用于储存电能的系统和方法与流程

用于储存电能的系统和方法
本技术是申请日为2018年03月28日、申请号为201880035688.3、发明名称为“用于储存电能的系统和方法”的中国专利申请(其对应pct申请的申请日为2018年03月28日、申请号为pct/us2018/024939)的分案申请。交叉引用
1.本技术要求于2017年3月29日提交的美国临时专利申请号62/478,553以及于2017年8月2日提交的美国临时专利申请号62/540,147的权益，这些申请中的每个申请都通过引用整体并入本文。发明背景
2.电容器是能够包括更高功率密度的能量储存系统，因此与一些替代性能量储存系统(例如，电池)相比，其能够在较短的时间段内释放能量。超级电容器可以被配置成储存比普通电容器储存的电荷量大几个数量级的电荷量(和从而的电能)，同时仍然包括较高的功率密度。在一些情况下，电容器和超级电容器的材料性质如电容器和超级电容器的电极和电介质的材料会影响电容器的性能。例如，在一些情况下，具有较大表面积的电极可能比具有较小表面积的电极性能更强。又如，在一些情况下，相对介电常数较高的电介质可能比相对介电常数较低的电介质性能更强。


技术实现要素：

3.本发明提供了用于储存电能的电容器，其中所述电容器至少部分地包括韧皮(bast)和/或杆芯(hurd)或其衍生物。例如，所述电容器可以包括韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯纤维、杆芯粉末或其衍生物。在一些实施方式中，电容器的电介质可以由韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯纤维、杆芯粉末和/或其衍生物形成。在一些实施方式中，所述电容器的一个或两个电极可以由韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯纤维、杆芯粉末和/或其衍生物形成。所得电容器可以被配置成具有各种功率密度和各种能量密度，并且能够在一定的指定工作温度范围内承受各种最小数目的充电/放电循环。
4.在一方面，提供了用于储存电能的电容器，其中所述电容器的电介质由韧皮或杆芯材料或其衍生物形成。所述电容器可以包括由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成的第一电极；与所述第一电极相邻的电介质，其中所述电介质由韧皮纤维、韧皮粉末或其衍生物形成；以及与所述电介质相邻的第二电极，其中所述第二电极由能够将电子传导到所述电负载或从所述电负载传导电子的材料形成，并且其中所述第二电极与所述第一电极电隔离。
5.可以通过激活所述电容器，使所述电容器与所述电负载电连通，并经由所述电负载对所述电容器进行充电或放电，从而将电能储存在包括由韧皮或杆芯材料或其衍生物形成的电介质的所述电容器中。
6.在一些实施方式中，在60℃-100℃的温度下，所述电容器在经由所述电负载的至少约250个/放电循环中可以具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量、75kw/kg有效质量或100kw/kg有效质量的功率密度。
7.在一些实施方式中，在60℃-100℃的温度下，所述电容器在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环、500个充电/放电循环、1000个充电/放电循环或2000个充电/放电循环中可以具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。
8.在一些实施方式中，在60℃-100℃的温度下，所述电容器在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中可以具有至少约40瓦时(wh)/kg有效质量或60wh/kg有效质量的能量密度。
9.在一些实施方式中，所述电容器的电极向其传导电子或从其传导电子的所述电负载可以是电网。备选地，所述电负载可以包括车辆、飞机、火车或船的电路。
10.在一些实施方式中，所述电容器的所述电介质可以由韧皮材料如大麻(hemp)韧皮或洋麻韧皮形成。所述韧皮材料可以是韧皮纤维、韧皮粉末或其衍生物的形式。在一些实施方式中，所述电介质可以包括杆芯(或纤维束(shive))材料，如大麻杆芯或洋麻杆芯。所述杆芯材料可以是杆芯纤维或杆芯粉末的形式。
11.在一些实施方式中，所述电容器可以具有至多约2kg或5kg的质量。
12.在另一方面，提供了用于储存电能的电容器，其中所述电容器的第一电极、第二电极或者所述第一电极和所述第二电极两者由韧皮或杆芯材料或其衍生物形成。所述电容器可以包括由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成的第一电极；与所述第一电极相邻的电介质，其中所述电介质由具有比所述第一电极的所述材料低的电导率的材料形成；以及与所述电介质相邻的第二电极，其中所述第二电极由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成，并且其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，并且其中所述第一电极、所述第二电极或所述第一电极和所述第二电极两者由韧皮或杆芯材料或其衍生物形成。
13.可以通过激活所述电容器，使所述电容器与所述电负载电连通，并经由所述电负载对所述电容器进行充电或放电，从而将电能储存在包括由韧皮或杆芯材料或其衍生物形成的第一和/或第二电极所述电容器中。
14.在一些实施方式中，在60℃-100℃的温度下，所述电容器在经由所述电负载的至少约250个/放电循环中可以具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量、75kw/kg有效质量或100kw/kg有效质量的功率密度。
15.在一些实施方式中，在60℃-100℃的温度下，所述电容器在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环、500个充电/放电循环、1000个充电/放电循环或2000个充电/放电循环中可以具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。
16.在一些实施方式中，在60℃-100℃的温度下，所述电容器在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中可以具有至少约40wh/kg有效质量或60wh/kg有效质量的能量密度。
17.在一些实施方式中，所述电容器的电极向其传导电子或从其传导电子的所述电负载可以是电网。备选地，所述电负载可以包括车辆、飞机、火车或船的电路。
18.在一些实施方式中，所述电容器的所述第一和/或第二电极可以由韧皮材料如大麻韧皮或洋麻韧皮形成。所述韧皮材料可以是韧皮纤维、韧皮粉末或其衍生物的形式。在一些实施方式中，所述第一和/或第二电极可以包括杆芯(或纤维束)材料，如大麻杆芯或洋麻杆芯。所述杆芯材料可以是杆芯纤维或杆芯粉末的形式。
19.在一些实施方式中，所述电容器可以具有至多约2kg或5kg的质量。
20.在另一方面，提供了制造电容器的方法，其包括：(a)获得衍生自植物的韧皮和/或杆芯材料；(b)将所述韧皮和/或杆芯材料处理成经处理的材料，所述经处理的材料为纤维或颗粒形式；(c)使用所述经处理的材料生成第一电极、第二电极和/或电介质；以及(d)组装所述第一电极、第二电极和所述电介质以产生所述电容器，所述电容器包括(i)所述第一电极，(ii)与所述第一电极相邻的所述电介质，以及(iii)与所述电介质相邻的所述第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，并且其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量的功率密度。
21.在一些实施方式中，所述植物是大麻(cannabis)。
22.在一些实施方式中，所述处理包括将所述韧皮和/或杆芯材料粉碎以形成包含所述韧皮和/或杆芯材料的颗粒。
23.在一些实施方式中，所述韧皮和/或杆芯材料包括韧皮和/或杆芯纤维。在一些实施方式中，所述韧皮和/或杆芯材料是韧皮材料。在一些实施方式中，所述韧皮和/或杆芯材料是杆芯材料。
24.在一些实施方式中，所述方法还包括将所述电容器编织到织物中。
25.在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约75kw/kg有效质量的功率密度。在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约100kw/kg有效质量的功率密度。在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约1000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约2000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。
26.在一些实施方式中，所述电负载是电网。在一些实施方式中，所述电负载包括车辆的电路。
27.在一些实施方式中，所述电容器具有至多约5kg的质量。在一些实施方式中，所述电容器具有至多约2kg的质量。
28.在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约40w时(h)/kg有效质量的能量密度。在一些实施方式中，所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约60wh/kg有效质量的能量密度。
29.基于以下详细描述，本公开内容的其他方面和优势对本领域技术人员来说将变得容易理解，以下详细描述中仅显示和描述了本公开内容的说明性实施方式。应当认识到，本公开内容能够具有其他和不同的实施方式，并且其若干细节能够在各个明显的方面进行修改，所有这些都不会脱离本公开内容。因此，附图和说明书在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。援引并入
30.本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同特别地且单独地指出每一个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。如果通过引用而并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中包含的公开内容相矛盾，则本说明书将会替代和/或优先于任何这样的矛盾材料。
附图说明
31.本发明的新颖特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用本发明原理的说明性实施方式加以阐述的详细描述和附图(本文也称为“图”)，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，附图中：
32.图1示出了电容器或超级电容器的示意图。
33.图2示出了使用韧皮纤维或韧皮粉末电容器的方法。
34.图3示出了与电负载电连通的电容器的示意图。
具体实施方式
35.尽管本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但对于本领域技术人员容易理解的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下可以想到许多变化、改变和替代。应当理解，可以采用本文所述的本发明实施方式的各种替代方案。
36.如本文所用，术语“韧皮纤维”通常是指从围绕某些双子叶植物的茎的韧皮部(“内树皮”，有时称为“皮”)或韧皮收集的天然(例如，植物)纤维和/或其他材料。这样的植物可以包括例如大麻植物。韧皮纤维可以获自农业中栽培的草本植物，诸如例如，亚麻、大麻、黄麻、剑麻、洋麻或苎麻。韧皮纤维可以获自野生植物如刺荨麻，以及树木如欧椴树(lime)、椴树(linden)、紫藤或桑树。韧皮纤维可以通过例如从植物的内部木质部或表皮(例如，树皮表面)浸渍或以其他方式提取而获自天然材料。例如，浸渍(例如，水浸渍、露水浸渍、化学浸渍等)过程可以从韧皮纤维去除粘性(果胶性)物质，以使其分离。在某些情况下，韧皮纤维可以经由脱皮或者从植物手动或机械剥皮而获得。在一些情况下，在提取韧皮纤维(例如，经由剥皮)后，可以获得植物的柄、茎或芯，如杆芯或纤维束。
37.如本文所用，术语“韧皮粉末”通常是指粉末状韧皮纤维和/或围绕某些双子叶植物茎的韧皮部或韧皮的粉末。在一些情况下，韧皮粉末可包含纳米或微米范围内的颗粒。颗粒可以是衍生自韧皮或韧皮纤维的纤维素颗粒，如微晶纤维素(mcc)和纳米晶纤维素(ncc)。在一些情况下，mcc和ncc可以经由酸水解(例如，盐酸水解)从韧皮或韧皮纤维中分离和/或衍生。韧皮粉末可以包括纳米颗粒和/或微米颗粒。韧皮粉末可以是大麻韧皮粉末、洋麻韧皮粉末、剑麻韧皮粉末和/或黄麻韧皮粉末。
38.如本文所用，术语“杆芯纤维”或“纤维束纤维”通常是指从某些双子叶植物的柄、茎或芯中收集的天然(例如，植物)纤维和/或其他材料。这样的植物可以包括例如大麻植物。杆芯纤维可以获自农业中栽培的草本植物，诸如例如，亚麻、大麻、黄麻、剑麻、洋麻或苎麻。杆芯纤维可以获自野生植物如刺荨麻，以及树木如欧椴树、椴树、紫藤或桑树。杆芯纤维可以通过例如从植物的内部木质部或表皮(例如，树皮表面)浸渍或以其他方式提取韧皮，并收获植物的内部柄、茎或芯而获自天然材料。在某些情况下，杆芯纤维可经由脱皮或者将
韧皮从植物手动或机械剥皮获得。在一些情况下，在提取韧皮纤维(例如，经由剥皮)后，可以获得植物的柄、茎或芯，如杆芯或纤维束。
39.如本文所用，术语“杆芯粉末”通常是指粉末状的杆芯纤维和/或某些双子叶植物的柄、茎或芯的粉末。在一些情况下，杆芯粉末可以包含纳米或微米范围内的颗粒。颗粒可以是衍生自杆芯或杆芯纤维的纤维素颗粒。杆芯粉末可以包含纳米颗粒和/或微米颗粒。
40.电容器是可以包括更高的功率密度，并因此相比于一些替代能量储存系统(例如，电池)能够在较短的时间段内释放能量的能量储存系统的类型。超级电容器，也称为双电层电容器、电化学电容器或超电容器，可以被配置成储存比普通电容器储存的电荷量大几个数量级的电荷量(和从而的电能)，同时仍然包括较高的功率密度。电容器具有广泛的用途，并可以配置用于向需要短而有力的能量爆发的电气应用(例如，启动发动机、急速加速、稳定信号等)供能。
41.电容器可以包括通过隔离材料彼此隔离的两个电极。隔离材料可以是电介质，或者在超级电容器的情况下，可以是浸泡在电解质中的分隔件。取决于为电容器的各个组件选择的相应材料如电极材料和电介质材料，可以显著增强或减弱电容器和/或超级电容器的性能。
42.提供了电容器，其至少部分地包括天然衍生物。在一些情况下，该天然衍生物可以是韧皮纤维、韧皮粉末或其衍生物。在一些情况下，该天然衍生物可以包括来自草本植物或植物(例如，亚麻、大麻、黄麻、剑麻、洋麻或苎麻)的柄、茎和/或芯或者植物的衍生物。例如，该衍生物可以包括来自大麻或亚麻的杆芯、杆芯纤维、杆芯粉末、纤维束、纤维束纤维或纤维束粉末。例如，电容器的电介质可以由韧皮纤维、韧皮粉末、大麻杆芯或其衍生物形成。在另一实例中，电容器的一个或两个电极可以由韧皮纤维、韧皮粉末、大麻杆芯或其衍生物形成。这样的电容器可以被配置成在指定的工作温度范围内具有各种功率密度和各种能量密度。电容器可以能够在指定的工作温度范围内承受重复的充电/放电循环。本公开内容的电容器可以是超级电容器。
43.本公开内容的电容器可以能够具有基本上较高的能量密度(例如，至少约40、50或60wh/kg)和基本上较高的功率密度(例如，至少约20、40或60kw/kg)。这些电容器可以具有各种用途，诸如在建筑物、车辆(例如，汽车、卡车、火车、喷气式飞机)或电子器件中连续或间歇地供应能量。电容器可以是可运输的。
44.现将参考附图。应当理解，附图和其中的特征不必按比例绘制。
45.图1示出了电容器的示意图。这样的电容器可以是超级电容器。电容器可以通过允许电势在两个导电电极以及它们之间的至少一个非导电电介质之间积聚来储存电能。所示电容器包括第一电极104、电介质106和第二电极108。电介质106可以包括绝缘材料。电介质106可以包括导电性低于两个电极中的任一个的材料。两个电极104、108可以各自能够传导电子。
46.尽管示出了单一电介质106，但是电容器可以包括多种电介质，如至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50种或更多种电介质。可以将电介质彼此相邻地安设为单独的层。电介质可以具有均匀的分布或者可以具有不均匀的分布。例如，电介质可以具有基本平坦的边界或弯曲的边界。电介质可以包括相同的材料或不同的材料。
47.第一电极104可以包括第一导电材料，该第一导电材料经由第一端子115与电路
114电连通。第一端子115可以是与第一导电材料104分离的导电组件(例如，金属板)，或者可以是从第一电极104到电路114和/或从电路114到第一电极104的连接点。第二电极108可以包括第二导电材料，该第二导电材料经由第二端子116与公共电路114电连通。第二端子116可以是与第二导电材料108分离的导电组件，或者可以是从第二导电材料108到电路114和/或从电路114到第二导电材料108的连接点。
48.在一些情况下，每个电极104、108可以包括一个或多个导电材料的邻接层。在一些情况下，电介质106可以包括一个或多个绝缘材料(例如，玻璃、空气、陶瓷等)的邻接层。第一电极104和第二电极108可以包括相同的材料或不同的材料。
49.电容器的电容可以取决于多种因素，诸如两个电极104、108之间的距离、各个导电电极的表面积以及电介质的介电常数等等。例如，电容可以随着两个电极之间距离的减小和/或各个导电电极表面积的增大而增大。
50.通过向电容器施加电负载112可以使电容器充电或放电。例如，当经由另一能量储存或电力提供系统(例如，电力端子、电池等)向电容器施加电压时，电容器可以被充电。电流的流动可以被不导电的电介质中断，并且结果是相反的电荷会在电容器的两个电极上累积。可以在两个电极之间的电介质处产生并随后储存电势。在另一实例中，可以通过使消耗电力的电负载112与电容器电连通来使电容器放电。电极上的电势可以经由电负载112放电。
51.超级电容器，也称为双电层电容器、电化学电容器或超电容器，可以被配置成储存比普通电容器储存的电荷量大几个数量级的电荷量(和从而的电能)。本公开内容的电容器可以以比典型电容器大至少约1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000或10000倍的量储存电荷。超级电容器可以通过允许电势在两个导电电极104、108之间在电介质106或等效电介质处积聚来储存电能，其中两个导电电极104、108中的每个通过位于其间的电介质106彼此隔离。
52.电介质106可以包括电解质和/或分隔件。例如，可以将两个电极104、108和分隔件浸泡在电解质中。第一电极104和第二电极108可以彼此离子连通，使得当超级电容器被充电时，经由离子移动通过电解质可以在电介质分隔件和每个电极之间在电介质分隔件的任一侧形成相反电荷。与电池不同，电极不与电解质发生化学反应。因此，两对相反的电荷层可以储存电势。
53.两个电极可以各自能够传导电子。超级电容器的第一电极104可以包括第一导电材料，该第一导电材料经由第一端子115与电路114电连通。第一端子115可以是与第一导电材料104分离的导电组件，或者可以是从第一电极104到电路114和/或从电路114到第一电极104的连接点。例如，第一导电材料可以由经由第一端子115与电路114连通的多孔导电材料(例如，活性炭、石墨烯、碳纳米管、炭黑等)形成。多孔导电材料可以有利地增加电极的实际表面积以储存电荷(例如，离子)，从而增加电容器(例如，超级电容器)的电容。类似地，超级电容器的第二电极108可以包括第二导电材料，该第二导电材料经由第二端子116与公共电路114电连通。第二端子116可以是与第二导电材料分离的导电组件，或者可以是从第二电极108到电路114和/或从电路114到第二电极108的连接点。例如，第二导电材料还可以由经由第二端子116与电路114连通的多孔导电材料形成。
54.可以选择不同的材料来形成电容器的电极和/或电介质以改变电容器的性能，如
功率密度和能量密度。在一些情况下，期望的性能必须与其他考虑因素进行权衡，如可操作的温度范围、热稳定性(例如，可燃性)、结构稳定性、耐久性、毒性、环境影响、尺寸限制(例如，尺寸、重量等)、制造经济学和/或其组合。
55.在一些情况下，将电容器内的不同材料配对，如将第一电解质组成(例如，第一盐和第一溶剂等)与由第二材料(例如，活性炭)制成的电极组合使用可能产生不同的结果。例如，较大的电极表面积通常可以增加电容。然而，当电极包括多孔结构时，离子(在电解质中)通过电极的多孔结构或在电极的多孔结构之间的可迁移性可以影响较大的可用表面积的有效性。例如，特定电解质组成中的离子可能太小或太大而无法有效地与多孔结构的表面交界。
56.与其他替代方案相比，包含用作电容器电极的相对最佳结构的材料如石墨烯(例如，激活的石墨烯、弯曲的石墨烯、激光划线的石墨烯、超薄平面石墨烯、海绵状石墨烯等)或其他包含较大且平坦的吸附表面以及高平面内电导率的碳微材料或纳米材料的制造可能较昂贵。例如，可以使用成本相对较高的方法如剥落(例如，改良的hummers方法)、化学气相沉积或微波合成来合成石墨烯状的材料。相反，可以通过热解法或水热法来合成衍生自石油或生物废料的碳。
57.在一些情况下，生物质如韧皮纤维材料、韧皮粉末材料或大麻杆芯材料(例如纤维或粉末)可以用作制造本公开内容的电容器的组件的前体，该组件例如使用常规过程如水热合成的石墨烯状碳纳米片结构(例如，尺寸为1纳米到至多1000纳米或500纳米的碳片)。例如，这样的前体可以以片、管或卷的形式形成。韧皮纤维、韧皮粉末、大麻杆芯或其衍生物可以是电容器的一个或多个组件(例如，电极)的活性材料。
58.例如，韧皮纤维和/或杆芯纤维可以首先经历水热碳化以将纤维最初的纱线状结构分解成较小的碎片。水热合成过程可以产生较高的氧含量(例如，含氧的官能团)，从而使得该产率易于受到使用诸如氢氧化钾(koh)等激活试剂的后续激活过程的影响。在水热过程之后，然后可以用例如koh激活纤维，以渗透纤维并生成碳纳米片。激活温度可以是至少约600摄氏度(℃)、650℃、700℃、705℃、710℃、715℃、720℃、725℃、730℃、735℃、740℃、745℃、750℃、755℃、760℃、765℃、770℃、775℃、780℃、785℃、790℃、795℃、800℃或更高。备选地，激活温度可以是小于或等于约800℃、790℃、780℃、770℃、760℃、750℃、740℃、730℃、720℃、710℃、700℃、650℃、600℃或更低。韧皮纤维和/或杆芯纤维可以进行或可以不进行预处理，诸如以减小大小或打开纤维结构。
59.水热碳化过程可以生成石墨薄片。石墨薄片可以具有至少约10微米(μm)、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm或更大的直径。备选地，石墨薄片的直径可以小于或等于约500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、50μm、10μm或更小。石墨薄片可以具有至少约0.1μm、1μm、10μm、20μm、40μm、80μm、100μm、120μm、150μm或更大的厚度。备选地，石墨薄片的厚度可以小于或等于约150μm、120μm、100μm、80μm、40μm、20μm、10μm、1μm、0.1μm或更小。备选地或附加地，韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯纤维或杆芯粉末材料的水热碳化可以生成至少一叠碳纳米片。
60.可以使用一种或多种剥落技术处理来自水热碳化过程的石墨薄片或至少一叠碳纳米片，以生成具有一个碳原子厚度的至少一个碳纳米片。剥落技术可以具有较高的可扩展性、可再现性、可加工性和/或低生产成本。一种或多种剥落技术可以利用基于流体动力
学的液相剥落(lpe)装置。用于lpe装置的合适的溶剂可以是有机溶剂(例如，n,n-二甲基甲酰胺)、表面活性剂/水溶液、芳族溶剂或离子液体。lpe装置可以使用流体动力学使石墨薄片或至少一叠碳纳米片在强烈的剪切力作用下经历分散在一种合适的溶剂或合适的溶剂的混合物中。强烈的剪切力可足以从至少一叠碳纳米片剥落或剥离至少一个碳纳米片。利用流体动力学的lpe装置可以是涡旋流体装置、压力驱动的流体动力学装置或旋转混合器驱动的流体动力学装置。涡旋流体装置的操作速度可以是至少约10转/分钟(r.p.m.)、100r.p.m.、1,000r.p.m.或10,000r.p.m或更高。备选地，操作速度可以小于或等于约10,000r.p.m、1,000r.p.m.、100r.p.m.、10r.p.m.或更低。压力驱动的流体动力学装置的压力可以是至少约1兆帕斯卡(mpa)、5mpa、10mpa、20mpa、30mpa、40mpa、50mpa、100mpa或更高。备选地，压力可以小于或等于100mpa、50mpa、40mpa、30mpa、20mpa、10mpa、5mpa或更低。旋转混合器驱动的流体动力学装置的转子速度可以是至少约10r.p.m.、100r.p.m.、1,000r.p.m.或10,000r.p.m或更高。备选地，转子速度可以小于或等于约10,000r.p.m、1,000r.p.m.、100r.p.m.、10r.p.m.或更低。
61.在另一实例中，韧皮或杆芯粉末可以包含微米大小或纳米大小的纤维素颗粒，诸如衍生自韧皮或杆芯的微晶纤维素(mcc)、纳米晶纤维素(ncc)或纤维素纳米晶体(cnc)。粉末可以包含纳米颗粒和/或微米颗粒。在一些情况下，mcc、ncc和cnc可以经由酸水解(例如，盐酸水解)从韧皮或杆芯中分离和/或衍生。例如，韧皮或杆芯纤维在收获后可以干燥至含湿量低于10％(例如，在工业烤箱中)并研磨(例如，经由切磨粉碎机)以产生韧皮或杆芯粉末(例如，大麻韧皮粉末、洋麻韧皮粉末、大麻杆芯粉末等)。粉末可以经历碱处理和洗涤。在一些情况下，碱处理和洗涤可以包括在80℃下用4％(w/w)氢氧化钠(naoh)溶液处理约2小时，用蒸馏水洗涤并过滤。可以重复进行碱处理和洗涤(例如，2个循环、3个循环、4个循环等)。在碱处理和洗涤之后，可以进行漂白处理。在一些情况下，漂白处理可以包括浸泡在包含等份的乙酸盐缓冲液，1.7％(w/w)的亚氯酸盐水溶液和蒸馏水的溶液中，用蒸馏水洗涤并过滤。可以重复进行漂白处理(例如，2个循环、3个循环、4个循环等)。然后韧皮或杆芯可以经受酸水解(例如，盐酸水解、硫酸水解等)。在一些情况下，酸水解可以包括使4％-6％(w/w)漂白的纤维在50℃下在预热的65％硫酸中经受60分钟处理，将悬浮液混合(例如，经由磁力搅拌器)，然后经由在4000转/分钟(rpm)下保持30分钟的离心进行分离，并用蒸馏水透析。晶须悬浮液可以被均化，以产生衍生自韧皮或杆芯的纳米纤维素晶须。在另一实例中，可以使用诸如经由酸水解(例如，盐酸水解、硫酸水解)从韧皮或杆芯分离的纤维素来制备ncc或cnc(例如，纳米颗粒)。衍生自韧皮或杆芯的微米粉末或纳米粉末可能表现出诸如高长宽比、高表面积和高模量的性质。在一些情况下，韧皮粉末可以包含纳米或微米范围内的颗粒。例如，韧皮粉末或杆芯粉末颗粒可以具有至少约50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、450、500纳米(nm)或更大的直径。备选地，韧皮粉末或杆芯粉末颗粒可以具有至多约500、450、400、350、300、250、150、100、90、80、70、60、50nm或更小的直径。备选地，韧皮粉末或杆芯粉末颗粒可以具有至少约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、450、500微米(μm)或更大的直径。备选地，韧皮粉末或杆芯粉末颗粒可以具有至多约500、450、400、350、300、250、150、100、90、80、70、60、50、40、30、20、10μm或更小的直径。
62.鉴于以上考虑因素，电容器可以至少部分地包括韧皮纤维、韧皮粉末、大麻杆芯
(例如，纤维、粉末等)或其衍生物。例如，两个电极中的一个或两个电极可以包含韧皮纤维、韧皮粉末、大麻杆芯或其衍生物。在一些情况下，基于韧皮纤维的、基于韧皮粉末的或基于大麻杆芯的电极可以包含碳纳米片或碳纳米管，该碳纳米片或碳纳米管含有在常规离子液体电解质中表现出有利的电化学性质的高水平的介孔性(mesoporosity)。备选地或附加地，电介质或电介质的至少一部分可以包括韧皮纤维、韧皮粉末、大麻杆芯或其衍生物。例如，可以将nfc和cnc的双层用作超级电容器中的电介质。在一些情况下，可以通过喷涂cnc溶液(例如，0.8wt％水溶液)的薄膜，干燥cnc膜(例如，在60℃下)，滴铸nfc凝胶(例如，0.8wt％水溶液)，并使凝胶干燥(例如，在室温下)脱水，从而使cnc和nfc电介质沉积在每个电极上。在沉积期间可以使用机械掩模(例如，聚二甲基硅氧烷(pdms)掩模)。
63.在一些情况下，电容器可以至少部分地包括大麻(例如，大麻(cannabis sativa l.))韧皮纤维、大麻韧皮粉末、大麻杆芯(纤维或粉末)或其衍生物。大麻纤维(例如，韧皮纤维、杆芯纤维等)可以包含一个或多个纤维素、半纤维素和木质素层。特别地，大麻纤维可以包括由结晶纤维素原纤维组成的层状微原纤维。在大麻纤维的水热过程中(例如，在约170℃-200℃下进行)，除其他反应(例如，木质素水解、脱水、分解、缩合等)外，结晶纤维素可能会部分碳化。水热过程可以使纤维素微原纤维的相互连接层松散，同时将大部分半纤维素和部分木质素转化为可溶性有机化合物。可以溶解半纤维素和木质素以分离松散的纤维素微原纤维。
64.在随后的激活过程中(例如，在约700℃-800℃下进行)，激活试剂如koh可以渗透松散的微原纤维层，并从而将该层分离成片。koh还可以碳化并激活分离的层以减小它们各自的厚度，并在碳片结构中生成微孔性和介孔性。特别地，大麻前体的结晶纤维素含量允许使由koh激活过程形成的衍生物在其结构性质中包含取向度(例如，石墨的序态)。备选地，可以使用热解过程来合成韧皮或杆芯纤维衍生物。
65.所得的大麻纤维衍生物可以包含具有良好的微孔性、介孔性和石墨取向程度的碳纳米片，以用于电容器系统。在一些情况下，这样的纤维(例如，纯大麻)或其衍生物(例如，石墨烯状的碳纳米片)可以用作用于第一电极的第一导电材料(例如，图1中的第一电极104的材料)、第二电极的第二导电材料(例如，图1中的第二电极108的材料)或者用于第一电极和第二电极两者的导电材料。可以在第一电极与第二电极之间放置电介质、电解质和/或分隔件，以完成电容器。备选地，韧皮、杆芯或纤维束纤维可以获自亚麻、苎麻、黄麻、洋麻、欧椴树、椴树和/或其他植物。
66.在其他情况下，韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物可以用作电介质材料(例如，图1中的电介质106)。例如，韧皮或杆芯(例如，纤维或粉末)中的纤维素纤维或粉末可以具有相对较高的介电常数，这对于电容器性能可能是有利的。在一些情况下，可以将天然纤维或粉末(例如，韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯纤维、杆芯粉末等)与合成纤维或粉末以不同比例混合以改变电阻和/或介电常数。在一些情况下，可以改变含湿量(例如，湿度)，以改变韧皮或杆芯材料的电阻和/或介电常数。例如，韧皮或杆芯材料可以具有至少约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多的含湿量。备选地，韧皮或杆芯材料可以具有小于或等于约95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、5％或更少的含湿量。
67.在一些情况下，可以改变工作温度以改变电阻和/或介电常数。例如，工作温度可以是至多约-50℃、-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃或更高。备选地，工作温度可以小于或等于150℃、140℃、130℃、120℃、110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃或更低。在一些情况下，韧皮材料可以被配置长在一定湿度范围和/或一定工作温度范围内以变化的电阻和/或介电常数工作。在一些情况下，可以改变韧皮或杆芯纤维中的纤维素纤维中的编织结构的厚度、表面质量、密度(例如，每单位长度的线数)和/或其他配置(例如，经线和纬线)以改变电阻和/或介电常数。
68.在一些情况下，这样的韧皮或杆芯材料(例如，纯麻)或其衍生物(例如，石墨烯状碳纳米片、韧皮纤维增强的聚合物复合材料、cnc、ncc等)可以用作电介质材料(例如，图1中的电介质106)。例如，可以用一种或多种韧皮或杆芯纤维或粉末(例如，大麻，黄麻等)增强聚合物(例如，纯聚丙烯、纯不饱和聚酯材料等)，以形成具有较高的介电常量(例如，介电常数)的混杂纤维或粉末复合材料。各自具有比电介质更高的电导率的第一电极和第二电极可以各自被放置成与电介质相邻，其中第一电极和第二电极彼此电隔离。
69.在一些情况下，韧皮材料、杆芯材料或其衍生物可以经历诸如电纺、溶液浇铸、熔融加工和/或原位聚合过程等过程，以形成具有期望的材料性质如较大的表面体积比的聚合物复合材料。例如，电纺可以控制具有高吸引力的纳米材料如石墨烯、碳纳米片、碳纳米管、石墨烯纳米带和其他碳纳米纤维复合材料的沉积和分散。通过电纺，可以在相对较高的控制下形成具有小于一微米的直径的碳纤维。
70.电纺装置可以包括聚合物溶液、高压电源供应器、针(例如，喷丝头、喷嘴等)和电极收集器。高压电源供应器可以是被配置用于生成强电场的任何应用单元。聚合物溶液可以通过针离开容器。电极收集器可以安设在距针尖一定距离的位置。聚合物溶液和电极收集器可以经受强电场，如通过施加高压电源供应器。聚合物溶液的小液滴可以离开针。当电场中的电力克服了聚合物溶液小液滴的表面张力时，小液滴可以以大致鞭状的轨迹伸长以形成溶液射流或聚焦的流体流。在强电场的引导下，溶液射流可以弯曲或迂回缠绕以拉伸得更薄。此后，溶剂从射流中蒸发可以导致干燥或半干燥的纤维，这些纤维可以随机沉积到电极收集器上以形成纳米纤维网。电纺纤维的直径可以在约一微米至约十纳米的数量级。所得纤维较小的纤维直径和较大的长宽比可以导致显著较高的表面体积比。
71.在一些情况下，除了强电场之外，小液滴还可以经受高速的周向均匀的气流，如在气体辅助电纺(gaes)系统中。gaes系统可以提供远远更高的纤维通量、更细的纤维和增强的流体射流的拉伸，以及在例如附近或相邻的喷嘴之间以较小的电干扰将纤维引导至收集器的更好的控制。
72.输入聚合物溶液可以包含一定量的分散良好的纤维(例如，韧皮、杆芯等)或其衍生物，如石墨烯、碳纳米片、碳纳米管、石墨烯纳米带和其他碳纳米纤维复合材料。在一些情况下，可以通过将聚合物溶液与分散溶液单独制备并将它们混合在一起来制备该聚合物/分散溶液。聚合物/分散溶液可以是均质溶液。对该聚合物/分散溶液进行电纺可以生成具有良好分散的嵌入纳米结构的所得纳米复合材料纤维。例如，经历电纺的碳纳米管(cnt)/聚合物复合材料可以导致具有更好的取向的纳米复合材料纤维，其中cnt基本上平行于纳
米纤维轴线定向。在一些情况下，可以通过使用表面活性剂(例如，十二烷基硫酸钠)、较大的两亲聚合物(例如，聚乙烯吡咯烷酮)和/或可以被吸附到疏水性纳米管上的天然大分子(例如，多糖、阿拉伯树胶)来实现cnt的稳定分散。在一些情况下，可以经由溶液的超声处理来促进分散。
73.有利地，电纺的韧皮纤维/聚合物复合材料(例如，cnt/聚合物复合材料)可以表现出显著改善的机械和电性质，其适于应用于本文所述的电容器和/或超级电容器。纳米管在聚合物纤维中改善的分散性和定向以及由于纳米管表面修饰而产生的强界面粘结可以显著改善聚合物的拉伸强度和杨氏模量。纤维/聚合物复合材料还以可具有对机械应变(例如，断裂应变)的改善的抵抗力，诸如由于纤维表面上的纳米孔屏蔽了滑动和应力，以及沿着纤维轴线高度取向的纳米管承担来自聚合物基体的机械负载。此外，在纤维/聚合物复合材料中存在导电天然纤维(例如，韧皮纤维、杆芯纤维等)或纤维衍生物可以为其他方面导电性相对较差的聚合物提供改善导电性以用于各种应用的方法。
74.纳米纤维天然纤维/聚合物复合材料可以用作本文所述的电容器或超级电容器中的材料，诸如用于电极和/或电介质。
75.在一些情况下，可以经由三维(3d)打印来产生和/或组装电极、电介质和/或电容器的全部，其中韧皮或杆芯材料(例如，大麻、亚麻等)的纤维或粉末是输入和/或输出材料。3d打印可以是3d纳米打印。例如，电容器的各个组件可以以高的模块性和柔性逐层地印刷到期望的位置(例如，面板、翼板、织物等)上。
76.至少部分地包含韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯纤维、杆芯粉末或其衍生物的电容器可以具有至多约10克(g)、20g、30g、40g、50g、100g、200g、300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、1千克(kg)、1.1kg、1.2kg、1.3kg、1.4kg、1.5kg、2kg、3kg、4kg、5kg、6kg、7kg、8kg、9kg、10kg、15kg、20kg、30kg或更高的质量。在一些情况下，可以调整电容器的质量，以满足与电容器电耦合的特定类型的电负载(电网、智能电网或者车辆、燃油汽车、电动汽车、飞机、喷气式飞机、火车、有轨车、船、汽艇、电子设备、可再生能源收获和/或储存系统等的电路)的功率需求。
77.图2图示了使用天然纤维或粉末电容器来储存电能的方法。在第一操作201处，激活包括韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物的电容器。电容器可以至少部分地包含韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物。在一些情况下，电容器的第一电极、第二电极或第一电极和第二电极两者可以包括韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物。在其他情况下，电容器的电介质可以包括韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物。在另一些情况下，电容器的电介质以及一个或两个电极均可以包括韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物。例如，电容器可以全部包括韧皮材料(例如，纤维、粉末)、韧皮衍生的产品、杆芯材料(例如，纤维、粉末)或杆芯衍生的产品。在一些情况下，一个或两个电极可以包括韧皮或杆芯衍生物(例如，大麻韧皮或杆芯纤维的石墨烯状衍生物)，并且电介质可以包括纯韧皮或杆芯材料(例如，纯大麻纤维)或者韧皮或杆芯材料的混合物(例如，具有或不具有合成纤维、粉末等)。
78.第一和第二电极可以彼此电隔离，使得无电子直接传导到两个电极或从两个电极直接传导。电介质可以被放置成与第一电极和第二电极中的每一个相邻，并且在两个电极之间。在一些情况下，对于超级电容器，电介质可以包括电解质和/或浸泡在电解质中的分隔件。第一电极和第二电极可以各自与电解质接触并且被配置成不与电解质发生化学反
应。例如，存在于电解质中的多个离子可以聚集在电极-电解质界面上。
79.一旦电容器被激活，在下一操作202处，可以使电容器与电负载和/或电源电连通。例如，第一电极的端子和第二电极的端子以及电负载和/或电源可以电连接到同一电路(例如，经由导线)。接下来在203，可以经由电负载和/或电源对电容器进行充电或放电。在一些情况下，电容器可以电连接到对电容器进行充电的电源。例如，电源可以是备用能量储存系统(例如，电池)或电源供应器。在其他情况下，电容器可以电连接到消耗电功率并使电容器放电的电负载。
80.图3示出了与电负载302电连通的电容器304的示意图。在一些情况下，当第一电子组件和第二电子组件是同一电路的组件时，第一电子组件(例如，电容器、电负载等)可以与第二电子组件电连通。电负载302可以是电网或者车辆、飞机、喷气式飞机、火车、有轨车、船、电子设备、电网、智能电网或能够消耗或生成电力的另一设备的电路。车辆的实例包括燃油汽车、电动汽车、混合气体/电动车辆、汽艇或者其他电动或非电动车辆。电子设备可以是个人计算机(例如，便携式pc、台式pc等)、平板或平板型pc(例如，galaxy tab等)、电话、智能电话(例如，iphone、支持android的设备、等)或个人数字助理。举例而言，电容器304可用于向需要短而有力的功率爆发的电负载供能，如启动发动机、制动和/或在车辆或其他运输单元(例如，飞机)的轮中提供加速度。例如，与电容器304电连通的平面可以接收足够的功率爆发，以在起飞期间和/或接近起飞时加速其轮，从而缩短起飞所需的跑道长度。
81.电容器304可以用于向各种高处理和高计算系统供能。例如，可以由本公开内容的电容器对应用于任何繁重处理工作的计算系统，如区块链挖掘系统(例如，用于加密货币令牌等)、人工智能系统、量子系统、机器学习系统、密码系统(包括任何解密方法)、网络操作系统、高清晰度图形系统或其他大型系统供能。备选地或附加地，电容器可以用于显著冷却上述系统并防止过热。
82.电容器304可以用于向各种水平起降(hotol)或垂直起降(vtol)的飞行器系统供能。例如，用于起飞、飞行或着陆的螺旋桨、飞机螺旋桨和航船螺旋桨可以由本公开内容的电容器供能。该螺旋桨、飞机螺旋桨和航船螺旋桨可以是电动的或混合气体/电动的。hotol飞行器系统可以是分布式电推进系统。vtol飞行器系统可以是无人驾驶机(uav)，如无人机。uva可以由飞行员在远程位置使用无线电频率而远程飞行，或者遵循预编程的飞行来自主飞行。由电容器304供能的飞行器系统可以用作运输系统，以运送至少一名乘客、货物或两者。
83.电容器304可以结合到可穿戴纺织品中作为可穿戴能量储存。在一些情况下，韧皮或杆芯材料或其衍生物(例如，碳纳米片)可以作为电介质材料的一部分集成在具有高长宽比的二维超级电容器(例如，丝线、纱线等)中。二维超级电容器可以是柔性的。二维超级电容器可以被编织到可穿戴纺织品中作为可穿戴能量储存，以对各种计算系统或电子设备供能和/或充电。该可穿戴纺织品可以包括手套、袜子、衬衫、领带、皮带和军用背心。该各种计算系统或电子设备可以是可穿戴纺织品的一部分(例如，温度传感器、加热器、发光二极管显示器、心率监视器、健身追踪器等)或单独的便携式设备(例如，移动设备、智能手表、智能眼镜、健身追踪器等)。该二维超级电容器可以是具有至少0.1、1、10、100、1000微米或更大
的横截面尺寸的微型超级电容器。该二维超级电容器可以是但不限于导电材料和韧皮材料或其衍生物的分层结构组成。该分层结构组成可以是叠层(lbl)组装件。在实例中，可以将包括具有至少一种导电聚合物的导电层和包括至少韧皮和/或杆芯材料或其衍生物的电介质层的双层膜卷成二维超级电容器纱线。可以使用致动器将双层膜卷成二维超级电容器纱线。电介质层可以包括沿着二维超级电容器纱线的长度取向的韧皮纤维。电介质层还可以包括液体或固体电解质和/或分隔件。电介质层可以含有有利程度的空气的微孔性和/或介孔性作为分隔件。二维超级电容器纱线可以包括导电层和电介质层的多个lbl组装件。二维超级电容器纱线可以具有导电层和电介质层的至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100个或更多个lbl组装件。
84.在一些情况下，电容器304可以被集成为用于大到城市或多个城市的区域的电网或智能电网的一部分。在一些情况下，电负载302可以是备选的和/或可再生的能量收获或储存系统，诸如但不限于太阳能、风能、水能、地热能和重力辅助发电系统。在一些情况下，电容器304可以用作能量收获或储存系统的电力缓冲器。
85.在一些情况下，相同的电负载(例如，车辆、能量收获或储存系统等)可以对电容器进行充电和放电两者，诸如对于电负载的不同应用。在一些情况下，第一电负载可以使电容器充电，并且第二电负载可以使电容器放电。包括电容器304和电负载302的电路可以包括其他电组件(例如，开关、晶体管、调节器等)，以促进电容器304与电负载302之间的电连通。在一些情况下，电容器304可以与多个电负载电连通。在一些情况下，电负载302可以与多个电容器304电连通，其中电容器304被连续串联地、连续并联地和/或非连续地连接。在一些情况下，电路可以包括多个电容器和多个电负载。在一些情况下，电路可以包括包含电容器304的多个电源(例如，燃料电池、电池、其他电容器等)。上文或以下进一步描述的任何电路的电路架构不限于图3的示意图所示的电路架构。
86.包括韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物的电容器可以能够在至少约-100℃、-50℃、-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃或更高的温度下充电或放电。备选地，电容器可以能够在小于或等于350℃、300℃、250℃、200℃、150℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃、-100℃或更低的温度下充电或放电。在一些情况下，电容器可以能够在温度范围内如约60℃-100℃之间充电或放电。例如，在低于一定温度时，充电和/或放电的速率可以受到限制。例如，在高于一定温度时，电容器可能变得不稳定(例如，由于电极材料和/或电介质材料的热稳定性、可燃性)。在一些情况下，电容器可以在一定温度范围(例如60℃-100℃)比另一温度范围具有更好的性能(例如，更高的功率密度、更高的能量密度等)。
87.在一些情况下，对于约60℃-100℃的温度范围，电容器可以被配置成具有至少约55千瓦/千克(kw/kg)有效质量的功率密度。相对较高的功率密度可以允许电容器在相对较短的时间段内再充电和/或供应一定量的电能。备选地，电容器可以具有至少约1kw/kg、5kw/kg、10kw/kg、15kw/kg、20kw/kg、25kw/kg、50kw/kg、55kw/kg、60kw/kg、65kw/kg、70kw/kg、75kw/kg、80kw/kg、85kw/kg、90kw/kg、95kw/kg、100kw/kg、110kw/kg、120kw/kg、130kw/
kg、140kw/kg、150kw/kg、200kw/kg、250kw/kg、300kw/kg、350kw/kg、400kw/kg或更高的功率密度。在一些情况下，电容器可以在一定温度范围内比另一温度范围内具有更高的功率密度。
88.在一些情况下，对于约60℃-100℃的温度范围，电容器可以被配置成具有至少约40瓦时/千克(wh/kg)有效质量的能量密度。相对较高的能量密度可以允许电容器在固定量的有效质量(例如，每个电容器)中储存相对较高量的能量。备选地，电容器可以具有至少约1wh/kg、5wh/kg、10wh/kg、15wh/kg、20wh/kg、25wh/kg、50wh/kg、55wh/kg、60wh/kg、65wh/kg、70wh/kg、75wh/kg、80wh/kg、85wh/kg、90wh/kg、95wh/kg、100wh/kg、110wh/kg、120wh/kg、130wh/kg、140wh/kg、150wh/kg、200wh/kg、250wh/kg、300wh/kg、350wh/kg、400wh/kg或更高的能量密度。这样的能量密度可以在电容器的至少约10、25、50、75、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000个或更多个充电/放电循环中。在一些情况下，电容器可以在一定温度范围内比另一温度范围内具有更高的能量密度。
89.在一些情况下，对于约60℃-100℃的温度范围，电容器可以被配置成承受至少约250个充电/放电循环，同时保持至少约55kw/kg有效质量的功率密度和/或至少约40wh/kg有效质量的能量密度。电容器可以承受的充电/放电循环越多，电容器可以留在电路中而无需更换的时间越长。备选地，电容器可以在至少约10、25、50、75、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000个或更多个充电/放电循环中保持至少约55kw/kg有效质量的功率密度和/或至少约40wh/kg有效质量的能量密度。备选地，电容器可以在至少约10、25、50、75、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000个或更多个充电/放电循环中保持至少约75kw/kg有效质量的功率密度和/或至少约60wh/kg有效质量的能量密度。备选地，电容器可以在至少约10、25、50、75、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000个或更多个充电/放电循环中保持至少约100kw/kg有效质量的功率密度和/或至少约80wh/kg有效质量的能量密度。在一些情况下，电容器可以在一定温度范围内比另一温度范围内承受更多的充电/放电循环。
90.在一些情况下，对于约60℃-100℃的温度范围，电容器可以被配置成具有小于约10秒的充电和/或放电时间。备选地，电容器可以具有至多约60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.1、0.01秒或更短的充电/放电时间。在一些情况下，电容器可以在一定温度范围内比另一温度范围内具有更高的能量密度。
91.本文所述电容器的一个或多个组件，如包含韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物的电极或电介质材料，可以用作其他功率或能量储存系统如电池(例如，固态电池)、燃料电池、电化学电池、可充电电池(例如，二次电池)或其他储存系统的组件。例如，电池可以包括包含韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物的一个或多个电极，如本文其他各处所述的用于
电容器的电极。韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物可以是电极的活性材料。在一些情况下，电池可以包括一个电极，其包含韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物。在一些情况下，电池可以包括两个电极，其各自包含相同或不同组成的韧皮纤维、韧皮粉末、杆芯或其衍生物。功率或能量储存系统可以包括衍生自其他植物的材料(例如，衍生自大麻、衍生自亚麻等)。本发明提供了包括但不限于以下实施方式：1.一种用于储存电能的电容器，包括：第一电极，其由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成；与所述第一电极相邻的电介质，其中所述电介质由韧皮或杆芯材料或其衍生物形成；以及与所述电介质相邻的第二电极，其中所述第二电极由能够将电子传导到所述电负载或从所述电负载传导电子的材料形成，并且其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量的功率密度。2.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约75kw/kg有效质量的功率密度。3.根据实施方式2所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约100kw/kg有效质量的功率密度。4.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。5.根据实施方式4所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约1000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。6.根据实施方式5所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约2000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。7.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电负载是电网。8.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电负载包括车辆的电路。9.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电负载包括飞机的电路。10.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电负载包括火车的电路。11.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电负载包括船的电路。12.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电介质由所述韧皮材料形成。13.根据实施方式12所述的电容器，其中所述韧皮材料是大麻韧皮或洋麻韧皮。14.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电介质由所述杆芯材料形成。15.根据实施方式14所述的电容器，其中所述杆芯材料是大麻杆芯或洋麻杆芯。16.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电介质包括杆芯或其衍生物。
17.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电容器具有至多约5kg的质量。18.根据实施方式17所述的电容器，其中所述电容器具有至多约2kg的质量。19.根据实施方式1所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约40w时(h)/kg有效质量的能量密度。20.根据实施方式19所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约60wh/kg有效质量的能量密度。21.根据实施方式1所述的电容器，其中所述韧皮和/或杆芯材料是韧皮和/或杆芯纤维，或者韧皮和/或杆芯粉末。22.一种用于储存电能的方法，包括：(a)激活电容器，所述电容器包括(i)由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成的第一电极；(ii)与所述第一电极相邻的电介质，其中所述电介质由韧皮纤维、韧皮粉末或其衍生物形成；以及(iii)与所述电介质相邻的第二电极，其中所述第二电极由能够将电子传导到所述电负载或从所述电负载传导电子的材料形成，并且其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在至少约250个充电/放电循环中具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量的功率密度；(b)使所述电容器与所述电负载电连通；以及(c)经由所述电负载对所述电容器进行充电或放电。23.根据实施方式22所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约75kw/kg有效质量的功率密度。24.根据实施方式23所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约100kw/kg有效质量的功率密度。25.根据实施方式22所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。26.根据实施方式25所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约1000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。27.根据实施方式26所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约2000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。28.根据实施方式22所述的方法，其中所述电负载是电网。29.根据实施方式22所述的方法，其中所述电负载包括车辆的电路。30.根据实施方式22所述的方法，其中所述电负载包括飞机的电路。31.根据实施方式22所述的方法，其中所述电负载包括火车的电路。32.根据实施方式22所述的方法，其中所述电负载包括船的电路。33.根据实施方式22所述的方法，其中所述电介质由韧皮纤维形成。
34.根据实施方式33所述的方法，其中所述韧皮纤维是大麻韧皮纤维。35.根据实施方式22所述的方法，其中所述电介质由韧皮粉末形成。36.根据实施方式35所述的方法，其中所述韧皮粉末是大麻韧皮粉末或洋麻韧皮粉末。37.根据实施方式22所述的方法，其中所述电介质包括杆芯或其衍生物。38.根据实施方式22所述的方法，其中所述电容器具有至多约5kg的质量。39.根据实施方式38所述的方法，其中所述电容器具有至多约2kg的质量。40.根据实施方式22所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约40w时(h)/kg有效质量的能量密度。41.根据实施方式40所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约60wh/kg有效质量的能量密度。42.一种用于储存电能的电容器，包括：第一电极，由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成；与所述第一电极相邻的电介质，其中所述电介质由具有比所述第一电极的所述材料低的电导率的材料形成；以及与所述电介质相邻的第二电极，其中所述第二电极由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成，并且其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，其中所述第一电极、所述第二电极或所述第一电极和所述第二电极两者由韧皮和/或杆芯材料形成，并且其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量的功率密度。43.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约75kw/kg有效质量的功率密度。44.根据实施方式43所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约100kw/kg有效质量的功率密度。45.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。46.根据实施方式45所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约1000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。47.根据实施方式46所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约2000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。48.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电负载是电网。49.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电负载包括车辆的电路。
50.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电负载包括飞机的电路。51.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电负载包括火车的电路。52.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电负载包括船的电路。53.根据实施方式42所述的电容器，其中所述第一电极由韧皮纤维形成。54.根据实施方式53所述的电容器，其中所述韧皮纤维是大麻韧皮纤维。55.根据实施方式42所述的电容器，其中所述第一电极由韧皮粉末形成。56.根据实施方式55所述的电容器，其中所述韧皮粉末是大麻韧皮粉末或洋麻韧皮粉末。57.根据实施方式42所述的电容器，其中所述第一电极包括杆芯或其衍生物。58.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电容器具有至多约5kg的质量。59.根据实施方式58所述的电容器，其中所述电容器具有至多约2kg的质量。60.根据实施方式42所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约40w时(h)/kg有效质量的能量密度。61.根据实施方式60所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约60wh/kg有效质量的能量密度。62.一种用于储存电能的方法，其包括：(a)激活电容器，所述电容器包括(i)由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成的第一电极；(ii)与所述第一电极相邻的电介质，其中所述电介质由具有比所述第一电极的所述材料低的电导率的材料形成；以及(iii)与所述电介质相邻的第二电极，其中所述第二电极由能够将电子传导到电负载或从电负载传导电子的材料形成，并且其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，其中所述第一电极、所述第二电极或所述第一电极和所述第二电极两者由韧皮纤维、韧皮粉末或其衍生物形成，并且其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量的功率密度；(b)使所述电容器与所述电负载电连通；以及(c)经由所述电负载对所述电容器进行充电或放电。63.根据实施方式62所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约75kw/kg有效质量的功率密度。64.根据实施方式63所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约100kw/kg有效质量的功率密度。65.根据实施方式62所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。66.根据实施方式65所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约1000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。
67.根据实施方式66所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约2000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。68.根据实施方式62所述的方法，其中所述电负载是电网。69.根据实施方式62所述的方法，其中所述电负载包括车辆的电路。70.根据实施方式62所述的方法，其中所述电负载包括飞机的电路。71.根据实施方式62所述的方法，其中所述电负载包括火车的电路。72.根据实施方式62所述的方法，其中所述电负载包括船的电路。73.根据实施方式62所述的方法，其中所述第一电极由韧皮纤维形成。74.根据实施方式73所述的方法，其中所述韧皮纤维是大麻韧皮纤维。75.根据实施方式62所述的方法，其中所述第一电极由韧皮粉末形成。76.根据实施方式75所述的方法，其中所述韧皮粉末是大麻韧皮粉末或洋麻韧皮粉末。77.根据实施方式62所述的方法，其中所述第一电极包括杆芯或其衍生物。78.根据实施方式62所述的方法，其中所述电容器具有至多约5kg的质量。79.根据实施方式78所述的方法，其中所述电容器具有至多约2kg的质量。80.根据实施方式62所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约40w时(h)/kg有效质量的能量密度。81.根据实施方式80所述的方法，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约60w时(h)/kg有效质量的能量密度。82.一种制造电容器的方法，其包括：(a)获得衍生自植物的韧皮和/或杆芯材料；(b)将所述韧皮和/或杆芯材料处理成经处理的材料，所述经处理的材料为纤维或颗粒形式；(c)使用所述经处理的材料生成第一电极、第二电极和/或电介质；以及(d)组装所述第一电极、第二电极和所述电介质以产生所述电容器，所述电容器包括(i)所述第一电极，(ii)与所述第一电极相邻的所述电介质，以及(iii)与所述电介质相邻的所述第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，并且其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约55千瓦(kw)/千克(kg)有效质量的功率密度。83.根据实施方式82所述的方法，其中所述植物是大麻。84.根据实施方式82所述的方法，其中所述处理包括将所述韧皮和/或杆芯材料粉碎以形成包含所述韧皮和/或杆芯材料的颗粒。85.根据实施方式82所述的方法，其中所述韧皮和/或杆芯材料包括韧皮和/或杆芯纤维。86.根据实施方式82所述的方法，其中所述韧皮和/或杆芯材料是韧皮材料。87.根据实施方式82所述的方法，其中所述韧皮和/或杆芯材料是杆芯材料。
88.根据实施方式82所述的方法，还包括将所述电容器编织到织物中。89.根据实施方式82所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约75kw/kg有效质量的功率密度。90.根据实施方式89所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约100kw/kg有效质量的功率密度。91.根据实施方式90所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约500个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。92.根据实施方式91所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约1000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。93.根据实施方式92所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的所述温度下在经由所述电负载的至少约2000个充电/放电循环中具有至少约55kw/kg有效质量的功率密度。94.根据实施方式82所述的电容器，其中所述电负载是电网。95.根据实施方式82所述的电容器，其中所述电负载包括车辆的电路。96.根据实施方式82所述的电容器，其中所述电容器具有至多约5kg的质量。97.根据实施方式96所述的电容器，其中所述电容器具有至多约2kg的质量。98.根据实施方式82所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约40w时(h)/kg有效质量的能量密度。99.根据实施方式98所述的电容器，其中所述电容器在60℃-100℃的温度下在经由所述电负载的至少约250个充电/放电循环中具有至少约60wh/kg有效质量的能量密度。
92.实施例
93.在实例中，通过碳化和激活大麻韧皮纤维的水热产物来形成用于电容器的电极。将大麻韧皮纤维和稀硫酸密封在钢制高压釜内。将高压釜在180℃下加热24小时，然后使其冷却至室温(例如，约20℃-25℃)。过滤高压釜中的内容物，用蒸馏水洗涤，并干燥得到碳质固体(例如，生物炭)。将生物炭和氢氧化钾(koh)以1:1的质量比混合，并且在氩气流下将混合物在700℃-800℃(例如，3℃/min)下加热1小时。然后用10重量％(wt％)的盐酸(hcl)和蒸馏水洗涤激活的样品。将碳在烤箱中在100℃下干燥12小时。通过上述过程在700℃下激活的碳纳米片(cns-700)具有1690平方米/克(m2g-1
)的表面积密度，通过上述过程在750℃下激活的碳纳米片(cns-750)具有2287m2g-1
的表面积密度，并且通过上述过程在800℃下激活的碳纳米片(cns-800)具有1505m2g-1
的表面积密度。cns-700、cns-750和cns-800的电导率分别为217西门子/米(sm-1
)、211sm-1
和226sm-1
。在20℃的工作温度下，cns-750和cns-800分别表现出19瓦时/千克(whkg-1
)和18whkg-1
的能量密度。在60℃的工作温度下，cns-750和cns-800分别表现出34whkg-1
和31whkg-1
的能量密度。在100℃的工作温度下，cns-750和cns-800分别表现出40whkg-1
和34whkg-1
的能量密度。cns-800在20℃、60℃和100℃的工作
温度下的最大功率密度分别为28千瓦/千克(kwkg-1
)、49kwkg-1
和77kwkg-1
。在10,000次循环后，cns-800可以保留96％的初始电容。
94.尽管本文中已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员容易理解的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。本发明不受本说明书中提供的具体实例的限制。虽然已经按照前述说明书描述了本发明，但是并不意味着以限制性意义来解释本文的实施方式的描述和说明。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下现将想到多种变化、改变和替代。此外，应当理解，本发明的所有方面都不限于本文所述的具体描述、配置或相对比例，其取决于多种条件和变量。应当理解，本文所述的本发明实施方式的各种替代方案均可用于实施本发明。因此，预期本发明还应涵盖任何这样的替代、修改、变化或等效物。旨在用以下权利要求限定本发明的范围，并由此涵盖在这些权利要求的范围内的方法和结构及其等效物。