Superkondensatorer av biomaterial banar väg för stabil elförsörjning

22 januari 2023

Stefan Johansson, professor vid Uppsala universitet.

Stefan Johansson, professor vid Uppsala universitet, ser stora möjligheter att kunna utveckla framtida lagringsmöjligheter för fossilfri energi. Hans forskning om superkondensatorer av biomaterial kan bidra till att säkra en framtida stabil elförsörjning.

Med ett forskningsanslag om 1,8 miljoner kr från ÅForsk tar Stefan Johansson nu utvecklingssteg som kan bidra till att säkra en framtida stabil elförsörjning för stora industrier.

Superkondensatorer karaktäriseras av att de kan lagra elektrisk energi och jämfört med ett vanligt batteri kan de laddas snabbare, och klarar många fler så kallade cykler – det vill säga hur många gånger de kan laddas upp och laddas ur.

Enligt Stefan Johansson som forskar vid Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet, har superkondensatorer både ekonomiska och uthålliga fördelar jämfört med exempelvis dagens litiumjonbatterier.

– Räknat på en eller flera cykler per dygn så håller ett litiumjonbatteri cirka tre år. Då har batteriet bara 70 till 80 procent av den kapacitet batteriet hade från början. Superkondensatorer klarar minst tio gånger så lång tid. Räknat per cykel kan då kostnaden bli mycket lägre för superkondensatorn jämfört med litiumbatteriet, förklarar Stefan Johansson.

Möjliggör stabil elförsörjning för industrin

Superkondensatorerna är därför högintressanta för större anläggningar där eltillförseln är avgörande. Och de skulle kunna bidra till en framtida stabilisering av el från exempelvis vindkraft.

– I framtiden skulle vi kunna koppla in dessa superkondensatorer på elnätet. Med dagens lagstiftning finns begränsningar för elnätsföretagen men i takt med att behoven identifieras tror jag lagstiftningen kommer att ändras, säger Stefan Johansson och fortsätter;

– Genom att koppla på den här lösningen på elnätet skulle man kunna tömma och lagra energi efter behov både minutsvis och dygnsvis.

Det skulle exempelvis möjliggöra att större industrier inte begränsas av toppar i elbehovet och få en mer tillförlitlig och stabil elförsörjning.

Trä ett hållbart råmaterial

Genom att använda trä som råvara kan en biobaserad superkondensator framställas, vars elektrolyt, batterivätska, består av en enkel syra eller bas.

Inspirationen till att börja titta på trä fick Stefan Johansson från ett traditionellt håll.

– Vi letade efter en hållbar råvara som fanns i stor volym och till ett bra pris. Jag fick inspiration från en bekant som studerade hur en kolmila kunde utnyttjas för lagring av koldioxid. Sättet att fånga in och lagra koldioxid borde kunna användas till mer. Därför började vi titta på flis från skogsråvara. I framtiden skulle vi också kunna titta på trädens rötter som idag lämnas kvar i skogen efter en avverkning, förklarar Stefan Johansson och fortsätter;

– Den enkla tankegången för lösningen är att träd absorberar koldioxid. Om man då kan göra om trädet så att det dessutom kan bli energilagrare är det ytterligare en vinst. I vår teknik behöver vi göra om träflisen till aktivt kol.

Träflisen värmebehandlas, pyrolyseras, det vill säga hettas upp till 600 grader i en syrefri atmosfär där kväve tillsätts. På så vis framställs träkol. Träkolets små porer etsas därefter upp ytterligare för att aktivera kolet, och det handlar om porer som når en nanoskala. I porerna kan laddningar lagras.

– De är så små att till och med själva elektrolyten som tillsätts – det vill säga batterivätskan – kan ha svårt att tränga in i porerna, förklarar Stefan Johansson.

Det som händer sedan är att jonerna i elektrolyten fäster mot det aktiva kolet. Det blir då ett litet tunt lager med lösningsmolekyler och ett med joner – och det bildas ett så kallat elektriskt dubbellager. Det är här som laddningar kan lagras i kolet. När man sedan tar ut ström släpper jonerna och far runt i elektrolytvätskan och därmed frigörs laddningen.

– Får man fram många joner och har stor yta kan man ladda in många elektriska laddningar, berättar Stefan Johansson.

Forskningsprojektet har pågått i drygt ett år, och kommer att pågå till maj 2023. I projektgruppen ingår också professor Helena Grennberg och Elin Rosén, som är civilingenjör inom kemiteknik.

– Det är vår gemensamma kompetens som är styrkan i projektet. Vi är nu i optimeringsfasen och vi strävar efter att nå en lösning som både är hållbar och ger rätt ekonomi i slutändan. Vi kommer inte vara helt klara med den här fasen när projektet är klart, men ha kommit en god bit på väg. Parallellt behöver vi rikta in oss på att skaffa fortsatt kapital och kunna forma ett företag. Dit bör vi ha nått på tre till fem års sikt, menar Stefan Johansson.

Hur tillverkas en superkondensator?

Är du nyfiken på hur miljövänliga superkondensatorer kan framställas? Två praoelever vid Ångströmlaboratoriet fick uppdraget att ta fram en superkondensator. Arbetet dokumenterades i en film som beskriver processens steg. I denna film får du inte bara ta del av en spännande utveckling, utan också glädjen när unga forskaraspiranter får uppleva ett lyckat resultat! Se filmen på Uppsala universitets webbplats: https://www.materialvetenskap.uu.se