分配环106之间形成密封件。例如，可将分配器环 状体106的第二边缘110压入第二石墨膜104，例如使得边缘110延伸至 第二石墨膜104的表面114中，从而在第二石墨膜104与电极分配环106 之间形成密封界面118。

图1B是图1A中的超级电容器单元100的立体图。根据图1B中所示 的实施方式，电极分配环106、第一石墨膜102、以及第二石墨膜104可 具有一个或者多个弯曲边缘。例如，示出了呈圆形或者大致圆形形状的电 极分配环106、第一石墨膜102、以及第二石墨膜104。如图所示，电极分 配环106相对于第一石墨膜102和第二石墨膜104可位于中心或者大致位 于中心处、或者相对于膜102、膜104充分偏离。在一些实施方式中，第 一石墨膜102和第二石墨膜104可具有比电极分配环106更大的尺寸，因 此，如上所述，电极分配环106可充分固定位于第一石墨膜102和第二石 墨膜104中，从而形成密封外壳。例如，第一石墨膜102和/或第二石墨膜 104可具有比电极分配环106的直径更大的直径，以使得电极分配环106 便于分配器环状体106与第一石墨膜102和第二石墨膜104之间的上述所 述固定耦接与密封。同样，膜102和/或膜104可具有比分配器环状体106 更大的宽度或者周长。通过使用足够的石墨膜材料，这些部件之间的相对 尺寸可被配置成便于超级电容器单元的制造。从而便于电极分配环与石墨 膜之间的固定耦接，诸如，提供具有改善可靠性的超级电容器单元，同时 便于制造具有增强能量密度的超级电容器单元100。

应当理解的是，图1B中的元件的圆形或者大致圆形截面形状仅用于 示出性之目的。在一些实施方式中，诸如，图1A中所示的超级电容器单 元100，电极分配环、第一石墨膜、和/或第二石墨膜可具有一个或者多个 线性或者大致线性的边缘，从而形成例如多边形形状的截面。例如，电极 分配环、第一石墨膜、和/或第二石墨膜可具有三角形或者大致三角形形状 的截面、和/或矩形或者大致矩形形状的截面、和/或其他规则或者不规则 的线性或者弯曲形状、或者其组合。如此处进一步描述的，这些部件相对 于彼此可具有相同或者不同的形状。例如，电极分配环106可以或者不可 以具有与第一石墨膜102和/或第二石墨膜104相似或者大致相似的形状。

图2示出了位于第二石墨膜104上的电极分配环106的实施例的俯视 平面图，且在邻近于第二石墨膜104的电极分配环106内，电极分配环106 的开口与第二石墨膜104形成内部体积106A。在图2中所示的实施方式 中，电极分配环106具有圆形或者大致圆形的形状并且第二石墨膜104具 有矩形或者大致矩形的形状。如此处描述的，通过使电极分配环按压石墨 膜可使诸如电极分配环106之类的电极分配环耦接至诸如第一石墨膜102 和/或第二石墨膜104之类石墨膜，反之亦然，因此，至少电极分配环的一 部分延伸至石墨膜中。例如，在不完全穿透通过石墨膜的厚度的情况下， 可以使电极分配环的边缘的一部分延伸至石墨膜中希望的深度，从而使电 极分配环固定位于石墨膜上并且在电极分配环与石墨膜之间建立密封界 面。在不完全穿透通过石墨膜的厚度的情况下，可以使电极分配环的一部 分延伸至石墨膜中希望的深度，因此，石墨膜可保持超级电容器单元与外 部电路之间的充分导电性。在一些实施方式中，使电极分配环与石墨膜耦 接的过程可包括压缩安放步骤，诸如，使用压缩载荷使电极分配环位于石 墨膜中。在电极分配器和/或石墨膜上施加力的其他合适方法也是可能的。

石墨膜和电极分配环可被配置为能经受超级电容器单元的操作条件。 在一些实施方式中，石墨膜和/或电极分配环在超级电容器单元的操作条件 下相对于含水电解质和/或非水电解质可具有化学和/或热稳定性。无气孔 或者大致无气孔的石墨膜和位于石墨膜与电极分配环之间的密封件可提 供密封的超级电容器单元，从而便于制造在各种操作条件下可靠地封闭其 容量的超级电容器单元。例如，可以使用具有高浓度的含水电解质的由耦 接至电极分配器的石墨膜制成的超级电容器单元，诸如硫酸，例如，约0.5 摩尔/升(M)至约2M的浓度。由于含水电解质的增强导电性，该实施 方式可提供改善的电容器性能。在一些实施方式中，由耦接至电极分配器 的石墨膜制成的超级电容器单元可以与诸如乙腈基电解质之类非水电解 质兼容。例如，可以采用包括乙腈和盐的电解质，如，包括四氟硼酸盐阴 离子和/或季铵盐阳离子的盐(包括四乙基四氟硼酸铵)。在一些实施方式 中，石墨膜可至少替换易于被电解质降解的集电体部件的一部分。例如， 诸如铝集电体之类的金属集电体可被石墨膜替换。由耦接至电极分配环的 石墨膜制成的超级电容器单元可便于超级电容器单元在增加的操作电压 下操作，诸如，约3.0伏特的操作电压。

电极分配环的实施方式可具有各种形式和/或尺度。电极分配环可具有 与内部开口相似或者不同形状的圆形或者大致圆形的外部形状、和/或矩形 或者大致矩形的外部形状。电极分配环的形状和/或尺度可或者可不与耦接 至电极分配环的石墨膜的形状和/或尺度相似。例如，电极分配环可具有圆 形或者大致圆形的形状，而石墨膜具有矩形或者大致矩形的形状，反之亦 然。电极分配环可具有被配置成将超级电容器单元的其他部件容纳在分配 器环状体内部体积(如，图2中的内部体积106A)中的高度和/或直径以 及至少部分由电极分配环和石墨膜形成的壳体。

电极分配环可包括任意数目的合适材料。例如，电极分配环可包括电 绝缘材料或者基本上由电绝缘材料制成，从而便于两个石墨膜之间的电绝 缘，电极分配器可嵌入在两个石墨膜内。电极分配环可包括与其他超级电 容器单元部件兼容的材料或者基本上由与其他超级电容器单元部件兼容 的材料制成，并且在超级电容器单元的操作过程中，电极分配环可具有热 和/或化学稳定性，同时提供对超级电容器单元的充分结构支撑。例如，电 极分配环可被配置为在超级电容器单元操作条件下，不可渗透或者大致不 可渗透超级电容器单元电解质溶剂。在一些实施方式中，电极分配环可包 括聚合材料(如聚酰亚胺)或者基本上由聚合材料构成。在一些实施方式 中，电极分配环可包括陶瓷材料或者基本上由陶瓷材料构成。在一些实施 方式中，电极分配环可包括玻璃或者基本上由玻璃构成。

在一些实施方式中，合适的石墨膜可不包含粘结剂材料或者大致上不 包含粘结剂材料。在一些实施方式中，合适的石墨膜可包括按重量计为大 于约80％(包括约90％)的碳含量。例如，合适的石墨膜可包括按重量计 为大于或等于约95％的碳含量。在一些实施方式中，石墨膜可包括精品级 石墨材料或者基本上由精品级石墨材料构成，诸如，由膨胀的石墨材料制 成和/或由具有小于约百万分之50的杂质的膨胀石墨材料制成的石墨箔。 例如，合适的石墨膜可包括按重量计为约95％的石墨材料。其他类似的石 墨和/或碳基膜也是合适的。

在一些实施方式中，例如，通过辊式捏合机可以压缩合适的石墨膜组 合物，从而形成石墨膜。在一些实施方式中，可以混合并且挤压包括石墨 膜组合物的混合物，从而形成具有支持例如希望的机械强度和/或导电性的 厚度的挠性膜状结构。

在一些实施方式中，石墨膜可包括一定量的粘结剂材料，从而改善石 墨膜的结构完整性，同时，保持或者充分保持石墨膜的希望导电性。例如， 石墨膜可包括按重量计在约85％至约90％的范围内的一定量的碳。在一 些实施方式中，石墨膜可包括按重量计为不多于约15％的粘结剂材料。合 适的粘结剂材料可包括但不限于聚四氟乙烯(PTFF)、聚丙烯、聚乙烯、 其共聚物、和/或其组合。

石墨膜可具有各种合适的厚度。在一些实施方式中，石墨膜可具有约 100微米(μm)至约2000微米的厚度，其中包括约300微米至约1000微 米，包括约500微米。在一些实施方式中，石墨膜可具有约40微米至约 300微米的厚度，其中包括约100微米至约200微米。在一些实施方式中， 石墨膜可具有约40微米至约90微米的厚度，其中包括约50微米至约80 微米。超级电容器单元的石墨膜可具有或者可不具有相同或者大致相同的 厚度，如图1A中的第一石墨膜102和第二石墨膜104。在一些实施方式 中，第一石墨膜102和第二石墨膜104中的一个或者两个可具有约75微 米的厚度。

图3示出了超级电容器单元100的截面图，至少部分示出了超级电容 器单元100的内部上的额外部件。超级电容器单元100可包括第一电极 130，第一电极130包括与第一石墨膜102的表面112邻近的第一电极膜 142。超级电容器单元100可包括第二电极132和位于第一电极130与第 二电极132之间的隔膜146，第二电极132包括与第二石墨膜104的表面 114邻近的第二电极膜144。超级电容器单元100可包括位于第一电极130 与第二电极132之间的隔膜146。例如，隔膜146可以位于第一电极膜142 与第二电极膜144之间。隔膜146、第一电极膜142、以及第二电极膜144 可单独或者分别浸入电解质中。在一些实施方式中，由石墨膜102、104、 以及电极分配环106形成的外壳将电解质、第一电极膜142、第二电极膜 144、以及隔膜146包围并且封闭在内部体积106A内(图2)。

在一些实施方式中，电极分配环106的内部体积106A可具有被配置 成容纳第一电极130、第二电极132、和/或隔膜146的形状和/或尺度。例 如，电极分配环106可具有比电极膜142、144、以及隔膜146中的每个的 外径、宽度、或者周长更大的内径、宽度、或者周长。电极分配环106可 与内部体积106A中包含的一种或者多种部件具有相同、相似、或者不同 的形状，如电极膜142、144、以及隔膜146。例如，电极分配环106、电 极膜142、144、以及隔膜146各自可具有圆形或者大致圆形的形状。

在一些实施方式中，电极分配环106可具有比电极膜142、144、以及 隔膜146的合成厚度更大的高度。例如，分别在两个石墨膜102、104的 表面112、114之间延伸的电极分配环106的一部分可具有大至足以充分 容纳第一电极膜142、第二电极膜144、以及隔膜146的高度，同时，低 至充分足以提供具有减少体积的超级电容器单元100。该尺寸可便于在各 种空间受约束的应用中使用超级电容器单元100。在一些实施方式中，电 极分配环的高度可以比容纳在电极分配环的内部体积内的电容器元件(如 两个石墨膜之间的电极和/或隔膜)的合成厚度大约5微米至约40微米。 作为非限制性实施例，在具有如图3所示的示例性配置的超级电容器单元 中，两个电极膜142、144各自可具有约100微米的厚度，并且隔膜146 可具有约30微米的厚度。在该实施例中，电极分配环106可具有比约230 微米更大的高度，例如，在约235微米至约270微米的范围内，或者，在 一种实施例中，约250微米。电极膜、隔膜、和/或电极分配环的其他厚度 也是可能的。

图4示出了电极分配环106的实施例的立体图。此处描述的分配器环 状体可具有为各种截面边缘轮廓的边缘，从而改善分配器环状体与一个或 者多个对应石墨膜之间的密封性和啮合性。非线性边缘轮廓可便于在电极 分配环与对应的石墨膜之间形成密封界面、和/或将电极分配环放置在对应 石墨膜上的希望位置处。例如，具有凹陷部分的电极分配环的第一边缘可 延伸至超级电容器单元的第一石墨膜中，并且具有突起部分的电极分配环 的第二相对边缘可延伸至超级电容器单元的第二石墨膜中，从而形成密封 外壳。电极分配环边缘的突起部分和/或凹陷部分可具有任意数目的合适形 状。

参考图4，电极分配环106的第一边缘108可具有第一边缘轮廓120， 和/或第二相对边缘110可具有第二边缘轮廓122。此处示出的不同分配器 环状体之间的边缘轮廓相对于彼此可以相似或者不相似。如图4所示，在 一些实施方式中，电极分配环106的相对边缘108、110可具有不相似的 边缘轮廓120、122。在一些实施方式中，相对边缘108、110中的一个或 者两个可具有大致的非平坦或者非线性轮廓，从而改善分配器环状体106 与石墨膜102、104之间的密封性和捏合性(图1A至图3)。例如，再次 参考图4，相对边缘108、110中中的一个或者两个可具有包括一个或者多 个突起部分和/或凹陷部分的边缘轮廓。参考图4，例如，电极分配环106 可具有第一边缘轮廓120和第二边缘轮廓122，第一边缘轮廓120中的至 少一部分包括凹陷部分，并且第二边缘轮廓122中的至少一部分包括突起 部分。如图4所示，在一些实施方式中，第一边缘轮廓120可包括在两个 突起部分之间形成的凹陷部分。第一边缘轮廓120中的凹陷部分可具有诸 如平坦轮廓并且诸如第一边缘轮廓120中或者第二边缘轮廓122中的突起 部分可具有圆形形状。形成边缘108和边缘110的边缘轮廓的突起部分和 /或凹陷部分可以是各种弯曲、线性、规则、或者不规则的形状。例如，边 缘轮廓可具有三角形或者大致三角形形状的突起部分或者凹陷部分。边缘 轮廓可包括一个或者多个凹面和凸面。

在一些实施方式中，边缘轮廓的突起部分和/或凹陷部分可沿着电极分 配环的边缘的一部分、边缘的整体长度(例如，周长)、或者边缘的大致 整体长度延伸。在一些实施方式中，边缘轮廓的突起部分和/或凹陷部分可 沿着电极分配环的边缘的长度位于一个或者多个不同的位置处，其中包括 沿着电极分配环的边缘的长度位于一个或者多个规则的间隔处。在一些实 施方式中，边缘轮廓的突起部分和/或凹陷部分可沿着电极分配环的边缘的 长度以规则的间隔位于两个、三个、四个、或者多个位置处。在一些实施 方式中，一个或者多个突起部分和/或凹陷部分可位于沿着电极分配环的边 缘位于任意一个位置处。

如图3中所示的第一电极膜142和/或第二电极膜144的电极膜可包括 活性材料组分、粘结剂组分、和/或添加剂组分。活性材料组分可包括适用 于提供电极的高表面面积的材料。例如，活性材料可具有通过微孔、间隙 孔、和/或大孔提供的多孔性，从而优化希望的超级电容器性能，如功率密 度和/或能量密度性能。活性材料可包括碳材料，例如，多孔碳材料。在一 些实施方式中，活性材料包括但不限于活性碳的颗粒。在一些实施方式中， 电极膜可包括石墨、活性碳、和/或氧化物材料或者基本上由石墨、活性碳、 和/或氧化物材料构成，诸如，展示电容性能的氧化物材料。在一些实施方 式中，超级电容器单元的电极膜可具有相似或者不相似的组合物。

粘结剂组分可对电极提供结构支持。例如，粘结剂组分可包括一种或 者多种聚合物，聚合物提供用于电极的活性材料组分的聚合基体支撑结 构。在一些实施方式中，粘结剂组分可包括含氟聚合物(例如，聚四氟乙 烯，PTFE)、聚丙烯、聚乙烯、其共聚物、和/或其聚合物混合物。

在一些实施方式中，电极膜可包括导电添加剂组分。导电添加剂组分 可改善电极膜的导电性。例如，导电添加剂组分可包括导电碳颗粒和/或碳 纤维，包括但不限于石墨和/或石墨烯。其他活性材料组分、粘结剂组分、 和/或添加剂组分也是适合的。

电极膜可具有如优化用于希望的超级电容器性能的厚度和/或组合物 的尺度，例如，希望的超级电容器电容和/或电阻，从而提供希望的超级电 容器能量密度和/或功率密度性能。在一些实施方式中，电极膜可具有约 50微米(μm)至约200微米的厚度，包括约80微米至约150微米。例如， 电极膜可具有约100微米的厚度。在一些实施方式中，电极膜可包括按重 量计为约50％至约99％的活性材料组分(如活性碳)、和/或具有电容性 能的包括按重量计为约60％至约90％的氧化物。在一些实施方式中，电极 膜可包括按重量计为约1％至约50％的粘结剂组分。在一些实施方式中， 电极膜可包括按重量计高达至约30％的添加剂组分，例如，包括用于提高 电极的导电性的导电添加剂组分。

隔膜可被配置为允许在第一电极与第二电极之间输送离子种类，同 时，防止第一电极与第二电极之间发生电短路。隔膜可包括电绝缘多孔材 料或者基本上由电绝缘多孔材料构成。在一些实施方式中，隔膜可以是聚 合材料、玻璃材料、陶瓷材料、诸如纺织和/或无纺天然纤维之类的天然纤 维材料以及其组合等。在一些实施方式中，隔膜可包括砂纸或者基本上由 砂纸构成。隔膜可具有便于通过隔膜输送离子种类的厚度，同时，提供两 个电极之间的谢昂电隔离。在一些实施方式中，隔膜可具有约20微米(μm) 至约100微米的厚度，包括约30微米至约80微米。例如，隔膜可具有约 50微米的厚度。

图5示出了根据实施方式的用于制造超级电容器单元的示例性过程 200。例如，在块202，可以提供电极分配环、第一石墨膜、以及第二石墨 膜，如图1A至图3中所示的电极分配环106、第一石墨膜102、以及第二 石墨膜104。在块204，可将电极分配环的第一边缘压入第一石墨膜的表 面。在框206，可将电极分配环的第二相对边缘压入第二石墨膜的表面， 从而与第一石墨膜形成密封外壳。例如，密封外壳可包括作为电极分配环 的边缘被压入的第一石墨膜的表面和第二石墨膜的表面的相对表面。可对 石墨膜中的一个或者两个以及电极分配环施加压力，从而使电极分配环耦 接至石墨膜。如此处公开的，可对电极分配环和/或第一石墨施加一定的压 力，以使得电极分配环以希望的深度定位于石墨膜中，从而便于将电极分 配环固定定位至石墨膜中并且在电极分配环与石墨膜之间建立密封界面， 而不穿透石墨膜。

在一些实施方式中，可在石墨膜与电极分配环耦接之前，使电极附着 至石墨膜。例如，可在石墨膜与电极分配环耦接之前，将电极膜施加在石 墨膜的表面中，电极膜施加在面向电极分配环的开口的内部的石墨膜的表 面中。在一些实施方式中，在石墨膜与电极分配环耦接之前，通过使用层 压工艺可使第一电极膜和/或第二电极膜施加在相应的石墨膜的表面中，如 连续卷对卷工艺中的热层压步骤。在一些实施方式中，在施加电极膜之前， 可以使用粘合膜涂覆施加有电极膜的第一石墨膜和/或第二石墨膜的表面， 从而便于粘合电极膜与相应的石墨膜。粘合膜可包括任意数目的合适的粘 合材料，包括导电粘合材料，例如，填充导电碳的粘合材料和/或导电热塑 性粘合材料。可以施加各种形状的粘合材料，从而便于粘合具有各种形状 的电极膜。例如，粘合膜可具有圆形形状，从而便于粘合具有圆形形状的 电极膜。在一些实施方式中，在制造过程中，可以移除施加在由粘合膜覆 盖的区域之外的电极膜的各部分，从而保留在石墨膜上具有粘合膜的形状 的电极膜。

用于组装超级电容器单元的过程的实施例可包括：将第一电极膜施加 在第一石墨箔的表面上，并且将第二电极膜施加在第二石墨箔的表面上。 可将电极分配环压入第一石墨箔的表面，从而在第一石墨箔与电极分配环 之间形成密封界面。例如，可将沿着电极分配环的开口的一个或者多个边 缘部分压入第一石墨膜的表面，从而在电极分配环与第一石墨膜之间形成 密封界面。可相对于第一石墨箔放置电极分配环，以使得电极分配环的开 口包围第一电极膜。隔膜可放置在电极分配环的开口内的第一电极膜上。 隔膜可具有支持超级电容器的电极之间的充分电隔离的形状和/或尺度(例 如，厚度)，同时，允许通过隔膜在电极之间输送希望的离子。随后，例 如，通过将第二石墨膜压入电极分配环上，反之亦然，以使得电极分配环 的开口包围第二电极膜，在第二石墨膜附着时可以使第二石墨膜耦接至电 极分配环，从而形成密封外壳。在一些实施方式中，可使第二石墨膜沿着 电极分配环的开口压入一个或者多个边缘部分中，从而在电极环状分配器 与第二石墨膜之间建立密封界面，电极分配环的该一个或者多个边缘部分 位于电极分配环上相对的耦接至第一石墨膜的部分上。

在一些实施方式中，在插入到电极分配环的开口之前，可以使用电解 质浸渍隔膜。在一些实施方式中，在使电极分配环与相应的石墨膜耦接之 前，第一电极膜和/或第二电极膜附着于相应的石墨膜，可以使用电解质浸 渍第一电极膜和/或第二电极膜。在一些实施方式中，在附着于相应的石墨 膜之后并且在使相应的石墨膜耦接至电极分配环之前，可以使用电解质今 夕第一电极膜和/或第二电极膜。如此处描述的，合适的电解质可以是水性 的或者非水性的。

在超级电容器单元的操作条件下，可以可靠地密封超级电容器单元， 如图1中所示的根据示例性过程200制造的超级电容器单元100，从而提 供与水性和/或非水电解质兼容的超级电容器单元。例如，可以使用具有高 摩尔浓度的含水电解质的超级电容器单元。例如，可以使用具有非水电解 质的超级电容器单元，包括中等摩尔浓度的非水电解质。超级电容器单元 可提供改良的性能，例如，包括增加的超级电容器操作电压。例如，具有 使用示例性过程200制造的非水电解质的超级电容器单元可被配置为以增 加的操作电压操作。示例性过程200可提供用于可靠地制造超级电容器单 元的可扩展过程，超级电容器单元被配置为以诸如约3伏特(V)的操作 电压之类的增加的操作电压操作。

在一些实施方式中，能量存储设备可包括多个个体能量存储单元。例 如，超级电容器可包括多个个体超级电容器单元。参考图6A，根据实施 方式，能量存储设备300可包括叠层配置的五个个体超级电容器单元。例 如，可通过电串联方式连接个体的超级电容器单元。在一些实施方式中， 能量存储设备300可包括与第二超级电容器单元340邻近的第一超级电容 器单元320、与第二超级电容器单元340邻近的第三超级电容器单元360、 与第三超级电容器单元360邻近的第四超级电容器单元380、以及与第四 超级电容器单元380邻近的第五超级电容器单元400，单元320、单元340、 单元360、单元380、以及单元400可以与单元100相似(图1A至图4)。 在一些实施方式中，每个超级电容器单元均可包括诸如石墨膜322、石墨 膜342、石墨膜362、石墨膜382、石墨膜402之类的第一石墨膜、诸如石 墨膜324、石墨膜344、石墨膜364、石墨膜384、石墨膜404之类的第二 石墨膜、以及诸如电极分配环326、电极分配环346、电极分配环366、电 极分配环386、电极分配环406之类的位于相应的第一石墨膜与第二石墨 膜之间的电极分配环。邻近的石墨膜可以彼此电接触。例如，第一超级电 容器单元320的第二石墨膜324可以与第二超级电容器单元340的第一石 墨膜342电接触等。在一些实施方式中，对应于能量存储设备300的超级 电容器叠层中的邻近超级电容器单元的邻近石墨膜可以彼此接触，从而便 于邻近的超级电容器之间的电耦接。例如，对应于超级电容器单元的叠层 中的邻近超级电容器单元的邻近石墨膜可以直接接触(例如，仅石墨膜彼 此直接接触)。在一些实施方式中，使用粘合剂可以使对应于超级电容器 单元的叠层中的邻近超级电容器单元的邻近石墨膜彼此耦接，例如，包括 导电粘合剂或者其他相干的导电组分。个体的超级电容器单元可具有或者 可不具有相似或者大致相似的配置。

在一些实施方式中，图6A中所示的一个或者多个邻近石墨膜，如石 墨膜324和石墨膜342、石墨膜344和石墨膜362、石墨膜364和石墨膜 382、和/或石墨膜384和石墨膜402，可以是一个连续的或者大致连续的 石墨膜。例如，图6A中的邻近石墨膜324和石墨膜342可以是一个连续 的或者大致连续的石墨膜，而非两个不同的石墨膜。在一些实施方式中， 电极可附着于石墨膜的两个相对表面的每个，以使得石墨膜可用作用于两 个邻近的能量存储单元的集电体。例如，可将第一能量存储单元的第二电 极膜施加在石墨膜的第一表面中并且可将第二能量存储单元的第一电极 膜施加在石墨膜的第二相对表面中，以使得石墨膜可用作用于第一能量存 储单元和第二能量存储单元的集电体。

在一些实施方式中，能量存储设备300可包括导电部件，导电部件耦 接至位于超级电容器叠层的各个末端处的两个石墨膜中的每个，从而便于 能量存储设备300与外部电路之间的电接触。例如，第一导电部件420可 耦接至第一超级电容器单元320的第一石墨膜322，并且第二导电部件422 可耦接至第五超级电容器单元400的第二石墨膜404。导电部件420、422 可包括任意数目的导电材料或者基本上由任意数目的导电材料构成，包括 金属材料。例如，导电部件420、422中的一个或者两个可以是由诸如铝 箔之类的铝材料制成的膜。在一些实施方式中，导电部件420、422中的 一个或者两个可以是包括诸如铜、镍、铂、银、其合金之类的其他类型的 金属的膜。通过诸如层压工艺之类的热压工艺可以使导电箔附着于相应的 石墨膜上。在一些实施方式中，具有至少部分由耦接至电极分配环的石墨 膜制成的一个或者多个个体能量存储单元的能量存储设备(诸如图6A中 所示的能量存储设备)在超级电容器单元的操作条件下可展示被可靠密封 的改进能力，从而减少个体能量存储单元之间发生电短路。在一些实施方 式中，诸如图6A中所示的能量存储设备的能量存储单元可便于在增加的 操作电压下操作，诸如，每个单元在约3伏特(V)的操作电压下操作。 例如，图6A中所示的具有五个超级电容器单元的能量存储设备(其中， 五个个体超级电容器单元通过电串联方式耦接至彼此)可提供约15伏特 (V)的总电压，诸如，导电部件420、422之间的总电压。

图6B示出了图6A中所示的能量存储设备300的立体图。图6B示出 了具有圆形或者大致圆形形状的电极分配环和石墨膜的各个超级电容器 单元320、超级电容器单元340、超级电容器单元360、超级电容器单元 380、以及超级电容器单元400。例如，各个超级电容器单元超级电容器单 元320、超级电容器单元340、超级电容器单元360、超级电容器单元380、 以及超级电容器单元400可具有彼此相似的配置，从而形成具有相同或者 相似配置的五个超级电容器单元的叠层的能量存储设备300。如此处描述 的，设备300的一组或者多组邻近的石墨膜可由一个连续的或者大致连续 的石墨膜制成，而非由两个不同的石墨膜制成。设备300可包括其他数量 的超级电容器单元、其他类型的能量存储单元(例如，个体电池单元和/ 或电池-电容器混合单元)、以及具有不同于所示出的近似圆形形状的个体 能量存储单元。

参考图6B，能量存储设备300的叠层的超级电容器的第一端可耦接 至第一导电部件420并且叠层的超级电容器单元的第二端可耦接至第二导 电部件422。第一超级电容器单元320的石墨膜被示出为与第一导电部件 420耦接并且第五超级电容器单元400的石墨膜被示出为与第二导电部件 422耦接，第一导电部件420和第二导电部件422中的每个均具有与和其 耦接的对应石墨膜相似的形状和尺寸。例如，第一导电部件420和第二导 电部件422可具有圆形或者大致圆形的形状、以及与和其耦接的对应石墨 膜的直径相同或者相似的直径。

在一些实施方式中，导电部件可与和其耦接的石墨膜具有不同的尺寸 和/或形状。例如，导电部件在尺寸上可明显比和其耦接的石墨膜更大或者 更小。例如，导电部件可具有一个或者多个线性或者大致线性边缘，而对 应的石墨膜可具有圆形或者大致圆形的形状，反之亦然。

根据一种实施方式，能量存储设备300可具有五个个体超级电容器单 元(例如，双极)，每个个体超级电容器单元均具有提供约6.7法拉(F) 的电容和约2.7伏特(V)的操作电压的配置(例如，超级电容器部件和/ 或组成)。例如，能量存储设备300可包括通过电串联方式连接的五个个 体超级电容器单元，从而提供约1.3法拉的设备电容和约13.5伏特的设备 操作电压、或者约0.03瓦特时(W-h)的能量性能。在一些实施方式中， 个体超级电容器单元的操作电压可以为约3.0伏特。在一些实施方式中， 每个超级电容器单元均可具有第一石墨膜和第二石墨膜(各自具有约76 微米(μm)的厚度)、第一电极膜和第二电极膜(各自具有约100微米的 厚度)、以及隔膜(具有约50微米的厚度)。第一电极膜和第二电极膜可 具有圆形或者大致圆形的形状，每个电极膜均具有约50毫米(mm)的直 径。每个个体超级电容器单元均可具有包括乙腈的电解质溶剂和包括四乙 基四氟硼酸铵(TEATFB)的电解质盐，电解质盐的浓度为约1摩尔(M)。

根据另一种实施方式，能量存储设备可包括通过串联方式连接的叠层 配置的200个个体超级电容器单元，每个个体超级电容器单元均可具有提 供约6.7法拉(F)的电容和约2.7伏特(V)的操作电压的配置(例如， 超级电容器元件尺度和/或组成)。例如，根据实施方式的能量存储设备可 提供约540伏特的设备操作电压、约0.034法拉的电容值、或者约2.8瓦 特时的能量性能。在一些实施方式中，个体超级电容器单元的操作电压可 以为约3.0伏特。

图7示出了用于制造能量存储设备的示例性过程500，能量存储设备 包括叠层配置的多个超级电容器单元。在框502，可形成多个超级电容器 单元。例如，根据此处描述的一个或者多个过程可形成多个超级电容器单 元中的一个或者多个。在框504，该多个超级电容器单元可一个置于另一 个之上进行放置，以形成包括多个超级电容器单元的叠层。例如，该多个 超级电容器单元可以对准并且一个置于另一个之上的叠层，从而便于形成 具有叠层配置的能量存储设备。邻近的超级电容器单元可一个置于另一个 之上的放置并且彼此电接触，以使得两个邻近的超级电容器单元对准并且 可通过电串联方式耦接。如此处描述的，在一些实施方式中，能量存储设 备中具有叠层配置的两个邻近的能量存储单元可共享一个连续的或者大 致连续的石墨膜，而非具有两个不同的邻近石墨膜。例如，第一邻近的能 量存储单元的第一电极分配环可耦接至共享石墨膜的第一表面，并且第二 邻近的能量存储单元的第二电极分配环可耦接至共享石墨膜的第二相对 表面，从而便于建立第一能量存储单元和第二能量存储单元各自的密封外 壳。在一些实施方式中，可以使用此处描述的一个或者多个过程制造第一 邻近的能量存储单元和第二邻近的能量存储单元的其余部分。在框506， 第一导电部件可附着于超级电容器单元的石墨膜，如，多个叠层的超级电 容器单元中的第一超级电容器单元的第一石墨膜。在框508，第二导电部 件可附着于超级电容器单元的石墨膜，如，该多个叠层的超级电容器单元 中的最后超级电容器单元的第二石墨膜。根据此处描述的一个或者多个过 程，第一导电部件和第二导电部件可附着于其每个对应的超级电容器单 元。

尽管已经在特定实施方式和实施例的上下文中公开了本发明，然而， 本领域技术人员应当理解的是，本发明超越具体公开的实施方式之外至其 他可替代的实施方式和/或使用本发明及其显而易见的变形和等同物。此 外，尽管已经详细示出并且描述了本发明的实施方式的若干种变形，然而， 基于本公开，在本发明范围内的其他改造对本领域技术人员易于显而易 见。还设定了可以做出实施方式的具体特征和各方面的各种组合和子组合 并且仍落在本发明的范围内。应当理解的是，公开的实施方式的各种特征 和方面可以彼此组合、或者彼此替换，从而形成公开发明的各种模式的实 施方式。因此，旨在使此处公开的本发明的范围不受上述所述具体实施方 式的限制。

此处提供的标题(如有)仅出于方便之目的并且并不一定必须对此处 公开的设备和方法的范围或者含义产生影响。