STTR Phase I: EW-EP2: Printable and Flexible Micro-Supercapacitor using Graphene and Carbon Nanostructure

STTR 第一阶段:EW-EP2:使用石墨烯和碳纳米结构的可印刷柔性微型超级电容器

基本信息

  • 批准号:
    1622881
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 21.23万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-07-01 至 2017-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The broader impact/commercial potential of this project is that due to the increased mobility of human beings and the nature of modern economic and social activities a variety of power challenges need to be addressed for portable electronic and mechanical devices. The needs include quick power delivery, light-weight but high-capacity energy storage, superior low-temperature operation and ability to handle millions of cycles. On average a soldier, a construction worker or an everyday handyman carry between 50 to 100lb of weight while they are working in their duty sites. A significant portion of this load is from the primary and backup batteries used for their tools and equipment, because corded delivery of power is not always possible. Computing, communication, biomedical and avionic industries are also constantly searching for light-weight but highly efficient energy storage gadgets. The ability to integrate graphene and carbon nanostructure based microsupercapacitors in the next generation energy delivery/storage solutions for portable devices and tools will open the doors for new education, research, product development and economic growth. Due to ultra-light-weight, transparency, extremely high thermal stability and tensile strength, and superior electrical conductivity graphene based supercapacitor would also be suitable for flexible, printable, transparent and wearable electronics.This Small Business Technology Transfer (STTR) Phase I project plans to develop a non-Faradic, thin-film and electrochemical microsupercapacitor utilizing graphene and carbon nanotube (CNT) with high gravimetric energy density. The proposed microsupercapacitor would combine high energy storage capacity of batteries with high power delivery capability of regular capacitors. It would be compatible to commercial lithographic techniques and printable circuit technologies. A limiting factor in the miniaturization of the existing carbon-based supercapacitors is a relatively low volumetric energy density (VED) due to the poor packing density of structures like tangled CNTs. The VED of CNT-based supercapacitors is many orders of magnitude lower than the mainstream energy storage devices. The opportunity to miniaturize the supercapacitor exists with novel designs that strive to minimize its intrinsic components like electrodes and separators that do not directly contribute to cell energy storage. The proposed design would primarily use graphene nanoribbon (GNR) as electrode, which will not have the tangling issue of CNT. Due to the 2D flat nature of GNR the scaling and packing density of GNR devices would be extremely high. The long-term goal is to achieve an energy density over 100 Wh/kg using an array of the proposed microsupercapacitors.
该项目更广泛的影响/商业潜力是,由于人类流动性的增加以及现代经济和社会活动的性质,需要解决便携式电子和机械设备的各种电源挑战。需求包括快速电力传输、轻质但高容量的能量存储、卓越的低温操作以及处理数百万次循环的能力。平均而言,士兵、建筑工人或日常勤杂工在工作地点工作时携带的重量为 50 至 100 磅。该负载的很大一部分来自用于工具和设备的主电池和备用电池,因为有线供电并不总是可行。计算、通信、生物医学和航空电子行业也在不断寻找轻质但高效的储能设备。将基于石墨烯和碳纳米结构的微型超级电容器集成到便携式设备和工具的下一代能量传输/存储解决方案中的能力将为新的教育、研究、产品开发和经济增长打开大门。由于超轻质、透明、极高的热稳定性和拉伸强度以及优异的导电性,基于石墨烯的超级电容器也适用于柔性、可印刷、透明和可穿戴电子产品。这个小型企业技术转移(STTR)第一期项目计划利用石墨烯和碳纳米管(CNT)开发具有高重量能量密度的非法拉第薄膜电化学微型超级电容器。所提出的微型超级电容器将结合电池的高能量存储能力和常规电容器的高电力传输能力。它将与商业光刻技术和可印刷电路技术兼容。现有碳基超级电容器小型化的一个限制因素是由于缠结碳纳米管等结构的堆积密度较差而导致体积能量密度(VED)相对较低。 CNT基超级电容器的VED比主流储能器件低多个数量级。新颖的设计有机会实现超级电容器的小型化,这些设计力求最大限度地减少其内部组件,例如不直接有助于电池能量存储的电极和隔板。所提出的设计将主要使用石墨烯纳米带(GNR)作为电极,不会出现碳纳米管缠结的问题。由于 GNR 的 2D 平坦特性,GNR 器件的尺寸和封装密度将非常高。长期目标是使用一系列拟议的微型超级电容器实现超过 100 Wh/kg 的能量密度。

项目成果

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