Viktigt steg för effektivare batterier i mobiltelefoner

Små superkondensatorer kan förbättra batteriers livslängd och dessutom möjliggöra sekundsnabb laddning. Tillverkare av allt från smartphones till elbilar satsar därför stort på de nya elektroniska komponenterna.

Forskare på Chalmers har nu utvecklat en metod som innebär ett genombrott för hur dessa 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 Agin Vyas som är 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. Exempelvis kan de laddas mycket snabbare, distribuera sin lagrade energi på ett effektivare sätt och laddas 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.  Vinsterna för slutkonsumenten blir stora, menar forskarna.

– 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 betydligt mindre.

Målet för Agin Vyas och hans kollegor är att utveckla mikro-superkondensatorer. De är så små att de kan få plats på de systemkretsar 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 mikro-superkondensatorer är att hitta praktiska metoder för tillverkning.

De minimala enheterna behöver tillverkas på ett sätt att de dels blir kompatibla med övriga komponenter i en systemkrets, dels enkelt kan skräddarsys för olika användningsområden.

Egenskaper kan skräddarsys

I en vetenskaplig artikel demonstrerar forskarna en tillverkningsprocess där mikro-superkondensatorer integreras med det vanligaste sättet att tillverka systemkretsar (så kallad CMOS).

Forskarna har också utvecklat en metod för att producera mikro-superkondensatorer i upp till tio olika material i en och samma tillverkningsprocess. Detta 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.

Vetenskaplig artikel:

Alkyl-Amino Functionalized Reduced-Graphene-Oxide–heptadecan-9-amine-Based Spin-Coated Microsupercapacitors for On-Chip Low Power Electronics publicerad i Physica Status Solidi B.

Kontakt:

Agin Vyas, doktorand, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, agin@chalmers.se