Hybrid Carbon-Polymer Supercapacitors for High Energy Storage and Power Delivery

用于高能量存储和电力输送的混合碳聚合物超级电容器

基本信息

  • 批准号:
    1463170
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-01 至 2020-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project aims to develop enhanced energy storage devices, in particular, supercapacitors, that can store large amounts of energy or charge per unit weight of the material and deliver them at high power. The ability to store large amounts of charge will enable their use in high-demand applications such as electric and hybrid vehicles. High power will ensure that these devices can be charged at a fast rate with charging times of a few seconds to a few minutes (unlike rechargeable batteries that require several hours for charging). The potential improvement in energy storage attributes will, for example, contribute very significantly to technology that supports electric vehicles. This project will provide two PhD graduate and several undergraduate students with an interdisciplinary educational experience in nanomaterials and renewable energy.The specific research objective of this project is to fabricate and study process-structure-performance correlation in a novel hybrid supercapacitor electrode composed of porous carbon-electroactive polymer core-shell nanofibers. The fabrication will be conducted via a simple two-step process. In Step 1, nanofibers of blends of two polymers; carbon precursor and sacrificial polymer, will be fabricated via electrospinning followed by high temperature pyrolysis to convert the carbon precursor to carbon and decompose out the sacrificial polymer, resulting in hierarchically-porous carbon nanofibers exhibiting high specific surface area (1500 m2/g). In Step 2, the porous carbon nanofibers will be shrink-wrapped with an ultrathin shell of conducting polymer of thiophene, pyrrole or aniline using a novel "liquid-free" chemical vapor deposition (CVD) approach. The aim is integrate electric double layer capacitance from porous carbon nanofibers with pseudocapacitance from thin and conformal polymer coatings to achieve synergistic performance effects including optimized energy density and power delivery and improved cycling performance. Collaboration with industrial partners will enable a feasible path for future manufacturing.
该项目旨在开发增强型储能设备,特别是超级电容器,可以存储大量能量或每单位重量材料的电荷,并以高功率输送。存储大量电荷的能力将使它们能够用于高需求的应用,如电动和混合动力汽车。高功率将确保这些设备可以快速充电,充电时间为几秒到几分钟(不像充电电池需要几个小时充电)。例如,储能属性的潜在改进将对支持电动汽车的技术做出非常重要的贡献。该项目将为两名博士研究生和几名本科生提供纳米材料和可再生能源的跨学科教育经验,该项目的具体研究目标是制备和研究由多孔碳-电活性聚合物核壳纳米纤维组成的新型混合超级电容器电极的过程-结构-性能相关性。制造将通过一个简单的两步过程进行。在步骤1中,两种聚合物(碳前体和牺牲聚合物)的共混物的纳米纤维将通过静电纺丝然后高温热解以将碳前体转化为碳并分解出牺牲聚合物来制造,从而产生表现出高比表面积(1500 m2/g)的分级多孔碳纳米纤维。在步骤2中,多孔碳纳米纤维将使用新颖的“无液”化学气相沉积(CVD)方法用噻吩、吡咯或苯胺的导电聚合物的壳层收缩包裹。目的是将来自多孔碳纳米纤维的双电层电容与来自薄的保形聚合物涂层的赝电容集成,以实现协同性能效应,包括优化的能量密度和功率输送以及改善的循环性能。与工业合作伙伴的合作将为未来的制造提供可行的途径。

项目成果

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