Forskare vid Umeå universitet (UMU) har hittat ett sätt att omvandla billigt skogsavfall, som kottar, till kolmaterial som kan användas till energilagring. Metoden gör det möjligt att enkelt och miljövänligt finfördela kol i vatten, även när det inte är vattenlösligt. Blandningen kan sedan sprejas på en yta för att framställa elektroder till superkondensatorer.
Superkondensatorer är en typ av energilagringsenhet, likt batterier, men som lagrar energi på ett helt annat sätt. De kan laddas i och ur på sekunder (jämfört med timmar för batterier), kräver mindre underhåll och har betydligt längre livslängd än batterier. Superkondensatorer används redan idag i vissa industrier och förutspås spela en allt viktigare roll i framtiden då behovet av energilagring förväntas öka.
För att kunna tillverka superkondensatorer krävs elektroder med hög ytarea, det vill säga stor yta i förhållande till volymen. Andreas Nordenström, doktorand vid Institutionen för fysik, visar med sin forskning att sådana elektroder kan framställas genom att speja, alternativt måla, vattenbaserade blandningar (dispersioner) av kolmaterial och vatten. Olika typer av kolmaterial kan användas i de vattenbaserade dispersioner som forskarna tagit fram, inklusive porösa kolmaterial framställt från olika typer av skogsavfall, till exempel kottar och bark.
– Den vattenbaserade dispersionen har flera fördelar jämfört med dispersioner baserade på organiska lösningsmedel, som oftast är giftiga och dåliga för miljön. Lösningsmedlen är särskilt problematiska i sammanhanget eftersom dispersionerna sprejas på heta ytor och då riskerar att sprida giftig ånga, säger Andreas Nordenström.
Elektroder kan göras billigare
Forskarna visade att samma metod som tidigare används för att framställa ”aktiverat grafen”, ett material framställt från reducerat grafenoxid, kan användas för att framställa porösa kolmaterial från förkolnade tallkottar, grankottar och tallbark. Det porösa kolmaterialet är mycket likt ”aktiverat grafen” och är nästan lika bra som material till elektroder för superkondensatorer.
– Vi visade att det relativt dyra ”aktiverat grafen” egentligen bara är en annan typ av aktiverat kol och kan ersättas med billiga, högkvalitativa elektroder som framställts från skogsavfall. Våra resultat kan potentiellt vara av stor vikt då efterfrågan på billiga, högkvalitativa elektroder är hög och förväntas öka i framtiden eftersom efterfrågan på energilagringsenheter som superkondensatorer förväntas öka, säger Andreas Nordenström.
Den vattenbaserade dispersionen kan även spela en viktig roll för framtida forskningsprojekt eftersom metoden kan användas för olika typer av ej vattenlösliga kolmaterial.
– Porösa kolmaterial är mycket svåra att förbereda i stabila dispersioner. Att blanda kol med vatten fungerar inte eftersom kolpartiklarna sjunker till botten inom några minuter. Genom att använda grafenoxid och kiseloxid som tillsatta komponenter löste vi problemet. Vi har hört från kollegor i industrin att vår dispersion var stabil på deras hyllor i över ett år.
Grafitoxid kan användas i filtrering
I sin avhandling har Andreas Nordenström även studerat grafitoxid, ett kolmaterial som kan modifieras till många olika egenskaper och potentiella användningsområden. Forskningsresultaten ökar den grundläggande förståelsen för materialet och visar bland annat hur membran av grafitoxid kan användas för att separera molekyler av olika storlek från varandra. Detta kan vara av intresse för olika tillämpningar inom filtrering.
Andreas Nordenström kommer ursprungligen från Hammarstrand, Jämtland. Han har tidigare studerat Civilingenjörsprogrammet i energiteknik på Umeå universitet, varav en termin utomlands i Kanada. De senaste fem åren har han doktorerat i materialvetenskap i Alexandr Talyzin’s grupp på Institutionen för fysik.
Om disputationen
Fredagen den 29 september försvarar Andreas Nordenström, Institutionen för fysik, sin avhandling med titeln Egenskaper och tillämpningar av material baserade på grafenoxid. Disputationen äger rum klockan 13.00 i sal NAT.D.480, Umeå universitet. Fakultetsopponent är professor Andrey Turchanin, Fiedrich Shiller University Jena.
