Små superkondensatorer kan revolutionera sättet vi använder batterier på genom att öka deras livslängd och möjliggöra sekundsnabb laddning. Tillverkare av allt från smartphones till elbilar satsar därför stort på de nya elektroniska komponenterna. Nu har forskare på Chalmers utvecklat en metod som innebär ett genombrott för hur sådana superkondensatorer kan produceras.
– När man pratar om nya teknologier är det lätt att glömma bort hur viktig tillverkningsmetoden är för att de ska kunna produceras industriellt och komma samhället till nytta. Vi har utvecklat metoder som med säkerhet fungerar i verklig produktion, säger artikelns huvudförfattare Agin Vyas, doktorand vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola.
Superkondensatorer består av två elektriska ledare som skiljs åt av ett isolerande skikt. De kan lagra elektrisk energi och har många positiva egenskaper jämfört med ett vanligt batteri; de kan laddas mycket snabbare, distribuera sin lagrade energi på ett effektivare sätt, och kan laddas och laddas ur tusentals gånger utan att prestandan försämras. När en superkondensator kombineras med ett batteri i en eldriven produkt, kan batteriets livslängd förlängas många gånger. Till exempel kan livslängden på batteriet i ett elfordon bli upp till fyra gånger längre. Och vinsterna för slutkonsumenten blir stora, vare sig det handlar om privatkonsumtion eller tillämpningar i industriapplikationer.
–Dels är det praktiskt att kunna snabbladda exempelvis en elbil eller att inte behöva ladda eller byta batterier lika ofta i sin smartphone, dels innebär det stora vinster för miljö och hållbarhet när batterier inte behöver återvinnas i samma omfattning i komplicerade processer, säger Agin Vyas.
Tillverkning en stor utmaning
Men i praktiken är dagens superkondensatorer för stora för många användningsområden där de skulle kunna göra nytta. De behöver ha ungefär samma storlek som batteriet de är kopplade till, vilket är ett hinder för att integrera dem på mobiltelefoner eller elbilar. Därför handlar en stor del av dagens forskning och utveckling av superkondensatorer om att göra dem mindre. Betydligt mindre.
Målet för Agin Vyas och hans kollegor är att utveckla mikrosuperkondensatorer. De är så små att de kan få plats på de systemkretsar, även kallade system-on-a-chip, som innehåller styrningen till flera olika sorters funktioner i mobiltelefoner, datorer, elmotorer och nästan all elektronik vi använder idag.
En av de viktigaste utmaningarna på vägen mot att utveckla mikrosuperkondensatorer är att hitta praktiska metoder för tillverkning. De minimala enheterna behöver tillverkas på ett sådant sätt att de dels blir kompatibla med övriga komponenter i en systemkrets, dels enkelt kan skräddarsys för olika användningsområden. I den vetenskapliga artikeln demonstrerar forskarna en tillverkningsprocess där mikrosuperkondensatorer integreras med det vanligaste sättet att tillverka systemkretsar (så kallad CMOS). Man har också utvecklat en metod för att producera mikrosuperkondensatorer i upp till tio olika material i en och samma tillverkningsprocess, vilket i sin tur innebär att egenskaper enkelt kan skräddarsys för att passa flera olika slutapplikationer.
–Genom att använda så kallad spinnbeläggning, som är en hörnsten i många tillverkningsprocesser, kan vi välja elektrodmaterial. Vi visar också att användning av alkylaminokedjor i reducerad grafenoxid leder till en högre laddnings- och lagringskapacitet, säger Agin Vyas.
–Vår metod går att skala upp och innebär reducerade kostnader för tillverkningsprocessen. Det är en stor produktionsteknisk framgång och ett viktigt steg mot praktisk användning av mikrosuperkondensatorer i både vardagselektronik och industriapplikationer.
Forskningen har finansierats av EU:s Horizon 2020 (GreEnergy), Vinnova, SAAB.