Hållbar elektrisk energilagring

Beskrivning

Det finns för tillfället ett enormt behov av att utveckla långsiktigt hållbara system för elektrisk energilagring (EEL) med hög kapacitet för en rad tillämpningar nödvändiga för att vi skall kunna behålla vår moderna livsstil samtidigt som utvecklingsländerna skall kunna hinna i kapp i levnadsstandard utan att äventyra klimatet för framtida generationer. De idag mest frekvent använda litiumjonbatterierna förlitar sig i huvudsak på oorganiska material från begränsade mineraltillgångar. Dessa förväntas bli allt mer energikrävande att framställa eftersom mineraltillgångarna visar sig allt mer svårutvunna och behovet av batterier ökar. Det finns stora förhoppningar om att EEL-enheter baserade på organiskt material skall kunna hantera energilagring från intermittenta, förnybara energikällor och samtidigt möta en ökande efterfrågan på energilagring i objekt där vi idag inte lagrar energi, så som i kläder, förpackningsmaterial, bilens och telefonens chassi, isolering i byggnader och tapeter. Anledningen till denna förhoppning är att sådana enheter kan ges egenskaper som mekanisk flexibilitet och styrka samtidigt som både form och storlek kan anpassas efter en specifik tillämpning, vilket är svårgörligt med dagens batteriteknologi.

Gedigen forskning

Under mer än 3 decennier har materialfysiker och kemister forskat på material för hållbara EEL-system, inklusive vår grupp när vi utvecklade algbatteriet (som senare döptes till salt-och pappersbatteriet av MIT Technology Review). Ännu har ingen lyckats ta fram EEL-system med tillräckligt hög energitäthet, stabilitet och tillräckligt låg intern resistans för att lägga grund för industrialisering och därmed genombrott för den hållbarhetsutveckling sådana system kan bidra till. Med tillgång till tidigare forskningsresultat inklusive våra egna, har vi under de senaste åren gjort de genombrott vi tror är nödvändiga för att skapa EEL-system som uppfyller kraven för storskalig implementering. Vi fokuserar därför nu på grundläggande materialforskning för att förverkliga dessa system.

Projektet består av flera delar

Projektet består av flera delar och handlar om utveckling av EEL-enheter med kompositelektroder bestående av nanofibrillerad cellulosa och ledande polymerer syntetiserade från biomassa.

I en del utför vi den grundforskning som behövs för att i) optimera energitätheten genom modifiering av cellulosafibrernas egenskaper (funktionalisering, porstorleksfördelning, ytarea) och därmed nanostruktur hos kompositelektroderna och ii) förbättra självurladdning/stabilitet för uppladdade enheter, samt iii) bibehålla mekanisk flexibilitet och hög effekttäthet hos enheterna samtidigt som vi ökar energilagringskapaciteten genom att tillsätta större mängd elektroaktivt material.

I en annan del av projektet utvecklar vi batterier baserade på en ny typ av högkapacitiva EEL-material, de ledande redoxpolymererna.

Denna del innefattar funktionalisering av monomerer, följt av polymerisering och materialkarakterisering med hjälp av NMR, IR, UV-VIS, XPS, elektrokemiska tekniker och SEM, samt teoretiska beräkningar för att identifiera lovande strukturer före syntes och för att hjälpa till med identifieringen av struktur-funktionsegenskaperna som den experimentella delen av forskningen resulterar i. Stort fokus i denna del ligger på att förstå samspelet mellan den ledande polymerbasen, som svarar för laddningstransport i materialet, och den vidhängande redoxgruppen, som bestämmer materialets kapacitet att lagra energi, och att förstå vilka processer som begränsar materialets prestanda i EEL-enheten. De syntetiserade materialen utvärderas sedan som elektrodmaterial i battericeller. Denna utvärdering innefattar, bland annat, kapacitets- och stabilitetsstudier.