管一些超级电容器包含基于化学反应的特征，例如赝电容器，可以包含质子转移和其它化学过程，这些反应的时间一般较慢。
超级电容器以具有高的功率密度而著称。然而，目前的超级电容器存在一个缺陷，那就是满充电时的能量密度。当前的超级电容器只有铅酸电池五分之一的能量密度，这使得需要高能量密度的应用场合用超级电容器既昂贵又不太方便。而且，目前的超级电容器不能够在高温下运行，比如高于65℃的温度，原因在于溶解于溶剂中的电解质易于蒸发和分解，因而限制了这种超级电容器在很多场合下的使用。此外，当前的超级电容器在残余水的作用下会发生退化现象。
一些超级电容器试图通过使用离子液体作为电解液来解决这些问题。在有些超级电容器中也尝试用物理活化或热活化的石墨烯作为电极。这两种典型的活化方法被广泛地分为“物理活化法”和“化学活化法”，通常使用广为研究的水蒸气和二氧化碳作为活化剂。用这两种活化方法得到的炭材料在结构分布以及表面面积大小上同于用其它方法来活化得到的炭材料的结果。使用离子液体作电解液并用物理方法和热方法来活化炭材料作电极的超级电容器已经能够获得高的性能，比如说高的比容，高的能量密度和功率密度。
因此，需要寻找一种新的超级电容器来同时满足当前电容器的许多优势。比如既有高的功率密度，又有可接受的高水平的能量密度。当然，同样也需要具备能在比当前的超级电容器更高的温度下运行的特点。最后，还希望当前超级电容器中残余的水不影响其性能或影响较小。
摘要 因而，当前disclosure的实施例提供了这样的超级电容器：包含至少一个基于石墨烯的电极，包含一种离子液体的电解液，和将超级电容器分成两个小室的介电隔膜，每个小室包含一个电极和一部分电解液。
根据具体的实施例，文中的石墨烯可能是化学修饰的石墨烯。例如，按化学活化的微波扩展氧化石墨烯（MEGO）。所用的石墨烯也有可能是先进行化学活化并进一步从下面列出的试剂中重组：氢氧化钠，氯化锌，氯化铝，氯化镁，硼酸，硝酸，磷酸，氢氧化钾以及它们的组合。
根据另一个具体的实施例，离子液体的组成从含有下面的离子中选取：基于pyrrrolidium的离子液体有低于-10℃的熔点，基于非pyrrrolidium的循环铵，基于磷基的循环铵，spiro循环铵或基于磷基的离子液体，或者它们的组合。
当前disclosure的另一个实施例提供了上面所描述的包含这种电容器的能量存储装置。 还有当前disclosure的其它的实施例和离子液体相关，其中一些离子液体适合用于超级电容器，本专利也给出了合成和设计这些离子液体的方法。
进一步的设施例和使用超级电容器的方法相关，例如在电动汽车，电力网，高温应用和其它应用中。
这个disclosure同样包括制备活化的MEGO的方法：通过使用微波辐射来扩展和重组氧化石墨烯生产MEGO，使用的化学试剂如下：氢氧化钠，氯化锌，氯化铝，氯化镁，硼酸，硝酸，磷酸，氢氧化钾以及它们的组合。这样就能得到化学活化和进一步重组的MEGO。
图片的简要描述
要更全面地和充分地理解当前的实施例以及它的优势，有必要对图中所匹配的对象进行简要叙述。
图1是根据当前disclosure的实施例相匹配的超级电容器。
图2是根据当前disclosure的实施例相匹配的系统描述石墨烯的扫描电子显微图。
图3 中的离子液体是根据当前disclosure的实施例相匹配的N-甲基-N-辛基pyrrodinium triflate，根据先前工艺而设计，作为一个比较性的例子。 图4据当前disclosure的实施例列出了其它的离子液体。
图5说明了将不同的电极和电解液配合使用时的能量密度，其中的能量密度的标度1表示5Wh/kg。
图6给出了使用N-甲基-N-辛基pyrrodinium triflate 和乙腈（1:1）混合物为电解液，活性炭 （使用的是Wesvaco活性炭）为电极材料构成的超级电容器的循环伏安测试结果。扫描速率为100mV/s。
图7给出了使用N-甲基-N-辛基pyrrodinium triflate 和乙腈（1:1）混合物为电解液，石墨烯材料为电极材料构成的超级电容器的循环伏安测试结果。扫描速率为20mV/s。
图8给出了使用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BmimBF4）离子液体和乙腈（1:1）混合物为电解液，活化的微波扩展氧化石墨烯（MEGO）材料为电极材料构成的超级电容器的循环伏安测试结果。扫描速率为100mV/s。 图9给出了BmimBF4离子液体和乙腈（1:1）混合为电解液，活化的MEGO为电极时的Nyquist图。计算得到的RC时间常数是0.5秒。
图10给出了BmimBF4离子液体和乙腈（1:1）混合为电解液，活化的MEGO为电极时的恒流充放电图。放电电流为10mA（2830mA/g的电流密度），当放电电压从V到1/2V（3.5V到1.75V）时比容为166F/g。
详细描述
当前的disclosure 与离子液体和使用离子液体的超级电容器相关。也与使用石墨烯的超级电容器相关。根据图1所描述的实施例，超级电容器（10）有两个电极（20），电解液（30），以及非传导的介电隔膜（40）。通过电容器的电势△V用于维持超级电容器工作。当电势△V穿过电极（20）时，一个电极被充上正电而另一个电极被充上负电，其中，由于aforementioned静电相互作用，电解液（30）中带正电的离子覆盖在带负电的电极表面。图1表明超级电容器中相反的电荷造成了双电层。通常将这种形式称为各自电极上的离子呈线状排列。
当前disclosure的超级电容器具有短的充放电周期，例如一秒或更少。它们可能具有高的能量密度，例如至少10Wh/kg，或15Wh/kg。一些超级电容器可能有超过20Wh/kg，25Wh/kg，33Wh/kg甚至35Wh/kg的能量密度，或者更高。
当前disclosure的大多数超级电容器的能量密度都超过10Wh/kg。当前disclosure的超级电容器保持了传统电容器的优点，比如高的功率密度。例如，在一些实施例中，当前disclosure的超级电容器可能具有5000W/kg，10000W/kg或更高，或者介于500W/kg和10000W/kg之间的功率密度。在以上的所有测量结果中，关于功率密度的质量既可以是炭电极的质量，也可以是超级电容器整体的质量。
当前disclosure的超级电容器具有高达120F/g，125F/g甚至160F/g电极质量的比容量。 在其它的实施例中，当前disclosure的超级电容器能够维持高的充放电周期，例如高达200000,500000或1000000次循环周期，或者介于200000次至500000次，介于500000次至1000000次循环周期之间。纯石墨烯材料或离子液体的使用可能会增加循环次数，因而使超级电容器寿命增加，节省了安装电容器的费用。根据更多的实施例，超级电容器具有低的等效串联电阻。这种低的等效串联电阻可能允许超级电容器提供95％或更高的循环效率。 在一些实施例中超级电容器的电压至少介于2V至6V之间，更细致地在3V至4V之间。最后，根据具体的实施例，超级电容器的充放电时间可能在秒的量极或更少。
在其它的实施例中，当前disclosure的超级电容器能够在较宽的温度范围内工作。例如，超
级电容器能够在低于-20℃的温度下运行，甚至低于-50℃。或者工作在高于45℃，50℃，65℃，甚至300℃的高温条件，或者在它们的端点之间。离子液体的使用使得超级电容器在高温下运行的能力变得容易。
在一个例子中，具有化学修饰的石墨烯为电极，pyrrodinium triflate 和乙腈（1:1）混合物为电解液构成的超级电容器具有130F/g的比容。 一般地，超级电容器的能量密度按照电极材料的比容量线性变化。单体电压也与能量密度相关：单体电压和能量密度的平方成正比。
当前disclosure的超级电容器很薄。对大的离子其大小（材料的质量或其它量）可能较大，对小的离子其大小可能较小。在一些实施例中，电极的厚度在10um至500um之间。其它的材料，电极上所聚集的集电极或隔膜将电极的厚度再次增加50um至100um。在一些实施例中，超级电容器完整的聚集在200um至800um之间。
电极
至少有一个电极（20）由与电解液（30）相兼容的基于石墨烯的材料构成。另一个电极（20）由其它材料构成，包括基于石墨烯的材料，也与电解液（30）兼容。可以通过优化电极（20）以提供大的表面面积和接触面积或者通过小的电荷分离来改善超级电容器的能量密度。根据一个实施例，电极（20）的其中之一可能不是基于石墨烯的材料而是包含另一种碳电极材料。例如，目前使用的材料包含活性炭，易于使充放电循环期间离子的快速扩散。其它的基于非石墨烯的电极材料也可能以单个或多个的形式应用于电极（20）中，包括活性炭，锂离子，石墨烯，铅碳或者它们之间的组合。在一些实施例中，电极（20）的一个或多个基本上都是由石墨烯构成。 然而，活性炭具有受限制的表面面积，电解液中的离子易于进入，因而具有有限的能量密度。因此，在当前disclosure具体的实施例中，两个电极都包含石墨烯。在一些实施例中，一个或两个电极大体上由石墨烯构成。在其它实施例中，石墨烯要与另一种材料配合使用以提供机械稳定性和其它性能。在电极中与石墨烯配合使用的材料可以是导电的和非导电的。 石墨烯作为此处使用的术语，包含国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）所定义的那种石墨烯，或者这种材料的衍生物，以及这种材料的化学修饰形式，例如化学活化的微波扩展氧化石墨烯（MEGO）。同样也包含在这里描述为石墨烯的其它材料。
和活性炭或其它纳米尺度的碳材料（例如碳纳米管）相比，石墨烯具有高的表面积。（尽管碳纳米管在本质上是卷型的石墨烯，这种卷型的形状使得石墨烯可用的表面积降低了大约一半甚至更多）。正如IUPAC所定义的，石墨烯具有成键的碳原子密集地挤成蜂窝状晶格的结构，例如在图2中所显示的。石墨烯是半金属的并且高度导电。正如一些实施例中所使用的，其可以被分散成单层或几层厚度的薄片，因此可以提供大的表面积。例如，某些电极的石墨烯表面面积介于350m2/g和2000m2/g之间，或者更高。例如，石墨烯可以提供达到与电解液相接触的表面面积非常高的可能性，这是增强超级电容器性能的重要方面。单一石墨烯片的理论表面积为2630m2/g。石墨烯也可能具有高的比容，允许超级电容器使用它和电解液（例如离子液体）一起达到高的能量密度。例如，基于石墨烯的超级电容器在氢氧化钾的水溶液中和在包括离子液体电解液的有机电解液中可能分别具有高达300F/g和200F/g的比容。在更个别的实施例中，超级电容器在氢氧化钾的水溶液中和在包括离子液体电解液的有机电解液中可能分别具有高达500F/g和400F/g的比容。与其它碳电极材料相比，石墨烯高度对称的性质可能造成充电上的差别。这种差异有利于开发基于石墨烯的超级电容器。
根据具体的实施例，电极（20）可能由化学修饰的石墨烯构成，也可能由化学活化后再通过暴露在微波辐射下进行扩展的石墨烯构成。和活性炭电极相比，化学修饰的石墨烯提供了如下一个或多个方面的改进：用不同的方法合成具有各式各样的形态和化学功能的能力，允许
大的电势增加的非常高的表面面积以及高的能量密度，和高压电解液的兼容性，在没有添加剂时合适的导电性，在超级电容器中低的等效平衡电阻，允许能量效率的改进和较少的由于高的电流负荷而引起的抗热性能，改进的由残余水分造成的电阻的影响，以及水与水解产物的消除。
根据某些实施例，正如美国临时专利应用所描述的，电极（20）可能包含一种碳的组分。这些专利中的每一篇都包含了本专利所选用的电极材料。
可以用任何方法来制备石墨烯，包括那些由参考文献所描述的方法。Park和Ruoff同样公开了获得化学修饰的石墨烯的具体方法（“生产石墨烯的化学方法”，纳米技术，2009年3月），包含此处的参考材料部分。在个别的实施例中，通过使用还原试剂来还原氧化石墨烯的方法来生产石墨烯。例如，还原试剂包括无水hydrazine, hydrazine monohydrate, dimethyl hydrazine, sodium borohydride, hydroquinone, alkaline solutions和醇。利用小分子还原类型作为氢源的水合/氢转移方法和氧化石墨烯作为氢下沉的方法也被采用。潜在的氢源包括1,2,3,4-tatrahydronapthelene(tetralin), 1,2-dihydronapthelene, 1,4-dihydronapthelene, isopropano and diixnide.催化剂, 例如tris(tripenylphosphine)rhodium chloride同样作为氢的催化剂，在氢源的氧化期间而产生。
根据个别的设施例，电极（20）由石墨烯构成，其中石墨烯由这样得到，首先扩展源于碳的氧化石墨烯暴露在微波辐射下， 随后化学活化碳以进一步还原碳，例如用1至10摩尔的氢氧化钾在200到1000℃下还原几小时。这个电极可能和电解液结合使用，其中电解液的组成为propylene-carbonate或乙腈或后面将要讨论的离子液体或者它们的组合。这种电极称为化学活化的微波扩展氧化石墨烯（MEGO）电极。 化学活化的石墨烯（与单一地用物理方法或热方法修饰的方法相对）可以用其它方法来制备。例如，氯化锌，氯化铝，氯化镁，硼酸，硝酸，磷酸，氢氧化钾，氢氧化钠或者它们的组合，或者可以用作化学活化剂的试剂。Molina-Sabio，M.和Rodriguez-Reinoso 提供了用一些试剂来活化的过程的例子。
在一个具体的氯化锌活化过程中，碳的前驱体能够用氯化锌来浸透，伴随着用氮气在500℃的热处理过程。这样的过程Hu，Z等已进行过系统描述。
当用磷酸来活化时，磷酸和碳源在低于450℃的温度下发生反应，导致所谓的C-C键的衰减和跨连结构的形成。这种方法很可能减少挥发性材料的释放，降低活化温度，增加碳的产生，正如如下的方程所描述的这样：
5C（g）+2P2O5（l）→P4（g）+5CO2（g） 这样的过程由Olivares-Marin M.等系统描述。 在其它的实施例中，氢氧化钾可以用作生物源活性炭的活化，在高的表面面积和一致的孔尺寸分别上这种活化剂比氢氧化钠有效。用氢氧化钾来活化的反应机理可能如下： 6KOH+C→2K+H2+2K2CO3
石墨烯和石墨烯的衍生物（包括化学活化的石墨烯），当它们从固态的悬浮电极上还原的时候都服从agglomeration，原因在于范德瓦尔斯力和其它力。反过来，Agglomeration降低了电极可用的表面面积，因此通过使用电极降低了超级电容器的能力密度。 在其余一些实施例中，用分子来隔开电极上的石墨烯薄片。当提供合适的电的连续性和在总的石墨烯网络中的电导的时候，隔开的这一距离可以被选取为电解液有利的相互作用。在一个例子中，一种看起来像三脚架的triptyeene分子可以使用。其它合适的分子可能包含benzobarrelene， 1,3,5-tri-tert-butylbenzene, 和triphenylmethane,以及这些分子的衍生物。如果用高分子例如用polystyrene or poly（propylene carbonate) 来隔开石墨烯薄片，随后它们会被去除以增加石墨烯电极总的表面面积。
根据具体的实施例，聚四氟乙烯（PTFE）粘合剂用于构成石墨烯电极。例如用于电极的这种
粘结剂的质量分数为5wt％。可以用任何方法来制备石墨烯，包括滚动和或包含石墨烯糊状物的铸模。
离子液体
离子液体是典型在低于100℃的室温下熔化的盐。它们一般由离散的离子或宽松的配位离子所构成，它们中的每一种都提供了一种材料性质的独特系列。这些性质在中性的有机化合物，结晶的无机盐，或常规溶剂（比如水）中是没有的。离子液体可以表现出包含一个或多个如下性质的适当的方面：
高的电导性，高的化学稳定性，高的热稳定性，高的电化学稳定性，大的电化学窗口，低的熔点，低的粘度，低的蒸汽压和挥发性，高的环境稳定性和低的毒性，低的成本，易于scalability和提纯。根据一个具体的实施例，离子液体可以在高电势下工作，比如2.0V或更高。
离子液体的熔点会随着较低的阴阳离子相互作用和更散的电荷分布结构而降低。也可以用不对称离子液体以及通过引进不同类型的合成oligomer或聚合物作为下垂功能的试剂来降低离子液体的熔点。
由于perfluorinated 阴离子和oligomer或聚合物取代基的存在，离子液体的粘度会降低。控制多重充电的连接的部分可能会降低离子液体的粘度并同时增加其热稳定性。 通过在阳离子上添加fluorinated烷基链会使离子液体的电化学窗口加宽。这在局部电子环境中会引起显著区别。阴离子可以是fluorinated阴离子，例如bistriflimide, 或 dicyanamide 阴离子。
通过将多重带点官能团链接起来或fluorinated组分的使用（正如上面所描述的）可以提高离子液体的热稳定性。作为温度的函数的反应同样用于选取在超级电容器的工作和存储温度范围内更具热稳定性的离子液体。
根据当前disclosure的一个具体的实施例，任何基于离子液体的合适的电解液（30）能够和电极（20）结合使用。这些离子液体包含氨基和咪唑基阳离子。在个别的实施例中，这些阳离子可以和四氟硼酸盐或Tf2N阴离子相配对。
根据另一个具体的实施例，与电极（20）相连的包含一个周期的基于氨和基于磷的组成的离子液体（30）可以用任何合适的原料来制备。根据一个更具体的实施例，离子液体包含一个spirocyclic基于氨基和磷基的组成。根据一个更具体的实施例，其某些组成正如图3所示。图3同样从先前的工艺中公开了N-甲基-N-辛基pyrrodinium triflate作为一个相比较的例子。 在具体的实施例中使用pyrrodinium盐作为阳离子，那么包含较长烷基链的阳离子的离子液体可能会降低离子液体的熔点，导致其它有利的影响。例如，辛基功能化的阳离子可能具有-15.2℃的熔点。常用Appetecchi等人提供的信息来选择满足自己需要的阳离子和阴离子的组合。在个别的设施例中，基于pyrrodinium的离子液体具有低于-10℃的熔点，非pyrrodinium基的周期氨，磷基的周期氨。在具体的实施例中，使用的离子液体N-甲基-N-辛基pyrrodinium bistriflimade具有-10℃的熔点或更低。在其它的实施例中，离子液体可能是spirocyclic氨或phosphonium基离子液体。在进一步的实施例中，离子液体可能是一种或多种其它在这里所讨论的离子液体的组合。
一个具体的基于氨基的离子液体N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxy-ethyl)ammonium Tf2N. 这种组成是非易燃的，在宽的电势窗口（5.4V）下工作，并且离子电导率高（在30℃时为4.0mS/cm）。
图4描述了其它潜在的离子液体，在图4中，（a）行显示了一系列周期性的铵盐。这些盐结合了季铵盐高的电化学稳定性，例如pyrrodinium盐，其稳定性随带点中心的屏蔽而增加。这种屏蔽可能会降低阴阳离子的配位，从而降低离子液体的熔点。环大小的不对称可能会减