高产率储存材料

摘要

本文描述了包含可氢键键合部分的高强度且柔性的导电聚合物。所述导电聚合物通过在氧化剂、溶剂和/或可氢键键合的添加剂例如包含羟基的添加剂的存在下使给电子芳族单体聚合而形成。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及高产率储存材料和相关方法。

背景技术

将固体颗粒制造成连续的基底膜的方法各不相同，不仅取决于颗粒尺寸和/或尺寸的分布，还取决于固体颗粒的机械、热、化学、电和物理特性。在固体颗粒可溶于水溶液或非水溶液的情况下，它们可以与其他粘合材料混合或不与其他粘合材料混合、冷凝并形成为连续的基底膜，例如电极和/或集流体。将不可溶材料形成为连续基底膜的方法通常更局限于压实、粘合加工或极端重复加工，并且这样的方法通常限制材料的所得化学、机械或电特性。因此，需要改善的组合物和制造方法。

发明内容

本发明一般地涉及高产率储存材料和相关方法。在某些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案以及/或者一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。

在一些实施方案中，描述了装置，其中所述装置包括集流体和第一电极，所述第一电极包括聚合物膜，所述聚合物膜包含具有可氢键键合部分的导电聚合物，其中所述聚合物膜与集流体电化学连通，以及其中聚合物膜具有大于或等于50kJ/kg的能量密度。

在某些实施方案中，描述了组合物，其中所述组合物包含含有可氢键键合部分的导电聚合物，其中所述导电聚合物具有大于或等于50kJ/kg的能量密度，以及所述组合物为高粘度浆料、由浆料和粒状颗粒构成的半固体、或粒状颗粒。

在一些实施方案中，描述了用于生产导电聚合物的方法，所述方法包括将氧化剂和溶剂混合以形成固体氧化剂-溶剂配合物，以及在固体氧化剂-溶剂配合物的存在下使给电子芳族单体聚合以形成导电聚合物，其中氧化剂包括铁或铁衍生物，溶剂选自乙腈、碳酸酯、苯、水、二氯甲烷、氯仿、其混合物及其衍生物。

当结合附图考虑时，根据以下详细描述，本发明的其他方面、实施方案和特征将变得明显。附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。为了清楚起见，在不需要图解来使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，不是每个部件在每幅附图中都被标记，也不是本发明的每个实施方案的每个部件都被示出。通过引用并入本文的所有专利申请和专利通过引用整体并入。在冲突的情况下，以本说明书(包括定义)为准。

附图说明

将参照附图通过示例的方式来描述本发明的非限制性实施方案，附图为示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同或几乎相同的部件通常由单一附图标记表示。为了清楚起见，在不需要图解来使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，不是每个部件在每幅附图中都被标记，也不是本发明的每个实施方案的每个部件都被示出。在图中：

图1示出了在一些实施方案中设置为电极的聚合物膜的示意图；和

图2示出了根据某些实施方案的能量储存装置的示意图。

具体实施方式

一般地提供了用于高产率储存材料的组合物和方法。例如，在一些实施方案中，一般地描述了包含可氢键键合部分的高强度(strong)且柔性的导电聚合物。导电聚合物可以通过在氧化剂、溶剂和/或可氢键键合的添加剂(例如包含羟基的添加剂)的存在下使给电子芳族单体聚合来形成。与传统材料(包括不含可氢键键合的添加剂的导电聚合物)相比，在某些方面，所得导电聚合物可以具有相同或改善的电化学特性(例如，电导率)和/或为强度更高且更具柔性的。不希望受理论束缚，本文所述的组合物的改善特性可能至少部分是由于将可氢键键合部分并入到聚合物链中，这例如可以增加聚合物之间的粘附。因此，在某些情况下，本文所述的高强度且柔性的导电聚合物可以适合作为能量储存装置中的层(例如，用作电极的膜)。

基于碳的电极经常通过活性炭粉末的加工来合成，这通常包括将活性炭粉末与粘合剂、溶剂和/或其他添加剂混合。相比之下，导电聚合物电极通常更难以形成为膜。一种形成导电聚合物膜的方法遵循与对基于碳的电极所进行的类似的制造方案，其中将粉末形式的导电聚合物与粘合剂和随后蒸发的溶剂混合。所得材料通常通过压制、加热和/或干燥来加工。

在某些情况下，期望的导电聚合物是不溶性的，并且粉末到膜的转变经常可能导致差的膜品质，例如，膜在机械上易碎。例如，未经取代的导电聚合物(例如聚噻吩)在通过化学氧化聚合制备时通常作为粉末分离。由于缺乏颗粒之间的粘合力，因此由粉末(例如聚噻吩)制备的膜可能是易碎而脆弱的。

本发明人已经发现在导电单体的聚合过程期间并入可氢键键合部分可以导致所得导电聚合物的可制造性、化学特性和/或机械特性的增强。例如，不希望受理论束缚，当将小百分比的可氢键键合部分(例如，羟基)引入到聚合物链中时，聚合物颗粒之间的粘附可以大大改善，从而允许形成强度更高且更具柔性的聚合物膜，其可以用作例如能量储存装置中的电极。图1示出了设置为电极的示例性聚合物膜的示意图。如图1所示，聚合物膜25被设置为电极100。例如，在至少小摩尔百分比的可氢键键合部分的存在下聚合的所得聚合物与它们的非羟基化衍生物相比在一些实施方案中可以具有相似的电化学特性，但是形成强度更高且更具柔性的聚合物膜。在某些实施方案中，与没有可氢键键合部分的衍生物相比，至少小摩尔百分比的可氢键键合部分的存在可以改善电化学特性。在一些实施方案中，将可氢键键合部分并入聚合物链中增加了各个单体之间和/或整体颗粒之间的结合相互作用。在一些实施方案中，聚合物膜可以具有显著的电化学特性并且可以适合用作能量储存装置(例如电容器)中的电极。

本文所述的某些组合物涉及包含导电聚合物的聚合物膜。根据某些实施方案，导电聚合物可以包含给电子芳族单体。例如，在某些实施方案中，导电聚合物可以包含在重复链中的给电子芳族单体。在一些实施方案中，至少一部分给电子芳族单体被氯化。例如，在某些实施方案中，氯化的给电子芳族单体的氯含量在大于或等于0.001重量％且小于或等于20重量％的范围之间。根据某些实施方案，导电聚合物可以包括吡咯、噻吩、苯胺、苯和/或其衍生物(例如，氯化衍生物)。

根据某些实施方案，导电聚合物包含可氢键键合部分。如本文所使用的术语“氢键”被给予其在本领域中的普通含义并且通常是指氢(H)原子与更具电负性的原子(例如，如氮(N)、氧(O)、氟(F)和/或带有孤对电子的与该H原子相邻的另一原子)之间的部分静电吸引。如本文所使用的术语“可氢键键合的”被给予其在本领域中的普通含义并且通常是指包含能够与另一原子形成氢键的基团的部分(例如，官能团、分子的一部分)。

在某些实施方案中，在给电子芳族单体和可氢键键合的芳族添加剂聚合时，导电聚合物可以包含可氢键键合部分。下文更详细地描述与导电聚合物的合成(例如，聚合)相关的方法。

在一些实施方案中，可氢键键合的芳族添加剂可以包含羟基。例如，在某些实施方案中，可氢键键合的芳族添加剂可以包括酚化合物，例如苯酚、苯硫酚、儿茶酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,4-二叔丁基苯酚、双酚A、2,2’-双酚、4-十五烷基苯酚、2-乙氧基苯酚、2-乙酰氨基苯酚、4-羟基二苯胺、4-苯基苯酚、没食子酸、单宁酸、1-萘酚、2-萘酚、聚(4-乙烯基苯酚)和/或其混合物。

某些实施方案涉及合成导电聚合物的方法。导电聚合物可以通过多种合适方法中的任一种合成。例如，在一些实施方案中，方法包括在氧化剂、溶剂和可氢键键合的芳族添加剂的存在下使给电子芳族单体聚合以形成导电聚合物。

或者，在一些实施方案中，方法包括首先将氧化剂和溶剂混合以形成固体氧化剂-溶剂配合物。根据一些这样的实施方案，方法然后包括在固体氧化剂-溶剂配合物的存在下使给电子芳族单体聚合以形成导电聚合物。在一些实施方案中，导电聚合物包含可氢键键合部分。

根据一些实施方案，聚合步骤在多种合适温度中的任意温度下发生。例如，在某些实施方案中，聚合步骤可以在小于或等于200℃、小于或等于150℃、小于或等于120℃、小于或等于100℃、小于或等于50℃、小于或等于20℃、小于或等于10℃、小于或等于1℃、小于或等于0℃、小于或等于-10℃、小于或等于-20℃、或者小于或等于-30℃的温度下发生。在一些实施方案中，聚合步骤可以在大于或等于-40℃、大于或等于-30℃、大于或等于-20℃、大于或等于-10℃、大于或等于0℃、大于或等于10℃、大于或等于20℃、大于或等于50℃、大于或等于100℃、大于或等于120℃、或者大于或等于150℃的温度下发生。上述范围的组合也是可能的(例如，聚合步骤可以在小于或等于100℃且大于或等于0℃的温度下发生，聚合步骤可以在小于或等于150℃且大于或等于-40℃的温度下发生)。

根据某些实施方案，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以为多种合适量中的任一者。例如，根据某些实施方案，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以大于或等于100:1。在一些实施方案中，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以大于或等于100:2、大于或等于100:5、大于或等于100:10、大于或等于100:15、大于或等于100:20、大于或等于100:25、大于或等于100:30、大于或等于100:50、大于或等于100:75。在某些实施方案中，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以小于或等于100:100、小于或等于100:75、小于或等于100:50、小于或等于100:30、小于或等于100:25、小于或等于100:20、小于或等于100:15、小于或等于100:10、小于或等于100:5、或者小于或等于100:2。

根据某些实施方案，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以大于或等于1:100。在一些实施方案中，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以大于或等于2:100、大于或等于5:100、大于或等于10:100、大于或等于15:100、大于或等于20:100、大于或等于25:100、大于或等于30:100、大于或等于50:100、大于或等于75:100。在某些实施方案中，导电聚合物中的给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以小于或等于100:100、小于或等于75:100、小于或等于50:100、小于或等于30:100、小于或等于25:100、小于或等于20:100、小于或等于15:100、小于或等于10:100、小于或等于5:100、或者小于或等于2:100。

在一些实施方案中，给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以为100:1至1:100。给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂的摩尔比可以通过元素分析、多核核磁共振和/或其他光谱方法来计算。

在一些实施方案中，本文所述的合成方法可以以多种合适产率中的任一者提供导电聚合物。例如，在某些实施方案中，导电聚合物的产率可以大于或等于40％。根据一些实施方案，导电聚合物的产率可以大于或等于50％、大于或等于60％、大于或等于70％、大于或等于80％、或者大于或等于90％。在某些实施方案中，导电聚合物的产率可以小于或等于100％、小于或等于90％、小于或等于80％、小于或等于70％、小于或等于60％，或者小于或等于50％。上述范围的组合也是可能的(例如，导电聚合物的产率可以大于或等于40％且小于或等于100％，导电聚合物的产率可以大于或等于50％且小于或等于80％)。导电聚合物的产率可以由合成期间使用的前体材料(例如，给电子芳族单体和/或可氢键键合的芳族添加剂)的量来确定。

在某些实施方案中，氧化剂是将给电子芳族单体与可氢键键合的芳族添加剂偶联的氧化偶联剂。例如，不希望受理论束缚，可氢键键合的芳族添加剂可以通过C-C和/或C-O键的形成而与给电子芳族单体偶联。根据某些实施方案，氧化剂包括铁或铁衍生物。例如，在某些实施方案中，氧化剂为铁(III)盐。在一些实施方案中，氧化剂为氯化铁(III)、氯化铁(III)水合物和/或对甲苯磺酸铁(III)六水合物。根据某些实施方案，相对于给电子单体，氧化剂可以过量地添加至反应混合物。例如，在某些实施方案中，相对于给电子单体，将至少1当量且小于或等于25当量的氧化剂添加至反应混合物。在一些其他实施方案中，相对于给电子单体，将小于1当量的氧化剂添加至反应混合物。例如，在一些方面，相对于给电子单体，将至少0.005当量且小于1当量的氧化剂添加至反应混合物。

在某些实施方案中，在导电聚合物的合成期间使用的溶剂可以为乙腈、碳酸酯、芳族化合物(例如苯、均三甲苯、吡啶、甲苯、二甲苯等)、水、二氯甲烷、氯仿、其混合物和/或其衍生物(例如，氯化衍生物、氟化衍生物等)。在一些实施方案中，导电聚合物包含痕量的溶剂(例如，在形成聚合物之后，在聚合物干燥之后)。

在一个非限制性实施方案中，包含导电聚合物的组合物可以通过在小百分比(例如，相对于噻吩1摩尔％至10摩尔％)的苯酚和0.005至25(例如，2至10)当量(相对于噻吩)的氯化铁(III)的存在下使噻吩聚合来合成。在替代的非限制性实施方案中，可以在小百分比(例如，相对于噻吩1摩尔％至10摩尔％)的儿茶酚和2当量至10当量(相对于噻吩)的氯化铁(III)的存在下使噻吩聚合。

在一些实施方案中，在合成导电聚合物之后，导电聚合物呈高粘度浆料、由浆料和粒状颗粒构成的半固体或粒状颗粒的形式(例如，在设置为能量储存装置例如电容器中的电极之前)。在某些实施方案中，导电聚合物具有多种合适粘度中的任一者。例如，导电聚合物的粘度可以通过使用粘度计来测量。

在一些实施方案中，在合成导电聚合物之后，可以将导电聚合物后加工成膜。例如，在某些实施方案中，可以将包含导电聚合物的粒状颗粒辊压和/或压制成膜。在某些实施方案中，可以将包含导电聚合物的浆料或由浆料和粒状颗粒构成的半固体涂覆到导电基底(例如铝箔)上并干燥。

根据某些实施方案，可以将导电聚合物后加工成用作能量储存装置(例如电容器)中的电极的膜。在一些实施方案中，电极可以与集流体电化学连通。在一些实施方案中，导电聚合物膜可以包含具有可氢键键合的芳族部分的导电聚合物。除了具有可氢键键合的芳族部分的导电聚合物之外，在某些情况下，导电聚合物膜可以包含一种或更多种氧化剂(例如，痕量)和/或一种或更多种溶剂(例如，痕量)。在一些方面，导电聚合物膜可以包含结晶聚合物(例如，固态结构)。根据一些实施方案，导电聚合物膜可以包含非晶态聚合物。在某些实施方案中，聚合物层可以与电极(例如，第二电极)和/或集流体电化学连通。

根据一些实施方案，聚合物膜可以被设置为与集流体电化学连通的能量储存装置(例如电容器)中的电极。例如，在一些实施方案中，聚合物层25被设置为电极100，如图1所示。在一些实施方案中，电极100可以与集流体电化学连通。在某些实施方案中，聚合物层可以基本上均匀地分散在整个电极中。例如，在某些情况下，可以通过将电极活性材料(例如，活性炭粉末)与电活性聚合物混合来制造电极。

在某些实施方案中，包含本文所述的导电聚合物的聚合物膜比包含给电子芳族单体(例如噻吩)而没有可氢键键合的芳族添加剂的理论聚合物膜强度更高且更具柔性。例如，根据一些实施方案，包含导电聚合物的聚合物膜可以相对坚硬和/或具有相对高的杨氏弹性模量，下面对其进一步详细说明。

根据某些实施方案，包含导电聚合物的聚合物膜可以具有相对高的杨氏弹性模量。例如，在一些实施方案中，组合物可以具有大于或等于1GPa、大于或等于5GPa、大于或等于10GPa、大于或等于20GPa、大于或等于30Gpa、大于或等于40Gpa、或者大于或等于50GPa的杨氏弹性模量。在某些实施方案中，组合物可以具有小于或等于60GPa、小于或等于50GPa、小于或等于40GPa、小于或等于30GPa、小于或等于20GPa、小于或等于10GPa、或者小于或等于5GPa的杨氏弹性模量。上述范围的组合也是可能的(例如，组合物可以具有大于或等于1GPa且小于或等于60GPa的杨氏弹性模量，组合物可以具有大于或等于20GPa且小于或等于40GPa的杨氏弹性模量)。

在一些实施方案中，描述了能量储存装置。根据某些实施方案，装置可以包括集流体和电极，所述电极包括含有具有可氢键键合部分的导电聚合物的聚合物膜。在某些实施方案中，聚合物膜可以与集流体电化学连通。在某些实施方案中，装置可以为电化学双层电容器，也称为超级电容器(supercapacitor)、超级电容器(supercondenser)、法拉第电容器和/或超电容器(ultracapacitor)。通常，装置可以在通过两种电活性材料(例如电极和电解质)之间的界面处的电荷分离建立的电场中储存能量(例如电能)。能量储存装置的一般实施方案可以包括第一电极、与第一电极电化学连通的第二电极、和布置在第一电极与第二电极之间的隔离件材料。根据某些实施方案，第二电极与第一电极基本上分离。在一些实施方案中，第二电极和/或第一电极可以包含导电碳材料。在一些实施方案中，第一电极为阴极以及第二电极为阳极。在一些其他实施方案中，第一电极为阳极以及第二电极为阴极。在某些方面，装置包括与两个电极接触的可以离解成阴离子和阳离子的电解质或其他流动相。装置的部件可以被组装成使得电解质被布置在第一电极与第二电极之间。在一些实施方案中，装置的部件可以被组装成使得电解质分布在整个电极和隔离件材料主体中。

图2示出了如本文所述的装置的说明性实施方案。应当理解的是，虽然图中所示的某些层直接设置在彼此之上，但在某些实施方案中，在所示层之间也可以存在其他中间层。因此，如本文所使用的，当层被称为“设置在”另一层上、“放置在”另一层上或在另一层“上”时，其可以直接设置在层上、放置在层上或在层上，或者也可以存在中间层。与此相反，“直接设置在”另一层上、与另一层“接触”、“直接放置在”另一层上或“直接在”另一层上的层表示不存在中间层。在图2所示的实施方案中，装置10(例如，能量储存装置)包括第一电极20，第一电极20包括与基底24接触的第一导电材料22。在某些实施方案中，第一导电材料22和基底24可以是相同的组成(例如，导电聚合物)。在一些实施方案中，第二电极30包括与基底34接触的第二导电材料32。第二导电材料32和基底34可以是相同的组成(例如，导电聚合物)。根据某些实施方案，第一电极20和第二电极30可以被布置在装置中使得它们彼此电化学连通(例如，通过隔离件材料)。隔离件材料40可以与电极20和第二电极30相邻(例如，直接相邻)放置。如本文所使用的，当第一部件被称为与另一部件“相邻”时，其可以与第一部件直接相邻(例如，接触)，或者也可以存在一个或更多个中间部件。与另一部件“直接相邻”的部件意指不存在中间部件。第二导电材料32可以与隔离件材料40的表面接触，所述表面与隔离件材料40的与第一导电材料22接触的表面相反。电解质可以被布置在第一电极20与第二电极30之间(例如，经由隔离件材料)，使得电解质与第一电极20和第二电极30二者接触。应当理解的是，存在其中部件的取向改变的其他实施方案。在一些实施方案中，一个或更多个装置部件可以形成为薄膜。例如，根据某些实施方案，包括基底24和第一导电材料22的第一电极20可以为薄膜和/或包括基底34和第二导电材料32的第二电极30可以为薄膜。

在一些实施方案中，装置可以在正常操作期间充电和/或放电。根据某些实施方案，能量储存装置可能必须充电和/或放电以存储能量(例如，作为装置的能量密度)。因此，在某些实施方案中，装置可以在0V至6.5V的电位窗口充电和/或放电。根据一些实施方案，电位窗口可以根据能量储存装置中的部件的组成而改变。

根据一些实施方案，本文所述的导电聚合物可以具有与没有可氢键键合的芳族添加剂的给电子芳族单体(例如，聚噻吩)的理论聚合物基本上相同和/或改善的电化学特性(例如，电导率)。可以将导电聚合物的膜作为电极(例如，与集流体电连通)设置到装置(例如，电容器)中，使得聚合物具有多种合适的能量密度中的任一者。根据某些实施方案，导电聚合物膜具有大于或等于50kJ/kg的能量密度。在一些方面，例如，导电聚合物膜可以具有50kJ/kg至2000kJ/kg的能量密度。在某些实施方案中，导电聚合物膜可以具有大于或等于50kJ/kg、大于或等于100kJ/kg、大于或等于200kJ/kg、大于或等于300kJ/kg、大于或等于400kJ/kg、大于或等于500kJ/kg、大于或等于600kJ/kg、大于或等于700kJ/kg、大于或等于800kJ/kg、大于或等于900kJ/kg、大于或等于1000kJ/kg、大于或等于1100kJ/kg、大于或等于1200kJ/kg、大于或等于1300kJ/kg、大于或等于1400kJ/kg、大于或等于1500kJ/kg、大于或等于1600kJ/kg、大于或等于1700kJ/kg、大于或等于1800kJ/kg、或者大于或等于1900kJ/kg的能量密度。在一些实施方案中，导电聚合物膜可以具有小于或等于2000kJ/kg、小于或等于1900kJ/kg、小于或等于1800kJ/kg、小于或等于1700kJ/kg、小于或等于1600kJ/kg、小于或等于1500kJ/kg、小于或等于1400kJ/kg、小于或等于1300kJ/kg、小于或等于1200kJ/kg、小于或等于1000kJ/mol、小于或等于900kJ/kg、小于或等于800kJ/kg、小于或等于700kJ/kg、小于或等于600kJ/kg、小于或等于500kJ/kg、小于或等于400kJ/kg、小于或等于300kJ/kg、小于或等于200kJ/kg、或者小于或等于100kJ/mol的能量密度。上述范围的组合也是可能的(例如，包含导电聚合物的装置具有大于或等于50kJ/kg且小于或等于1000kJ/kg的能量密度，包括导电聚合物膜的装置具有大于或等于500kJ/kg且小于或等于2000kJ/kg的能量密度)。根据一些实施方案，包括导电聚合物膜的装置的能量密度可以为装置的重量能量密度。在一些实施方案中，包括导电聚合物膜的装置的能量密度可以基于储存的总能量除以聚合物膜的总质量来计算。

根据某些实施方案，装置可以包括第一电极和与第一电极分离(例如，通过一个或更多个层)的第二电极。本文所述的电极(包括与另一电极电化学连通的电极)可以包含可以改善电极的性能、稳定性和/或其他特性的附加组分。例如，电极可以包含附加的导电材料(例如，导电粉末)，并且还可以包含将粉末颗粒粘合在一起的材料。其他添加剂或改性剂的实例包括金属盐、金属氧化物、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、硅油、矿物油、石蜡、纤维素聚合物、聚丁二烯、聚氯丁橡胶(polyneopropene)、天然橡胶、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、苯乙烯丁二烯橡胶、聚偏二氟乙烯或其他聚合物。

装置还可以包括被布置成与第一电极和第二电极电化学连通的电解质(例如，第一电极和第二电极与共同的电解质接触)。电解质可以是能够在两个电极之间传输带正电或带负电的离子或者两者的多种材料中的任一者，并且应该与电极化学相容。在某些情况下，选择能够支持高电荷稳定性的电解质。

在一些实施方案中，电解质为液体电解质。在一组实施方案中，电解质为离子液体。在某些实施方案中，例如，电解质为离子液体1-乙基-3-甲基咪唑

根据某些实施方案，电解质可以包含隔离件。隔离件材料可以是能够将第一电极和第二电极物理分离，同时还允许流体和/或带电物质(例如，电解质)从一个电极移动到另一个电极的任何材料。还可以选择隔离件材料以对装置的其他部件为化学惰性的，以便不干扰装置性能(例如，装置的充电/放电)。在一些情况下，隔离件材料为纸或包括纸。在一些情况下，隔离件材料为聚合物或包括聚合物。例如，聚合物可以包括聚丙烯、聚乙烯、纤维素、聚芳醚或含氟聚合物。

在一个实施方案中，第一电极和第二电极可以放置在基本上平坦的隔离件材料的相反表面上，其中隔离件材料的厚度决定电极之间的距离。

如本文所使用的，术语“烷基”是指饱和脂族基的基团，包括直链烷基、支链烷基、环烷基(脂环族)、经烷基取代的环烷基和经环烷基取代的烷基。在一些实施方案中，直链或支链烷基在其主链中可以具有30个或更少的碳原子，并且在一些情况下，具有20个或更少的碳原子。在一些实施方案中，直链或支链烷基在其主链中具有12个或更少的碳原子(例如，对于直链C1-C12，对于支链C3-C12)，或者在一些情况下，具有6个或更少，或者4个或更少的碳原子。同样地，一些环烷基在其环结构中具有3至10个碳原子，或者在环结构中具有5、6或7个碳原子。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、环丙基、丁基、异丁基、叔丁基、环丁基、己基、环己基等。

术语“杂烷基”是指其中一个或更多个碳原子被杂原子代替的如本文所述的烷基。合适的杂原子包括氧、硫、氮、磷等。杂烷基的实例包括但不限于烷氧基、氨基、硫酯等。

术语“芳基”是指芳族碳环基团，任选地经取代，具有单环(例如，苯基)、多个环(例如，联苯基)或其中至少一者是芳族的多个稠环(例如，l,2,3,4-四氢萘基、萘基、蒽基或菲基)。即，至少一个环可以具有共轭的π电子体系，而其他相邻的环可以为环烷基、环烯基、环炔基、芳基和/或杂环基。如本文所述，芳基可以任选地被取代。“碳环芳基”是指其中芳族环上的环原子为碳原子的芳基。碳环芳基包括单环碳环芳基以及多环或稠合化合物(例如，两个或更多个相邻的环原子为两个相邻环所共有)例如萘基。

术语“杂芳基”是指包含至少一个杂原子作为环原子的芳基。

术语“杂环基”是指这样的环状基团：其包含至少一个杂原子作为环原子，在一些情况下，包含1至3个杂原子作为环原子，其中剩余的环原子为碳原子。合适的杂原子包括氧、硫、氮、磷等。在一些情况下，杂环可以为3元至10元环结构，或在一些情况下为3元至7元环，其环结构包括一个至四个杂原子。术语“杂环”可以包括杂芳基(例如，芳族杂环)、饱和杂环(例如，环杂烷基)基、或其组合。杂环可以为饱和分子，或者可以包含一个或更多个双键。在一些情况下，杂环为芳族杂环，例如吡咯、吡啶等。在一些情况下，杂环可以连接至或稠合至额外的环以形成多环基团。在一些情况下，杂环可以是大环的一部分。杂环也可以与螺环基稠合。在一些情况下，杂环可以通过环中的氮或碳原子连接至化合物。

杂环包括例如噻吩、苯并噻吩、噻蒽、呋喃、四氢呋喃、吡喃、异苯并呋喃、色烯、呫吨、吩

如本文所使用的，术语“卤素”表示-F、-Cl、-Br或-I。

术语“羧基”、“羰基”和“酰基”是本领域公认的，并且可以包括如可以由通式：

任何上述基团可以任选地被取代。如本文所使用的，预期术语“经取代的”包括有机化合物的所有容许的取代基，“容许的”是在本领域普通技术人员已知的化合价的化学规则的背景下。应当理解的是，“经取代的”还包括取代产生稳定的化合物，例如所述化合物不会例如通过重排、环化、消除等自发进行转化。在一些情况下，“经取代的”通常可以指用如本文所述的取代基替代氢。然而，如本文所使用的，“经取代的”不包括通过其识别分子的关键官能团的替代和/或改变，例如使得“经取代的”官能团通过取代变为不同的官能团。例如，在该定义中，“经取代的苯基”必须仍包含苯基部分并且不能通过取代被改性而变成例如吡啶环。在广义方面，容许的取代基包括有机化合物的无环的和环状的、支化的和非支化的、碳环的和杂环的、芳族的和非芳族的取代基。例证性的取代基包括例如本文所述的那些。对于合适的有机化合物，容许的取代基可以为一个或更多个并且可以相同或不同。为了本发明的目的，杂原子例如氮可以具有氢取代基和/或满足杂原子的化合价的本文所述的有机化合物的任何容许的取代基。

取代基的实例包括但不限于卤素、叠氮化物、烷基、芳烷基、烯基、炔基、环烷基、羟基、烷氧基、氨基、硝基、巯基、亚氨基、酰胺基、膦酸酯、次膦酸酯、羰基、羧基、甲硅烷基、醚、烷基硫基、磺酰基、磺酰胺基、酮、醛、酯、杂环基、芳族或杂芳族部分、-CF3、-CN、芳基、芳氧基、全卤代烷氧基、芳烷氧基、杂芳基、杂芳氧基、杂芳基烷基、杂芳烷氧基、叠氮基、氨基、卤化物、烷基硫基、氧代、酰基烷基、羧基酯、酰胺基(carboxamido)、酰氧基、氨基烷基、烷基氨基芳基、烷基芳基、烷基氨基烷基、烷氧基芳基、芳基氨基、芳烷基氨基、烷基磺酰基、酰胺基烷基芳基、酰胺基芳基、羟基烷基、卤代烷基、烷基氨基烷基羧基、氨基酰胺基烷基、氰基、烷氧基烷基、全卤代烷基、芳基烷氧基烷基等。

实施例和实施方案

以下实施例描述了导电聚合物的合成。将噻吩添加至无水氯化铁(III)在乙腈中的冷却溶液(约0℃)。将所得深色溶液在约0℃下搅拌15分钟，在此时间期间析出深绿色固体。将这些聚合物固体通过过滤收集并用水洗涤直至滤液呈浅色。将部分去掺杂的固体用甲醇洗涤，然后进行丙酮洗涤以除去低聚物。深棕色聚合物呈丝状，并将其在50℃下在真空中干燥，提供45％至99％的产率。

以下实施例描述了另外的导电聚合物的合成。将噻吩和苯酚的混合物添加至无水氯化铁(III)在乙腈中的冷却溶液(约0℃)。将所得深色溶液在约0℃下搅拌15分钟，在此时间期间析出深绿色固体。将这些聚合物固体通过过滤收集并用水洗涤直至滤液呈浅色。将部分去掺杂的固体用甲醇洗涤，然后进行丙酮洗涤以除去苯酚的低聚物和均聚物。深棕色聚合物呈丝状，并将其在50℃下在真空中干燥，提供50％至80％的产率。

以下实施例描述了包含聚合物、活性炭、导电添加剂和/或这些被描述为“活性材料”的组分的一些组合的独立膜的制备。将活性材料与聚四氟乙烯和水混合。将所得面团在轧机上轧制成200微米厚的膜，根据需要进一步滴加水和异丙醇以调节膜柔韧性和坚实度。然后将膜在真空下干燥并切割成期望的形状和尺寸以用作超级电容器装置中的电极。

以下实施例描述了包含聚合物、活性炭、导电添加剂或这些被描述为“活性材料”的组分的一些组合的浆料涂覆膜的制备。将活性材料与聚丙烯酸和水混合。然后通过刮刀将所得混合物(浆料)涂覆到铝箔上并在真空下干燥。将涂层和铝箔基底切割成期望的形状和尺寸以用作超级电容器装置中的组合的电极(例如涂层)和集流体(例如铝箔)。

虽然本文已经描述和举例说明了本发明的多个实施方案，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点的多种其他手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的具体应用或多个应用。本领域技术人员将认识到或者能够仅使用常规实验确定本文所述发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅作为示例示出，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以不同于具体描述和要求保护的其他方式进行实践。本发明涉及本文所述的各个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，如果两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法并不互相矛盾，则这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。

除非明确指示相反，否则如本文在说明书和权利要求中使用的没有数量词修饰的对象应理解为意指“至少一个/种”。

如本文在说明书和权利要求中所使用的，短语“和/或”应理解为意指这样联合的要素中的“任一个或两个”，即在一些情况下共同存在而在另一些情况下分开存在的要素。除非明确指示相反，否则除了由“和/或”子句具体指明的要素之外，其他要素可以任选地存在，无论与具体指明的那些要素相关还是无关。因此，作为非限制性实例，当与诸如“包含”的开放式语言结合使用时，提及“A和/或B”在一个实施方案中可以指A而没有B(任选地包含除B之外的要素)；在另一个实施方案中，指B而没有A(任选地包含除A之外的要素)；在又一个实施方案中，指A和B二者(任选地包含其他要素)；等等。

如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分开列表中的项目时，“或”或“和/或”应理解为包括的，即包括多个要素或要素列表中的至少一个，但也包括其中的多于一个，并且任选地包括另外的未列举项目。仅明确指示相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或当用于权利要求时“由......组成”，是指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。通常，当前面有排他性术语(例如“任一”、“一个”、“仅一个”或“恰好一个”)时，如本文所使用的术语“或”仅应理解为表示排他性替代方案(即，“一个或另一个，但并非二者”)。“基本上由......组成”当在权利要求中使用时应具有其在专利法领域中使用的普通含义。

如本文在说明书和权利要求中所使用的，短语“至少一个”在提及一个或更多个要素的列表时应理解为意指从要素列表中的任一个或更多个要素中选择的至少一个要素，但并不一定包括要素列表中具体列举的各个和每个要素中的至少一个，也不排除要素列表中的要素的任意组合。该定义还允许可以任选地存在除了在短语“至少一个”所提及的要素列表中具体指出的要素之外的要素，无论与具体指出的那些要素相关还是无关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，但不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个B，任选地包括多于一个B，但不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，和至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等等。

在权利要求以及上述说明书中，所有的过渡短语例如“包含”、“包括”、“携有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等都应理解为开放式的，即，意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所述，仅过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”应分别是封闭或半封闭的过渡短语。