Engineered chemical vapor deposition synthesis of carbon nanotubes for low cost high power density and high energy density ultracapacitors

Carbon Nanotubes (CNTs) are long molecules having exceptional properties, including several times the strength of steel at one fourth the density, high surface area and superior electrical and thermal properties. This thesis presents a method of CNT synthesis by thermal Chemical Vapor Deposition (CVD) for ultracapacitor electrode applications, where effective choice of the catalyst composition and processing conditions enables growth of Vertically Aligned Carbon Nanotubes (VA-CNTs) on metallic inexpensive and reusable substrates. A new engineered process to fabricate carbon nanotube based electrodes is presented: VA-CNTs are grown with an in-line continuous CVD machine, where the catalyst formation step and the nanotube growth step are separated in order to minimize the contamination during synthesis that usually affects the purity of the nanotubes. A method to fabricate a carbon nanotube based electrode for ultracapacitors that does not require the use of binders and conductive adhesives is described in details. We present vertical nanotube-based electrodes that show, when packaged into an ultracapacitor cell, up to ten times higher power density (47 kW/l, 42 kW/kg) and up to three times higher energy density (16.2 Wh/l, 14.2 Wh/kg) than those of commercially available activated carbon ultracapacitors. Models to predict the energy density, power density, and efficiency of an ultracapacitor cell using vertical carbon nanotubes electrodes of a given morphology are described. Electrochemical measurements of the carbon nanotube electrodes and the assembled cell prototype are presented to corroborate the performance predictions based on our model. Finally, some key remaining questions to further advance the understanding of nanotubes as electrodes materials for ultracapacitor are presented.

I nanotubi di carbonio (CNTs) sono lunghe molecole che hanno proprietà eccezionali, tra cui una resistenza alla trazione cento volte maggiore di quella dell'acciaio e densità pari ad un quarto, elevata superficie specifica ed uniche proprietà electtriche e termiche. Questa tesi presenta un metodo di sintesi di nanotubi di carbonio per l'applicazione in supercondensatori attraverso un processo di Chemical Vapor Deposition (CVD), in cui la scelta del catalizzatore e dei parametri del processo hanno portato alla crescita di Vertically Aligned Carbon Nanotubes (VA-CNTs) su substrati metallici a basso costo e riutilizzabili alla fine del processo di crescita. Si presenta, inoltre, un nuovo processo di fabbricazione di elettrodi a nanotubi di carbonio: tali VA-CNTs sono cresciuti grazie ad un sistema CVD continuo in cui la fase di formazione delle particelle di catalizzatore e la fase di crescita sono portate a termine in due sezioni distinte del reattore, per minimizzare le contaminazioni che normalmente degradano la purezza dei nanotubi durante il processo di crescita. Inoltre la tesi descrive un metodo per la fabbricazione di elettrodi a nanotubi di carbonio per supercondensatori nei quali non vengono utilizzati nè materiali adesivi conduttori nè materiali leganti; si dimostra come questi elettrodi, quando utilizzati in un supercondesatore assemblato, danno dei valori di densità di potenza fino a dieci volte superiori (47 kW/l, 42 kW/kg) e dei valori di densità di energia fino a tre volte superiori (16.2 Wh/l, 14.2 Wh/kg) rispetto a quelli dei supercondensatori in commercio che utilizzano elettrodi a carbone attivo. Infine si è creato un modello per il calcolo della densità di energia, della densità di potenza e dell'efficienza di un supercondensatore che utilizza nanotubi di carbonio “vertically aligned” con una specifica morfologia. Per confermare i valori di densità di energia e di potenza calcolati con tale modello, si sono svolti dei test elettrochimici sul prototipo assemblato. In conclusione, tale tesi presenta una serie di punti chiave che dovranno essere approfonditi in futuro per comprendere il comportamento dei nanotubi di carbonio quando utilizzati come materiale attivo negli elettrodi per supercondensatori.