UFOeUAPARQUIVO EM PORTUGUÊS

Data: 01/11/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA

DIA, 2010: estudo do AAWSAP avalia ultracapacitores para alimentar propulsão elétrica e armas de energia dirigida e sugere detectar suas descargas

O DIRD de 1º de novembro de 2010 revisa a tecnologia dos ultracapacitores, de seus materiais a aplicações civis e militares, e projeta sua evolução até 2030 e além. Sugere que a descarga de ultracapacitores teria uma assinatura de radiofrequência de banda larga, detectável por receptores modestos, e recomenda que o governo dos EUA acompanhe e adote a tecnologia.

Dossiê completoHistória da investigação
Data do evento
01/11/2010
Local
Relatório preparado para a Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA
Tema
História da investigação
Órgãos das fontes
DOW
Documentos
1 documento · 34 páginas
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78 min
Capa de documento oficial com o selo da DIA, a indicação Defense Futures e o título sobre ultracapacitores, com tarja de marcação de distribuição no alto e no pé.Capa de relatório oficialPágina física 1
Capa de relatório oficial · Defense Intelligence Agency (DIA) · Página física 1 do arquivo divulgado. Capa do DIRD “Ultracapacitors as Energy and Power Storage Devices for Commercial and Military Applications”, de 1º de novembro de 2010, série Defense Futures, número DIA-08-1011-005. Mostra o título e a data; é a única folha do documento que traz o prazo de coleta de informações (COD, 20 de julho de 2010). Página física 1. A marcação “somente para uso oficial” aparece riscada no próprio fac-símile liberado. A capa identifica o documento e não prova nada sobre o desempenho das tecnologias descritas. Fonte documental ↗ · Ampliar imagem ↗

FONTES DOCUMENTAIS · DOW

O que os registros contam

Este é um estudo técnico de referência, não um relato de avistamento. O DIRD “Ultracapacitors as Energy and Power Storage Devices for Commercial and Military Applications” tem data de capa de 1º de novembro de 2010, número DIA-08-1011-005, e traz a indicação de que o prazo de coleta de informações (COD) foi 20 de julho de 2010. Foi preparado pela Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4), do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA). Os dois autores aparecem como “AAP Person 84” e “AAP Person 85”, nomes substituídos na versão liberada.

A página de créditos diz que o texto é um dos relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2010 pelo programa AAWSA, do Escritório de Alerta de Defesa, e define o DIRD como informação de referência “não substantiva mas autorizada”. Esse é o motivo da encomenda dado pelo próprio documento: um levantamento de tecnologia emergente feito por um órgão de alerta tecnológico. O resumo e a conclusão acrescentam o motivo militar: os ultracapacitores já servem à espoletagem de munições e ao nivelamento de carga de mísseis e, mais adiante, poderiam entregar potência pulsada para propulsão elétrica e armas de energia dirigida.

O conteúdo é de engenharia de materiais. O estudo explica que um ultracapacitor guarda carga na dupla camada elétrica entre o eletrodo e o eletrólito, um processo físico, e não uma reação química, o que permite centenas de milhares de ciclos e cargas em cerca de um segundo. Em contrapartida, tem menos de 10% da energia específica de uma bateria de íons de lítio. A tabela 1 compara os dois com valores de 2008, e a tabela 2 lista produtos de fabricantes como Maxwell, Ness, EPCOS e BatScap, com tensão, capacitância, resistência, massa e volume. As equações apresentadas são as básicas da capacitância e da energia armazenada, que o documento reproduz sem desenvolvimentos novos.

O capítulo 4 reúne os avanços citados: nanotubos de carbono cultivados em “florestas”, grafeno, carbonos derivados de carbetos (com poros ajustados abaixo de um nanômetro, trabalho atribuído à Drexel University) e filmes finos microfabricados no mesmo chip dos circuitos que alimentam. O texto menciona instalações da Lockheed Martin que trabalham com nanotubos. A seção final do capítulo descreve o “MCap”, um capacitor magnético em desenvolvimento pela Northern Lights Semiconductor Corp. desde 2007, baseado na magnetocapacitância gigante. As afirmações de desempenho vêm da empresa e de testes que o relatório diz terem sido feitos por terceiros; o documento não apresenta replicação independente.

A seção “Assinaturas e vulnerabilidades” (página física 20, numerada 15) é a parte mais ligada ao tema do programa. Ela sugere que ultracapacitores poderiam ser úteis em armas de banda ultralarga e que, por descarregarem muito depressa, emitiriam uma assinatura de radiofrequência de banda larga que “um receptor de banda larga modesto” talvez detectasse, e que ultracaps carregados e inativos poderiam ser indicados por grandes potenciais eletrostáticos. A página seguinte propõe estudar vulnerabilidades de circuitos e experimentos de descarga estimulada. São hipóteses de pesquisa do autor, sem medições no texto. A conclusão repete que é preciso compreender “as assinaturas espectrais singulares” desses dispositivos.

O horizonte tecnológico é explícito. O capítulo 5 projeta o curto prazo e a década de 2010 a 2020 (eletrodos assimétricos, líquidos iônicos, coletores mais finos), o médio prazo de 2020 a 2030 (sistemas híbridos, projetos tridimensionais, ultracaps integrados a chips) e o período além de 2030, em que “quase todos os circuitos microeletrônicos” usariam ultracaps de filme fino ou MCaps. A Figura 16 marca 2010, 2020, 2030 e 2050. O texto diz que, se os MCaps igualarem a energia específica do íon de lítio, a adoção seria “rápida e revolucionária”, e que o desenvolvimento deve ser acompanhado e adotado pelo governo dos EUA. Isso é projeção do autor, e não resultado verificado.

O documento não menciona UFOs, UAPs nem engenharia reversa de qualquer objeto, e não afirma que as tecnologias descritas estejam em uso em veículos aeroespaciais avançados. Sua ligação com o programa de ameaças aeroespaciais é a de um estudo de apoio: avalia uma tecnologia de armazenamento de energia que poderia alimentar propulsão elétrica ou armas de energia dirigida, e que poderia ser detectada por sua assinatura. Os dados de tabelas, equações e gráficos vêm de fontes citadas nas 47 notas finais, em sua maioria artigos científicos de 2005 a 2010 e livros brancos de fabricantes, e não de medições feitas pelos autores.

LEITURA DIRETA DO ARQUIVO

O documento, em português

Traduzidas na íntegra as 34 páginas do documento, da capa às notas finais, em arquivos por página. Tabelas e equações foram mantidas; nas notas finais, os títulos de obras em inglês ficaram como “[referências bibliográficas no original]” e foram traduzidos só os elementos descritivos. Não há trecho ilegível relevante; os nomes dos autores estão substituídos no próprio documento.

TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1

página inteira

NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 1º de novembro de 2010 COD: 20 de julho de 2010 DIA-08-1011-005 Documento de Referência de Inteligência de Defesa Futuros de Defesa Ultracapacitores como dispositivos de armazenamento de energia e de potência para aplicações comerciais e militares NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"]

Nota editorial: Capa do documento de referência da DIA de 1º de novembro de 2010 sobre ultracapacitores.

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UNCLASSIFIED//F8R [email protected] tJ!I!! eHt I 01 November 2010 !COD: 20 July 2010 DIA-08-1011 -005 Defense Intelligence Reference Document Defense Futures Ultracapacitors as Energy and Power Storage Devices for Commercial and Military Applications UNCLASSIFIED/f FQA &FFI&Iat.k ll6E 8Ptl¥

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 1, contando a capa.

TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10

página inteira

NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Gráfico de Ragone: densidade de energia (Wh/kg) no eixo vertical, de 0,01 a 1000; densidade de potência (W/kg) no eixo horizontal, de 10 a 10.000. Regiões rotuladas: baterias convencionais, 10 horas, 1 hora, 1 segundo, 0,03 segundo.] Figura 3. Gráfico de Ragone. O gráfico ilustra as áreas em que ultracaps e baterias predominam na relação entre densidade de potência e densidade de energia. HISTÓRICO O conceito de armazenar energia elétrica na dupla camada elétrica que se forma na interface entre um eletrólito e um sólido é conhecido desde o fim do século XIX. Em 1966, a Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) inventou o dispositivo no formato hoje comumente usado, que forma a base de centenas de patentes e milhares de artigos de periódicos. A Figura 4 mostra um desenho do dispositivo de dupla camada eletroquímica inventado pela SOHIO. A NEC lançou o SuperCapacitor™ em 1978, sob licença da SOHIO. [Figura 4. Capacitor eletrolítico conforme projetado e patenteado pela SOHIO. Desenho de patente com rótulos parcialmente ilegíveis, entre eles: "permeável", "metálico".] A partir desse ponto, os ultracaps evoluíram rapidamente por várias gerações de projetos. Na década de 1980, a Matsushita Electric Company desenvolveu um método de fabricar ultracapacitores com eletrodos aprimorados. Inicialmente, eles eram usados como dispositivos de energia de reserva para chips de relógio voláteis e memórias de computador de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS). À medida que a tecnologia foi mais bem compreendida, mais e mais aplicações foram desenvolvidas para os ultracaps. Muitas outras aplicações surgiram nos últimos 30 anos, entre elas a comunicação sem fio, a qualidade de energia e a melhoria da eficiência energética por processos de recuperação regenerativa de energia, como os encontrados em veículos elétricos híbridos.10 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 5

Nota editorial: Figura 3 (gráfico de Ragone), Figura 4 (desenho da patente da SOHIO) e o início do histórico dos ultracapacitores.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I 1000 ....... ,...s C') ~ 100 Con~entmnal.c - battene s ~ 1 hour 1 second 10C' "cii C: _,I I_________10 hours (I) "C 1 I>, ...Cl I 0.03 second (I) 0.1 -- '---------C: w 0.01 .__ ______________ __, 10 100 1000 10000 Power density (W/kg) Figure 3. Ragone Plot. The graph illustrates the areas where ultracaps and batteries dominate in the power density versus energy density relationship. HISTORY The concept of storing electrical energy in the electric double layer that is formed at the interface between an electrolyte and a solid has been known since the late 1800s. In 1966, Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) invented the device in the format now commonly used, which forms the basis for hundreds of patents and t housands of journal articles. Figure 4 shows a drawi ng from the electrochemical double-layer device invented by SOHIO. NEC introduced the SuperCapacitor™ in 1978 under license from SOHIO. CO UC. 0'2 Ole. SA . Alt(S04 3 50 10 lO PEQ.MEABLI:' Mct.162At-.lc- Figure 4. Electrolytic Capacitor as Designed and Patented by SOHIO. From this point on, ultracaps have rapidly evolved through several generat ions of designs. In the 1980s, Matsushita Electric Company developed a method of manufactur ing ultracapacitors with improved electrodes. Initia lly, they were used as backup power devices for volati le clock chips and complementa ry meta l-oxide­ semiconductor (CMOS) compute r memories . As the technology became more understood, more and more applications were developed for ultracaps. Many other applications have emerged over the past 30 years, including wire less communication, power quality, and improved energy efficiency through regenerat ive energy capture processes, as found in hybrid electric vehicles .10 UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 5

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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Os primeiros ultracaps usavam eletrólitos aquosos feitos com Al2(SO4)3 (sulfato de alumínio), H2SO4 (ácido sulfúrico) ou KOH (hidróxido de potássio). Embora esses eletrólitos tenham excelente condutividade iônica, a tensão de operação é limitada a 1,2 volt com eletrodos de carbono. Os eletrólitos orgânicos têm menor condutividade iônica, mas a constante dielétrica mais alta eleva a tensão nominal da célula até cerca de 3 volts. O carbono é usado como material de eletrodo de alta área superficial desde o início do capacitor eletroquímico. Ainda é o material preferido para muitos ultracapacitores; um dos principais motivos é o baixo custo dos materiais de carbono. No entanto, há muitos tipos de carbono disponíveis para uso como material de eletrodo. Além dos eletrodos carbonáceos, óxidos metálicos e polímeros condutores vêm encontrando uso crescente no projeto de ultracaps. Os avanços na compreensão da dupla camada elétrica e do comportamento dos ultracapacitores levaram a um melhor aproveitamento dos materiais e, por consequência, a dispositivos aprimorados. Os primeiros capacitores eletroquímicos eram especificados para alguns volts e tinham valores de capacitância medidos de menos de um farad até vários farads. Hoje as células variam de pequenos dispositivos, com desempenho excepcional de potência pulsada na faixa de milifarads, até dispositivos especificados para vários quilofarads. Existem até algumas células especializadas de ultracapacitor já em produção com valores nominais acima de 100 kF. A tecnologia está tendo uso cada vez mais amplo, substituindo baterias em alguns casos e, em outros, complementando seu desempenho. A tecnologia de ultracaps tornou-se uma indústria com vendas de várias centenas de milhões de dólares por ano, preparada para crescimento rápido no curto prazo devido à expansão das necessidades de qualidade de energia e das aplicações emergentes de gestão e conservação de energia.11 Os avanços em ultracapacitores levaram a numerosos dispositivos de uma série de fabricantes. A Tabela 2 compara os vários produtos no mercado, mostrando tensão, capacidade, densidade de potência e outras características de armazenamento de energia. Os ultracaps deixaram de usar eletrólitos aquosos e hoje costumam usar eletrólitos orgânicos devido ao maior desempenho em tensão. Os eletrodos variam de sistemas carbono/carbono a sistemas híbridos que usam óxidos metálicos ou polímeros condutores combinados com um eletrodo de carbono. As embalagens e os tamanhos dos ultracapacitores cobrem uma grande faixa, pois eles são agora usados desde comunicações celulares e pequenos aparelhos eletrônicos até a entrega e o gerenciamento de potência em guindastes de portos marítimos. O desenvolvimento da tecnologia de ultracapacitores concentra-se em oferecer melhor densidade de energia, e isso é abordado por meio de eletrodos de carbono aprimorados, melhores eletrólitos e eletrodos alternativos que oferecem comportamento pseudocapacitivo, incluindo eletrodos semelhantes aos de bateria.12 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 6

Nota editorial: Evolução dos eletrólitos e eletrodos, tamanhos das células e o mercado de ultracapacitores.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I Initial ultracaps used aqueous electrolytes made with Ab(SO4)3 (aluminum sulfate), H2SO4 (sulfuric acid), or KOH (potassium hydroxide) . While these electrolytes have excellent ionic conductivity, the operating voltage is limited to 1.2 volts using carbon electrodes. Organic electrolytes have lower ionic conductivity, but the higher dielectric constant increases the nominal cell voltage up to as high as 3 volts. Carbon has been used as a high-surface-area electrode material since the inception of the electrochemical capacitor. It is still the material of choice for many ultracapacitors; one of the primary reasons is the low cost of carbon materials. However, there are many types of carbon that are available for use as an electrode material. In addition to carbonaceous electrodes, metal oxides and conductive polymers are find ing increasing use in ultracap design. Advancements in the understanding of the electric double-layer and ultracapacitor behavior have led to better materials utilization and, consequently, improved devices. Early electrochemical capacitors were rated at a few volts and had capacitance values measured from less than one farad up to several farads. Today cells range in size from small devices with exceptional pulse-power performance in the millifarad range up to devices rated at several kilofarads. There are even some specialized ultracapacitor cells now in production that have ratings of more than 100 kF. The technology is experiencing increasingly broader use, replacing batteries in some cases and in others complementing their performance. Ultracap technology has grown into an industry with sales of several hundred million dollars per year that is poised for rapid growth in the near term due to expansion of power quality needs and the emerging energy management/conservation applications. 11 Advancements in ultracapacitors have led to numerous devices from an array of manufacturers. Table 2 compares the various products on the market, showing voltage, capacity, power density, and additional energy-storage characteristics. Ultracaps have moved away from aqueous electrolytes and are typically organic electrolytes due to the increased voltage performance. Electrodes vary from carbon/carbon systems to hybrid systems using metal oxides or conductive polymers paired with a carbon electrode. Packaging and sizes of ultracapacitors covers a large range as these are now used from cellular communications and small electronics to power delivery and management for seaport cranes. Ultracapacitor technology development is focusing on delivering better energy density, and this is being approached by improved carbon electrodes, better electrolytes, and alternative electrodes that provide pseudocapacitive behavior, including battery-like electrodes. 12 UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 6

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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Tabela 2: Fabricantes de ultracapacitores13 Colunas: Dispositivo | V nominal | C (F) | R (mOhm) | RC (s) | Wh/kg (1) | W/kg (95%) (2) | W/kg impedância casada (2) | Massa (kg) | Vol. (L) Maxwell* | 2,7 | 2.885 | 0,375 | 1,08 | 4,2 | 994 | 8.836 | 0,55 | 0,414 Maxwell | 2,7 | 605 | 0,90 | 0,55 | 2,35 | 1.139 | 9.597 | 0,20 | 0,211 Apowercap** | 2,7 | 55 | 4 | 0,22 | 5,5 | 5.695 | 50.625 | 0,009 | --- Apowercap** | 2,7 | 450 | 1,4 | 0,58 | 5,89 | 2.574 | 24.595 | 0,057 | 0,045 Ness | 2,7 | 1.800 | 0,55 | 1,00 | 3,6 | 975 | 8.674 | 0,38 | 0,277 Ness | 2,7 | 3.640 | 0,30 | 1,10 | 4,2 | 928 | 8.010 | 0,65 | 0,514 Ness (cil.) | 2,7 | 3.160 | 0,4 | 1,26 | 4,4 | 982 | 8.728 | 0,522 | 0,38 Asahi Glass (pc) | 2,7 | 1.375 | 2,5 | 3,4 | 4,9 | 390 | 3.471 | 0,210 (est.) | 0,151 Panasonic (pc) | 2,5 | 1.200 | 1,0 | 1,2 | 2,3 | 514 | 4.596 | 0,34 | 0,245 EPCOS | 2,7 | 3.400 | 0,45 | 1,5 | 4,3 | 760 | 6.750 | 0,60 | 0,48 LS Cable | 2,8 | 3.200 | 0,25 | 0,80 | 3,7 | 1.400 | 12.400 | 0,63 | 0,47 BatScap | 2,7 | 2.680 | 0,20 | 0,54 | 4,2 | 2.050 | 18.225 | 0,50 | 0,572 Power Sys. (AC, pc) ** | 2,7 | 1.350 | 1,5 | 2,0 | 4,9 | 650 | 5.785 | 0,21 | 0,151 Power Sys. (GC, pc) ** | 3,3 | 1.800 | 3,0 | 5,4 | 8,0 | 486 | 4.320 | 0,21 | 0,15 (mesmo fabricante, segunda linha) | 3,3 | 1.500 | 1,7 | 2,5 | 6,0 | 776 | 6.903 | 0,23 | 0,15 Fuji Heavy Industry - híbrido (AC/GC) ** | 3,8 | 1.800 | 1,5 | 2,6 | 9,2 | 1.025 | 10.375 | 0,232 | 0,143 JSR Micro (AC/GC)** | 3,8 | 1.000 | 4 | 4 | 11,2 | 900 | 7.987 | 0,113 | 0,073 (mesmo fabricante, segunda linha) | 3,8 | 2.000 | 1,9 | 3,8 | 12,1 | 1.038 | 9.223 | 0,206 | 0,132 (1) Densidade de energia a potência constante de 400 W/kg, de Vnominal a ½ Vnominal (2) Potência baseada em P = 9/16 × (1 − EF) × V²/R, em que EF = eficiência de descarga * Exceto onde indicado, todos os dispositivos usam acetonitrila como eletrólito (pc = carbonato de propileno) AC = carbono ativado; GC = carbono grafítico ** Bolsas laminadas; todos os demais dispositivos são embalados em recipientes metálicos NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 7

Nota editorial: Tabela 2: fabricantes de ultracapacitores e as características de dispositivos comerciais (tensão, capacitância, resistência, energia e potência específicas, massa e volume).

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I Table 2: Manufacturers of Ultracapacitors 13 Device V rated C (Fl R (mOhml RC (sec} Wh/kg (1) W/kg (95%) (2) W/kg Match. Imped. Wgt. (kal Vol. lit. Maxwell* 2.7 2 885 .375 1.08 4.2 994 8 836 .55 .414 Maxwell 2.7 605 .90 .55 2.35 1 139 9 597 .20 .211 Apowercap** 2.7 55 4 .22 5.5 5,695 50,625 .009 --- Aoowercap** 2.7 450 1.4 .58 5.89 2,574 24 595 .057 .045 Ness 2.7 1 800 .55 1.00 3.6 975 8 674 .38 .277 Ness 2.7 3 640 .30 1.10 4.2 928 8 010 .65 .514 Ness (cyl.) 2.7 3 160 .4 1.26 4.4 982 8 728 .522 .38 Asahi Glass (pc) 2.7 1,375 2.5 3.4 4.9 390 3,471 .210 (est.) .151 Panasonic (oc) 2.5 1 200 1.0 1.2 2.3 514 4 596 .34 .245 EPCOS 2.7 3 400 .45 1.5 4.3 760 6 750 .60 .48 LS Cable 2.8 3 200 .25 .80 3.7 1 400 12 400 .63 .47 BatScao 2.7 2 680 .20 .54 4.2 2 050 18 225 .50 .572 Power Sys. (AC, IPC) ** 2.7 1,350 1.5 2.0 4.9 650 5,785 .21 .151 Power Sys. (GC, pc)** 3.3 3.3 1,800 1 500 3.0 1.7 5.4 2.5 8.0 6.0 486 776 4,320 6 903 .21 .23 .15 .15 Fuji Heavy Industry- hybrid l(AC/GC) ** 3.8 1,800 1.5 2.6 9.2 1,025 10,375 .232 .143 JSR Micro (AC/GC)** 3.8 1,000 2 000 4 1.9 4 3.8 11.2 12.1 900 1 038 7,987 9 223 .113 .206 .073 .132 (1) Energy density at 400 W/kg constant power, Vrated - 1/2 Vrated (2) Power based on P=9/16 * (1-EF) * V2/R, EF=efficiency of discharge * Except where noted, all the devices use acetonitrile as the electrolyte (pc = carbonate) AC = Activated Carbon; GC = Graphitic Carbon ** Laminated oouches; all other devices are oackaaed in metal containers propylene UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 7

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 12, contando a capa.

TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13

página inteira

NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 2: Tecnologia de materiais O capacitor eletroquímico padrão é feito de dois eletrodos, um eletrólito e um separador, embalados em um recipiente metálico ou em uma bolsa laminada. Os ultracapacitores costumam ser embalados de modo semelhante a uma configuração típica de bateria. O separador é um material ultrafino que permite o transporte de íons, mas é eletricamente isolante. Há vários separadores poliméricos no mercado com a porosidade desejada para criar transporte rápido de íons. Os eletrodos são tradicionalmente do mesmo material em um ultracapacitor, o que contrasta fortemente com uma bateria. Os eletrodos são tipicamente de carbono; isso é vantajoso para fazer um dispositivo de armazenamento de energia/potência economicamente eficiente. O carbono ativado tem uma área superficial muito alta, vital para armazenar energia na dupla camada elétrica entre o eletrodo e o eletrólito. Essa dupla camada fina é responsável pelas impressionantes capacidades de armazenamento de alta potência do ultracapacitor. A resistividade e a constante dielétrica do eletrólito desempenham papel vital no comportamento da dupla camada; por consequência, a escolha do eletrólito afeta o desempenho. Os primeiros capacitores eletroquímicos foram introduzidos há mais de 30 anos; eram projetos simétricos (dois eletrodos idênticos) em eletrólito aquoso. Embora esses eletrólitos tenham excelente condutividade iônica, a tensão de operação da célula era limitada a cerca de 1,2 V/célula, e a especificação nominal da célula era de cerca de 0,9 volt. Na segunda geração de capacitores eletroquímicos, o uso de eletrólito orgânico levou a um aumento da tensão nominal da célula, de cerca de 0,9 V/célula para 2,3-2,7 V/célula. Hoje, os ultracapacitores que usam eletrólito orgânico são os mais populares.14 ELETRÓLITOS Os ultracaps iniciais usavam eletrólitos aquosos, saturados com Al2(SO4)3, ou em concentrações de 30% de H2SO4 ou KOH. Embora esses eletrólitos tenham excelente condutividade iônica, a tensão de operação é limitada a 1,2 volt com eletrodos de carbono. Melhorias no desempenho dos ultracapacitores foram feitas com a transição de eletrólitos aquosos para um meio orgânico. Os eletrólitos orgânicos têm menor condutividade iônica, mas o maior potencial de ruptura aumenta a tensão nominal da célula. Um aumento da tensão da célula até cerca de 3 volts foi obtido com o uso de um eletrólito orgânico. Esses eletrólitos são tipicamente um sal de amônio dissolvido em um solvente orgânico, como carbonato de propileno ou acetonitrila. A Tabela 3 destaca a comparação entre os vários eletrólitos usados em ultracapacitores. Os líquidos iônicos estão começando a se tornar mais comuns em ultracapacitores, pois permitem um aumento da tensão da célula até 4 volts. Esses líquidos iônicos têm maior resistividade, especialmente em temperaturas mais baixas. A troca de resistividade por tensão pode ser benéfica para algumas aplicações de alta potência. Tabela 3: Propriedades de diversos eletrólitos usados em ultracapacitores15 Eletrólito | Densidade (g/cm³) | Resistividade (Ohm·cm) | Tensão da célula (V) KOH | 1,29 | 1,9 | 1,0 Ácido sulfúrico | 1,2 | 1,35 | 1,0 Carbonato de propileno | 1,2 | 52 | 2,5-3,0 Acetonitrila | 0,78 | 18 | 2,5-3,0 Líquido iônico | 1,3-1,5 | 125 (25 °C); 28 (100 °C) | 4,0; 3,25 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 8

Nota editorial: Capítulo 2: componentes de uma célula, evolução dos eletrólitos e a Tabela 3 com as propriedades de diversos eletrólitos.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I Chapter 2: Materials Technology The standard electrochemica l capacitor is made of two electrodes, an electrolyte, and a separator, packaged in either a metal container or a laminated pouch. Ultracapacitors are often packaged in a fashion similar to a typical battery configuration. The separator is an ultrath in material that allows ion transport but is electrically insulating. There are several polymer separators on the market that have the desired porosity needed to create fast ion transport. The electrodes are traditionally the same material in an ultracapacitor-th is is in stark contrast to a battery. Electrodes are typically carbon; this is advantageous in making a cost-effective energy/power-storage device . Activated carbon has a very high surface area, vital to storing energy in the electrica l double layer between the electrode and the electrolyte. This th in double layer is respons ible for the impress ive high-power-storage capabilities of the ultracapacitor. The electrolyte's resistivity and dielectr ic constant play a vital role in behavior of the double layer; consequently, the choice of electrolyte impacts performance. The earliest electrochemical capacitors were introduced 30+ years ago; they were symmetric designs (two identical electrodes) in aqueous electrolyte . While these electrolytes have excellent ionic conductivity, the operating cell voltage was limited to ~1.2 V/cell and these had a nominal cell rating of ~0 .9 volts . In the second generation of electrochemical capacitors, the use of organic electrolyte led to an increase of the rated cell voltage from about 0.9 V/cell to 2.3-2.7 V/cell. Today, ultracapacitors using an organic electrolyte are the most popular. 14 ELECTROLYTES Initial ultracaps used aqueous electrolytes, saturated with Al2(SO4)3, or 30% concentrations of H2SO4 or KOH. While these electrolytes have excellent ionic conductivity, the operati ng voltage is limited to 1.2 volts using carbon electrodes. Improvements to ultracapacito r performance were made by trans itioning from aqueous electrolytes to an organic medium. Organic electrolytes have lower ionic conductivity, but the higher breakdown potential increases the nominal cell voltage. An increase in cell voltage up to as high as 3 volts has been realized by use of an organ ic electrolyte. These electrolytes are typically an ammonium salt dissolved in an organic solvent, such as propylene carbonate or aceton itrile. Table 3 highlights the comparison between the various electro lytes used in ultracapacitors. Ionic liquids are beginn ing to become more commo n in ultracapac itors , as they allow for an increase in cell voltage to as high as 4 volts. These ionic liquids have a higher r esistivity , especially at lower tempera tures. The tradeo ff in resistivity for volt age may be beneficial for some high-power applicati ons. Tab le 3: Properties of Various Electrolytes Used in Ultracapacito rs15 Electrolyte KOH Sulfuric acid Propylene carbona te Acetonitrile Ionic liquid Density (am/cm3) 1.29 1.2 1.2 0.78 1.3- 1.5 Resistivity (Ohm-cm) 1.9 1.3 5 52 18 125 (25° C) 28 (100°C) Cell Voltaae 1.0 1.0 2.5-3.0 2.5-3 .0 4.0 3.25 UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 8

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TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] ELETRODOS O carbono tem sido o material de eletrodo ideal para ultracapacitores desde sua introdução comercial, há mais de 30 anos. Os sistemas de pseudocapacitor usam uma combinação de um eletrodo de carbono e um eletrodo semelhante ao de bateria, como um polímero condutor ou um óxido metálico. A alta área superficial do carbono o torna uma opção extremamente atraente para eletrodos de ultracaps. A química do carbono é bastante conhecida, e a alta área superficial e o baixo custo asseguram o uso continuado do carbono no futuro próximo. Embora o carbono seja usado em sistemas eletroquímicos há muitos anos, há muitas nuances que fazem suas propriedades e seu desempenho variarem significativamente entre os muitos tipos de carbono. O uso de um eletrodo de carbono torna os ultracaps acessíveis para uso em muitos sistemas. O carbono ativado está prontamente disponível, pode ser feito de muitos materiais de origem e é barato. As atividades de ciência de materiais para eletrodos concentram-se em aprimorar os eletrodos de carbono e em introduzir materiais alternativos para criar um eletrodo assimétrico. Os tipos de carbono podem incluir carbono ativado, tecido de carbono, aerogéis, carbono poroso, nanotubos de carbono e grafeno. As propriedades do carbono podem mudar drasticamente conforme o processamento, com grande impacto na porosidade e na área superficial ativa. O carbono ativado tem área superficial extremamente alta, é barato e é produzido em escala global para uso em diversas aplicações. Por essas razões, o carbono ativado é o carbono tradicionalmente escolhido para aplicações em ultracapacitores. Avanços recentes no desenvolvimento de materiais de carbono levaram a várias opções para eletrodos de ultracapacitores. A Tabela 4 mostra diversos materiais de eletrodo em uso hoje e o desempenho correspondente desses ultracaps. Tabela 4: Propriedades de diversos materiais usados como materiais de eletrodo de capacitores eletroquímicos16 Material | Densidade (g/cm³) | Eletrólito | F/g | F/cm³ Carbono ativado | 0,7 | KOH | 160 | 112 | | Orgânico | 100 | 70 Tecido de carbono | 0,35 | KOH | 200 | 70 | | Orgânico | 100 | 35 Carbono aerogel | 0,6 | KOH | 75 | (não indicado) | | Orgânico | 125 | 84 Carbono poroso de SiC | 0,7 | KOH | 175 | 122 | | Orgânico | 100 | 70 Carbono poroso de TiC | 0,5 | KOH | 220 | 110 | | Orgânico | 120 | 60 RuO2 anidro | 2,7 | Ácido sulfúrico | 150 | 405 RuO2 hidratado | 2,0 | Ácido sulfúrico | 650 | 1.300 Polímero condutor dopado | 0,7 | Orgânico | 450 | 315 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 9

Nota editorial: Eletrodos de carbono e a Tabela 4 com as propriedades de materiais de eletrodo.

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt9! e"t I ELECTRODES Carbon has been the optimal electrode mater ial for ultracapacitors since their commercial introduction over 30 years ago. Pseudocapacitor systems use a comb ination of a carbon electrode and a battery-like electrode, such as a conductive polymer or a metal oxide. The hig h surface area of carbon makes it an extremely attractive option for ultracap electrodes . Carbon chemistry is quite well known, and high surface area and low cost ensures carbo n's cont inued use for the near future. While carbon has been used in electrochemica l systems for many years, there are many nuances that make its properties and performance vary significantly amongst the many types of carbon. The use of a carbon electrode makes ult racaps affordab le for use in many systems. Activated carbo n is readily available, can be made from many source materia ls, and is inexpens ive. Materials science activities for electrodes are focused on improving the carbon electrodes and i ntroduci ng alterna tive materia ls to create an asymmetric electrode. Types of carbon can include activated carbon, carbon cloth, aerogels, porous carbon, carbon nanotubes, and graphene. The properties of carbon can change dramatically based upon processing, having a major im pact to the porosity and active surface area. Activated carbon has an extremely high surface area, is inexpensive, and is produced at a global scale for use in a number of applications. For these reasons, activated carbon is the traditional carbon of choice for ultracapacitor applications. Recent advances in carbon materials development have led to a number of options for ultracapacitor electrodes. Table 4 demonstrates a number of electrode materials in use today and t he corresponding performance of these ultracaps. Table 4: Properties of Various Materials Used in Electrochemical Capacitor Electrode Materials 16 Material Density (g/cm 3 ) Electrolyte F/g F/cm 3 Activated Carbon 0.7 KOH 160 112 Oroanic 100 70 Carbon Cloth 0.35 KOH 200 70 Organic 100 35 Aerogel Carbon 0.6 KOH Orqanic 75 125 84 Porous Carbon from SiC 0.7 KOH 175 122 Oroanic 100 70 Porous Carbon from TiC 0.5 KOH 220 110 Organic 120 60 Anhydrous RuO2 2.7 Sulfuric Acid 150 405 Hvdrous RuO2 2.0 Sulfuric Acid 650 1 300 Doped Conductive Polvmer 0.7 Orqanic 450 315 UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 9

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TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Os carbonos ativados são sintetizados por um tratamento térmico de precursores orgânicos ricos em carbono em atmosfera controlada. Esse processo de carbonização pode ser feito a partir de fontes naturais, como cascas de frutas, madeira, piche ou coque. Os carbonos ativados também podem ser produzidos a partir de precursores sintéticos, como certos polímeros. O processo de tratamento térmico usa uma oxidação parcial controlada do precursor combinada com processamento em alta temperatura. O processamento em alta temperatura pode ser feito em atmosfera inerte, em ambiente oxidante ou com uma modificação química. Os carbonos ativados contêm uma rede porosa distribuída em todo o material, como mostra a Figura 5.17 Esses materiais podem ter área superficial extremamente alta, acima de 3.000 m²/g, mas as condições de processo para criar carbonos ativados oferecem pouco controle sobre a distribuição do tamanho dos poros, resultando em aproveitamento incompleto da área superficial. Os eletrodos de tecido de carbono usam condições de processamento semelhantes às usadas para criar carbonos ativados. A vantagem de um tecido composto de carbono ativado é que esses materiais são usados diretamente como eletrodos ativos, sem exigir aglutinante nem processamento adicional. No entanto, eles tendem a ser caros de produzir, o que até agora limitou seu uso a aplicações especializadas. [Figura 5: macroporos >50 nm; microporos <2 nm; mesoporos 2-50 nm] Figura 5. Porosidade do carbono ativado. Eles podem ser produzidos com uma distribuição de tamanhos de poro que vai de menos de 2 nm a mais de 50 nm. Espera-se que melhorias continuadas nos eletrodos de carbono proporcionem ganhos adicionais de desempenho aos ultracaps. A pesquisa atual caminha para materiais de carbono com maior capacitância específica (F/g). Materiais aprimorados, como nanotubos de carbono e carbonos porosos sob medida, mostram-se promissores como a próxima geração de materiais de carbono. O grafeno é outro material de carbono avançado que se mostra promissor para proporcionar maior capacitância. Uma das questões centrais de projeto gira em torno de uma melhor compreensão da relação entre o tamanho dos poros do carbono e o íon do eletrólito. Os materiais nanoestruturados permitem o ajuste fino da estrutura porosa para aumentar a capacitância. Os nanotubos de carbono (CNTs) são comumente produzidos como pós, que podem ser moldados como uma rede distribuída para formar um eletrodo, e podem ser usados como aditivo para aumentar a condutividade. Além disso, os CNTs podem ser cultivados como uma "floresta", em que os CNTs crescem perpendicularmente a um substrato. Essas florestas podem ser usadas como estão ou ser modificadas ou revestidas para alterar propriedades estruturais ou eletrônicas específicas. Os CNTs são cultivados por vários métodos, mas a maioria dos métodos usados atualmente é derivada de um processo de deposição química a vapor (CVD). As propriedades específicas dos nanotubos são extremamente ajustáveis. O comprimento, o diâmetro, o número de tubos e as propriedades eletrônicas dos CNTs podem ser todos ajustados pelas condições de crescimento. Os catalisadores usados para cultivar CNTs podem afetar as propriedades dos tubos, assim como a temperatura e as variáveis do precursor. Os nanotubos de carbono estão encontrando utilidade tanto em baterias quanto em ultracapacitores, onde são usados para aumentar a condutividade e para armazenar energia. Seu comportamento capacitivo sugere que podem ter um mecanismo de armazenamento fundamentalmente diferente do carbono tradicional. O potencial de armazenamento inclui as paredes externas dos CNTs, o diâmetro interno e os espaços entre paredes NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 10

Nota editorial: Síntese do carbono ativado, tecido de carbono, a Figura 5 sobre porosidade e a descrição dos nanotubos de carbono.

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt.!! e"t I Activated carbons are synthesized by a heat treatme nt of carbon-r ich organ ic precursors in a controlled atmosphere. This carbonization process can be performed from natura l sources, such as fru it shells, wood, pitch, or coke. Activated carbons can also be produced from synthetic precursors, such as select polymers. The heat treatment process uses a controlled partial oxidation of the precursor combined with a high-temperature processing. The high-temperature processing can be done in an inert atmosp here, an oxidizing environment, or with a chemical modificat ion. The activated carbons contain a distributed porous network throughout, as shown in Figure 5 .17 These materials can have an extremely high surface area, upward of 3,000 m2/g, but process conditions to create activated carbons have litt le control over pore size distribution, result ing in incomplete utilizat ion of the surface area. Carbon cloth electrodes use processing conditions similar to those used to create activated carbons . The advantage with a fabric composed of activated carbon is these materials are directly used as active electrodes, requiring no binder or additional processing. However, these tend to be expensive to produce, which has thus far limited their use to specialized applications. rnacroporcs >50 run ~ -1-- mi r pre <2nm mesopore 2-50nm Figure 5. Activated Carbon Porosity. These can be produced with a distribut ion of pore sizes ranging from less than 2 nm to greater than SO nm. Continued improvements to the carbon electrodes are expected to provide additional performance enhancement to ultracaps. Current research is leading toward carbon materials with higher specific capacitance (F/g). Improved materials, such as carbon nanotubes and tailored porous carbons show promise as the next generation of carbon materials. Graphene is another advanced carbon material that shows promise to providing increased capacitance. One of the key design issues revolves around improved understanding of the relationship between the carbon pore size and the electrolyte ion. The nanostructured materials allow fine tuning of the porous structure to increase capacitance. Carbon nanotubes (CNTs) are commonly produced as powders where they can be cast as a distributed network to form an electrode, and they can be used as an additive to increase conductivity. Additionally, CNTs can be grown as a "forest," where the CNTs are grow n perpendicu lar to a substrate. These forests can be used as is or can be modified or coated to change specific structural or electronic properties. CNTs are grown by a number of methods, but most methods used currently are a derivative of a chemical vapor deposition (CVD) process. The specific propert ies of the nanotubes are extremely tailorable. CNT length, diameter, the number of tubes, and the electronic properties can all be tailored by growth conditions. The catalysts used to grow CNTs can affect tube properties, as well as CNT tempe rature and precursor variables. Carbon nanotubes are finding util ity in both battery and ultracapacitor applications, where they are used for conductivity enhancement and energy storage. Their capacitive behavior suggests they may have a fundamentally different storage mechanism than traditional carbon. Storage potential includes CNT outer walls, inner diameter, and interwall spaces UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 10

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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] de alguns tipos de CNT. Os nanotubos de carbono têm sido uma área rica de estudo para muitas aplicações, o que se traduziu em ampla compreensão das técnicas de síntese para produzir CNTs com propriedades ajustáveis. O grafeno pode ser entendido como uma folha de grafite, de uma única camada ou de poucas camadas de espessura. A natureza bidimensional do grafeno leva a um transporte de elétrons extremamente alto pela superfície, a propriedades magnéticas interessantes, a alta resistência e a uma grande área superficial acessível.18 O grafeno é geralmente feito por esfoliação/separação do grafite ou cultivado por processos de CVD. Derivações de ambos os métodos podem produzir grafeno de camada única ou de poucas camadas. Esses métodos incluem, entre outros, métodos de CVD, crescimento epitaxial, síntese solvotérmica, esfoliação micromecânica e síntese coloidal.19 O grafeno gerou enorme atenção por seu potencial de transformar a eletrônica. Diversas abordagens para a síntese de grafeno estão sendo usadas, considerando pureza, escalabilidade e custo. Os carbonos derivados de carbetos são uma classe singular de carbonos porosos com controle extremamente fino sobre o tamanho dos poros.20 Esses carbonos porosos são obtidos pela cloração de carbetos metálicos em temperaturas muito altas. Em temperaturas de 500-1000 °C, metais e metaloides são removidos como cloretos, deixando para trás um carbono nanoporoso finamente ajustável. Esses carbonos porosos têm uma distribuição de tamanho de poro ajustável dentro de 0,05 nm. A sintonia extremamente precisa permitiu que esses sistemas servissem de modelo para a relação entre tamanho de poro e capacitância, permitindo assim projetar materiais sob medida para a capacitância máxima dentro de um sistema específico. O máximo local de capacitância depende da esfera de solvatação do íon, que é produto do íon do eletrólito, do solvente e da interação com os poros do eletrodo. Essas constatações levarão a novos materiais e projetos de eletrodo. O carbono ativado e outros derivados de carbono poroso são comumente usados em ultracapacitores simétricos. Óxidos metálicos, como o óxido de rutênio, e polímeros condutores substituem um dos eletrodos para criar um sistema assimétrico. Os eletrodos assimétricos aumentam muito a capacidade de armazenamento dos ultracapacitores. Eles são uma classe diferente de capacitor, pois armazenam sua carga tanto na dupla camada elétrica quanto por meio de uma reação redox (faradaica) de superfície (do mesmo modo que uma bateria). Embora passem por reações de transferência de elétrons, comportam-se de maneira capacitiva. Muitas vezes chamada de pseudocapacitor, essa classe de materiais inclui uma variedade de óxidos metálicos e polímeros condutores. A capacitância de um eletrodo assimétrico é o dobro da de um projeto simétrico. O eletrodo de transferência de elétrons tem essencialmente um potencial fixo, ao passo que o potencial do eletrodo de carbono muda com o estado de carga. Capacidade de armazenamento adicional surge da tensão de trabalho mais alta, devido aos diferentes potenciais de repouso dos diferentes eletrodos. Os eletrodos assimétricos estão se tornando cada vez mais comuns por causa da maior capacidade de armazenar energia. Como a energia é proporcional ao quadrado da tensão, a tensão de operação mais alta tem efeitos profundos sobre a capacidade. Mostrou-se que o óxido de rutênio (RuO2) fornece capacitância de até 1300 F/cm³. Em comparação, materiais carbonáceos em eletrólito aquoso têm capacitância de 110-125 F/cm³. Há muitos óxidos metálicos adicionais sendo investigados para inserção no sistema de ultracapacitor. Muitos deles têm raízes em materiais de cátodo de baterias de íons de lítio. À medida que os ultracaps ganham maior aceitação, o tamanho do mercado cresce rapidamente e deve crescer em ritmo crescente. Estão sendo conduzidas investigações de sistemas alternativos de óxidos metálicos para assegurar que custo, oferta e desempenho possam ser atendidos em escala global. O óxido de manganês (MnO2) e os óxidos/hidróxidos metálicos de níquel são NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 11

Nota editorial: Grafeno, carbonos derivados de carbetos, eletrodos assimétricos e pseudocapacitores.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I of some CNT types. Carbon nanotubes have been a rich area of study for many applications, which has translated to a broad understanding of synthesis techniques to produce CNTs with tailorable properties. Graphene can be thought of as a sheet of graphite, either a single layer or a few layers thick. The two-dimensional nature of graphene leads to extremely high electron transport across the surface, interesting magnetic properties, high strength, and a large accessible surface area.18 Graphene is generally made by exfoliation/separation of graphite or grown by CVD processes. Derivations from both of these methods can produce single-layer graphene or few-layer graphene. These methods include, but are not limited to, CVD methods, epitaxia l growth, solvothermal synthesis, micromechanica l exfoliation, and colloidal synthesis. 19 Graphene has generated an enormous amount of attention due to its potential for transforming electronics. A number of approaches to graphene synthesis are being used that consider purity, scalability, and cost. Carbide-derived carbons are a unique class of porous carbons with extremely fine control over pore size. 20 These porous carbons are derived by chlorination of metal carbides at very high temperatures. At temperatures of 500-1000°C, metals and metallo ids are removed as chlorides, leaving behind a finely tunable nanoporous carbon. These porous carbons have a pore-size distribution that is tunable within 0.05 nm. The extremely accurate tunability has allowed these systems to serve as a model for the relationsh ip of pore size and capacitance, thereby allowing for design of materials to be tailored for maximum capacitance within a specific system. The local maximum in capacitance is dependent on the ion salvation sphere, which is a product of the electrolyte ion, solvent, and interaction with the pores of the electrode. These findings will lead to new electrode materia ls and designs. Activated carbon and other porous carbon derivatives are commonly used for symmetric ultracapacitors. Metal oxides such as ruthenium oxide and conductive polymers replace one of the electrodes to create an asymmetric system. Asymmetric electrodes greatly increase the storage capacity of ultracapacitors. These are a different class of capacitor, as they store their charge both in the electrica l double layer and using a surface redox (faradaic) reaction (in the same manner as a battery). While these undergo electron transfer reactions, they behave in a capacitive fashion. Often termed pseudocapacitor, this class of materials includes a variety of metal oxides and conductive polymers. The capacitance of an asymmetric electrode is twice that of a symmetric design. The electron transfer electrode essentially has a fixed potential, whereas the potential of the carbon electrode changes with state of charge. Additional storage capacity arises from the higher working voltage, due to the different rest potentials of the different electrodes. Asymmetric electrodes are becoming increasingly common due to the increased energy­ storage capability. As energy is proportional to the voltage squared, the higher operating voltage has profound effects on the capacity. Ruthenium oxide (RuO2) has been shown to give capacitance of as high as 1300 F/cm3• By comparison, carbonaceous materials in an aqueous electrolyte have a capacitance of 110-125 F/cm 3. There are many additional metal oxides being investigated for insertion into the ultracapacitor system. Many of these have their roots in lithium ion battery cathode materials. As ultracaps gain wider acceptance, market size is increasing rapidly and is expected to grow at an increasing pace. Investigations are being conducted into alternative metal oxide systems to ensure that cost, supply, and performance can be met on a global scale. Manganese oxide (MnO2) and nickel metal oxides/hydroxides are UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 11

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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] os principais candidatos alternativos para ultracaps assimétricos. O uso de um projeto pseudocapacitivo provavelmente não conseguirá entregar a vida útil em ciclos de um ultracap simétrico, mas pode ser possível obter dezenas de milhares de ciclos de um eletrodo semelhante ao de bateria. A melhor capacitância e a maior tensão de operação do projeto de eletrodo assimétrico permitem que os ultracapacitores comecem a se aproximar das baterias em termos de densidade de energia. Melhorias adicionais nos ultracapacitores virão dos materiais e do projeto da célula. Os fatores de projeto da célula incluem técnicas de otimização e de montagem. Eletrodos e coletores de corrente mais finos serão um dos principais caminhos para um desempenho melhor. Eletrólitos que proporcionem tensões de célula de pelo menos 3 volts serão padrão. Melhorias como essas provavelmente levarão a melhorias nos ultracaps comercialmente disponíveis, de 4 Wh/kg para 5-6 Wh/kg.21 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 12

Nota editorial: Conclusão do capítulo 2: candidatos a eletrodos assimétricos e melhorias previstas de projeto de célula.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I leading alternative candidates for asymmetric ultracaps. Using a pseudocapacitive design will most likely not be able to deliver the cycle life of a symmetric ultracap, but it may be possible to achieve tens of thousands of cycles out of a battery-like electrode. Better capacitance and higher operating voltage of the asymmetric electrode design allow ultracapacitors to begin approaching batteries in terms of energy density. Additional ultracapacitor improvements will come from materials and cell design. Cell design factors include optimizat ion and assembly techniques. Thinner electrodes and current collectors will be one of the primary paths for better performance. Electrolytes that provide cell voltages of at least 3 volts will be standard. Improvements such as these will likely lead to improvements in commercially available ultracaps from 4 Wh/kg to 5-6 Wh/kg. 21 UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 12

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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 3: Aplicações ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕES A aplicação mais direta de um ultracapacitor é estabilizar tensões contínuas, e é aí que eles têm encontrado uso generalizado. As áreas em que pode ocorrer uma queda de tensão que prejudique o desempenho são outro encaixe natural para os ultracaps. Inicialmente, eram usados como energia de reserva para chips de relógio e memória CMOS; agora têm utilidade no alisamento de potência, na fotografia com flash e em câmeras digitais. O flash para câmeras de telefones celulares é um mercado em constante crescimento. Quase um bilhão de telefones equipados com câmeras foram vendidos em 2009. Os ultracaps possibilitam a fotografia com flash integrada à comunicação móvel. O mercado de hoje caminha para dispositivos eletrônicos com múltiplas funções, a fim de eliminar a necessidade de vários aparelhos especializados que cumprem cada um uma só tarefa. Integrar componentes em um único dispositivo eletrônico exige o uso de ultracapacitores para ajudar a estabilizar os picos curtos de potência dos componentes individuais. Os ultracaps também servem para reduzir a carga térmica decorrente da dissipação de potência. Os ultracaps encontraram extensa aplicação na comunicação sem fio, onde são usados em cartões de dados sem fio para transmissão de dados GSM, GPRS e WiMAX. A corrente de pico exigida durante a transmissão de dados pode exceder o que está disponível nos padrões USB ou de cartão de PC, e a corrente excedente é fornecida por um ultracapacitor. A leitura automatizada de medidores é outra aplicação em que os ultracaps se tornaram componente integral, pois a potência necessária para enviar e receber a informação do medidor é atendida por um ultracapacitor. A indústria de telecomunicações móveis os usa atualmente de várias maneiras; é provável que surjam usos adicionais para ultracaps junto com a necessidade de equilibrar os requisitos de potência de dispositivos cada vez mais complexos e multifuncionais contidos em áreas menores. INDÚSTRIA As aplicações industriais estão se tornando muito mais onipresentes à medida que os ultracaps são usados como plataforma para entregar rapidamente uma grande quantidade de potência. Eles estão se tornando cada vez mais importantes em guindastes, empilhadeiras, elevadores e ferramentas elétricas. Como exemplo, a energia é armazenada por um ultracapacitor em empilhadeiras híbridas toda vez que um garfo de carga desce. A energia armazenada é então entregue à empilhadeira quando é necessário um levantamento pesado. A Figura 6 mostra os requisitos de potência de uma empilhadeira híbrida. Os pulsos de potência de pico são áreas em que usar um ultracap para entregar ou receber a potência melhora muito a eficiência operacional. A área sombreada em azul representa a distribuição de potência atendida por uma célula a combustível, e as regiões em bege acima e abaixo da área azul representam, respectivamente, a saída do ultracapacitor e a entrada nele.22 Em guindastes e elevadores, usa-se uma aplicação semelhante. A potência de pico para as operações de içamento é fornecida pelo ultracap. Durante a descida do elevador ou o abaixamento do guindaste carregado, a potência gerada pode ser usada para recarregar o ultracapacitor. As ferramentas elétricas estão cada vez mais desconectadas da tomada. Muitas dessas ferramentas sem fio exigem quantidades significativas de potência de pico, que muitas baterias não conseguem fornecer adequadamente. O ultracapacitor usado em conjunto com uma bateria de alta energia fornece a potência pulsada exigida durante o uso intenso. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 13

Nota editorial: Capítulo 3: aplicações em eletrônica, telecomunicações e indústria.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I Chapter 3: Applications ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS The most straightforward application of an ultracapacitor is to stabilize de voltages, which is where they have found widespread use. Areas where a dip in voltage may occur and negatively impact performance is another natural fit for ultracaps. Initially, they were used as backup power for clock chips and CMOS memory; now, they find utility in power smoothing, flash photography, and digital cameras. Flash for mobile phone cameras is an ever-increasing market. Nearly one billion phones equipped with cameras were sold in 2009. Ultracaps enable flash photography integrated with mobile communication. Today's market is driving toward electronics devices with multiple functions to eliminate the need for multiple specialized electronics that each performs one task. Integrating components into one electronic device requires the use of ultracapacitors to help stabilize the short power spikes from the individual components. Ultracaps also serve to reduce thermal loading from power dissipation. Ultracaps have found extensive application in wireless communication, where they are used in wireless data cards for GSM, GPRS, and WiMAX data transmission. The peak current required during data transmission can exceed what is available under USB or PC-card standards, and the excess current is delivered with an ultracapacitor. Automated meter reading is another application where ultracaps have become an integral component, as the power required to send and receive the meter informa tion is handled by an ultracapacitor. The mobile telecomm industry is currently using these in a number of ways; it is likely that additional uses for ultracaps will spring up along with needs to balance power requirements for increasingly complex and multifunctional devices contained within smaller areas. INDUSTRIAL Industrial applications are becoming much more ubiquitous as ultracaps are being used as a platform to deliver a large amount of power quickly. These are becoming increasingly important in cranes, forklifts, elevators, and power tools. As an example, power is stored by an ultracapacitor in hybrid forklifts every time a loading fork descends. The stored power is then delivered to the forklift when heavy lifting is required. Figure 6 shows the power requirements for a hybrid forklift. The peak power pulses are areas where using an ultracap to deliver or to receive the power greatly improves the operational efficiency. The blue shaded area represents the power distribution handled by a fuel cell, and the tan regio ns above and below the blue area represents the output from and the input to the ultracapacitor, respectively. 22 In cranes and elevators, a similar application is used. Peak power is supplied for lift operations by the ultracap. During descent of the elevator or lowering of the loaded crane, generated power can be used to recharge the ultracapacitor. Power tools are becoming increasingly disconnected from an outlet. Many of these cordless power tools require significant amounts of peak power, which many batteries cannot adequately supply. The ultracapacitor used in conjunction with a high energy battery supplies the pulse power required during heavy use. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 13

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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Gráfico: perfil de operação de caminhão de carga; potência (kW) em função do tempo (h); curvas rotuladas "Saída da célula a combustível". Fonte parcialmente ilegível.] Figura 6. Uso de ultracapacitores em uma empilhadeira. Os ultracaps armazenam energia na descida de uma carga e entregam potência de pico para levantar cargas pesadas em empilhadeiras movidas a célula a combustível.23 O gerenciamento do armazenamento em rede ganha mais visibilidade à medida que a conservação e a eficiência de energia se tornam cada vez mais importantes. Muitas fontes de energia das concessionárias geram um fornecimento relativamente contínuo de eletricidade. A energia gerada é ajustada a estatísticas de uso esperadas. O uso diurno e os períodos de repouso noturnos podem causar escassez de energia ou gerar energia não utilizada se não forem geridos com eficiência. Isso é especialmente verdadeiro durante os meses quentes de verão ou ondas de calor, em que as cargas de ar-condicionado podem sobrecarregar o sistema. Os ultracapacitores podem armazenar o excedente de energia gerado à noite, que pode então ser entregue quando não há energia suficiente para atender às necessidades diurnas. Fontes distribuídas de energia, como a eólica e a solar, exigem um nível mais alto de eficiência operacional com um fornecimento flutuante. Os parques eólicos sofrem flutuações de potência devido ao cisalhamento do vento ou à sua falta. Esses picos de geração podem ser desperdiçados em um sistema mal equipado para lidar com o surto de energia entregue. Em períodos em que o vento pode faltar, os ultracapacitores podem ser usados para ajudar a criar um fornecimento de energia mais estabilizado. TRANSPORTE Os primeiros usos dos ultracapacitores foram na partida de motores de tanques e submarinos. A adoção precoce pelos militares levou a reduções de custo, o que foi um habilitador crítico para a incorporação em caminhões a diesel e locomotivas ferroviárias. Os ultracapacitores estão encontrando uso no transporte na partida de motores, em sistemas de frenagem, na aceleração e no aproveitamento de energia desperdiçada. Ultracaps foram instalados em vagões ferroviários para gerar potência de aceleração e recapturá-la na frenagem. Em alguns casos, são colocados ao longo dos trilhos, e o gerenciamento de energia fica a cargo das estações ferroviárias. A capacidade de absorver e descarregar energia rapidamente torna os ultracapacitores muito melhores que as baterias para esquemas de frenagem regenerativa. A maior parte dessas aplicações tem sido no transporte público. A frenagem regenerativa pode recuperar até 38% da energia de propulsão quando usada em uma configuração híbrida ultracap/bateria. Os ônibus públicos elétricos híbridos foram alguns dos primeiros a adotar ultracapacitores no transporte automotivo. Esses ônibus também usam ultracaps para a aceleração, o que permite uma aceleração muito mais rápida. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 14

Nota editorial: Figura 6 (perfil de operação de uma empilhadeira híbrida), gerenciamento de armazenamento em rede elétrica e transporte.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I Ult truck opercrtl ng profile 35 ~ ::.::.-=--=--=--=--=---------- ~~===--=--~ f ~ JJI - - -'~ ~~~ J [~~ J1L J! l 0 Fuel-<.ell output 5 0 t--""ffltTft''Mt---itlr--"'fflltM----,-m-rimr,,,_"'""rrm--tt-,-i - 5 - 100 l 2 Scuru : G IHydrogen lime (hr) Figure 6. Ultracapacitor Use in a Forklift. Ultracaps provide energy storage upon descent of a load and deliver peak power to lift heavy loads in fuel cell powered forklifts. 23 Grid storage management is gaining more visibility as energy conservation and efficiency are becoming increasingly important. Many utility power sources generate a relatively continuous supply of electr icity. The generated power is matched to expected use statistics. Daytime use and nighttime rest periods can cause power shortages or generate unused power if not managed efficiently. This is especially true during the hot summer months or heat waves, where air conditioning loads can tax a system. Ultracapacitors can store excess power generated in the night, which can then be delivered when insuffic ient power is available to match the daytime needs. Distributed power sources such as wind and solar require a higher level of operational efficiency with a fluctuating power supply. Wind farms experience power fluctuations due to wind shear or lack thereof. These spikes in power generation may be wasted on a system ill­ equipped to handle the burst of power delivered. During periods where wind may be lacking, ultracapacitors can be used to help create a more stabilized power supply. TRANSPORTATION Earliest uses of ultracapacitors were in motor startup for tanks and submarines. Early adoption by the military led to cost reductions, which was a critical enabler for incorporation into diesel trucks and railroad locomotives . Ultracapacitors are find ing use in transportation in engine startup, braking systems, acceleration, and waste-energy harvest ing. Ultracaps have been placed in rail cars to generate power for acceleration and recapture it during braking. In some cases, they are placed alongside the tracks, and t he power management is hosted by the rail stations. The ability to absorb and discharge energy rapidly makes ultracapacitors far better than batteries for regenerative braking schemes. Most of these applications have been in public transportation. Regenerative braking can recuperate as much as 38% of the propulsion energy when used in an ultracap/battery hybrid configuration. Electric hybrid public buses were some of the first adopters of ult racapacitors for automotive transportation. These buses also use ult racaps for acceleration, which enables a much faster acceleration. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 14

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TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Ultracapacitores como dispositivos de armazenamento de energia e de potência para aplicações comerciais e militares O Documento de Referência de Inteligência de Defesa fornece informação de referência, não substantiva mas autorizada, relacionada a temas ou metodologias de inteligência. Preparado por: Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) Escritório de Alerta de Defesa Diretoria de Análise Agência de Inteligência de Defesa Autores: AAP Person 84, AAP Person 85 (U) AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a disseminação adicional das fotografias desta publicação. Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2010 pelo Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a [AAP Person 1], Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: JUIAF - DI/DWO-3, Bldg 6000, Washington D.C. 20340-5100 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"]

Nota editorial: Página de créditos: órgão responsável, autores (nomes suprimidos), aviso de direitos autorais das fotografias e a quem dirigir comentários.

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UNCLASSIFIED//F8R 8Ff!C!Jlct tt:!!! tJHL I Ultracapacitors as Energy and Power Storage Devices for Commercial and Military Applications The Defense Intelligence Referen ce Document provides nonsubstantive but authoritative reference information related to intelli ence to ics or methodolo ies. Prepared by: Technology Warning Division (DW0-4 ) Defense Warning Office Directorate for Analysis Defense Intelligence Agency Authors : AAP Person 84, AAP Person 85 (U) COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized. This product is one of a series of advanced technology reports produced in FY 2010 under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace Weapons System Applications (AAWSA) Program. Comments or questions perta ining to this document should be addressed to !MP Person 1 IAAWSA Program Manager, Defense Inte lligence Agency, ATTN: JUIAF - DI/DWO -3, Bldg 6000, Washington D.C. 20340-5100 UNCLASSIFIED,<fiOA OFFI&l..tJk WSE e••tv

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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] AEROESPACIAL Os ultracapacitores são adequados para aplicações que exigem grandes surtos de potência por períodos relativamente curtos, com capacidade de recarga rápida. Os ultracapacitores estão encontrando uso onipresente em eletrônica e transporte, e há várias aplicações no setor aeroespacial, que vão da energia de reserva à entrega de alta potência pulsada. Os sistemas eletrônicos de veículos militares exigem operação à prova de falhas; os ultracaps podem ser projetados para fornecer uma fonte contínua de energia em caso de interrupção do fornecimento. Os sistemas de controle de tiro são outro exemplo em que é exigida energia contínua, incluindo maior capacidade de potência. Os airbags exigem uma fonte de energia de reserva para garantir que sejam acionados conforme o necessário, com ou sem sistema energizado. Pequenos sistemas portáteis de comunicação têm ultracaps para energia de reserva e para reter memória. A retenção de memória é crítica em muitos sistemas; por exemplo, a energia de ponte usada durante a transferência da alimentação de solo para a de bordo nos sistemas de aeronaves pode ser fornecida por um ultracap. Os ultracaps são excelentes para estabilizar a potência entregue ou recebida. Por exemplo, sistemas de comunicação podem exigir potência adicional durante a transmissão, o que pode ser compensado com o uso de um ultracap para complementar o sistema. As tensões de barramento podem precisar de estabilização da corrente de pico. As capacidades de alta potência dos ultracaps os tornam vantajosos para vários sistemas. A descarga rápida é ideal para entregar a potência significativamente maior exigida para dar partida em motores frios. Os sistemas de suspensão ativa em veículos exigem surtos de potência entregues em resposta ao terreno; um ultracap pode armazenar a potência necessária, entregá-la conforme preciso e recarregar rapidamente. Mísseis e projéteis guiados por GPS podem usar ultracapacitores para fornecer a potência exigida para comunicação e navegação. A descarga de alta potência para sistemas navais foi identificada como uma área em que os ultracaps são especialmente úteis, frequentemente usados em sistemas híbridos em conjunto com baterias de alta energia. A entrega de potência extremamente alta torna os ultracapacitores um veículo potencial para fornecer a potência exigida por armas de energia dirigida. À medida que os sistemas pseudocapacitivos alcançam densidades de energia mais altas, junto com melhorias nos materiais e na composição das células, os ultracapacitores terão capacidade de entregar grandes quantidades de potência em tempo muito curto, contidos em uma área cada vez menor. Assinaturas e vulnerabilidades Como mencionado acima, os ultracapacitores poderiam ser importantes no desenvolvimento de armas de energia de banda ultralarga. Anteriormente, esse mercado era dominado por dispositivos de chave semicondutora de onda acústica de volume (BASS), mas, ao ligar vários capacitores em paralelo, pode-se criar uma descarga mais formidável. Como os ultracapacitores têm taxas de descarga muito altas, eles emitirão uma assinatura distintiva de radiofrequência (RF) de banda larga quando descarregados. Um receptor de banda larga modesto pode ser capaz de detectar essa descarga; sua proximidade dependerá da construção do dispositivo-alvo. Além disso, a arquitetura de tal dispositivo pode produzir uma assinatura singular que, com o equipamento adequado, pode ser identificada e certamente justifica estudo adicional. Quando empregada em um dispositivo eletrônico específico, essa assinatura pode ser alterada pelo ambiente imediato, e isso pode ainda dar uma indicação tanto do tipo de uso quanto do dispositivo empregado. Na busca por ultracaps em campo que não estejam em uso, os grandes potenciais eletrostáticos podem fornecer uma pista. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 15

Nota editorial: Aplicações aeroespaciais e militares e a seção sobre assinaturas e vulnerabilidades, que trata da possível detecção de descargas de ultracapacitores por emissão de radiofrequência.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt.!! 8flt I AEROSPACE Ultracapacitors are suitable for applications requ iring large bursts of power for relatively short peri ods of time, with the ability to be recharged rapidly. Ultracapacitors are find ing ubiqu itous use in electronics and transportation, and there are a number of applications in aerospace ranging from backup power to high pulse-power delivery. The electronics systems in milita ry vehicles requi re failsafe operation; ultracaps can be designed to provide a continuous power source in the event of a power interruption. Fire-control systems are another example where continuous power is requ ired, including higher power capability. Airbags require a backup power source to ensure they are deployed as requ ired with or without a powered system. Small portab le communications systems have ultracaps for backup power and to reta in memo ry. Memory retention is critical in many systems; for example, the bridge power used during a transfer from ground to onboard power in aircraft systems can be supplied by an ultracap. Ultracaps are excellent for stabilizing the power that is either delivered or received. For example, communication systems may requ ire additional power during transmission, which can be offset by using an ultracap to supplement the system. Bus voltages may need peak current stabilization. The high-power capabilities of ultracaps make them advantageous for severa l systems . The fast discharge is ideal for delivering the significantly higher power required for starting cold engines. Active suspension systems in vehicles require bursts of power that are delivered in response to the terra in; an ultracap can store the necessary power, deliver as necessary, and recharge quickly. GPS-guided missiles and projectiles may use ultracapacitors to provide the power required for commun ication and navigation. High-power discharge for naval systems has been identified as an area where ultracaps are especially useful, often used in hybrid systems in tandem with high-energy batteries. Extremely high power delivery makes ultracapacitors a potential veh icle for delivering the power required for directed-energy weapons. As pseudocapacitive systems reach higher energy densities, along with improvements to the materials and cell composition, ultracapacitors will have capabilities of delivering large amounts of power in a very short time, conta ined within an increasingly smaller footprint. Signatures and Vulnerabilities As mentioned above, ult racapacitors could be impo rtant in the development of ult rawideband energy weapons. Previously, this market has been dominated by bulk acoustic semiconductor switch (BASS) devices, but by stringing several capacitors together in parallel, a more formidable discharge can be created. Because ultracapacitors have very high discharge rates, they will emit a distinctive broadband RF signature when discharged. A modest wideband receiver may be able to detect this discharge; its proxim ity will depend upon the construction of the target device . Furthermore, the architectu re of such a device may yield a unique signatu re that, with the proper equipment, can be identified and certa inly warrants further study. When employed in a particular electronic device, this signature may be altered by its immed iate envi ronment, and this may further give an indication of both the type of use and device employed. When searching for ultracaps in the field that are not i n use, the large electrostat ic potentials may provide a clue. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFl€il.t.k YSE O,.Llf 15

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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Descarga estimulada Dependendo da aplicação e da implementação e construção dos ultracaps em aplicações sensíveis ou destrutivas, é provável que existam vulnerabilidades e que elas mereçam estudo em áreas de pesquisa como a análise de vulnerabilidade de circuitos, as técnicas reversíveis de fabricação e construção usadas na produção, a estimulação de avaliações de descarga controlada e não destrutiva, e experimentos de laboratório de descarga estimulada. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 16

Nota editorial: Último parágrafo do capítulo 3: possíveis vulnerabilidades dos ultracapacitores e linhas de estudo sobre descarga estimulada.

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt9! e"t I Stimulated Discharge Depending on the application and the implementation and construction of ultracaps in sensitive or destructive applications, vulnerabilities likely exist and warrant study in areas of research such as circuit vulnerability analysis, reversible manufacturing and construction techniques used in fabrication, stimulation of nondestructive and controlled discharge evaluations, and laboratorY: stimulated discharge experiments. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 16

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 4: Desenvolvimentos recentes Houve vários avanços recentes em ultracapacitores voltados a aumentar a densidade de energia por meio de diferentes materiais ativos24 e projetos,25 carbonos ativados,26 polímeros27 e óxidos metálicos.28 Os polímeros condutores têm bom desempenho,29 mas carecem de protocolos de microfabricação. Ultracaps de filme fino à base de óxidos mostraram alto desempenho, aproximando-se do limite teórico de capacitância (~1.000 F/g para o MnO2).30 No entanto, a baixa condutividade elétrica e as altas impedâncias associadas às reações redox de intercalação superficial desses óxidos limitaram as espessuras práticas dos filmes a poucos mícrons. Nanotubos de carbono foram adicionados aos filmes para aumentar a condutividade elétrica, mas a complexidade da fabricação limita as aplicações práticas desses eletrodos compostos. Nesta seção discutiremos os avanços na aplicação de CNTs e carbonos avançados em materiais para ultracapacitores, a aplicação de processos de fabricação de filmes finos e um novo supercapacitor revolucionário que usa um efeito magnetocapacitivo gigante. CNTS E CARBONOS AVANÇADOS Os eletrodos de carbono constituem ambos os eletrodos de um ultracapacitor simétrico e um dos eletrodos de um projeto assimétrico, ou pseudocapacitivo. As melhorias no eletrodo de carbono dependem do aumento da capacitância específica (em farads por grama). Essas melhorias vêm do ajuste da área superficial e da porosidade para alcançar o melhor equilíbrio, que maximiza a interação com o eletrólito. Há uma relação linear entre a área superficial e a capacitância até um ponto em que a capacitância atinge um patamar nos carbonos ativados. Controlando a porosidade e a área superficial, é possível aumentar a capacitância além desse patamar. Os nanotubos de carbono poderiam proporcionar ganhos de desempenho com florestas de CNTs alinhadas e de tamanhos sob medida. As características de um ultracapacitor dependem fortemente da nanoestrutura do carbono usado nos eletrodos de filme fino. Os carbonos avançados darão melhor controle sobre o tamanho e a distribuição dos poros, levando a uma melhoria esperada de 50 a 100 por cento em relação aos carbonos em uso hoje. Os nanotubos de carbono podem ser produzidos com grande variedade de propriedades. Dependendo dos parâmetros de síntese, os nanotubos podem ser de parede simples ou de paredes múltiplas, com números variáveis de tubos. Os diâmetros dos CNTs podem ser ajustados de poucos nanômetros a dezenas de nanômetros, com comprimentos de até centenas de mícrons. Os CNTs podem ser cultivados em orientações aleatórias ou como florestas alinhadas. Os CNTs têm área superficial totalmente acessível e condutividade elétrica muito alta. Os métodos para incorporar CNTs em eletrodos de ultracaps incluem usar CNTs como aditivo para aumentar a condutividade, criar mantas densas de tubos orientados aleatoriamente e criar eletrodos a partir de florestas de tubos alinhados verticalmente. Os resultados iniciais de ultracaps habilitados por CNT tenderam a mostrar capacitância muito menor que a esperada, o que foi atribuído à natureza hidrofóbica das paredes dos CNTs. A funcionalização da superfície é uma abordagem comum para atenuar os problemas de hidrofobicidade e, assim, permitir maior capacitância. Outro benefício da funcionalização é a capacidade de introduzir e controlar a pseudocapacitância. A maior parte dos esforços em ultracaps de CNT está voltada para florestas alinhadas verticalmente. É possível cultivar de modo controlado uma floresta densa e alinhada, perpendicular ao coletor de corrente. O tamanho e a densidade dos tubos e o número de paredes podem ser controlados pelo projeto do catalisador e pelos parâmetros da reação. A manipulação da floresta de CNTs leva a maior capacitância pelo ajuste fino da distância entre os tubos. Além disso, o ajuste fino NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 17

Nota editorial: Capítulo 4: desenvolvimentos recentes, com nanotubos de carbono e carbonos avançados como materiais de eletrodo.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I Chapter 4: Recent Developments There have been several recent advances in ultracapacitors focused on increasing energy density by using different active materials 24 and designs, 25 activated carbons, 26 polymers, 27 and metal oxides. 28 Conducting polymers have good performance, 29 but lack microfabrication protocols. Oxide-based thin-fi lm ultracaps have shown high performance, approaching the theoretical limit for capacitance ( ~1,000 F/g for MnO2). 30 However, the poor electrical conductivity and high impedances associated with surface intercalation redox reactions of these oxides have limited practical film thicknesses to a few microns. Carbon nanotubes have been added to the films to increase the electrical conductivity, but the complexity of manufacturing limits practical applications of such composite electrodes. In th is section we will discuss advances in application of CNT and advanced carbons to ultracapacitor materials, the application of thin-film manufacturing processes, and a revolutionary new super capacitor using a giant magneto capacitive effect. CNTS AND ADVANCED CARBONS Carbon electrodes constitute both electrodes in a symmetric ultracapacitor and one of the electrodes in an asymmetric, or pseudocapacitive, design. Improvements to the carbon electrode rely upon increasing the specific capacitance (in Farads per gram). These improvements come by tailoring the surface area and porosity to achieve the best balance that maximizes the interaction with the electrolyte. There is a linear relat ionship to the surface area and the capacitance up to a point where capacitance plateaus with activated carbons. By controlling the porosity and surface area, it is possible to increase the capacitance beyond this plateau. Carbon nanotubes could provide performance increases with aligned CNT forests of tailored sizes. The characteristics of an ultracapacitor are highly dependent on the nanostructure of the carbon used for the thin-film electrodes. Advanced carbons will provide better control over the pore size and distribut ion, leading to an expected 50- to 100-percent improvement over the carbons in use today . Carbon nanotubes can be produced with a wide variety of properties. Depending on synthesis parameters, nanotubes can be single walled or multiwalled, with varying numbers of tubes. CNT diameters can be tailored from a few nanometers to tens of nanometers, with lengths up to hundreds of microns. CNTs can be grown in random orientations or as aligned forests . CNTs have a fully accessible surface area and very high electrical conductivity. Methods for incorporating CNTs into electrodes for ultracaps include using CNTs as an additive for conductivity enhancement, creating dense mats of randomly oriented tubes, and creating electrodes from vertically aligned forests of tubes . Initial results of CNT-enable d ultracaps tended to show much lower capacitance than expected, which has been attributed to the hydrophobic nature of the CNT walls. Surface functionalization is a common approach to mitigating the hydrop hobicity issues and thus enabling higher capacitance. Another benefit of the functionalization is the ability to introduce and control pseudocapacitance. Most efforts in CNT ultracaps are directed toward vertica lly aligned forests. It is possible to controllably grow a dense, aligned forest that is perpendicular to the current collector. The size and density of the tubes and the number of walls can be controlled with catalyst design and reaction parameters. Manipulation of the CNT forest leads to increased capacitance by fine -tuning the distance between tubes. Additionally, fine- UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 17

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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] do diâmetro interno pode proporcionar melhorias adicionais. A Figura 7 mostra uma floresta de CNTs alinhada verticalmente produzida no Centro de Tecnologia Avançada da Lockheed Martin (LMATC). A Lockheed Martin trabalhou com vários catalisadores e superfícies para cultivar florestas de CNTs sob medida para diversas aplicações. Locais selecionados da Lockheed Martin têm desenvolvido tecnologias baseadas em CNT, usando CNTs alinhados verticalmente, CNTs dispersos sobre superfícies e CNTs dispersos em outros meios. O LMATC possui experiência em processos de crescimento e caracterização de CNTs e tem capacidade tanto para desenvolvimento de materiais quanto para testes de ultracaps. A instalação NEARLab da Lockheed Martin produz fibras de vidro revestidas de CNT, que podem oferecer uma solução de armazenamento de energia economicamente eficiente com elementos estruturais embutidos. Ultracaps montados a partir de florestas de CNTs parecem extremamente promissores para uso em microeletrônica. [Figura 7: imagem de microscopia de uma floresta de nanotubos de carbono] Figura 7. Floresta de CNTs. As florestas de CNTs cultivadas nos laboratórios da Lockheed Martin podem ser ajustadas para tamanhos, comprimentos e densidades específicos. O grafeno é uma descoberta relativamente nova entre os materiais carbonáceos. Há vários tipos de grafeno, que podem ser caracterizados pelo número de camadas de grafeno, pela funcionalização ou pelo estado de oxidação. A maior parte do grafeno para aplicações em ultracapacitores será grafeno de poucas camadas e flocos de grande área. Quanto menos camadas, maior será a área superficial ativa. A camada única é o ideal, mas considerações de fabricação tornam a camada única difícil, mesmo em escala de laboratório. A funcionalização será direcionada para melhorar a capacitância ou para modificações que permitam desempenho semelhante ao de bateria. Os valores teóricos do grafeno indicam que ele poderia se tornar um material importante para a próxima geração de ultracapacitores. O grafeno pode ser usado como único material de eletrodo ou como aditivo condutor que também fornece capacitância. A área superficial é calculada em até 2.600 m²/g, a condutividade térmica é de 5.000 W/m·K e a mobilidade dos portadores de carga é de 200.000 cm²/V·s. Valores altos de área superficial e a ótima condutividade são propriedades ideais para criar um eletrodo com capacitância muito alta e capacidades de taxa extremamente favoráveis. As capacitâncias relatadas variam de 135 a 205 F/g em eletrólitos aquosos.31,32 A Figura 8 mostra uma imagem de microscópio eletrônico de transmissão de flocos de grafeno usados em eletrodos de ultracapacitores. Essas medições vêm de grafeno de poucas camadas, e não de camada única, o que sugere que NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 18

Nota editorial: Floresta de nanotubos de carbono (Figura 7), trabalho da Lockheed Martin e propriedades do grafeno.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I tuning the inner diameter may provide further enhancements. Figure 7 shows a vertically aligned CNT forest produced at Lockheed Martin's Advanced Technology Center (LMATC). Lockheed Martin has worked with a number of catalysts and surfaces to grow tailored CNT forests for a variety of applications . Select locations throughout Lockheed Martin have been developing CNT-based technologies, utilizing vertically aligned CNTs, CNTs dispersed onto surfaces, and CNTs dispersed into other media. LMATC possesses expertise in CNT growth processes and characterization and has capabilities for both materials development and ultracap testing. Lockheed Martin's NEARLab facility produces CNT-coated glass fibers, which may provide a cost-effective power storage solution that has structural elements built in. Ultracaps assembled from CNT forests appear extremely promising for use in microelectron ics. Figure 7. CNT Forest. CNT forests grown in Lockheed Martin's laboratories can be tailored for specific sizes, lengths, and densities. Graphene is a relatively new discovery amongst carbonaceous materials. There are a number of types of graphene that can be characterized by the number of layers of graphene, the functionalization, or the oxidation status. Most graphene for ultracapacitor applications is going to be few-layer graphene and large-area flakes. The fewer the layers, the higher the active surface area will be. Single layer is ideal, but manufacturing considerations make single layer difficu lt, even at the laboratory scale. Functionalization will be directed toward improv ing capacitance or modifications to enable battery-like performance. Theoretical values of graphene indicate it could become an important material for the next generation of ultracapacitors. Graphene may be used as the sole electrode material, or it could be used as a conductive additive that also provides capacitance. The surface area is calculated to be as high as 2,600 m2/g, the thermal conductivity is 5,000 W/m·K, and the charge carrier mobility is 200,000 cm 2/V•s. High surface area values and great conductivity are ideal properties for creating an electrode with very high capacitance and extremely favorable rate capabilities. Reported capacitances range from 135 to 205 F/g in aqueous electrolytes. 31• 32 Figure 8 shows a transmission electron microscope image of graphene flakes used for ultracapacitor electrodes. These measurements come from few-layer graphene, rat her than single layer, which suggest UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 18

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TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] há espaço para melhoria desses valores. A otimização da síntese de grafeno para produzir controle mais fino é uma área que recebe atenção crescente nas atividades de pesquisa e desenvolvimento em universidades, laboratórios nacionais e instalações de pesquisa industrial. A Lockheed Martin está ativamente envolvida em pesquisas sobre o grafeno e sobre aplicações em que o grafeno poderia ser um diferencial crítico. Há várias empresas que fornecem grafeno produzido por diversos métodos, bem como empresas iniciantes emergentes voltadas a produzir ultracapacitores à base de grafeno ou materiais projetados para ultracaps. [Figura 8: imagem de microscópio eletrônico de transmissão de flocos de grafeno] Figura 8. Imagem de grafeno em microscópio eletrônico de transmissão. Este poderia ser um excelente material de eletrodo de ultracapacitor, com sua alta área superficial e excelente condutividade.33 A manipulação da porosidade de carbonos de alta área superficial leva à maior diferença na capacitância específica. Compreender a relação entre o tamanho do íon do eletrólito e o tamanho dos poros do carbono é crítico para melhorar o desempenho. Há várias estratégias sendo investigadas para o controle fino da distribuição do tamanho dos poros, a fim de aumentar a capacitância específica. Os métodos mais comuns usados atualmente são os métodos de molde (template) e os carbonos derivados de carbetos. Os métodos de molde criam uma estrutura mesoporosa controlada, com uma faixa bastante estreita. Essas estruturas têm poros que variam de 2 a 10 nanômetros e são maximizadas para tamanhos de poro de aproximadamente o dobro dos íons solvatados. O processo de molde envolve preencher os poros de um hospedeiro-molde inorgânico com um precursor de carbono (como um molde de alumina). O molde é removido após a carbonização por tratamento ácido. O tamanho dos poros é então ditado pelo molde, pois os poros são o espaço vazio que restou onde o molde estava. Métodos semelhantes mostraram que poros menores, inclusive os de menos de dois nanômetros, podem proporcionar alta capacitância específica. A constatação de que poros menores contribuem para o armazenamento de carga em uma dupla camada elétrica levou à necessidade de desenvolver uma melhor compreensão do mecanismo de armazenamento de carga. Os carbonos derivados de carbetos têm uma distribuição singular de tamanho de poro, ajustável com precisão sub-angstrom. Eles serviram como modelos para estudar o comportamento de armazenamento de carga e a adsorção de íons em poros de tamanhos de 0,6 nm a 1,1 nm.34 A capacitância normalizada diminui com a redução do tamanho do poro até que um valor crítico seja atingido. A Figura 9 mostra a relação entre o tamanho médio de poro e a capacitância específica normalizada. Poros menores que um nanômetro contribuem significativamente para o armazenamento de carga, apesar de o tamanho do íon solvatado ser maior que o diâmetro do poro. O aumento da capacitância é explicado por um modelo de casca iônica distorcida. A casca de solvatação do íon é perturbada de tal modo que permite uma aproximação maior entre o íon e a superfície de carbono. As descobertas na Drexel University, que usam o controle fino para criar estruturas de carbono poroso sob medida, podem maximizar a capacitância específica para um dado sistema de ultracapacitor. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 19

Nota editorial: Figura 8 (grafeno), controle da porosidade do carbono e carbonos derivados de carbetos estudados na Drexel University.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I there is room for improvement on these values. Optimization of graphene synthesis to produce finer control is an area receiving increased attention in research and development activities in unive rsities, national labs, and industria l research facilities. Lockheed Martin is actively engaged in research investigating graphene and applications where graphene could be a critical differentiator. There are a number of companies that supply graphene made from various methods, as well as emerging startups geared toward producing graphene-based ultracapacitors or materials designed for ultracaps. Figure 8. Transmission Electron Microscope Image of Graphene. This could be an excellent ultracapac itor electrode materia l with its high surface area and excellent conductivity. 33 Manipulation of the porosity of high surface area carbons leads to the largest difference in specific capacitance . Understanding the relationship between the electrolyte ion size and the carbon pore size is critical to improving performance. There are a number of strategies being investigated for fine control over the pore-size distribution to increase the specific capacitance. The most common methods used currently are template methods and carbide-derived carbons. Template methods create a controlled mesoporous structure with a fairly narrow range. These structures have pores that range from 2 to 10 nanometers and are maximized to pore sizes roughly twice that of the solvated ions. The template process involves filling the pores of an inorganic template host with a carbon precursor (such as an alumina template). The template is removed after carbonization by acid treatment . The pore size is then dictated by the template as the pores are the remaining void space once occupied by the template . Simi lar methods have shown that smaller pores, including those less than two nanometers, may provide high specific capacitance. The realizati on t hat smaller pores contribute to charge storage in an electric double layer has led to the need to develop a better understanding of the charge storage mechanism. Carbide-derived carbons have a unique pore-size distribution that is tunable with sub­ angstrom accuracy. These have served as models to study the charge storage behavior and ion adsorption in pore sizes ranging from 0.6 nm to 1.1 nm. 34 The normalized capacitance decreases with decreasing pore size unt il a critical value is reached. Figure 9 shows t he relationship between average pore size and the normalized specific capacitance. Pore sizes smaller than one nanometer significantly contribute to the charge storage despite the fact that the solvated ion size is larger than the pore diameter. The capacitance increase is explained by a distorted ion shell model. The ion salvation shell is perturbed such that it is capable of a closer approach of the ion and the carbon surface. The discoveries at Drexel University that utilize the fine control to create tailored porous carbon structures can maximize specific capacitance for a given ult racapacitor system. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 19

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Gráfico: capacitância específica normalizada em função do tamanho médio de poro (nm), com a indicação de um íon de tetraetilamônio, de 0,68 nm de diâmetro; rótulos parcialmente ilegíveis.] Figura 9. Relação entre o tamanho médio de poro e a capacitância específica normalizada. À medida que o tamanho médio de poro diminui abaixo de 1 nm, a capacitância específica aumenta devido à solvatação distorcida do íon do eletrólito. FILMES FINOS Filmes de CNT foram usados em ultracapacitores de filme fino 2D, com capacitância gravimétrica e volumétrica respeitáveis. Os pós de carbono ativado têm melhor desempenho em termos de energia por unidade de área,35 mas precisam ser processados em filmes antes do uso, e isso limita sua escolha para a fabricação de microdispositivos, que permite a produção em massa de capacitores em lâminas de semicondutor. O carbono derivado de carbetos (CDC) é uma classe de materiais de carbono produzida pela remoção seletiva de metais de carbetos metálicos usando cloro em temperaturas elevadas, em um processo semelhante às técnicas atuais de corrosão a seco usadas em MEMS e na fabricação de microchips. O CDC mostrou excelente desempenho como material ativo em ultracaps processados de modo tradicional,36 já que sua microestrutura pode ser ajustada com precisão pela adaptação das condições de síntese a um eletrólito específico.37 Para supercapacitores microfabricados, o CDC é atraente por vários motivos. Os carbetos precursores são condutores e podem ser depositados em filmes finos e espessos uniformes pelas técnicas bem conhecidas de deposição química e física a vapor (CVD e PVD).38 Além disso, o processo de cloração pode ser realizado em temperaturas de pelo menos 200 °C,39 e os revestimentos resultantes são bem aderidos, com uma interface atomicamente perfeita,40 o que minimiza a impedância do dispositivo. Essa tecnologia pode ser usada para produzir os ultracaps microfabricados no mesmo chip dos circuitos integrados que eles alimentam (mostrado na Figura 10).41 A corrosão por plasma contendo cloro de materiais na fabricação de semicondutores é uma técnica bem estabelecida e é semelhante ao procedimento de cloração na fabricação de CDC. Filmes contínuos de carbono poroso não podem ser produzidos por CVD convencional, PVD ou outras técnicas, e a ativação em alta temperatura necessária para produzir as microestruturas necessárias ao desempenho de ultracapacitores em carbonos obtidos por CVD destruiria os dispositivos que eles deveriam alimentar. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 20

Nota editorial: Figura 9 (tamanho de poro e capacitância) e a seção sobre filmes finos e carbono derivado de carbetos para microfabricação.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I 15 Ill II 't ~-Y °! 10 (Cll,Cfl1),N• 0.68rvnclame. I Is 0 0 L--+--1----= ======= :'.....J .______,... 0 3 s Aveqge pore Size {Ml) Figure 9. Relationship Between Average Pore Size and Normalized Specific Capacitance. As the average pore size decreases below 1 nm, the specific capacitance increases due to distorted electrolyte Ion salvat ion. THIN FILMS CNT films have been used in 2D thin-film ultracapacitors having respectable gravimetric and volumetric capacitance. Activated carbon powders have a better performance in terms of energy per unit area, 35 but they need to be processed into films before use, and th is lim its their choice for microdevice fabrication, which allows mass production of capacitors on semiconductor wafers. Carbide-derived carbo n (CDC) is a class of carbon materials produced by selectively etching metals from meta l carbides using chlorine at elevated temperatures in a process similar to current dry-etching techniques used in MEMS and microchip fabrication. CDC has been shown to have excellent performance as the active material in traditionally processed ultracaps 36 since it can have its microstructure precisely tuned by tailoring the synthesis conditions for a particular electrolyte. 37 For microfabricated supercapacitors, CDC is attractive for several reasons. The precursor carbides are conductive and can be deposited in uniform t hin and th ick films by well-known chemical and physical vapor deposition (CVD and PVD) techniques. 38 I n addition, the chlor ination process can be performed at tempe ratures at least as low as 200°C, 39 and the resulting coatings are well-adhered with an atomically perfect interface, 40 which minimizes device impedance. This technology can be used to produce the microfabricated ultracaps on the same chip as the integrated circuits, which they are powering (shown in Figure 10).41 Chlorine-containing plasma etching of materials in semiconductor manufacturing is a well-established technique and is similar to the chlorination procedure in CDC manufacturing. Continuous porous carbon films cannot be produced by conventional CVD, PVD, or other techniques, and the high-temperature activation needed to produce the microstructures necessary for ultracapacitor performance in CVD carbons would destroy the devices they were intended to power. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 20

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Figura 10: placa de TiC sinterizada; placa de TiC; filme de CDC; placas de Teflon; eletrólito + separador; filme de C-CDC. Etapas: 1. Cloração a 500 °C (formação do filme de TiC-CDC); 2. Montagem da célula. Micrografia com escala de 5 µm.] Figura 10. Síntese de CDC e esquema de preparação da célula de teste eletroquímica.42 As medições eletroquímicas dos filmes de CDC foram realizadas em uma configuração de três eletrodos, com um grande contraeletrodo de carbono ativado sobredimensionado em capacitância, tanto em TEABF4 1M quanto em H2SO4 1M, bem como em células de dois eletrodos com eletrodos simétricos de filme de CDC em volume. A capacitância volumétrica foi calculada para cada uma das diferentes espessuras de filme (mostradas na Figura 11). Tanto para o TEABF4 quanto para o H2SO4, a capacitância volumétrica diminui com o aumento da espessura do revestimento. Isso é especialmente pronunciado no eletrólito orgânico, em que há um enorme aumento da capacitância volumétrica à medida que a espessura do filme diminui de 200 para cerca de 2 mm [assim no original; os eixos da figura estão em µm]. [Figura 11: dois gráficos de capacitância volumétrica (F/cm³, eixo de 20 a 180) em função da espessura do revestimento (µm): (A) em TEABF4, de 0 a 250 µm; (B) em H2SO4, de 0 a 140 µm. Em ambos, a capacitância cai com o aumento da espessura.] Figura 11. Capacitância volumétrica dos filmes em (A) TEABF4 e (B) H2SO4.43 CAPACITORES MAGNÉTICOS A magnetocapacitância gigante (GMC) é um efeito da mecânica quântica observado em estruturas de filme fino compostas de camadas alternadas ferromagnéticas e não magnéticas.44,45 Relatou-se que esses materiais têm permissividade aumentada por um fator de 10⁹.46 Esse comportamento do material ocorre normalmente em temperaturas bem abaixo de 273 K e só recentemente foi relatado na literatura acima dessa temperatura.47 No entanto, desde 2007 a Northern Lights Semiconductor Corp. (NLSC) vem desenvolvendo um capacitor magnético (MCap) que utiliza um material que exibe a GMC acima de 300 K. Estruturado como o capacitor básico de placas planas, um nanocélula MCap apresenta uma camada dielétrica proprietária entre duas camadas magnetizadas. Cada camada de material magnético é feita de várias camadas de filme fino com espessura nanométrica. Milhões de nanocélulas MCap são criadas e ligadas por meio de um processo de filme fino de semicondutores, produzindo a célula MCap em uma lâmina (Figura 12). NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 21

Nota editorial: Figura 10 (síntese de CDC e célula de teste), Figura 11 (capacitância volumétrica dos filmes) e o início da seção sobre capacitores magnéticos.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt.!! 8flt I Sintered TIC plate TIC plate - CDC film D Teflon plates \ - Electrolyte + eparato r C-CDC film 2. C II a embly Figure 10. CDC Synthesis and Electrochemical Test Cell Preparation Schematic. 42 Electrochemical measurements of CDC films were carried out in a three-electrode configuration with a large, overcapacitive activated carbon counter-electrode in both lM TEABF4 and lM H2SO4, as well as two-electrode cells with symmetric bulk CDC film electrodes. Volumetric capacitance was calculated for each of the different film thick nesses (shown in Figure 11). For both TEABF4 and H2SO4, the volumetric capacitance decreases with increasing coating t hickness. This is especia lly pronounced in the organic electro lyte, where there is a huge increase in volumetr ic capacitance as the film thickness decreases from 200 to ~2 mm. A 180 6j' E 160 .!:? ~ 140 Q) 0 C: 120l!! -~ 100 a. ca 0 80 0 ·c: '1ii 60 E :::, g 40 • 20 B 180 r;, E 160 ~ 140 ¢1 0 C: 120 19 'ij 100 ~ <11 0 80 0 ~ 60 •E :::, g 40 20 0 50 100 150 200 250 0 20 40 60 80 100 120 140 Coating thickness (µm) Coaling thickness (µm) Figure 11. Volumetric Capacitance of the Films in (A) TEABF4 and ( B) H2S0 4.43 MAGNETIC CAPACITORS Giant magneto capacitance (GMC) is a quantum mechanical effect observed in t hin-fi lm structures composed of alternating ferromagnetic and nonmagnet ic layers. 44• 45 Such materials have been reported to have increased permittivity by 109 .46 This material behavio r n orma lly occurs at tempe ratures well below 273K and has only recently been reported in the literature above this temperature.47 However, since 2007, Northern Lights Semiconductor Corp. {NLSC) has been developing a magnetic capacitor {MCap) that utilizes a material which exhibits the GMC above 300K. Structured like the basic flat-plate capacitor, an MCap nanocell featu res a proprietary dielectric layer sandwiched between two magnetized layers. Each magnetic material layer is made of multip le nanomete r-thick thi n-film layers. Millions of MCap nanocells are created and linked using a semiconductor thin-fi lm process, producing the MCap cell on a wafer {Figure 12). UNCLASSIFIEO/fFOA OFFl€il.t.k YSE O,.Llf 21

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TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Figura 12: nanocélula MCap, de 0,55 µm; célula MCap, de 1,6 µm, composta de milhões de nanocélulas MCap. Camadas: materiais magnéticos / camada dielétrica / materiais magnéticos (todas as composições são proprietárias).] Figura 12. Estrutura do MCap. A nanocélula MCap e a célula MCap são fabricadas com processos tradicionais de fabricação de semicondutores. As células MCap são então embaladas em módulos MCap maiores. A capacitância do dispositivo é dada pela equação C = ε₀ k A/d, em que A é a área da placa, d é a separação entre as placas, ε₀ é a permissividade do vácuo e k é a constante dielétrica (ou permissividade relativa) do material. O MCap aumenta a capacitância elevando a constante dielétrica k por meio do efeito GMC (f_GMC), dado pela relação k' = k × f_GMC. A GMC age como uma armadilha de carga que aproxima os elétrons, aumentando assim as densidades de elétrons nas placas. Com base na teoria quântica, a GMC produz uma capacitância que, até hoje, foi medida como 10⁹ vezes maior que a observada em capacitores eletrostáticos. Como mostrado antes na equação (2), a energia é proporcional à capacitância e ao quadrado da tensão. Além disso, o vazamento e a autodescarga do capacitor são essencialmente eliminados, pois os elétrons ficam "presos" no campo magnético. Devido aos efeitos acima, a energia disponível para uma grande variedade de dispositivos de armazenamento, como cartões inteligentes e outros produtos, pode ser aumentada substancialmente simplesmente embalando-os em módulos ligados em série-paralelo para atender aos requisitos de energia e de tensão. Aliada à ampla experiência da Lockheed Martin em nanomateriais e em física de dispositivos, é provável que a NLSC consiga usar sua experiência em desenvolvimento de MRAM para realizar isso. Resultados experimentais No último ano, a NLSC teve estruturas e nanocélulas MCap testadas por terceiros independentes, com os resultados mostrados na Figura 13. Esses testes imparciais demonstram a validade das alegações de alta capacitância. A Figura 14 quantifica o progresso no desempenho melhorado ao longo do desenvolvimento do dispositivo. O número de dispositivos que demonstram o comportamento GMC aumentou substancialmente em 2009, o que se deve, segundo relatos, a um melhor desenvolvimento de materiais, e não a uma carga de produção maior. O desempenho das nanocélulas, assim como a variabilidade, é representado em gráfico, o que mostra que a melhoria potencial nos materiais poderia levar a um fator GMC maior. Há indícios promissores de que melhorias podem permitir um nível mais alto de desempenho, que poderia igualar as baterias de íons de lítio à temperatura ambiente e talvez superá-las em baixas e altas temperaturas. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 22

Nota editorial: Figura 12 (estrutura do MCap), o princípio do capacitor magnético e os resultados experimentais relatados.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I r------- / MCap nanocell / /1.6µm o.55µmJ• •I / / Magnetic materials "'i / / Dielectric layer -- / MCap cell Magnetic materials ,----,•...____ / Made up of millions (all proprietary compositions) / / MCap nanocells ~- - - - - - - - ../ Figure 12. MCap Structure. MCap nanocell and MCap cell are fabricated using traditional semiconductor fabrication processes . MCap cells are then packaged into larger MCap modules. The capacitance of the device is given by the equation , C = so k A/d, where A is the area of the plate, d is the separation between plates, so the permittivity of free space, and k is t he dielectric constant (or relative permittivity) of the material. The MCap increases capacitance by increasing the dielectric constant k through the GMC effect (fGMc) given by t he relationship, k' = k*fGMc- GMC acts like a charge trap that brings electrons closer, thus increasing electron densities at the plates. Based on quantum theory, GMC brings about a capacitance which, to date, has been measured to be 109 times larger than that observed in electrostatic capacitors. As shown earlier in equation (2), energy is proportional to the capacitance and the voltage squared. Moreover, capacitor leakage and self-discharge are essentially eliminated as electrons are "trapped" in the magnetic field. Due to the above effects, the available energy for a large range of storage devices, like smart cards and other products, can be increased substantially by simply packaging them in series-parallel connected modules to meet the energy and voltage requirements. Coupled with Lockheed Martin's extensive nanomaterials and device physics experience, it is likely that NLSC will be able to use its MRAM development expertise to accomplish this. Exper imental Results Over the last year, NLSC has had MCap structures and nanocells tested by independent parties with results shown in Figure 13. These unbiased tests demonstrate the validity of the high-capac itance claims. Figure 14 quantifies the progress in improved performance throughout the development of the device. The number of devices that demonstrate the GMC behavior has increased substant ially in 2009, which is reportedly due to improved materials development rather than an increased production load. The performances of the nanocells as well as the variability are plotted, which shows that potent ial improvement in the materials could lead to an increased GMC factor. There is promising evidence that improvements may allow a higher level of performance, which could match lit hium ion batter ies at ambient temperature and perhaps exceed them at low and high temperatures. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 22

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TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 28

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Gráfico à esquerda: capacitância (eixo vertical, de 0 a 180.000) em função da frequência, para a amostra "4284A-pad 01, Cp 0,20 F", com curvas rotuladas AC 1 Vrms em 0 Vdc, 1 Vdc, 3 Vdc e 5 Vdc. Gráfico à direita: "Frequência versus capacitância" de uma única nanocélula, com eixo de frequência de 0,01 a 10.000 kHz e curvas rotuladas por tensões de 1 V a 10 V. Rótulos parcialmente ilegíveis.] Figura 13. Resultados preliminares de testes do MCap. Estes gráficos demonstram as capacidades da NLSC: microestrutura MCap testada em diferentes VDC (pela Taiyo Yuden) (à esquerda) e testes de nanocélula única (à direita). [Gráfico: eixo vertical esquerdo, número de nanocélulas que exibem GMC (0 a 350, barras azuis); eixo vertical direito, valores de fator de ampliação da capacitância, de 1E+00 a 1E+12; eixo horizontal, trimestres (T1 a T4) de 2007, 2008 e 2009. Indicações no gráfico: "GMC máximo atingido"; "Substituir bateria de íons de lítio"; "Substituir capacitor de alta tensão/ultracapacitor"; "Poucas nanocélulas MCap com MC devido a problemas de processamento e de equipamento".] Figura 14. Gráfico-resumo dos resultados do MCap até o momento. Eixo direito: linhas de valores alto-baixo em vermelho, valor mediano em ponto preto. Eixo esquerdo: número de nanocélulas que exibem o fenômeno GMC em barra azul. A Figura 15 mostra uma estimativa feita pela NLSC das energias específicas potenciais e dos custos de fabricação projetados do MCap, para comparação com os dispositivos atuais de armazenamento de energia, NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 23

Nota editorial: Figuras 13 e 14: resultados preliminares de testes do capacitor magnético MCap e evolução dos resultados até 2009.

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------------------------ UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt.!! 8flt I 4284A-pad 01, Cp0.20F -+- AClVrms,0\/dc 180000 +---il-+------ ---1 ....,. ACtVnns, 1Vdc 160000 +--"'-+--------1 --+--AC.tVrms,3Vdc 140000 G:' 120000 2. 100000 Q. U 80000 60000 40000 20000 0 AC.tVnns,5Vdc Frequency vs Glpacitance 5.0 4.5 1.0 0.5 0.0 a CSM mV !Vn,/ tn 4M - No.l._41/\..W - No.1_41.A_IV - - ~. 1_411\._lV - No.1_41A_SV \, -- No.1_41A....10V - No.1_411,Jllll - No,1 41A41N -\ "- ~~ \. ~ I 1L I . 0.1 10 100 1000 10000 0.01 0.1 10 100 Frequency [kHz) Frequency [k I Figure 13. Preliminary MCap Test Results. These graphs demonstrate NLSC capabilities: MCap microstructure tested at differe nt VDC (by Taiyo Yuden) (left) and sing le nanocell tests (right). 350 (/) a> .... 300 C) .Q o> fal250 C Q) o...O ~~200 ~CJ -0 g,150.._ C Q) ·- .0 s: §_g100 z (/) 50 - - ----- - ---- ----- -- ----- --------- ► Maximum GMC attained Replace Li- _______ __ _____________ __ _ • ion battery Replace HV Capacitor / Ultracapacito Few Mcap nanocells with MC due to processing & equipment issues t 1 E+12 ~ >.c 1 E+ 11 g·o - 0.. 1 E+10 g c .c C'Cl 1 E+09 ~ :a ..... Q) 1E+08 0 ~ -0 1 E+07 a> c:5 C'Cl 1 E+06 ~ ~ Q)·- 1 E+05 E .s 1 E+04 eel~ I I 1 E+03 ~ ~ 1E+O~~ 1E+01 1 E+00 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 2007 2008 2009 Figure 14. Summary Chart of MCap Results to Date. Right Axis: High-Low value lines in red, Median value in black dot. Left Axis : number of nanocells exhibiting GMC phenomenon in blue bar . Figure 15 shows an estimate that has been made by NLSC of the potential specific energies and projected manufacturing costs of the MCap for compar ison to current energy storage devices, UNCLASSIFIEO/fFOA OFFl€il.t.k YSE O,.Llf 23

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TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 29

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Gráfico em escala logarítmica: eixo horizontal f_GMC, de 1E+06 a 1E+11; eixo esquerdo, densidade de energia atingível do MCap (Wh/g), de 0,00 a 10.000,00, com marcas para célula a combustível e Li-ion; eixo direito, custo nominal projetado do MCap (US$/Wh), de US$ 0,001 a US$ 10, com marcas para o preço do Li-ion e o preço do chumbo-ácido. Duas retas: energia atingível, crescente (nanocélula MCap nº 1 e nº 2), e custo projetado, decrescente; "Meta de produção inicial"; seta "Tendência".] Figura 15. Energia específica e custos estimados em função de f_GMC A meta de produção em massa de MCaps em uma lâmina com f_GMC de ~10⁹ permitiria superar a energia específica das baterias de íons de lítio a um custo significativamente reduzido. MCaps nessas metas de produção ruptariam tanto o mercado de baterias de íons de lítio quanto o de ultracapacitores. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 24

Nota editorial: Figura 15 (energia específica e custo estimado do MCap em função do fator GMC) e a avaliação do impacto potencial sobre baterias e ultracapacitores.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I 10,000 00 $10 Li-ionprice 0.1 0.01 Pb-Acid price .001 Fuel cell U-ion Mcap cap Attainable ojected Energy Density ominal Cost ($/Wh) 1, 000.00 100.00 10.00 1.00 0.10 0.01 (Whig) 0.00 I I .. • • ... I I=117 ... ... odq, 10 rte r 1e1 ' ~ ' , I 1 II • .j,•. ➔• I rn m e. #, p I I I Jrtial1 I Ii I p i II ~ 2~ :r: 2= II ~ ~:j; .. ~ I ~ n $ $ $ $0 M Pr N 1E+06 1E+07 1E+08 1E+09 1E+10 1E+11 fGMC Figure 15. Specific Energy and Estimated Costs vs. foMc The mass production target of MCaps on a wafer of fo Mc of ~10 9 would enable the achievement of exceeding t he specific energy of lithium ion batteries at a significant ly reduced cost . MCaps at t hese prod uction targets would disrupt both the lithi um ion battery and the ultracapacitor market . UNCLASSIFIEO/fF OA OFFI &I:.l.b YS& ONLY 24

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TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Sumário Resumo ................................................ iv Capítulo 1: Visão geral do conceito ................ 1 Baterias e ultracapacitores ....................... 3 Histórico .......................................... 5 Capítulo 2: Tecnologia de materiais ................ 8 Eletrólitos ........................................ 8 Eletrodos .......................................... 9 Capítulo 3: Aplicações ............................. 13 Eletrônica e telecomunicações .................... 13 Indústria ......................................... 13 Transporte ........................................ 14 Aeroespacial ...................................... 15 Capítulo 4: Desenvolvimentos recentes .............. 17 Nanotubos de carbono (CNTs) e carbonos avançados . 17 Filmes finos ...................................... 20 Capacitores magnéticos ............................ 21 Capítulo 5: Desenvolvimentos futuros ............... 25 Capítulo 6: Conclusões ............................. 27 Capítulo 7: Notas finais ........................... 28 Figuras Figura 1. Ultracapacitores em várias configurações ............ 1 Figura 2. Funcionamento de um ultracapacitor ................... 3 Figura 3. Gráfico de Ragone .................................... 5 Figura 4. Capacitor eletrolítico conforme projetado e patenteado pela SOHIO ... 5 Figura 5. Porosidade do carbono ativado ........................ 10 Figura 6. Uso de ultracapacitores em uma empilhadeira .......... 14 Figura 7. Floresta de CNTs .................................... 18 Figura 8. Imagem de grafeno em microscópio eletrônico de transmissão ... 19 Figura 9. Relação entre o tamanho médio de poro e a capacitância específica normalizada ... 20 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] ii

Nota editorial: Primeira página do sumário do documento, com a lista das figuras.

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt9! e"t I Contents Summary ................................................................................................................ iv Chapter 1: Concept Overview ................................................................................ 1 Batteries and Ultracaps ...................................................................................... 3 History ............................................................................................................... 5 Chapter 2: Materials Technology ........................................................................... 8 Electrolytes ........................................................................................................ 8 Electrodes ............................................................................................................................................................................ 9 Chapter 3: Applications ....................................................................................... 13 Electronics and Telecommunications ................................................................ 13 Industrial ......................................................................................................... 13 Transportation ................................................................................................. 14 Aerospace ........................................................................................................ 15 Chapter 4: Recent Developments ........................................................................ 17 CNTs and Advanced Carbons ............................................................................ 17 Thin Films ........................................................................................................ 20 Magnetic Capacitors ......................................................................................... 21 Chapter 5: Future Developments ......................................................................... 25 Chapter 6: Conclusions ........................................................................................ 27 Chapter 7: Endnotes ............................................................................................ 28 Figures Figure 1. Ultracaps in Various Configurations . ...................................................... 1 Figure 2. Operation of an Ultracapacitor ................................................................ 3 Figure 3. Ragone Plot ............................................................................................. 5 Figure 4. Electrolytic Capacitor as Designed and Patented by SOHIO ..................... 5 Figure 5. Activated Carbon Porosity ..................................................................... 10 Figure 6. Ultracapacitor Use in a Forklift ................................................................ 14 Figure 7. CNT Forest ................................................................................................ 18 Figure 8. Transmission Electron Microscope Image of Graphene ......................... 19 Figure 9. Relationship Between Average Pore Size and Normalized Specific Capacitance ............................................................................................................. 20 UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY ii

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TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 5: Desenvolvimentos futuros Houve avanços significativos na tecnologia de ultracapacitores nos últimos anos. A maior compreensão do mecanismo físico por trás dessa tecnologia, combinada com avanços na ciência de materiais, particularmente na nanoescala, levou a um rápido aumento de capacidade. As melhorias nos ultracaps nos próximos 10 anos (2010-20) se concentrarão em eletrodos, melhores eletrólitos, embalagem e projetos alternativos. As melhorias nos eletrodos provavelmente incluirão o abandono do carbono ativado, em ambos os eletrodos. Os eletrodos assimétricos eliminarão o carbono de um dos lados, e novos materiais de carbono proporcionarão melhor desempenho a preço competitivo. Os eletrólitos provavelmente caminharão para materiais orgânicos adicionais, e os ultracaps com requisitos de desempenho em alta temperatura provavelmente usarão líquidos iônicos. No curto prazo, espera-se uma transição para o projeto assimétrico. Melhorias continuadas nos eletrodos e no projeto da célula proporcionarão melhor capacitância. Muitas das melhorias de curto prazo provavelmente serão direcionadas à capacidade de fabricação. Os ultracapacitores estão se tornando mais comuns e, à medida que melhorias de desempenho e de custo os tornam mais acessíveis a múltiplas aplicações, essa tendência continuará. Nos próximos anos, espera-se que o mercado de ultracaps aumente dramaticamente. As tendências em materiais para ultracaps continuarão avançando com melhorias e utilização de carbonos ativados, coletores de corrente mais finos e melhor projeto e embalagem de células. A pesquisa feita em universidades e laboratórios nacionais continuará, mas esses não se tornarão materiais comuns para ultracapacitores nos próximos anos. No entanto, à medida que a demanda por ultracapacitores aumentar, materiais especiais começarão a ter utilidade em algumas aplicações, reduzindo os custos de fabricação, o que por sua vez permitirá seu uso em mais sistemas. Haverá uso significativo na integração a conversores de potência para reduzir tamanho, massa e custo. Tanto os dispositivos de filme fino quanto os MCap se tornarão predominantes. Se os MCaps alcançarem a energia específica do íon de lítio, sua adoção será rápida e revolucionária, como ocorreu com as baterias de LiFePO4 (fosfato de ferro e lítio) tanto para o transporte quanto para sistemas de potência pulsada extremamente alta, como os lasers. Nos próximos 10 anos, os ultracaps começarão a incorporar materiais de carbono avançados e eletrodos projetados com características em escala nanométrica. Nanotubos de carbono, grafeno e carbonos porosos têm, todos, potencial extremamente alto para desbancar o carbono ativado como eletrodo preferido. A substituição dos sistemas de carbono usados hoje (incluindo carbono ativado, aerogéis e tecidos de carbono) ocorrerá à medida que houver reduções de custo na fabricação de materiais carbonáceos nanoestruturados. O compromisso entre área superficial e tamanho de poro pode ser explorado na nanoescala. A otimização desses parâmetros provavelmente produzirá melhorias bastante significativas na capacitância e resultará em maior potência e melhor densidade de energia. O desenvolvimento de médio prazo (2020-30) dos ultracapacitores será provavelmente a incorporação plena de carbonos avançados e de sistemas híbridos. É difícil antecipar qual tecnologia tem mais a oferecer, pois há benefícios e obstáculos singulares em cada uma. Os sistemas híbridos serão comuns, usando um eletrodo semelhante ao de bateria combinado com um dos eletrodos de carbono avançado. As opções de eletrodo pseudocapacitivo se diversificarão, com fabricantes usando materiais exclusivos para diferenciar seu produto. Um eletrodo alternativo ao óxido de rutênio (RuO2) usado hoje será adotado por razões tanto de desempenho quanto econômicas. Questões de oferta levarão os materiais de eletrodo para aqueles de maior disponibilidade. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 25

Nota editorial: Capítulo 5: desenvolvimentos futuros previstos para os ultracapacitores no curto prazo e na década 2010-2020, e o início da projeção para 2020-2030.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt.!! 8flt I Chapter 5: Future Developments There have been significant advancements in ultracapacitor technology in the last few years. Increased understanding of the physical mechanism behind th is technology, combined wit h advancements in mate rials science, part icularly on the nanoscale, has led to a rapid increase in capability. Improvements to ultracaps in the next 10 years (2010-20) will focus on electrodes, better electrolytes, packaging, and alternative designs. Electrode improvements will most likely include migration away from activated carbon, for both electrodes. Asymmetric electrodes will eliminate carbon on one side, and new carbon materials will provide better performance at a competitive price . Electrolytes will likely move toward additional organic materials and ultracaps with high temperatu re performance requirements likely will use ionic liquids. In the near term, a transition to the asymmetric design is expected. Continued improvements to the electrodes and cell design will prov ide better capacitance. Many of the short-term improvements will likely be directed toward manufactur ing capacity . Ultracapacitors are becoming more common, and as improvements to performance and cost make them more accessible to multip le applications, this trend will continue. Over the next few years, it is expected that the market for ultracaps will increase dramat ically . Trends in materials for ultracaps will continue forward with improvements and utilization of activated carbons, thinner current collectors, and improved cell design and packaging. Research being done at universities and national labs will continue, but these will not become common materia ls for ultracapacitors in the next few years. However, as the demand for ultracapacitors increases, specialty materials will begin to see utility for some applicat ions, driving down manufacturing costs, which in turn will enable their use in more systems. Significant use will be made in integrating into power converters to reduce size, mass, and cost. Both th in-film and MCap devices will become prevalent. If MCaps achieve lithium ion specific energy their adoption will be rapid and revolutionary as has occurred with LiFePO4 (lithium-iron-phosphate) batteries for both transportation and extremely high pulsed-power systems such as lasers. Within the next 10 years, ult racaps will begin to see the incorporat ion of advanced carbon materials and electrodes designed with features on the nanometer scale. Carbon nanotubes, graphene, and porous carbons all have extreme ly high potent ial to unseat activated carbon as the electrode of choice. The replacement of carbon systems being used today (including activated carbon, aerogels, and carbon cloths) will occur as cost reductions take place in the manufactur ing of nanostructured carbonaceous mater ials. The tradeoff between surface area and pore size can be exploited at the nanoscale. Optimization of these parameters will likely yield fairly significant improvements to the capacitance and result in higher power and better energy density. The mid-range (2020 -30) developme nt of ultracapacitors wil l most likely be the full incorporatio n of advanced carbons and hybrid systems . It is hard to anticipate which technology has the most to offer, as there are unique benefits and hurdles for each. Hybrid systems will be common, utilizing a battery-like electrode combined with one of the advanced carbon electrodes. The pseudocapacitive electrode options will become diversified, with manufacturers using unique materials to differentiate their product. An alternative electrode to the ruthenium oxide (RuO2) used today will be used for both performance and economical reasons. Supply issues will drive electrode materia ls toward those with larger availability. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFl€il.t.k YSE O,.Llf 25

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] No período de 2020-2030, os projetos de células de ultracapacitor serão diferentes. Projetos simples de placas, células tipo moeda e bolsas laminadas ainda serão usados em algumas aplicações. No entanto, projetos e formatos avançados serão usados para atender a aplicações especializadas. Os ultracapacitores serão projetados para incorporação em arquiteturas de chip. Haverá várias opções para a micro e a nanoeletrônica. As opções de eletrólito provavelmente serão diferentes das usadas hoje. Novos solventes de eletrólito e sais melhores serão descobertos, produzindo células de tensão mais alta e mantendo boa condutividade iônica. Líquidos iônicos e solventes complexos que suportem tensões mais altas são candidatos prováveis. Arquiteturas tridimensionais podem começar a ser introduzidas, o que melhorará muito tanto a densidade de energia quanto a de potência. As técnicas de fabricação permitirão eletrodos tridimensionais de formato pequeno e médio, em que a dupla camada elétrica é armazenada perpendicularmente ao coletor de corrente. A fabricação e a montagem de ultracapacitores de grande formato com capacidades de potência extremamente altas serão viabilizadas por arquiteturas tridimensionais de carbonos nanoengenheirados e coletores de corrente. Além de 2030, é difícil projetar os desenvolvimentos futuros dos ultracapacitores, já que a ciência de materiais está vivendo uma revolução de nanomateriais. Pode-se esperar, contudo, que quase todos os circuitos microeletrônicos incorporem ultracaps de filme fino ou MCaps, e que os computadores portáteis fiquem do tamanho de um iPhone, com funções em sua maioria ativadas por voz. Como ilustrado na Figura 16, os avanços ocorrerão em uma escala de tempo muito mais rápida do que a ocorrida nos últimos 50 anos. Na área de armazenamento de energia, particularmente para baterias de veículos elétricos híbridos plug-in (PHEV) e elétricos (EV), o principal impacto dos ultracapacitores pode permitir não só redução de massa e de tamanho, mas também redução de custos em ordem de grandeza. [Figura 16: linha do tempo com marcas em 2010, 2020, 2030 e 2050 e uma seta rotulada "ULTRACAPS".] Figura 16. Evolução dos ultracapacitores NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 26

Nota editorial: Projeção de 2020-2030 e além de 2030, com a Figura 16 (evolução dos ultracapacitores).

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt.!! e"t I In the 2020-2030 timeframe, ultracapacitor cell designs will be different. Simple plate designs, coin cells, and laminated pouches will still be used for some applications. However, advanced designs and form-factors will be used to fit specialized applications. Ultracapacitors will be designed for incorporation into chip architectures. Several options will exist for micro- and nano-electronics. Electro lyte options will most likely be different from those used today. New electrolyte solvents and better salts will be discovered that produce higher voltage cells while maintaining good ionic conductivity. Ionic liquids and complex solvents that withstand higher voltages are likely candidates. Three dimensional architectures may begin to be introduced, which will greatly improve both energy density and power density. Manufacturing techniques will enable small- and medium-format three-dimensional electrodes, where the electrical double layer is stored perpendicular to the current collector. The manufacture and assembly of large­ format ultracapacitors with extremely high power capabilities will be enabled by three­ dimensional architectures of nano-engineered carbons and current collectors. Beyond 2030 it is diff icult to project the future developments of ultracapacitors since materials science is experiencing a nanomaterials revolution. It can be expected, however, that nearly all microelectronic circuitry will incorporate thin-film ultracaps or MCaps, and laptop computers will become the size of an iPhone with mostly voice­ activated functions. As depicted in Figure 16, advancements will occur on a much faster timescale than what has happened over the last 50 years. In the energy storage area, particularly for PHEV and EV batteries, the major impact for ultracapacitors may allow not only reduced mass and size but also order-of-magnitude reduction in costs. 010 2020 2030 2050 ■ •ULTRACAPS ► Figure 16. Evolution of Ultracapacitors UNCLASSIFIEO/fFOA QFFI€il.t.le YSE O,.LY 26

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 6: Conclusões Os ultracapacitores estão se tornando cada vez mais importantes em aplicações que vão da eletrônica portátil a guindastes de transporte de carga. Sua introdução em circuitos eletrônicos para auxílio à conversão e ao armazenamento será o próximo grande marco. A vida útil em ciclos virtualmente ilimitada, combinada com altas capacidades de potência, fez deles um componente integral de muitos esquemas de gestão de energia. A adoção precoce dos ultracaps pelos militares foi um diferencial importante para o desempenho de veículos e um impulsionador da tecnologia. As melhorias nos carbonos ativados e nas técnicas de fabricação reduziram os custos. O ultracapacitor é relativamente jovem e se expande rapidamente à medida que os ultracaps alcançam um público mais amplo. A maior adoção levou ao reconhecimento dos benefícios, e a atenção permitiu que os pesquisadores desenvolvessem melhor compreensão dos mecanismos de armazenamento de potência. Novos materiais e projetos de célula produzirão maior capacitância e tensões mais altas, o que por sua vez dará aos ultracapacitores melhor densidade de energia. Os carbonos avançados mostram grande promessa de gerar um eletrodo de carbono com capacitância muito maior que a dos carbonos ativados em uso hoje. Isso inclui carbonos porosos, nanotubos de carbono e grafeno. Os aumentos de capacitância apenas pelo eletrodo de carbono poderiam dobrar a densidade de energia. Vantagens adicionais em condutividade e na capacidade de funcionalizar esses materiais gerarão melhorias tanto na densidade de potência quanto na de energia. Os sistemas híbridos que usam um eletrodo semelhante ao de bateria estão começando a ganhar aceitação. Esses sistemas pseudocapacitivos mantêm a alta densidade de potência de um ultracap simétrico e também têm densidade de energia substancialmente maior. Embora esses sistemas sacrifiquem alguma capacidade de vida útil em ciclos, parece que sobreviverão a dezenas de milhares de ciclos. Os ultracapacitores são uma solução para gerar ou absorver alta potência pulsada. Também são excelentes dispositivos para energia de reserva e para estabilização de requisitos de potência flutuantes. O aumento das densidades de potência e de energia abrirá novas aplicações para os ultracaps, substituindo combustível e baterias em alguns casos e complementando-os em outros. A gestão e a geração de energia para sistemas militares verão uso crescente de ultracaps. Suas capacidades singulares permitirão projetos futuros. Suas capacidades específicas de desempenho devem ser utilizadas de forma ideal, e devemos ter um entendimento e uma consciência aguçados das assinaturas espectrais singulares que esses dispositivos geram ao armazenar alta potência e nos modos de carga ou descarga. O desenvolvimento desses ultracaps avançados deve ser realizado, compreendido e adotado pelo governo dos EUA e por aqueles que desenvolvem os sistemas a serem usados pelo governo. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 27

Nota editorial: Capítulo 6: conclusões do estudo, incluindo a ênfase nas assinaturas espectrais dos ultracapacitores e a recomendação de que o governo dos EUA acompanhe e adote essa tecnologia.

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt9! e"t I Chapter 6: Conclusions Ultracapacitors are becoming increasingly important in applications ranging from portable electronics to cargo transport cranes. Their introduction in electronic circuits for conversion and storage assistance will become the next major milestone. The virtually unlimited cycle life combined with high power capabilities has made them an integral component to many energy-management schemes. Early adoption of ultracaps by the military was an important differentiator for vehicle performance and a technology driver. Improvements to activated carbons and manufacturing techniques have brought costs down. The ultracapacitor is relatively young and is expanding rapidly as ultracaps are reaching a more widespread audience. Increased adoption has led to recognition of the benefits, and the attention has allowed researchers to develop a better understanding of the power-storage mechanisms. New materials and cell designs will produce increased capacitance and higher voltages, which will in turn give ultracapacitors better energy density. Advanced carbons show great promise to generate a carbon electrode with much higher capacitance than the activated carbons in use today. These include porous carbons, carbon nanotubes, and graphene. Capacitance increases by the carbon electrode alone could double the energy density. Additional advantages in conductivity and the ability to functionalize these materials will generate improvements in power density as well as energy density. Hybrid systems utilizing a battery-like electrode are beginning to gain acceptance. These pseudocapacitive systems maintain the high power density of a symmetric ultracap and also have substantially higher energy density. While these systems sacrifice some cycle-life capability, it appears as though they will survive tens of thousands of cycles. Ultracapacitors are a solution for generating or absorbing high pulse power. They also are excellent devices for backup power and stabilization of fluctuating power requirements. Increased power densities and energy densities will open up new applications for ultracaps, replacing fuel and batteries in some cases, supplementing them in others. Power management and generation for military systems will see increasing uses for ultracaps. Their unique capabilities will enable future designs. Their specific performance capabilities must be optimally utilized and we must have a keen understanding and awareness of the unique spectral signatures these devices generate when storing high power and in charge or discharge modes. Development of these advanced ultracaps must be performed, understood, and adopted by the U.S. government and those who are developing the systems to be used by the government. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 27

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 7: Notas finais 1 Site do Tecate Group 2 B. E. Conway, [referências bibliográficas no original], Kluwer, Nova York (1999). 3 Wikimedia Commons 4 J. R. Miller, P. Simon, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 31-33 5 Livro branco da EPCOS sobre a tecnologia de UltraCap 6 P. Simon, A. Burke, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 38-43 7 Livro branco da EPCOS sobre a tecnologia de UltraCap 8 D. Tuite, [referências bibliográficas no original]; Electronic Design, novembro de 2007. 9 J. R. Miller, A. F. Burke, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 53-57 10 J. R. Miller, A. F. Burke, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 53-57 11 J. R. Miller, A. F. Burke, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 53-57 12 K. Naoi, P. Simon, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 34-37 13 Burke, [referências bibliográficas no original]; International Journal of Energy Research; julho de 2009 14 J. R. Miller, P. Simon, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 31-33 15 P. Simon, A. Burke, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 38-43 16 Livro branco da EPCOS sobre a tecnologia de UltraCap 17 P. Simon, Y. Gogotsi, [referências bibliográficas no original], Phil. Trans. R. Soc. A, 368, 3457 (2010) 18 C. N. R. Rao, A. K. Sood, R. Voggu, K. S. Subrahmanyam, [referências bibliográficas no original], J. Phys. Chem. Lett., 1, 572 (2010) 19 S. Park, R. Ruoff, [referências bibliográficas no original]; Nature Nanotechnology; 4, 217 (2009) 20 J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. Simon, P. L. Taberna, [referências bibliográficas no original]; Science, 313, 1760 (2006) 21 P. Simon, A. Burke, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 38-43 22 D. Tuite, [referências bibliográficas no original]; Electronic Design, novembro de 2007. 23 D. Tuite, [referências bibliográficas no original]; Electronic Design, novembro de 2007. 24 A. S. Arico, P. Bruce, B. Scrosati, J.-M. Tarascon, W. van Schalkwijk, Nat. Mater. 4, 366 (2005). 25 S. W. Lee, B.-S. Kim, S. Chen, Y. Shao-Horn, P. T. Hammond, J. Am. Chem. Soc. 131, 671 (2009). 26 D. Pech et al., J. Power Sources 195, 1266 (2010). 27 W. Sun, X. Y. Chen, Microelectron. Eng. 86, 1307 (2009). 28 J. Wang, J. Polleux, J. Lim, B. Dunn, J. Phys. Chem. C 111, 14925 (2007). 29 K. Naoi, P. Simon, [referências bibliográficas no original]; ECS Interface, 17, primavera de 2008, 34-37 30 H. J. Ahn, W. B. Kim, T. Y. Seong, Electrochem. Commun. 10, 1284 (2008). 31 C. N. R. Rao, A. K. Sood, R. Voggu, K. S. Subrahmanyam, [referências bibliográficas no original], J. Phys. Chem. Lett., 1, 572 (2010) 32 M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R. S. Ruoff, [referências bibliográficas no original], Nano Lett, 8, 3498 (2008) 33 M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R. S. Ruoff, [referências bibliográficas no original], Nano Lett, 8, 3498 (2008) 34 J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. Simon, P. L. Taberna, [referências bibliográficas no original]; Science, 313, 1760 (2006) 35 D. Pech et al., J. Power Sources 195, 1266 (2010). 36 J. Leis, M. Arulepp, A. Kuura, M. Latt, E. Lust, Carbon 44, 2122 (2006). 37 A. Janes, E. Lust, J. Electrochem. Soc. 153, A113 (2006). 38 E. N. Hoffman, G. Yushin, B. G. Wendler, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi, Mater. Chem. Phys. 112, 587 (2008). 39 R. K. Dash, G. Yushin, Y. Gogotsi, Microporous Mesoporous Mater. 86, 50 (2005). 40 Z. G. Cambaz, G. N. Yushin, Y. Gogotsi, K. L. Vyshnyakova, L. N. Pereselentseva, J. Am. Ceram. Soc. 89, 509 (2006) 41 J. Chmiola, C. Largeot, P. Taberna, P. Simon, Y. Gogotsi, [referências bibliográficas no original], Science, 328, 480 (2010) 42 A. Janes, E. Lust, J. Electrochem. Soc. 153, A113 (2006). NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 28

Nota editorial: Capítulo 7: notas finais 1 a 42 (referências bibliográficas do estudo).

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt9! e"t I Chapter 7: Endnotes L Tecate Group website 2 B. E Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific, Fundamentals, and Technological Applications, Kluwer, New York (1999) . 3 Wikipedia Commons 4 J. R. Miller, P. Simon, Fundamenta ls of Electrochemical Capacitor Design and Operation; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 31-33 5 EPCOS White Pa per on UltraCap Technology 6 P. Simon, A. Burke, Nanostr uctu red Carbons: Double-La yer Capacitance and More; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 38-43 7 EPCOS White Pa per on UltraCap Technology 8 D. Tuite, Get the Lowdown On Ultracapacito rs; Electronic Design, Nov 2007. 9 J. R. Miller, A. F. Burke, Electrochemical Capacitors: Challenges and Opportu nities for Real-World Applicati ons; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 53-57 10 J. R. Miller, A. F. Burke, Electrochemical Capacitors: Challenges and Opportu nities for Real-World Applications; ECS Interf ace, 17, Spr. 2008, 53-57 LI J. R. Miller, A. F. Burke, Electrochemical Capacitors: Challenges and Opportunities for Real-World Applicati ons; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 53-57 12 K. Naoi, P. Simon, New Materials and New Configurations for Advanced Electrochemical Capacitors ; ECS Interface , 1 7, Spr. 2008, 34-37 13 Burke, Ultracapacitor Technologies and Application in Hybrid and Electric Vehicles; Internat ional Journal of Energy Research; July 2009 14 J. R. Miller, P. Simon, Fundamentals of Electrochemical Capacitor Design and Operation; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 31-33 15 P. Simon, A. Burke, Nanostructured Carbons: Double-Laye r Capacitance and More; ECS Interface , 17, Spr. 2008, 38-43 16 EPCOS White Paper on UltraCap Technology 17 P. Simon, Y. Gogotsi, Charge Storage Mechanism in Nanoporous Carbons and Its Consequence for Electrical Double Layer Capacitors, Phil. Trans. R. Soc. A, 368, 3457 (2010) 18 C. N. R. Rao, A. K. Sood, R. Voggu, K. S. Subrahmanyam, Some Novel Attributes of Graphene, J. Phys. Chem. Lett., 1, 572 (2010) 19 S. Park, R. Ruoff, Chem ical Methods for the Production of Graphenes; Nature Nanotechnology; 4, 217 (2009) 20 J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. simon, P. L. Taberna, Anomalous I ncrease in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less than 1 Nanometer; Science, 313, 1760 (2006) 21 P. Simon, A. Burke, Nanostructured Carbons: Double-Laye r Capacitance and More; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 38-43 22 D. Tuite, Get the Lowdown On Ultracapacitors ; Electronic Design, Nov 2007. 23 D. Tuite, Get the Lowdown On Ultracapacitors; Electronic Design, Nov 2007. 24 A. S. Arico, P. Bruce, B. Scrosati, J.-M. Tarascon,W. van Schalkwijk, Nat. Mater. 4, 366 (2005) . 25 S. W. Lee, B.-S. Kim, S. Chen, Y. Shao-Horn, P. T. Hammond, J. Am. Chem. Soc. 131, 671 (2009) . 26 D. Pech et al., J. Power Sources 195, 1266 (2010). 27 w. Sun, X. Y. Chen, Microelectron . Eng. 86, 1307 (2009). 28 J. Wang, J. Polleux, J. Lim, B. Dunn, J. Phys. Chem. C 111, 14925 (2007) . 29 K. Naoi, P. Simon, New Materials and New Configurations for Advanced Electrochemical Capacitors; ECS Interface, 17, Spr. 2008, 34-37 30 H. J. Ahn, W. B. Kim, T. Y. Seong, Electrochem. Commun . 10, 1284 (2008). 31 C. N. R. Rao, A. K. Sood, R. Voggu, K. S. Subrahmanyam, Some Novel Attributes of Graphene, J. Phys. Chem. Lett. , 1, 572 (2010) 32 M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R. S. Ruoff, Graphene-Based Ultracapacitors, Nano Lett, 8, 3498 (2008) 33 M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R. S. Ruoff, Graphene-Based Ultracapacitors, Nano Lett, 8, 3498 (2008) 34 J. Chmiola, G. Yush in, Y. Gogotsi, C. Portet, P. simon, P. L. Taberna, Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less than 1 Nanometer; Science, 313, 1760 (2006) 35 D. Pech et al., J. Power Sources 195, 1266 (2010). 36 J. Leis, M. Arulepp, A. Kuura, M. Latt, E. Lust, Carbon 44, 2122 (2006) . 37 A. Janes, E. Lust, J. Electrochem. Soc. 153, A113 (2006) . 38 E. N. Hoffman, G. Yushin, B. G. Wendler, M. W. Barsoum,Y. Gogotsi, Mater. Chem. Phys. 112, 587 (2008) . 39 R. K. Dash, G. Yush in, Y. Gogotsi, MicroporousMesoporous Mater. 86, 50 (2005) . 40 z. G. Cambaz, G. N. Yushin, Y. Gogotsi, K. L. Vyshnyakova, L. N. Pereselentseva, J. Am . Ceram . Soc. 89, 509 (2006) 41 J. Chmiola, C. Largeot, P. Taberna, P.Simon, Y.Gogotsi, Monolithic Carbide-Derived Carbon Films for Micro­ Supercapacitors, Science,328, 480 (2010) 42 A. Janes, E. Lust, J. Electrochem . Soc. 153, A113 (2006) . 28 UNC LASSI FIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY

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TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 34

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 43 J. Leis, M. Arulepp, A. Kuura, M. Latt, E. Lust, Carbon 44, 2122 (2006). 44 T. Goto, T. Kimura, G. Lawes, et al., [referências bibliográficas no original], Physical Review Letters, 92, 257201 (2004). 45 N. Hur, S. Park, P. A. Sharma, S. Guha, S.-W. Cheong, [referências bibliográficas no original], Physical Review Letters, 93, 107207 (2004). 46 R. F. Mamin, T. Egami, Z. Marton, S. A. Migachev, [referências bibliográficas no original], Phys. Rev. B 75, 115129 (2007). 47 J. Wan, Qi Lu, Bo Chen, Fengqi Song, J. Liu, J. Dong, G. Wang, [referências bibliográficas no original], Applied Physics Letters, 95, 152901 (2009). NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 29

Nota editorial: Continuação das notas finais (43 a 47), com as referências sobre magnetocapacitância gigante.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I 43 J. Leis, M. Arulepp, A. Kuura, M. Latt, E. Lust, Carbon 44, 2122 (2006) . 44 T. Goto, T. Kimura, G. Lawes, et. al. Ferroelectricity and Giant Magnetocapacitance in Perovskite Rare-earth Manganites. Physical Review Letters, 92, 257201 (2004 ). 4 5 N. Hur, S. Park, P.A. Sharma, S. Guha, and S-W. Cheong, Colossal Magnetodielectric Effects in DyMn2O5, Physical Review, Lett. 93, 107207 (2004). 46 R. F. Mamin, T. Egami, z. Marton, and S. A. Migachev, Giant dielectric permittivity and Magnetocapacitance in La0.875Sr0.125MnO3 Single Crystals, Phys. Rev. B 75, 115129 (2007) . 47 J. Wan, Qi Lu, Bo Chen, Fengqi Song, J. Liu, J.g Dong, and G.Wang, Giant Room-Temperature Magnetocapacitance in Co2+ Doped SnO2 Dielectric Films, Applied Physics Letters, 95, 152901 (2009) UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 29

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TRECHO 29 · PÁGINA FÍSICA 4

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Figura 10. Síntese de CDC e esquema de preparação da célula de teste eletroquímica ... 21 Figura 11. Capacitância volumétrica dos filmes em (A) TEABF4 e (B) H2SO4 ... 21 Figura 12. Estrutura do MCap ... 22 Figura 13. Resultados preliminares de testes do MCap ... 23 Figura 14. Gráfico-resumo dos resultados do MCap até o momento ... 23 Figura 15. Energia específica e custos estimados em função de foMc ... 24 Figura 16. Evolução dos ultracapacitores ... 26 Tabelas Tabela 1: Propriedades contrastantes de baterias e ultracapacitores ... 4 Tabela 2: Fabricantes de ultracapacitores ... 7 Tabela 3: Propriedades de diversos eletrólitos usados em ultracapacitores ... 8 Tabela 4: Propriedades de diversos materiais usados como eletrodos de capacitores eletroquímicos ... 9 NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] iii

Nota editorial: Continuação do sumário: figuras e tabelas.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I Figure 10. CDC Synthesis and Electrochemical Test Cell Preparation Schematic. 21 Figure 11. Volumetric Capacitance of the Films in (A) TEABF4 and (B) H2S04...... 21 Figure 12. MCap Structure ................................................................................... 22 Figure 13. Preliminary MCap Test Results ........................................................... 23 Figure 14. Summary Chart of MCap Results to Date ............................................ 23 Figure 15. Specific Energy and Estimated Costs vs. foMc ...................................... 24 Figure 16. Evolution of Ultracapacitors ............................................................... 26 Tables Table 1: Contrasting Properties of Batteries and Ultracapacitors ........................... 4 Table 2: Manufacturers of Ultracapacitors .............................................................. 7 Table 3: Properties of Various Electrolytes Used in Ultracapacitors ....................... 8 Table 4: Properties of Various Materials used in Electrochemical Capacitor Electrode Materials ................................................................................................. 9 UNCLASSIFIEll/FQA QFFl&IAk W&lii OHL¥ iii

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TRECHO 30 · PÁGINA FÍSICA 5

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Ultracapacitores como dispositivos de armazenamento de energia e de potência para aplicações comerciais e militares Resumo Ultracapacitores (ultracaps) são dispositivos de armazenamento de energia capazes de taxas de carga e descarga extremamente rápidas, com a capacidade de serem ciclados centenas de milhares de vezes. Essas capacidades singulares os tornam atraentes para diversas aplicações. As vantagens sobre as baterias de íons de lítio são de certo modo atenuadas pelo fato de que eles têm menos de 10% da energia específica (Wh/kg) e exigem um conversor de potência para regular sua tensão. A alta capacitância é obtida pela área superficial enormemente elevada dos eletrodos de carbono, em comparação com os capacitores eletrolíticos planares. Os ultracapacitores são comumente usados para estabilizar a tensão de conversores de potência e para complementar as cargas de pico de sistemas elétricos. Sua aplicação se ampliou da eletrônica e das telecomunicações para o nivelamento de carga industrial e para o transporte. Devido à sua durabilidade, seu uso no setor aeroespacial tem sido na espoletagem de munições e no nivelamento de carga de potência de mísseis. Em última instância, a aplicação será o armazenamento e a entrega de potência pulsada para propulsão elétrica e armas de energia dirigida. Os desenvolvimentos recentes em ultracapacitores têm se concentrado em diferentes materiais ativos e projetos de eletrodos. Com o uso de carbonos avançados, polímeros e óxidos metálicos, é possível obter maior densidade de potência e de energia. Ultracaps de filme fino à base de óxidos demonstraram alto desempenho em densidade de energia e de potência, aproximando-se dos limites teóricos. Nanotubos de carbono e carbonos avançados têm sido usados como aditivos e também como único material de eletrodo. Materiais nanoestruturados e melhorias nos processos de fabricação de filmes finos gerarão avanços na produção em massa. Os capacitores magnéticos são um desenvolvimento recente, fabricados com processos de semicondutores em lâminas (wafers) de silício. Possuem um mecanismo de armazenamento diferente e transformarão as aplicações de armazenamento de energia e de potência pulsada. Os ultracapacitores estão alcançando adoção generalizada e já estão disponíveis para dar suporte desde a eletrônica até o transporte. Novos avanços em materiais permitirão dispositivos de alta densidade de energia com capacidades de potência excepcionais. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] iv

Nota editorial: Resumo do estudo: o que são ultracapacitores, vantagens e limites frente às baterias de íons de lítio e as direções de pesquisa.

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UNCLASSIFIED1fFOR 8ffl@IAL tt9! e"t I Ultracapacitors as Energy and Power Storage Devices for Commercial and Military Applications Summary Ultracapacitors (ultracaps) are energy storage devices capable of extremely rapid charge and discharge rates with the ability to be cycled hundreds of thousands of times. These unique capabilities make ultracaps attractive for a number of applications. The advantages over lithium ion batteries are somewhat mitigated by the fact that they have less than 10% of the specific energy (Wh/kg) and require a power converter to regulate their voltage. The high capacitance is achieved by the enormously high surface area of the carbon electrodes compared to planar electrolytic capacitors. Ultracapacitors are commonly used to provide voltage stabilization of power converters and to supplement peak-power loading of electrical systems. Their application has expanded from electronics and telecommunications to industrial load leveling and transportation. Due to their durability, their use in aerospace has been for munitions fusing and missile power load leveling. Ultimately, application will be pulsed power storage and delivery for electric propulsion and directed­ energy weapons. Recent developments in ultracapacitors have focused on different active materials and electrode designs. By using advanced carbons, polymers, and metal oxides, increased power density and energy density can be achieved. Oxide-based thin-film ultracaps have demonstrated high-performance energy and power density, approaching theoretical limits. Carbon nanotubes and advanced carbons have been used as additives to and solely as electrode materials. Nanostructured materials and thin-film manufacturing process improvements will generate breakthroughs in mass production. Magnetic capacitors are a recent development, manufactured using semiconductor processes on silicon wafers. They possess a different storage mechanism and will transform energy storage and pulsed-power applications. Ultracapacitors are reaching widespread adoption and they are now available to support electronics through transportation. New advancements in materials will enable high-energy density devices with exceptional power capabilities. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY iv

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TRECHO 31 · PÁGINA FÍSICA 6

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Capítulo 1: Visão geral do conceito Ultracapacitores, também conhecidos como supercapacitores, capacitores híbridos, capacitores eletroquímicos, capacitores eletroquímicos de dupla camada ou ultracaps, são plataformas de armazenamento de energia capazes de taxas extremamente rápidas de carga e descarga. Os ultracapacitores também podem ser ciclados centenas de milhares de vezes. As fenomenais capacidades de carga e descarga os tornam ideais para dar suporte a memória volátil e a aplicações de computação, a processos de eficiência/captura de energia e a aplicações de alta potência. Os ultracaps armazenam sua carga na dupla camada elétrica entre o eletrodo e o eletrólito. O armazenamento de carga é um mecanismo físico, e não uma mudança de fase química, de modo que, em teoria, eles são capazes de ciclar um número infinito de vezes.2 Uma das desvantagens dos ultracaps pode ser uma alta taxa de autodescarga.3 A saída de tensão de carga e descarga de um ultracap é uma curva linear inclinada, o que permite um monitoramento direto e preciso do estado de carga.4 A verdadeira vantagem de um ultracapacitor é a capacidade de fornecer ou receber surtos de potência em pouco tempo. Os ultracaps foram introduzidos em 1966 e tiveram seu primeiro uso 12 anos depois, como dispositivos de energia de reserva para memória volátil e relógios. Ao longo dos últimos 30 anos, numerosos avanços levaram a muitos usos dos ultracaps, do transporte à eletrônica portátil e além. Os ultracaps estão se tornando mais acessíveis à medida que os eletrodos de carbono ativado e as melhorias de fabricação reduziram os custos. Diversas empresas fabricam hoje ultracapacitores para atender a um amplo espectro de aplicações. A Figura 1 mostra vários ultracaps com diferentes capacidades para cumprir uma gama de funções. Transporte, microeletrônica e aeroespacial são algumas das muitas áreas em que os ultracaps se tornaram habilitadores. Materiais avançados e projetos de célula aprimorados levarão a melhorias tanto na densidade de potência quanto na densidade de energia. Espera-se que o desempenho aprimorado torne os ultracaps componentes importantes para o nivelamento eficiente de potência e para a recepção e entrega de alta potência. A assinatura singular dos ultracapacitores deve ser compreendida para aplicações aeroespaciais e militares. Como capacitor eletroquímico, o ultracapacitor armazena energia na dupla camada elétrica formada na interface entre o eletrodo e o eletrólito. Em um capacitor convencional, a energia é armazenada pelo deslocamento de portadores de carga de uma placa para outra, e a separação de cargas cria um potencial. As diferenças de tensão em um capacitor convencional dependem do material dielétrico que separa as placas. No ultracap, a dupla camada elétrica é a separação de cargas em um intervalo desaparecidamente fino entre duas placas. A Figura 2 mostra os componentes e o projeto básico do ultracap, [Figura 1. Ultracaps em várias configurações.1 (fotografias)] NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 1

Nota editorial: Capítulo 1: visão geral do conceito, com a Figura 1 (ultracapacitores comerciais em várias configurações) e a descrição do armazenamento na dupla camada elétrica.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I Chapter 1: Concept Overview Ultracapacitors, also known as supercapacitors, hybrid capacitors, electrochemical capacitors, electrochemical double-layer capacitors, or ultracaps, are energy-storage platforms that offer energy storage capable of extremely rapid charge and discharge rates. Ultracapacitors also have the ability to be cycled hundreds of thousands of times. The phenomenal charge and discharge capabilities make them ideal for supporting volatile memory and comput ing applications, energy efficiency/capture processes, and high­ power applications. Ultracaps store their charge in the electrical double layer between the electrode and the electrolyte. Charge storage is a physical mechanism rather than a chemical phase change, so these are theoretically capable of cycling an infinite number of times. 2 One of the Figure 1. Ultracaps in Various Configurations.' disadvantages of ultracaps can be a high self-discharge rate. 3 The charge and discharge voltage output for an ultracap is a sloping linear curve, which allows for straightforward and accurate state-of-charge monitoring. 4 The real advantage of an ultracapacitor is the ability to deliver or accept bursts of power in a short time. Ultracaps were int roduced in 1966 and found init ial use 12 years later as backup power devices for volatile memory and clocks. Over the last 30 years, numerous advances have been made that have led to many uses of ultracaps, from transportation to portable electronics and more. Ultracaps are becoming more affordable as activated carbon electrodes and manufacturing improvements have driven costs down. Several companies now make ultracapacitors to fill a broad spectrum of applications. Figure 1 shows a number of ultracaps with various capacities to fill a range of functions. Transportation, microelectronics, and aerospace markets are some of the many areas where ultracaps have become enablers. Advanced materials and improved cell designs will lead to improvements in both power density and energy density. The improved performance is expected to make ultracaps important components for efficient power leveling and high-power receiving and delivery. The unique signature of ultracapacitors must be understood for aerospace and military applications. As an electrochemical capacitor, ultracapacitors store energy within the electric double layer formed at the interface between the electrode and electrolyte. In a conventional capacitor, the energy is stored by moving charge carriers from one plate to another, and the charge separation creates a potential. Voltage differentials in a conventional capacitor are dependent upon the dielectric material separating the plates. In the ultracap, the electrical double layer is the separation of charge in a vanish ingly thin gap between two plates. Figure 2 depicts the components and basic design of the ultracap, UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 1

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TRECHO 32 · PÁGINA FÍSICA 7

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] mostrando a dupla camada eletroquímica responsável pelo desempenho característico.5 Os princípios básicos de operação não mudaram com as tecnologias aprimoradas, apenas os materiais e o projeto da célula. As duas placas de eletrodo são tradicionalmente do mesmo material, geralmente um material carbonáceo, como o carbono ativado. Cada camada é capaz de armazenar uma baixa tensão, e várias camadas servem para aumentar o potencial. Células individuais são colocadas em série para criar uma tensão mais alta, de modo muito semelhante a uma bateria. Os avanços recentes em ultracapacitores caminharam para o emprego de eletrodos diferentes entre si, que criam um potencial mais alto; como os eletrodos agora são diferentes, esses dispositivos são às vezes chamados de capacitores "pseudo" ou híbridos. O pseudocapacitor usa um eletrodo semelhante ao de uma bateria para substituir um dos eletrodos de carbono, resultando em um eletrodo de alto armazenamento de energia e um eletrodo altamente capacitivo no mesmo sistema. A capacitância de um ultracapacitor pode ser determinada pela equação de Helmholtz (equação 1), que descreve a relação entre o eletrólito e o eletrodo: C = εA/d (1) Aqui, ε é a constante dielétrica do eletrólito, A é a área superficial disponível e d representa a distância entre o centro da dupla camada e a superfície do eletrodo. Aumentar a capacitância da dupla camada em um ultracap é geralmente alcançado manipulando-se a área superficial do eletrodo (de carbono) ou o eletrólito. A densidade de energia (equação 2) é o produto da capacitância pelo quadrado da tensão: E = ½ CV² (2) As estratégias para aumentar a energia armazenada visam melhorias tanto nos eletrodos quanto no eletrólito. Passar de um eletrólito aquoso para um eletrólito orgânico com constante dielétrica mais alta aumentará a tensão de aproximadamente 1 volt para mais de 2,5 volts. Aumentar a área superficial do eletrodo é outra abordagem para aumentar a capacidade de armazenamento. Há um compromisso entre porosidade e área superficial que deve ser considerado ao construir um eletrodo com área superficial extremamente alta. Um carbono ativado que se aproxima de uma área superficial medida de 3.000 m²/g pode ter menos da metade disso como área acessível ou utilizável.6 Aumentar o tamanho dos poros sacrifica área superficial, mas oferece mais material acessível. Ao fornecer mais área interfacial entre o eletrodo e o eletrólito, pode-se produzir uma dupla camada eletroquímica melhor, resultando em um ultracapacitor melhor. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 2

Nota editorial: Descrição dos eletrodos simétricos e híbridos e as duas equações básicas de capacitância e de energia.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I showing the electrochemical double layer responsible for the characteristic performance. 5 The basic principles of operation have not changed with improved technologies, only the materials and cell design. The two electrode plates are traditionally the same material, which is usually a carbonaceous material, such as activated carbon. Each layer is capable of storing a low voltage, and multiple layers serve to increase the potential. Individua l cells are placed in series to create a higher voltage, in much the same manner as a battery. Recent advances in ultracapacitors have moved toward employing dissimilar electrodes, which create a higher potential; since the electrodes are now different, these are sometimes referred to as "pseudo" or hybrid capacitors . The pseudocapacitor uses a battery-like electrode to replace one of the carbon electrodes, yielding a high-energy-storage electrode and a highly capacitive electrode within the same system. The capacitance of an ultracapacitor can be determined by the Helmholtz equation (equation 1), which describes the relationship between the electrolyte and the electrode: C = EA/d (1) Here, £ is the dielectric constant of the electrolyte, A is the availab le surface area, and d represents the distance between the center of the double layer and the electrode surface. Increasing the double-layer capacitance in an ultracap is generally accomplished by either manipulating the electrode (carbon) surface area or the electrolyte. Energy density (equation 2) is the product of the capacitance and the square of the voltage: E = ½ cv2 (2) Strateg ies for increasing the stored energy target improvements to both the electrodes and the electrolyte. Changing from an aqueous electrolyte to an organic electrolyte with a higher dielectric constant will increase the voltage from approximately 1 volt to more than 2.5 volts. Increasing the surface area of the electrode is another approach to increasing storage capability. There is a tradeoff between porosity and surface area that must be considered when constructing an electrode with an extremely high surface area. An activated carbon approaching a measured surface area of 3,000 m2/g may have less than half that as accessible or useable area.6 Increasing the pore size sacrifices surface area but provides more accessible material. By providing more interfac ial area between the electrode and the electrolyte, a better electrochemical double layer can be produced, yielding a better ultracapacitor. UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 2

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TRECHO 33 · PÁGINA FÍSICA 8

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] [Diagrama: seleção de materiais e construção. Eletrodos de carbono ativado; eletrólito; separador embebido em eletrólito; eletrodos de carbono ativado. Legenda: eletrodos, separador, eletrólito, componente enrolado, invólucro.] Figura 2. Funcionamento de um ultracapacitor. Um ultracapacitor simples utiliza dois eletrodos semelhantes (tipicamente de carbono) com um separador e um eletrólito para criar a dupla camada eletroquímica que governa a operação.7 BATERIAS E ULTRACAPACITORES Em um ultracapacitor, a energia é armazenada na dupla camada elétrica, que é um mecanismo de armazenamento físico. Compare-se com as baterias, nas quais a carga e a descarga ocorrem por meio de uma reação química (faradaica). Como a carga é armazenada fisicamente, não há mecanismo direto de degradação que limite a vida útil em ciclos. Ocorrem reações secundárias, o que impede uma vida útil infinita em ciclos, mas os ultracaps podem frequentemente ser ciclados dezenas de milhões de vezes.8 As baterias armazenam sua energia por meio de reação química; por consequência, sua vida útil em ciclos é muito mais curta e depende fortemente da profundidade de descarga. Em contraste, não há limitações quanto à profundidade de descarga em um ultracapacitor. A Tabela 1 trata de algumas das características gerais de baterias e ultracapacitores, o que pode ajudar a determinar o sistema preferível para uma aplicação específica. Os valores se baseiam em dados de 2008, de modo que alguns números estão desatualizados, mas os valores relativos permanecem coerentes. Existem agora dispositivos híbridos que borram ainda mais as fronteiras, ao introduzir um eletrodo semelhante ao de bateria para substituir um dos dois eletrodos idênticos de um ultracapacitor tradicional. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 3

Nota editorial: Figura 2 (esquema de um ultracapacitor) e início da comparação entre baterias e ultracapacitores.

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UNCLASSIFIED1/FOR 8ffl@IAL tt91! e"t I Activated Materi al selection and construction carbon electrodes Electrolyte Activated carbon electrodes 0000000000 Separator soaked in electrolyte 0000000000 ■ Electrodes ■ Separator ■ Electrolyte ■ Wound component ■ Case Figure 2. Operation of an Ultracapacitor. A simple ultr acapacitor utilizes two similar electrod es (typica lly carbon) with a separator and electrolyt e to create the electroc hemical double layer that governs operation . 7 BATTERIES AND ULTRACAPS For an ultracapacitor, energy is stored within the electrica l double layer, which is a physical storage mechanism . Contrast this with batter ies, where charge and discharge take place through a chemical (Farada ic) reaction . Since charge is stored physically, there is no direct degradation mechanism that limits cycle life. Side reactions do occur, which prevents infinite cycle life, but ultracaps can often be cycled tens of millions of times .8 Batteries store their energy through chemica l reaction; consequently, cycle life is much shorter and heavily dependent on the depth of discharge . In contrast, there are no limitations to the discharge depth with an ultracapac itor. Table 1 addresses some of the general characteristics of batteries and ultracapacitors, which can help to determine the preferred system for a specified application . The values are based upon 2008 data, so some numbers are outdated, but the relat ive values remain consistent. There are now hybrid devices that blur the boundaries further by introducing a battery-like electrode to replace one of the two identical electrodes in a traditional ultracapacitor. UNCLASSIFIEO/fFOA OFFI&I:.l.b YS& ONLY 3

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TRECHO 34 · PÁGINA FÍSICA 9

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NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] Tabela 1: Propriedades contrastantes de baterias e ultracapacitores9 Característica | Bateria de íons de lítio de última geração | Ultracapacitor Tempo de carga | ~3-5 minutos | ~1 segundo Tempo de descarga | ~3-5 minutos | ~1 segundo Vida útil em ciclos | <5.000 a taxa 1C | >500.000 Energia específica (Wh/kg) | 100-200 | 5 Potência específica (kW/kg) | 0,5-1 | 5-10 Eficiência do ciclo (%) | <50% a >90% | <75 a >95% Custo/Wh | US$ 1-2/Wh | US$ 10-20/Wh Custo/kW | US$ 75-150/kW | US$ 25-50/kW A curva de tensão de um ultracapacitor é proporcional à profundidade de descarga, ao passo que as baterias entregam uma tensão relativamente constante durante uma descarga longa. A curva de tensão inclinada de um ultracap pode ser vantajosa para determinar o estado de carga. No entanto, ela também é responsável pela menor densidade de energia disponível em um ultracapacitor. Para aplicações que exigem que a energia seja entregue em uma escala de tempo mais longa ou a uma tensão constante, a curva de tensão relativamente plana encontrada na maioria das baterias seria a opção preferível. Nos casos em que a potência deve ser entregue ou recebida rapidamente, ou em que muitos ciclos são necessários, um ultracap é o ideal. Para entender melhor as diferenças entre baterias e ultracaps, ajuda pensar nas baterias como armazenando watts-hora de energia e nos ultracaps como armazenando watts de potência. Um gráfico de Ragone ilustra as distinções ao representar potência versus energia em escala logarítmica. Como se vê na Figura 3, os ultracaps são uma excelente opção onde se exige alta densidade de potência. Os tempos mostrados são estimativas aproximadas para uma carga ou descarga completa, destinadas a ajudar a compreender a relação entre densidade de energia e densidade de potência. As baterias fizeram melhorias significativas recentemente na entrega de potência, mas permanecem a solução de alta densidade de energia. Os ultracapacitores são muitas vezes vistos como um elo intermediário entre os capacitores convencionais e as baterias. Os desenvolvimentos recentes de capacitores híbridos levaram a um progresso considerável rumo a maior densidade de energia. Contudo, há um compromisso entre alta densidade de energia e dispositivos de alta potência, e a distinção entre os dois exige considerar os requisitos da aplicação ao escolher a plataforma de armazenamento de energia de um sistema. As diferenças entre ultracaps e baterias não os tornam mutuamente excludentes. Há aplicações em que tanto uma bateria quanto um ultracap são a plataforma de armazenamento preferida. Com bastante frequência, os dois podem ser usados juntos nos sistemas, cumprindo papéis complementares. NÃO CLASSIFICADO//[tarja sobre "SOMENTE PARA USO OFICIAL"] 4

Nota editorial: Tabela 1 (baterias de íons de lítio versus ultracapacitores) e a discussão sobre o gráfico de Ragone.

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UNCLASSIFIED11FOR. 8FFl@IAL tt.!! e"t I Table 1: Contrasting Properties of Batteries and Ultracapacitors 9 Characteristic State of the Art Lithium Ion Battery Ultra capacitor Charge time ~3-5 minutes "'1 second Discharge time ~3-5 minutes ~1 second Cycle life <5,000 @ 1C rate >500,000 Specific Energy (Wh/kg) 100-200 5 Specific power (kW/kg) 0.5 -1 5-10 Cycle efficiency (%) <50% to >90% <75 to >95% Cost/Wh $1-2/Wh $10-20/Wh Cost/kW $75-150/kW $25-50/kW The voltage curve for an ultracapacitor is proportional to the depth of discharge, whereas batteries deliver a relatively constant voltage over a long discharge period. The sloping voltage curve of an ultracap can be advantageous for state-of-charge determinations. However, this is also responsible for the decreased energy density available in an ultracapacitor. For applications requiring energy to be delivered over a longer time scale or delivered at a constant voltage, the relatively flat voltage curve found in most batteries would be the preferred option. In instances where power is to be delivered or received quickly, or where many cycles are required, an ultracap is ideal. To better understand the differences between batteries and ultracaps, it helps to think of batteries as storing watt-hours of energy and ultracaps as storing watts of power. A Ragone plot illustrates the distinctions by plotting power versus energy in a logarithmic scale. As can be seen in Figure 3, ultracaps make an excellent option where high power density is required. The times shown are rough estimates for a full charge or discharge, which are estimates to help understand the relationship between energy density and power density. Batteries have made significant improvements to power delivery recently, but batteries remain the high-energy-density solution . Ultracapacitors are often thought of as a stop-gap between conventional capacitors and batteries. Recent developments of hybrid capacitors have led to considerable progress toward higher energy density. However, there is a tradeoff between high energy density and high­ power devices, and the distinctions between the two require consideration of application requirements when choosing the energy storage platform for a system. The differences between ultracaps and batteries do not make the two mutually exclusive. There are applications where either a battery or an ultracap is the preferred energy storage platform. Quite often, these two can be used together in systems to perform complementary roles. UNCLASSIFIEO/;LFOA OFFI&il:.l.b YS& OrtLY 4

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Datas e contexto documental

Acontecimento
01/11/2010 — Data de capa. COD (data de corte das informações): 20 de julho de 2010. Número do documento: DIA-08-1011-005.
Documento
01/11/2010 — Capa, página física 1.
Publicação
Não estabelecida — Liberado na série DOW-UAP; a data de liberação não consta no documento.

Origem e divulgação

Defense Intelligence Agency (DIA), Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4), programa AAWSAP; autores com nomes substituídos por “AAP Person 84” e “AAP Person 85” · DOW-UAP-D147_AAWSAP-DIRD-Ultracapacitors-as-Energy-and-Power-Storage-Devices-November-1-2010.pdf

Páginas conferidas: 1 a 34.

Relatos relacionados e suas diferenças

Perguntas para continuar a investigação

  • O relatório não explica por que a descarga de um ultracapacitor foi escolhida como alvo de detecção: houve algum teste de campo ou a proposta é apenas teórica?
  • As alegações de desempenho do capacitor magnético MCap foram replicadas por laboratórios independentes depois de 2010?

GEOGRAFIA DO CASO

Washington, D.C., EUA

Referência aproximada à cidade do órgão que emitiu o documento, posicionada pela redação. Não indica local de evento algum.

RASTRO DOCUMENTAL

Volte às fontes

As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.

  1. DOW-UAP-D147_AAWSAP-DIRD-Ultracapacitors-as-Energy-and-Power-Storage-Devices-November-1-2010.pdf

    Páginas físicas 1 e 2 (capa e expediente), 5 (resumo), 6 a 20 (conceito, materiais e aplicações, incluindo a seção de assinaturas e vulnerabilidades), 21 a 29 (desenvolvimentos recentes e capacitor magnético), 30 a 32 (desenvolvimentos futuros e conclusões) e 33 e 34 (notas finais)

    DOW · 34 páginas

Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.

UMA HISTÓRIA LEVA A OUTRA

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