Forskare har skapat en ny generation av billiga, högenergisuperkondensatorer för att driva elfordon.

Forskare från Imperial College London och University College London (UCL) har tagit fram en billigare, mer hållbart och energität elektrodmaterial för superkondensatorer som kan bana väg för bredare marknadspenetration av denna högeffekt, snabbladdningsteknik för elfordon.

I studien, publiceras i Avancerad vetenskap , laget använde lignin, en biobaserad biprodukt från pappersindustrin, för att skapa fristående elektroder med förbättrad energilagringskapacitet.

Forskarna säger att detta kan vara en spelväxlare för befintlig superkondensatorteknologi, tillhandahålla en billigare, mer hållbara alternativ till nuvarande modeller. Teamet betonar vikten av att minska produktionskostnaden för kolbaserade elektroder och beroendet av kritiska material om fristående superkondensatorer ska spela en viktig roll för att avkarbonatisera transportindustrin tillsammans med batterier och bränsleceller.

Hållbara material

Använder lignin i stället för dyrt grafenbaserat kol, teamet tog fram en fristående struktur som är lättare och mindre än nuvarande modeller utan att kompromissa med energilagringskapaciteten. Detta gör dem idealiska för användning i korta elfordon som bussar, taxibilar och spårvagnar där de har kapacitet att ladda under den tid det tar för passagerare att gå ut och kliva in i ett fordon.

Medförfattaren Dr. Maria Crespo Ribadeneyra från Institutionen för kemiteknik vid Imperial sa:"Superkondensatorer är en idealisk kandidat för elektriska transporter inom stadskärnor, där föroreningar är ett alltmer akut problem. Dock, de förbises ofta på grund av de höga produktionskostnaderna.

"Vår forskning bygger på ett billigt och hållbart biobaserat material som kan lagra mer energi per volymenhet än många andra dyra alternativ. Detta är särskilt viktigt inom fordonssektorn, där optimering av utrymmet och kostnaderna för komponenterna är avgörande."

Medförfattaren professor Magda Titirici från Institutionen för kemiteknik vid Imperial tillade:"Att skapa hållbara multifunktionella material från avfallsbiomassaströmmar som lignin kommer att möjliggöra en hållbar och prisvärd leveranskedja för energimaterial i framtiden och kommer att eliminera vårt beroende av kritiska material som litium.

"Idén att pressa ihop flera fristående karbonpapper för att lagra mer laddning i en liten volym är innovativ och har potential för framtida strukturell utveckling. Föreställ dig att istället för att elektroderna stöds i ett telefonfodral eller på ett biltak, de är fallet eller taket."

Skräddarsydda mikrostrukturer

Den innovativa teknik som utvecklats av teamet i denna studie använde elektrospunna lignin nanofibermattor som de komprimerade ihop till en tät struktur. Detta gjorde det möjligt för dem att skräddarsy elektrodernas interna mikrostruktur genom att minska mängden mikrometerstora porer som inte bidrar till energilagring, samtidigt som porositeten hos de enskilda fibrerna som lagrar elektrisk laddning bibehålls. Detta arbete möjliggjordes genom att använda avancerad avbildning liknande röntgen för att se de interna mikrostrukturerna i tre dimensioner.

Dr Rhodri Jervis från Electrochemical Innovation Lab (EIL) vid UCL och medförfattare förklarade:"Att angripa den stora utmaningen med utbredd elektrifiering kommer att kräva en mängd olika energilagrings- och omvandlingsanordningar för att fungera i harmoni med varandra, använda avancerade och hållbara material.

"Från batterier till bränsleceller till superkondensatorer, det är nyckeln att förstå mikrostrukturen hos materialen som används i dessa enheter för att kunna göra förbättringar av den nuvarande tekniken. I vårt labb har vi utvecklat avancerade avbildningsmetoder för att se och bedöma dessa mikrostrukturer i tre dimensioner, och det här arbetet belyser fördelen med 3D-avbildning för att reda ut potentialen för nya material i energilagring."

Forskargruppen arbetar nu med att säkerställa att denna teknik kan göras kommersiellt gångbar. De håller för närvarande på att utveckla en ny superkondensator med en icke-korrosiv och mer kostnadseffektiv elektrolyt som skulle kunna implementeras i kommersiella enheter.