Papper som lagrar energi i alla väder

En platta, femton cm i diameter och någon tiondels mm tjock, kan lagra inte mindre än 1 F, vilket är i samma storleksordning som de superkapacitanser som i dag finns på marknaden. Materialet går att ladda upp hundratals gånger och det tar bara ett par sekunder.

Rena drömmen i en värld där kraven på ökad användning av förnybar energi också kräver nya möjligheter att lagra energin – från sommar till vinter, från en blåsig dag till en vindstilla, från en solig dag till en dag med tunga moln, menar forskarna.

Plastigt papper
– Tunna filmer som fungerar som kondensatorer har funnits tidigare, det vi har lyckats med är att tillverka materialet i tre dimensioner. Vi kan tillverka tjocka plattor, säger Xavier Crispin, professor i organisk elektronik och en av författarna till artikeln som publicerats i Advanced Science.

Medförfattare är även forskare vid KTH, Innventia, Danmarks tekniska universitet och University of Kentucky.

Materialet, Power paper, ser ut och känns som ett lite plastigt papper och forskarna har roat sig med att vika en origami-svan av en bit, vilket också ger en fingervisning om styrkan.

Grunden i materialet är nanocellulosa, det vill säga cellulosafibrer som i en högtrycksprocess i vatten spräckts sönder till fibrer så tunna som 20 nm i diameter. Cellulosafibrerna ligger i en vattenlösning och när en elektriskt ledande polymer (PEDOT:PSS) tillförs, även den i vattenlösning, lägger polymeren sig som en tunn hinna runt fibrerna.

Fibrerna ligger som nystan
– De omspunna fibrerna ligger som ett nystan där vätskan i hålrummen mellan dem fungerar som elektrolyt, förklarar Jesper Edberg, doktorand som tillsammans med nydisputerade Abdellah Malti har utfört experimenten.

Det nya cellulosa-polymermaterialet har satt nytt världsrekord i samtidig ledningsförmåga för joner och elektroner, något som förklarar den exceptionellt stora förmågan att lagra energi. Det öppnar dessutom upp för en fortsatt utveckling mot ännu högre kapacitet. Till skillnad från de batterier och kondensatorer som finns på marknaden idag är energipappret tillverkat av enkla råvaror – förnyelsebar cellulosa och en lätt tillgänglig polymer – det har låg vikt, inga farliga kemikalier eller tungmetaller krävs och det är även vattenfast.

Projektet Power papers har sedan 2012 finansierats med medel från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.

Forskningen kräver tid
– Det låter oss forska utan att kräva in omfattande rapporter och de litar på oss. Vi har en stor press att leverera, men det får ta tid och det är vi mycket tacksamma för, säger professor Magnus Berggren, forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Men på samma vis som pappersmassa avvattnas och torkas för att bli till papper behöver det nya energipappret avvattnas och torkas. Utmaningen är att skala upp tillverkningen till industriell skala.

– Tillsammans med KTH, Acreo och Innventia har vi nu fått 34 miljoner från Stiftelsen för strategisk forskning för att gå vidare och hitta en rationell tillverkningsmetod, en pappersmaskin för Power paper, säger Magnus Berggren.

Power papers fyra världsrekord

• Högsta laddning och kapacitans i organisk elektronik, 1 C och 2 F (Coulomb och Farad).
• Högsta uppmätta ström i en organisk ledare, 1 A (Ampere).
• Högsta förmåga att samtidigt leda såväl joner som elektroner.
• Högsta transkonduktans i en transistor (förändring av strömstyrkan beroende på den elektriska spänningen, mäts i Siemens, S)

Artikeln:
An Organic Mixed Ion-Electron Conductor for Power Electronics, Abdellah Malti, Jesper Edberg, Hjalmar Granberg, Zia Ullah Khan, Jens W Andreasen, Xianjie Liu, Dan Zhao, Hao Zhang, Yulong Yao, Joseph W Brill, Isak Engquist, Mats Fahlman, Lars Wågberg, Xavier Crispin och Magnus Berggren. Advanced Science, DOI 10.1002/advs.201500305

För mer information:
Xavier Crispin, xavier.crispin@liu.se,+46 11 36 34 85