Ny generation af superkondensatorer indstillet til at elektrificere grøn transport

Forskere har skabt en ny generation af billige, højenergi-superkondensatorer til at drive elektriske køretøjer.

Forskere fra Imperial College London og University College London (UCL) har produceret en billigere, mere bæredygtigt og energitæt elektrodemateriale til superkondensatorer, som kan bane vejen for bredere markedspenetration af denne højeffekt, hurtigopladning af elbilsteknologi.

I undersøgelsen, udgivet i Avanceret Videnskab , holdet brugte lignin, et biobaseret biprodukt fra papirindustrien, at skabe fritstående elektroder med forbedret energilagringskapacitet.

Forskerne siger, at dette kunne være en game-changer for eksisterende supercapacitor-teknologi, giver en billigere, mere bæredygtigt alternativ til nuværende modeller. Holdet understreger vigtigheden af ​​at reducere produktionsomkostningerne for kulstofbaserede elektroder og afhængigheden af ​​kritiske materialer, hvis fritstående superkondensatorer skal spille en stor rolle i dekarboniseringen af ​​transportindustrien sammen med batterier og brændselsceller.

Bæredygtige materialer

Brug af lignin i stedet for dyrt grafenbaseret kulstof, holdet producerede en fritstående struktur, som er lettere og mindre end nuværende modeller uden at gå på kompromis med energilagringskapaciteten. Dette gør dem ideelle til brug i elektriske køretøjer på kort afstand som busser, taxaer og sporvogne, hvor de har kapacitet til at lade op i den tid, det tager for passagerer at komme ud og ind i et køretøj.

Medkorresponderende forfatter Dr. Maria Crespo Ribadeneyra fra Institut for Kemiteknik ved Imperial sagde:"Superkondensatorer er en ideel kandidat til elektrisk transport i bycentre, hvor forurening er en stadig mere presserende bekymring. Imidlertid, de bliver ofte overset på grund af de høje produktionsomkostninger.

"Vores forskning er baseret på et billigt og bæredygtigt biobaseret materiale, der kan lagre mere energi pr. volumen end mange andre dyre alternativer. Dette er især vigtigt i bilsektoren, hvor optimering af pladsen og omkostningerne ved komponenterne er afgørende."

Medkorresponderende forfatter professor Magda Titirici fra Institut for Kemiteknik ved Imperial tilføjede:"At skabe bæredygtige multifunktionelle materialer fra affaldsbiomassestrømme såsom lignin vil muliggøre en bæredygtig og overkommelig forsyningskæde for energimaterialer i fremtiden og vil eliminere vores afhængighed af kritiske materialer som lithium.

"Ideen om at presse flere fritstående carbonpapir sammen for at opbevare mere ladning i et lille volumen er innovativ og rummer potentiale for fremtidig strukturel udvikling. Forestil dig, at i stedet for at elektroderne bliver understøttet i et telefoncover eller på et biltag, de er sagen eller taget."

Skræddersyede mikrostrukturer

Den innovative teknik udviklet af holdet i denne undersøgelse brugte elektrospundne lignin nanofibermåtter, som de komprimerede sammen til en tæt struktur. Dette gjorde det muligt for dem at skræddersy elektrodernes indre mikrostruktur ved at reducere mængden af ​​mikrometerstore porer, som ikke bidrager til energilagring, samtidig med at porøsiteten af ​​de enkelte fibre, der lagrer elektrisk ladning, bevares. Dette arbejde blev gjort muligt ved at bruge avanceret billeddannelse svarende til røntgen til at se de interne mikrostrukturer i tre dimensioner.

Dr. Rhodri Jervis fra Electrochemical Innovation Lab (EIL) ved UCL og medforfatter forklarede:"At tackle den store udfordring med udbredt elektrificering vil kræve en række forskellige energilagrings- og konverteringsenheder for at arbejde i harmoni med hinanden, ved hjælp af avancerede og bæredygtige materialer.

"Fra batterier til brændselsceller til superkondensatorer, det er nøglen til at forstå mikrostrukturen af ​​de materialer, der bruges i disse enheder, for at kunne forbedre de nuværende teknologier. I vores laboratorium har vi udviklet avancerede billedbehandlingsmetoder til at se og vurdere disse mikrostrukturer i tre dimensioner, og dette arbejde fremhæver fordelen ved 3D-billeddannelse til at optrevle potentialet af nye materialer i energilagring."

Forskerholdet arbejder nu på at sikre, at denne teknologi kan gøres kommercielt levedygtig. De er i øjeblikket ved at udvikle en ny superkondensator med en ikke-ætsende og mere omkostningseffektiv elektrolyt, der kunne implementeres i kommercielle enheder.