Nieuwe generatie supercondensatoren om groen transport te elektrificeren

Wetenschappers hebben een nieuwe generatie goedkope, energierijke supercondensatoren gecreëerd om elektrische voertuigen aan te drijven.

Onderzoekers van Imperial College London en University College London (UCL) hebben een goedkoper, duurzamer en energiedichter elektrodemateriaal voor supercondensatoren geproduceerd dat de weg zou kunnen effenen voor een bredere marktpenetratie van deze krachtige, snelladende elektrische voertuigtechnologie.

In de studie, gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap, gebruikte het team lignine, een biogebaseerd bijproduct van de papierindustrie, om vrijstaande elektroden te maken met verbeterde energieopslagcapaciteit.

De onderzoekers zeggen dat dit een game-changer kan zijn voor bestaande supercondensatortechnologie, en een goedkoper, duurzamer alternatief biedt voor de huidige modellen. Het team benadrukt het belang van het verlagen van de productiekosten van op koolstof gebaseerde elektroden en de afhankelijkheid van kritische materialen als vrijstaande supercondensatoren een belangrijke rol willen spelen bij het koolstofarm maken van de transportindustrie, naast batterijen en brandstofcellen.

Duurzame materialen

Met behulp van lignine in plaats van dure op grafeen gebaseerde koolstof, produceerde het team een ​​vrijstaande structuur die lichter en kleiner is dan de huidige modellen zonder afbreuk te doen aan de energieopslagcapaciteit. Dit maakt ze ideaal voor gebruik in elektrische voertuigen voor korte afstanden, zoals bussen, taxi’s en trams, waar ze kunnen worden opgeladen in de tijd die passagiers nodig hebben om een ​​voertuig uit en in te stappen.

Co-corresponderende auteur Dr. Maria Crespo Ribadeneyra van de afdeling Chemische Technologie van Imperial zei: “Supercondensatoren zijn een ideale kandidaat voor elektrisch vervoer in stedelijke centra, waar vervuiling een steeds dringender probleem is. Ze worden echter vaak over het hoofd gezien vanwege de hoge productiekosten.

“Ons onderzoek is gebaseerd op een goedkoop en duurzaam biobased materiaal dat meer energie per volume-eenheid kan opslaan dan veel andere dure alternatieven. Dit is vooral belangrijk in de automobielsector, waar optimalisatie van de ruimte en de kosten van de componenten is cruciaal.”

Co-corresponderende auteur professor Magda Titirici van de afdeling Chemische Technologie van Imperial voegde toe: “Het creëren van duurzame multifunctionele materialen uit biomassaafvalstromen zoals lignine zal in de toekomst een duurzame en betaalbare toeleveringsketen voor energiematerialen mogelijk maken en zal onze afhankelijkheid van kritieke materialen zoals lithium.

“Het idee om meerdere vrijstaande carbonpapiertjes samen te drukken om meer lading op te slaan in een klein volume is innovatief en biedt potentieel voor toekomstige structurele ontwikkeling. Stel je voor dat in plaats van dat de elektroden worden ondersteund in een telefoonhoesje of op het dak van een auto, ze de kast of het dak.”

Op maat gemaakte microstructuren

De innovatieve techniek die het team in dit onderzoek ontwikkelde, maakte gebruik van elektrospun lignine-nanovezelmatten die ze samendrukten tot een dichte structuur. Dit stelde hen in staat om de interne microstructuur van de elektroden aan te passen door het aantal micrometergrote poriën die niet bijdragen aan energieopslag te verminderen, terwijl de porositeit van de individuele vezels die wel elektrische lading opslaan, behouden blijven. Dit werk werd mogelijk gemaakt door gebruik te maken van geavanceerde beeldvorming vergelijkbaar met röntgenstraling om de interne microstructuren in drie dimensies te bekijken.

Dr. Rhodri Jervis van het Electrochemical Innovation Lab (EIL) aan de UCL en co-auteur legde uit: “Om de grote uitdaging van wijdverbreide elektrificatie aan te gaan, is een verscheidenheid aan energieopslag- en conversieapparaten nodig om in harmonie met elkaar te werken, met behulp van geavanceerde en duurzame materialen.

“Van batterijen tot brandstofcellen tot supercondensatoren, het is van cruciaal belang om de microstructuur van de materialen die in deze apparaten worden gebruikt te begrijpen om verbeteringen aan de huidige technologieën aan te brengen. In ons laboratorium hebben we geavanceerde beeldvormende benaderingen ontwikkeld om deze microstructuren in drie dimensies, en dit werk benadrukt het voordeel van 3D-beeldvorming voor het ontrafelen van het potentieel van nieuwe materialen in energieopslag.”

Het onderzoeksteam werkt er nu aan om ervoor te zorgen dat deze technologie commercieel levensvatbaar kan worden gemaakt. Ze ontwikkelen momenteel een nieuwe supercondensator met een niet-corrosieve en meer kosteneffectieve elektrolyt die kan worden geïmplementeerd in commerciële apparaten.