Deras elektroniska papper kan lagra framtidens förnybara energi 

2021-06-21 06:00  

Det elektroniska biobaserade pappret ska kunna tillverkas i en vanlig pappersmaskin och lagra energi från både sol- och vindkraft. I de senaste försöken producerar forskarna cirka 10 meter långa rullar.

Arbetet med det elektroniska pappret har pågått i tio års tid och förhoppningarna om dess tillämpningar stora.   

Forskare vid Digital Cellulose Center, där bland annat Linköpings universitet, KTH och forskningsinstitutet Rise är representerat, undersöker möjligheterna att använda det tunna, böjbara och vikbara pappret till smarta förpackningar och iot-prylar. Tanken är att till exempel kunna driva sensorer som mäter temperatur på innehållet eller uppdatera bäst före-datum.

Men forskarna ser också en potential för elektrodpappret att lagra förnybar energi från sol- och vindkraft, så man bättre kan hantera toppar och dalar i elproduktionen.  

Målet är att kunna tillverka elektrodpappret i stor skala i en vanlig pappersmaskin. En av fördelarna är att det då kan bli både billigare och mer miljövänligt än alternativen. En annan fördel är att produktionen borde kunna ske snabbare än med existerande tillverkningsmetoder. 

– Smarta förpackningar är en tillämpning där det räcker med en liten mängd energi för att få den funktion man behöver. Då behövs det bara en liten energilagringskomponent, kanske ett antal kvadratcentimeter. Sådana kan tillverkas på lite olika sätt, till exempel genom tryckning och laminering. Men om man ska lagra energi i stor skala, behöver man en storskalig och kostnadseffektiv tillverkningsmetod för materialen. Då är pappersmaskin ett bättre alternativ. 

Det säger Isak Engquist, som är biträdande professor i organisk elektronik på Linköpings universitet och projektledare på Digital Cellulose Center. Han förklarar att pappret består av ledande polymerer, cellulosa och biobaserat kol. 

Rullar på cirka 10 meter

Att ta fram materialet i liten skala, där man blandade komponenterna i en petriskål och lät vattnet avdunsta, lyckades forskarna ganska snabbt med. Processen gick dock långsamt och gav små pappersbitar. Men de verkliga utmaningarna kom senare.  

– Att gå till en produktion som är mer lämpad för uppskalning, och få pappret på rullar, var mycket svårare än vi trodde. Vi har behövt modifiera cellulosan för att hjälpa komponenterna att hålla ihop, berättar Isak Engquist.

Läs mer: Nya supertunna materialet har en fördel gentemot grafen

Forskarna har nu i samarbete med Ahlstrom-Munksjö lyckats visa att det är möjligt att tillverka pappret i en vanlig pappersmaskin i pilotskala. Maskinen är ungefär lika bred som en hushållsrulle och jobbar enligt samma princip som en maskin för industriell produktion. 

– Det vi har lyckats med är att köra fram några rullar med cirka 10 meters pappersbana. Det visar att vi nu har ett recept som går att köra, förklarar Isak Engquist.  

Det elektroniska pappret ska enkelt fungera som ett slags uppladdningsbart batteri. Själva principen är att du tar två papper och lägger lite elektrolyt emellan, sammanfattar Isak Engquist.   

– Det ena pappret fungerar som ena sidan av ett batteri, och det andra som den andra sidan. Rent formellt och tekniskt korrekt får vi inte riktigt ett batteri, utan en sorts hybrid mellan en superkondensator och ett batteri, berättar han. 

Så går tillverkningen till

För att tillverka konventionellt papper finfördelar man avlånga fiber i vatten, formar ett homogent skikt och tar sedan bort vattnet.   

För att tillverka det elektroniska pappret fäster man elektroaktiva komponenter, det vill säga en ledande polymer och biobaserat kol, på fibrerna eller i fibernätverket. Målet är att fylla pappret med så många av dessa komponenter som möjligt, men inte så många att pappret inte håller ihop. Cellulosan är det som binder ihop materialet och gör det till ett papper. 

I fyra övergripande steg går tillverkningen till så här:  

Blandningen med alla komponenter sprids ut till ett plan på en vira (ett finmaskigt nät av plast- eller metalltrådar) där vatten sugs ut underifrån. Foto: Ahlstrom-Munksjö

1. Blandningen med alla komponenter sprids ut till ett plan på en vira (ett finmaskigt nät av plast- eller metalltrådar) där vatten avlägsnas med hjälp av vakuum.

Pappersarket pressas efter sugning för att få bort mer vatten. Till slut är pappret så pass torrt att det håller ihop utan att gå sönder av sin egen tyngd.  Foto: Ahlstrom-Munksjö

2. Efter avvattningen pressas pappersarket för att få bort mer vatten. Detta ökar torrhalten så pappret håller ihop vid den efterföljande torkningen.

För att få bort resten av vattnet använder man värme. Foto: Ahlstrom-Munksjö

3. Resten av vattnet avlägsnas sedan med cylindertorkning.

Pappret kan rullas upp på rulle.  Foto: Ahlstrom-Munksjö

4. Pappret kan rullas upp på rulle.  

Nu när forskarna har visat att det finns en möjlighet att skala upp tekniken vill de också jobba vidare med att optimera pappret.  

– Vi har kört några första tester och tror inte att vi nått vägs ände än. Vi tror att vi kan förstärka papprets elektriska egenskaper och kanske även de mekaniska egenskaperna, berättar Isak Engquist.  

För att kunna öka mängden elektroaktiva komponenter i pappret undersöker forskarna olika sorters kemiskt modifierad cellulosa, samt inblandning av nanocellulosa.

Ett tillräckligt bra ”batteri”

För att pappret ska kunna lagra tillräckligt med energi behöver ”batteriet” bli tillräckligt bra. För kommersiella superkondensatorer brukar den specifika kapacitansen per viktenhet av aktivt material ligga runt 80– 100 F/g, (där F står för Farad). Enligt preliminära mätningar uppnår elektrodpappret över 85 F/g, men forskarna tror att de kommer att kunna uppnå värden nära 100 F/g. 

Eftersom elektrodpappret är ett material och ingen komponent ännu är det svårt att svara på vilken spänning man kommer att kunna använda, förklarar Jesper Edberg på Rise, som också är forskningsledare på Digital Cellulose Center. Det kommer att bero på vilken elektrolyt forskarna i slutändan kommer att använda. Men använder man sig av en vattenbaserad elektrolyt är spänningen begränsad till 1,2 volt. Med joniska vätskor kan spänningen gå över 2 volt. 

Tittar man på kapacitans per area ligger materialet nu på cirka 0,3 Farad per kvadratcentimeter. Det är ett värde som forskarna tror kommer att öka avsevärt om de kan fästa in mer aktivt material och tillverka ett tjockare papper, vilket är något de ska undersöka framåt.  

Målet är att uppnå 1 Farad per kvadratcentimeter, vilket beräknat på en spänning på 1,5 Volt blir cirka 0,4 mAh/cm2, berättar Jesper Edberg. 

För att elektrodpappret ska ta sig hela vägen till kommersiell produkt behöver ett företag ta hand om tekniken och vidareutveckla den, förklarar Isak Engquist. 

–  Då behöver man också lösa ytterligare tekniska utmaningar som uppkommer när man ska verifiera processen. 

Ania Obminska

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt