Lagring af elektricitet i papir:En organisk blandet ion-elektronleder til kraftelektronik

Forskere ved Linköpings Universitets Laboratorium for Organisk Elektronik, Sverige, har udviklet kraftpapir - et nyt materiale med en enestående evne til at lagre energi. Materialet består af nanocellulose og en ledende polymer. Resultaterne er offentliggjort i Avanceret Videnskab .

Et ark, 15 centimeter i diameter og et par tiendedele af en millimeter tyk kan opbevare så meget som 1 F, som ligner de superkondensatorer, der i øjeblikket er på markedet. Materialet kan genoplades hundredvis af gange, og hver opladning tager kun et par sekunder.

Det er et drømmeprodukt i en verden, hvor den øgede brug af vedvarende energi kræver nye metoder til energilagring – fra sommer til vinter, fra en blæsende dag til en rolig dag, fra en solskinsdag til en med tungt skydække.

"Tynde film, der fungerer som kondensatorer, har eksisteret i nogen tid. Det, vi har gjort, er at fremstille materialet i tre dimensioner. Vi kan producere tykke plader, " siger Xavier Crispin, professor i organisk elektronik og medforfatter til artiklen netop offentliggjort i Avanceret Videnskab .

Andre medforfattere er forskere fra KTH Kgl. Innventia, Danmarks Tekniske Universitet og University of Kentucky.

Materialet, kraftpapir, ser ud og føles som et let plastikagtigt papir, og forskerne har moret sig ved at bruge ét stykke til at lave en origami-svane - hvilket giver en indikation af dens styrke.

Materialets strukturelle fundament er nanocellulose, hvilket er cellulosefibre, som ved brug af højtryksvand, nedbrydes til fibre så tynde som 20 nm i diameter. Med cellulosefibrene i en opløsning af vand, en elektrisk ladet polymer (PEDOT:PSS), også i en vandopløsning, er tilføjet. Polymeren danner så en tynd belægning omkring fibrene.

"De dækkede fibre er i filtre, hvor væsken i mellemrummene fungerer som en elektrolyt, " forklarer Jesper Edberg, doktorand, som udførte eksperimenterne sammen med Abdellah Malti, som for nylig afsluttede sin doktorgrad.

Det nye cellulose-polymermateriale har sat ny verdensrekord i samtidig ledningsevne for ioner og elektroner, hvilket forklarer dens exceptionelle kapacitet til energilagring. Det åbner også døren til fortsat udvikling mod endnu højere kapacitet. I modsætning til de batterier og kondensatorer, der i øjeblikket er på markedet, kraftpapir er fremstillet af simple materialer - vedvarende cellulose og en let tilgængelig polymer. Den er let i vægt, det kræver ingen farlige kemikalier eller tungmetaller, og det er vandtæt.

Power Papers-projektet er siden 2012 blevet finansieret af Knut og Alice Wallenberg Fonden.

"De overlader os til vores forskning, uden at kræve lange rapporter, og de stoler på os. Vi har et stort pres på os for at levere, men det er ok, hvis det tager tid, og det er vi taknemmelige for, siger professor Magnus Berggren, direktør for Laboratoriet for Organisk Elektronik ved Linköpings Universitet.

Det nye kraftpapir er ligesom almindelig papirmasse, som skal dehydreres, når man laver papir. Udfordringen er at udvikle en proces i industriel skala til dette.

"Sammen med KTH, Acreo og Innventia har netop modtaget 34 millioner SEK fra den svenske Fond för Strategisk Forskning for at fortsætte vores bestræbelser på at udvikle en rationel produktionsmetode, en papirmaskine til kraftpapir, siger professor Berggren.