Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die heutigen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien sind mit mehreren Einschränkungen konfrontiert: langsames Aufladen, begrenzte Lebensdauer und Sicherheitsprobleme, mit zusätzlichen negativen sozialen und ökologischen Auswirkungen aufgrund ihres Lithium- und Kobaltbedarfs. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen Energiespeicherlösung als Ersatz für wiederaufladbare Batterien, die auf einem Superkondensator aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) namens Swistor basiert. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien ist die vorgeschlagene Technologie umweltfreundlich, lässt sich schnell aufladen (10- bis 100-mal schneller als herkömmliche Batterien), hat eine längere Lebensdauer und kann in einem weiten Temperaturbereich ohne Sicherheitsprobleme betrieben werden. Darüber hinaus kann ein Swistor aufgrund der großen Oberfläche der CNT in Verbindung mit einem intelligenten Gerätedesign und Nanostrukturierung sehr hohe Energiemengen speichern, mit allen zusätzlichen Vorteilen von Superkondensatoren. Zusätzlich zu den technischen Leistungen, die über den Stand der Technik hinausgehen, kann die vorgeschlagene Technologie mit Hilfe von Reinraum-Fertigungstechniken skaliert werden und ist in der Lage, sowohl die Anforderungen von IoT-Knoten als auch von tragbaren Geräten zu erfüllen, mit nachgewiesenem kommerziellen Wert und großen wirtschaftlichen Auswirkungen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Today’s Li-ion rechargeable batteries are facing several limitations: slow charging, limited lifetime and safety issues, with additional social and environmental negative implications due to their need of lithium and cobalt. This project aims at developing a novel energy storage solution to replace re-chargeable batteries, based on a carbon nanotube (CNT) supercapacitor, called Swistor. In contrast with a Li-ion battery, the proposed technology is ecologically friendly, exhibits fast charging (10 to 100x faster than traditional battery), extended lifetime and a wide range of operating temperatures without security issues. Moreover, due to the CNT high surface area combined with a smart device design and nanostructuring, a Swistor could store very high energy levels, with all the added ad-vantages of supercapacitors. In addition to the technical performances that are beyond the state of the art, the proposed technology can be scaled-up using clean room fabrication techniques, being capable to address both demands of IoT nodes and of hand held devices, with demonstrated com-mercial value and large economic impact.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Les batteries Li-ion actuelles ont une série de limitations sévères, comme la charge lente, la durée de vie limitée et des problèmes de sécurité. De plus leur technologie est basée sur l’utilisation des matériaux rares comme le Li et le Co, ce qui peut induire des limitations environnementales et sociales. Le but de ce projet est développer une nouvelle solution de stockage d’énergie basée sur super condensateur à base de nanotubes de carbone (CNTs), nommé Swistor. Cette solution est écologue et a des performances uniques, comme une excellente vitesse de recharge (10 à 100 fois plus rapide qu’une batterie traditionnelle), une durée de vie accrue and une large gamme d’utilisation sans de problèmes de sécurité. La solution technologique adoptée offre l’avantage d’une énorme surface d’électrode d’une supercondensateur à cause de l’utilisation des réseaux de nanotubes de carbone, qui de plus sont très stables chimiquement et offre la possibilité de stocker une grande densité d’énergie. Cette technologie est facilement scalable en production car elle utilise des procédés de salle blanche et est capable de répondre aux besoin des applications IoT et téléphone intelligents, avec une grande valeur commerciale ajoutée et grand potentiel économique.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Batterien und andere elektrochemische Speicher spielen beim Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung eine zentrale Rolle. Der Siegeszug der Lithium-Ionen-Batterie seit der Jahrtausendwende schafft dafür eine gute Grundlage. Doch die Batterieforschung arbeitet mit grosser Dynamik weiter, nicht nur international, sondern auch an Schweizer Fachhochschulen, Hochschulen und Universitäten. Ein zentrales Ziel von Forschung und Entwicklung besteht darin, Kapazität und Ladegeschwindigkeit elektrochemischer Speicher weiter zu steigern.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Les batteries Li-ion actuelles ont une série de limitations sévères, comme la charge lente, la durée de vie limitée et des problèmes de sécurité. De plus leur technologie est basée sur l’utilisation des matériaux rares comme le Li et le Co, ce qui peut induire des limitations environnementales et sociales. Le but de ce projet est développer une nouvelle solution de stockage d’énergie basée sur super condensateur à base de nanotubes de carbone (CNTs). Cette solution est écologique et a des performances uniques, comme une excellente vitesse de recharge (10 à 100 fois plus rapide qu’une batterie traditionnelle), une durée de vie accrue (>30’000cycles) and une large gamme d’utilisation sans de problèmes de sécurité. La solution technologique adoptée offre l’avantage d’une énorme surface d’électrode d’une supercondensateur à cause de l’utilisation des réseaux de nanotubes de carbone, qui de plus sont très stables chimiquement, la possibilité de stocker une grande densité d’énergie et des résistances d’accès réduite grâce à une croissance sur des substrats conducteurs et à un design original de l’électrode. Cette technologie est facilement scalable en production car elle utilise des procédés de salle blanche et est capable de répondre aux besoin des applications IoT et téléphone intelligents, avec une grande valeur commerciale ajoutée et grand potentiel économique. Les principaux résultats obtenus à ce jour sont l'établissement des protocoles de test, la fabrication des dispositifs de test, l'optimisation des électrodes (CNTs) denses et la déposition des couches nanométriques sur les électrodes de test, montrant une amélioration de la capacité jusqu'à 30 fois. Nous avons intégré avec succès des électrolytes stabiles jusqu’au une tension de 3 V.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Heutige Lithium-Ionen- Batterien sind mit mehreren Einschränkungen konfrontiert: langsames Aufladen, begrenzte Lebensdauer und Sicherheitsprobleme, mit zusätzlichen negativen sozialen und ökologischen Auswirkungen aufgrund ihres Lithium- und Kobaltbedarfs. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen Energiespeicherlösung als Ersatz für wiederaufladbare Batterien, die auf einem Superkondensator aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) basiert. Im Gegensatz zu einer Lithium-Ionen-Batterie ist die vorgeschlagene Technologie umweltfreundlich, lässt sich schnell aufladen (10- bis 100-mal schneller als herkömmliche Batterien), hat eine längere Lebensdauer (> 20'000 Zyklen) und kann ohne Sicherheitsprobleme in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden. Darüber hinaus kann ein Superkondensator aufgrund der großen Oberfläche der CNT in Verbindung mit einem intelligenten Gerätedesign und einer Nanostrukturierung, hohe Energieniveaus speichern, mit allen zusätzlichen Vorteilen von Superkondensatoren, und er hat auch einen geringen Zugangswiderstand dank des Wachstums der CNT auf leitfähigen Substraten und einem originellen Elektrodendesign. Zusätzlich zu den technischen Leistungen, die über den Stand der Technik hinausgehen, kann die vorgeschlagene Technologie mit Hilfe von Reinraum-Fertigungstechniken skaliert werden und ist in der Lage, sowohl die Anforderungen von IoT-Knoten als auch von tragbaren Geräten zu erfüllen, mit nachgewiesenem kommerziellen Wert und großen wirtschaftlichen Auswirkungen. Die wichtigsten bisher erzielten Ergebnisse sind die Entwicklung von Superkondensatoren auf der Basis von dichten, vertikal ausgerichteten CNTs (VACNTs) mit Dichten von bis zu 0,85 x 1012 CNT/cm2 auf Metallelektroden, die sich ideal für miniaturisierte Energiespeicherung auf Chips eignen. Im Rahmen dieses Projekts wurden Bauelementdesigns mit maximaler aktiver Fläche und eine skalierbare Herstellung für die Integration in elektronische Systeme optimiert. Wir untersuchten und optimierten verschiedene pseudokapazitive Schichten aus nanometrischen Metalloxiden für eine verbesserte Energiedichte. Die wichtigste Errungenschaft dieses Projekts ist die ganzheitliche Entwicklung von miniaturisierten hybriden Superkondensatoren mit einem weniger toxischen ionischen Elektrolyten, der eine Leistungssteigerung ermöglicht. Die CNT (mit Bundles)/MnO2-Hybridmaterialien weisen eine hohe spezifische Kapazität und eine gute Zyklenstabilität auf. Die CNTs verbessern die elektronische Leitfähigkeit der Hybridmaterialien, was zu einem geringeren Innenwiderstand der Superkondensatoren führt. Wir erzielten eine bis zu 2-fache Verbesserung der spezifischen Kapazität auf bis zu 90 mF.cm-2 und einen Widerstand von unter 30 Ohm, der mit den VACNT -basierten Elektroden erheblich optimiert werden kann. Außerdem haben wir erfolgreich ionische Flüssigelektrolyte mit einem Spannungsfenster von 2,5 V integriert. Dieses Projekt stellte auch eine Machbarkeitsstudie von Superkondensatoren für IoT-Knoten dar und definierte die Anforderungen und das Potenzial der Technologie für Sensoranwendungen. Es war ein wesentlicher Meilenstein für miniaturisierte Superkondensatoren, die in elektronische Systeme integriert sind, und ermöglichte uns aus geschäftlicher Sicht, unsere Strategie für die Markteinführung zu entwickeln.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Today’s Li-ion rechargeable batteries are facing several limitations: slow charging, limited lifetime and safety issues, with additional social and environmental negative implications due to their need of lithium and cobalt. This project aims at developing a novel energy storage solution to replace rechargeable batteries, based on a carbon nanotube (CNT) supercapacitor. In contrast with a Li-ion battery, the proposed technology is ecologically friendly, exhibits fast charging (10 to 100 times faster than traditional batteries), extended lifetime (> 20’000 cycles) and a wide range of operating temperatures without security issues. Moreover, due to the CNT high surface area combined with a smart device design and nanostructuring, a supercapacitor could store very high energy levels, with all the added advantages of supercapacitors, and it also has low access resistance thanks to growth of CNTs on conductive substrates and to an original electrode design. In addition to the technical performances that are beyond the state of the art, the proposed technology can be scaled-up using clean room fabrication techniques, being capable to address both demands of IoT nodes and of hand held devices, with demonstrated commercial value and large economic impact. The main results achieved up to date are the development of supercapacitors based on dense vertically aligned CNTs (VACNTs) with densities up to 0.85 x 1012 CNT/cm2 on metallic electrodes, ideal for miniaturized energy storage on-chip. This project optimized maximized active area device designs and a scalable fabrication to be integrated with electronic systems. We studied and optimized various pseudocapacitive layers of nanometric metal oxides for improved energy density. The main achievement of this project is the holistic development of miniaturized hybrid supercapacitors with a less toxic ionic electrolyte, offering a boost in performance. The CNT(with bundles)/MnO2 hybrid materials showed a high specific capacitance and good cycling stability. The CNTs improve the electronic conductivity of the hybrid materials, which resulted in a lower internal resistance of the supercapacitors. We obtained an improvement in specific capacitance up to 2-fold, up to 90 mF.cm-2 and a resistance below 30 Ohm, which can be significantly optimized with the VACNT based electrodes. Moreover, we have successfully integrated ionic liquid electrolytes with a 2.5 V voltage window. This project also constituted a feasibility study of supercapacitors for IoT nodes, defining the requirements and potential of the technology for sensor applications and was an essential steppingstone for miniaturized supercapacitors integrated with electronic systems as well as from a business perspective, allowing us to develop our go to market strategy.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les batteries Li-ion actuelles ont une série de limitations, comme la charge lente, la durée de vie limitée et des problèmes de sécurité. De plus leur technologie est basée sur l’utilisation des matériaux rares comme le Li et le Co, ce qui peut induire des limitations environnementales et sociales. Le but de ce projet est de développer une nouvelle solution de stockage d’énergie basée sur des supercondensateurs à base de nanotubes de carbone (CNTs). Cette solution est écologique et a des performances uniques, comme une excellente vitesse de recharge (10 à 100 fois plus rapide qu’une batterie traditionnelle), une durée de vie accrue (>20'000 cycles) et une large gamme d’utilisation sans de problèmes de sécurité. La solution technologique adoptée offre l’avantage d’une grande surface d’électrode en exploitant des réseaux de nanotubes de carbone, qui en plus sont très stables chimiquement. Ceci offre la possibilité de stocker une grande densité d’énergie avec des résistances d’accès réduites. La technologie est basée sur la croissance des CNTs sur des substrats conducteurs et exploite un design original de l’électrode. Cette technologie est facilement scalable en production car elle utilise des procédés de salle blanche et est capable de répondre aux besoins des applications IoT et téléphone intelligents, avec une grande valeur commerciale ajoutée et grand potentiel économique. Les principaux résultats obtenus à ce jour sont le développement de supercondensateurs à base de CNT denses alignés verticalement (VACNT) avec des densités allant jusqu'à 0,85 x 1012 CNT/cm2 sur des électrodes métalliques, idéaux pour le stockage d'énergie miniaturisé sur puce. Ce projet a optimisé les conceptions de dispositifs à zone active maximisée et une intégration aux systèmes électroniques. Nous avons étudié et optimisé diverses couches pseudocapacitives d'oxydes métalliques nanométriques pour obtenir une meilleure densité d'énergie. La principale réalisation de ce projet est le développement holistique de supercondensateurs hybrides miniaturisés avec un électrolyte ionique moins toxique, offrant un gain de performances. Les matériaux hybrides CNT (avec bundles)/MnO2 ont montré une capacité spécifique élevée et une bonne stabilité au cyclage. Les CNT améliorent la conductivité électronique des matériaux hybrides, ce qui se traduit par une plus faible résistance interne des supercondensateurs. Nous avons obtenu une amélioration de la capacité spécifique jusqu'à 2 fois, jusqu'à 90 mF.cm-2 et une résistance inférieure à 30 Ohm, qui peut être considérablement optimisée avec les électrodes à base de VACNT. De plus, nous avons intégré avec succès des électrolytes liquides ioniques avec une tension de 2,5 V. Ce projet a également constitué une étude de faisabilité de supercondensateurs pour les noeuds IoT, définissant les exigences et le potentiel de la technologie pour les applications de capteurs et a été un tremplin essentiel pour les supercondensateurs miniaturisés intégrés aux systèmes électroniques ainsi que d'un point de vue commercial permettant à préparer les prochaines étapes de développement d’une stratégie de mise sur le marché.
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