本發(fā)明的領(lǐng)域一般地涉及氧化還原聚合物能量儲存系統(tǒng)，和更具體地涉及施加至碳結(jié)構(gòu)的電活性(eletroactive)聚合物的使用。

背景技術(shù)：
具有雙層電容的電容器可用作儲存和釋放能量的能量儲存設(shè)備。已知的雙層電容器儲存與雙層厚度成反比例的量的能量。在低電壓下，這些雙層電容器通常具有比常規(guī)介電電容器更高的能量密度。鋰離子電池也用作能量儲存設(shè)備。這種電池通常具有非常高的能量密度。鋰離子電池的缺點是這些電池需要被氣密密封并且要求無水電解質(zhì)組合物。另外，當(dāng)鋰離子電池用盡時，電池中的鋰需要被隔離，而不是被放置在廢料堆中。將期望提供為固態(tài)設(shè)備的能量儲存系統(tǒng)，其具有高能量密度，對泄漏不敏感，并且在高G-力和溫度極限下穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
根據(jù)提供的本發(fā)明的一個方面，提供了能量儲存系統(tǒng)。該能量儲存系統(tǒng)包括具有第一表面和第二表面的第一集流體(currentcollector)，包括第一集流體的第二表面上的多個碳納米管的第一電極。多個碳納米管包括施加至多個納米管表面上的聚二硫化物。能量儲存系統(tǒng)也包括具有第一表面和第二表面的離子導(dǎo)電分離器，離子導(dǎo)電分離器的第一表面位于第一電極上，具有第一表面和第二表面的第二集流體，和包括位于第二集流體的第一表面和離子導(dǎo)電分離器的第二表面之間的多個碳納米管的第二電極。有利地，所述第二電極的多個碳納米管包括施加至所述多個納米管表面上的聚二硫化物。有利地，聚二硫化物包括聚(2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、雙-2,5-二硫-1,3,4-噻二唑、聚(Zn-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Cu-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Al-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)和聚(Fe-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)中的至少一種。有利地，聚二硫化物是由2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑單體電聚合的。有利地，離子導(dǎo)電分離器包括酸聚合物凝膠，所述酸聚合物凝膠包括硅鎢酸。有利地，多個碳納米管包括施加至所述多個納米管表面上的聚二硫化物和硅鎢酸的組合。根據(jù)提供的本發(fā)明的另一方面，提供了能量儲存系統(tǒng)。該能量儲存系統(tǒng)包括第一集流體和第二集流體，其具有結(jié)合至第一集流體和第二集流體表面的多個碳納米管，沉積在至少一個集流體的碳納米管上的聚二硫化物，和夾在第一集流體的碳納米管和第二集流體的納米管之間的離子導(dǎo)電分離器。該分離器被配置以從第一集流體的碳納米管運送質(zhì)子至第二集流體的碳納米管。有利地，所述第一集流體和第二集流體的多個碳納米管包括施加至所述多個納米管表面上的所述聚二硫化物。有利地，聚二硫化物包括聚(2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、雙-2,5-二硫-1,3,4-噻二唑、聚(Zn-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Cu-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Al-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)和聚(Fe-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)中的至少一個。有利地，聚二硫化物是由2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑單體電聚合的。有利地，離子導(dǎo)電分離器包括酸聚合物凝膠，所述酸聚合物凝膠包括硅鎢酸。有利地，聚二硫化物包括施加至所述納米管的聚二硫化物和硅鎢酸的組合。根據(jù)提供的本發(fā)明的進一步的方面，提供了制造該能量儲存系統(tǒng)的方法。該方法包括施加多個碳納米管至第一集流體的表面，施加多個碳納米管至第二集流體的表面，和用聚二硫化物涂布第一集流體和第二集流體中的至少一個的碳納米管。該方法也包括在施加至第一集流體的碳納米管和施加至第二集流體的納米管之間放置離子導(dǎo)電分離器，以形成具有夾心構(gòu)造的能量儲存系統(tǒng)。有利地，該方法進一步包括施加酸聚合物凝膠至離子導(dǎo)電分離器。優(yōu)選地，酸聚合物凝膠包括硅鎢酸。有利地，涂布碳納米管包括用聚二硫化物涂布第一集流體和第二集流體的碳納米管。有利地，聚二硫化物包括聚(2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、雙-2,5-二硫-1,3,4-噻二唑、聚(Zn-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Cu-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Al-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)和聚(Fe-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)中的至少一個。有利地，該方法進一步包括電聚合2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑單體以形成聚二硫化物。附圖說明圖1為氧化還原聚合物能量儲存系統(tǒng)的實施方式的示意圖。圖2為氧化還原聚合物能量儲存系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖。圖3為第一構(gòu)造的超電容器的示意圖。圖4為第二構(gòu)造的超電容器的示意圖。圖5為第三構(gòu)造的超電容器的示意圖。圖6為圖3-5中所示的超電容器的循環(huán)伏安測量法的圖。圖7為圖3-5中所示的超電容器的計時庫侖分析法的圖。發(fā)明詳述氧化還原聚合物能量儲存系統(tǒng)和制造該能量儲存系統(tǒng)的方法在以下詳細(xì)描述。該能量儲存系統(tǒng)利用電活性氧化還原聚合物用于能量儲存，例如，在一個實施方式中，聚二硫化物被涂布和/或以其他方式施加至碳納米管(CNT)結(jié)構(gòu)。在另一個實施方式中，二硫化物單體被施加至CNT結(jié)構(gòu)并且可被電聚合以形成聚二硫化物。所得的CNT-聚二硫化物結(jié)構(gòu)用作能量儲存系統(tǒng)的氧化還原電極。二硫化物單體的聚合反應(yīng)是可逆的并且允許能量儲存系統(tǒng)經(jīng)受多個充電和放電周期。能量儲存系統(tǒng)包括兩個集流體，具有位于兩個集流體之間的由碳納米管形成的第一電極的、碳納米管的第二電極和運送分離器。運送分離器位于第一和第二電極之間，以隔離電極防止電接觸。能量儲存系統(tǒng)為不利用液體的固態(tài)設(shè)備，并且因此對泄漏不敏感，并在高G力和溫度極限下穩(wěn)定。另外，能量儲存設(shè)備機械裝置產(chǎn)生和破壞二硫鍵，并且因此在充電和放電周期期間僅運送質(zhì)子。因為運送分離器僅需要促進質(zhì)子運送，所以運送分離器促進能量儲存系統(tǒng)中的高動力密度。參考附圖，圖1為在示例性實施方式中氧化還原聚合物能量儲存系統(tǒng)10的示意圖。能量儲存系統(tǒng)10具有多個層的夾心構(gòu)造。所述層包括第一集流體12和第二集流體14。由碳納米管18(CNT)形成的第一電極16施加至第一集流體12的內(nèi)表面20，和由碳納米管18形成的第二電極22施加至第二集流體14的內(nèi)表面23。離子導(dǎo)電分離器24位于第一電極16和第二電極22之間。碳納米管18具有固有地大的表面積并且因此具有大的電容(C)，這是因為C與碳納米管18的表面積A成比例。(C=εεoA/d，其中ε為電解質(zhì)雙層的介電電容率，εo為自由空間的介電電容率和d為雙層厚度)。為了提高碳納米管電極16和22的能量儲存能力，聚二硫化物被沉積在碳納米管的表面上。聚二硫化物通過將氧化還原電容添加至現(xiàn)有碳納米管電容提高電極的能量儲存能力。氧化還原電容的量與碳納米管表面上的二硫化物分子的分子密度成比例。電活性氧化還原聚合物例如聚二硫化物被施加至碳納米管18。在另一個實施方式中，二硫化物單體被施加至碳納米管18，并且二硫化物單體被電聚合以在碳納米管18上形成聚二硫化物。在示例性實施方式中，聚二硫化物可為聚(2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)(聚DMcT)。其他合適的二硫化物聚合物可包括但不限于雙-2,5-二硫-1,3,4-噻二唑、聚(Zn-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Cu-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Al-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)、聚(Fe-2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑)和類似物。當(dāng)儲存系統(tǒng)被充電和放電時，離子導(dǎo)電分離器24在第一電極16和第二電極22之間運送質(zhì)子。分離器24包括涂布在分離器24表面上的酸聚合物凝膠。該酸聚合物凝膠可由硅鎢酸(SiWA)形成。在另一個實施方式中，SiWA被分散在聚DMcT中，并且被施加至第一納米管電極16和第二納米管電極22。因為僅質(zhì)子通過分離器24運送，所以高速運送得到促進并且提供了低等效串聯(lián)電阻(ESR)高動力密度設(shè)備。儲存系統(tǒng)10的能量可由等式C=1/2(Cdl+C氧化還原)V2計算，因此能量基于CNT的表面積和DMcT的分子密度。動力密度與V2/4ESR成比例，因此隨著ESR降低，動力密度增加。二硫化物，例如2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑(DMcT)，可被電聚合為聚DMcT。DMcT聚合反應(yīng)是可逆的，如下所示。DMcT在充電周期期間被聚合為聚DMcT，并在儲存系統(tǒng)10的放電周期期間返回為DMcT。例如，在陽極電極處，DMcT→聚DMcT，以及在陰極電極處，聚DMcT→DMcT。第一集流體12和第二集流體14可由任何導(dǎo)電材料形成。合適的導(dǎo)電材料可包括但不限于金屬、碳、石墨和復(fù)合材料，例如，含有碳纖維或顆粒、石墨和金屬纖維或顆粒的聚合物。在另一個實施方式中，最好如圖2所示，氧化還原聚合物能量儲存系統(tǒng)40具有與上述能量儲存系統(tǒng)10相似的多個層的夾心構(gòu)造。所述層包括第一集流體42和第二集流體44。由碳納米管48(CNT)形成的第一電極46被施加至第一集流體42的內(nèi)表面50，并且由碳納米管48形成的第二電極52被施加至第二集流體44的內(nèi)表面51。離子導(dǎo)電分離器54位于第一電極46和第二電極52之間。第一電極46包括沉積在碳納米管48表面上的聚二硫化物。第二電極52不包括聚二硫化物也不包括二硫化物。分離器54包括涂布在分離器54表面上的酸聚合物凝膠。該酸聚合物凝膠可由硅鎢酸(SiWA)形成。DMcT在充電周期期間被聚合為聚DMcT，并在儲存系統(tǒng)40的放電周期期間返回為DMcT。例如，在陽極電極處，DMcT→聚DMcT，以及在陰極電極處，H+→H+CNT-。進行樣品測試以顯示超電容器儲存能量的能力。測試三種不同的超電容器構(gòu)造。圖3中示出的第1類型構(gòu)造60包括兩個碳復(fù)合電極62和64，具有分別施加至電極62和64的內(nèi)表面68和70的聚DMcT和SiWA的混合物的涂層66。離子導(dǎo)電分離器72位于電極62和64之間。分離器72為一片浸泡在SiWA中的Whatman1定性濾紙并且空氣干燥大約20分鐘。第1類型超電容器通過如圖3中所示堆疊電極62和64進行裝配，分離器72位于電極之間。圖4中示出的第2類型構(gòu)造80包括兩個碳復(fù)合電極82和84。聚DMcT和SiWA的混合物的涂層86被施加至電極82的內(nèi)表面88。SiWA的涂層90被施加至電極84的內(nèi)表面92。離子導(dǎo)電分離器94位于電極82和84之間。分離器94為一片浸泡在SiWA中的Whatman1定性濾紙并且空氣干燥大約20分鐘。第2類型超電容器通過如圖4中所示堆疊電極82和84進行裝配，分離器94位于電極之間。圖5中示出的第3類型構(gòu)造100包括兩個碳復(fù)合電極102和104，具有分別施加至電極102和104的內(nèi)表面108和110的SiWA的涂層106。離子導(dǎo)電分離器112位于電極102和104之間。分離器112為一片浸泡在SiWA中的Whatman1定性濾紙并且空氣干燥大約20分鐘。第3類型超電容器通過如圖5中所示堆疊電極102和104進行裝配，分離器112位于電極之間。對第1-3類型，測量循環(huán)伏安測量法。圖顯示了圖6中的循環(huán)伏安測量法。該圖為電勢(伏特)對電流(安培)的X-Y圖。也針對第1-3類型測量在0至1.0伏特的電荷下持續(xù)300秒的計時庫侖分析法。圖顯示了圖7中的計時庫侖分析法。該圖為電荷(庫侖)對時間(秒)的X-Y圖。如圖6和7所示，第1和2構(gòu)造類型顯示優(yōu)于第3構(gòu)造類型。該書寫的說明書使用實施例以公開本發(fā)明，包括最優(yōu)模式，并且也使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)，并執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實施例。如果它們具有不異于本權(quán)利要求的文字語言的結(jié)構(gòu)要素，或如果它們包括與本權(quán)利要求的文字語言無實質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)要素，則這樣的其他實施例意欲處于本權(quán)利要求的范圍內(nèi)。