Genombrottet: Så kan superkondensatorer i miniatyr masstillverkas

2022-03-15 06:00  

Chalmers har utvecklat en metod för att masstillverka superkondensatorer i miniatyrskala. Ihop med batterier kan små superkondensatorer ge energilager med lång livslängd och sekundsnabb laddning.

Superkondensatorer kan laddas mycket snabbare än ett batteri. Dessutom kan de laddas upp och ur tusentals gånger utan att tappa prestanda.

Genom att kombinera superkondensatorer med batterier kan flera fördelar nås. Batteriet kan få längre livslängd, upp till fyra gånger längre i till exempel elfordon.

Dessutom öppnar en sådan kombination för sekundsnabb laddning i allt från elbilar till telefoner.

– Samtidigt som de går att ladda mycket snabbare får batterierna upp till fyra gånger så lång livslängd, vilket ger miljöeffekter i och med att de inte behöver kasseras lika tidigt, säger Agin Vyas, doktorand vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers, till Ny Teknik.

Detta kräver dock en miniatyrisering av superkondensatorerna, så att deras storlek i runda slängar motsvarar batteriet de kopplas till. Det har tidigare varit svårt att få till annat än i labbskala, men nu har Agin Vyas och hans kollegor utvecklat en tillverkningsprocess som innebär att de kan produceras industriellt.

– Många forskare har arbetat med den här processen för att ta fram enheter, men det är först nu som den har använts för tillverkning av superkondensatorer i stor skala, säger han.

”Grafen har kallats för ett mirakelmaterial”

Målet för Agin Cyas 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 och elmotorer.

De minimala enheterna behöver tillverkas så att de är kompatibla med de övriga komponenterna i en systemkrets och kan skräddarsys för olika användningsområden.

Med så kallad spinnbeläggning blir det möjligt att välja elektrodmaterial. Vid sådan tillverkning placeras substratet, i det här fallet kiselplattor, i vakuum och snurras med konstant hög hastighet. Den lösning som läggs på substratet bildar då ett tunt och jämnt skikt.

Forskarna har lyckats föra in grafen i processen – ett material som bidrar till en högre laddnings- och lagringskapacitet.

– Grafen har kallats för ett mirkelmaterial i ett årtionde, men tyvärr har det inte använts i de här sammanhangen eftersom materialet inte har varit kompatibelt med tillverkningsprocessen. I vårt arbete har vi lagt till ännu ett steg processen som gör dem kompatibla. Kiselsubstrat har en extremt slät yta, och det vi gjorde var i grund och botten att vi ruggade ytan. I vår process så ökade vi ojämnheterna i ytskiktet från 0,7 nanometer till 1,4-1,5 nanometer. Det gav en enorm skillnad i tillverkningsprocessen. När man ökar ojämnheterna i substratet så fäster grafenflagorna mycket bättre på ytan, säger Agin.

Mikrosuperkondensatorer har militära applikationer

En viktig del av genombrottet är dock att tekniken kan skalas upp. I dagsläget får forskarna ut cirka 24 enheter från en kiselplatta med en diameter på drygt 5 cm, men den kan göras större och då rymma upp till hundratals superkondensatorer. Många typer av enheter kan tillverkas med samma process.

– Med spinnbeläggning är vi inte begränsade till ett specifikt material. Just nu är det grafen som utgör mirakelmaterialet, men i morgon kommer det att vara ett annat material som är det bästa på marknaden. Med spinnbeläggning kan vi i princip använda vilket material som helst för att skapa enheter, säger Agin Vyas.

Mikrosuperkondensatorer har även militära applikationer och kan användas inom radar såväl som iot-sensorer. Agin tror att framtiden kommer att ge hybrider av batterier och superkondensatorer där respektive material blandas.

– Då kan vi potentiellt ha en väldigt hög energitäthet i batterier såväl som i superkondensatorn. De kombineras för att skapa ett system som snabbt kan leverera sin energi och laddas snabbt, säger Agin Vyas.

Läs hela studien här.

John Edgren

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