Trægummi‑gennembrud øger superkondensatorens levetid

Batterier er blandt de mest populære energilagringsenheder. Disse elektrokemiske enheder kan oplades og aflades mange gange uden skade. De tilbyder adskillige fordele, såsom reducerede energikostnader, øget energiuafhængighed, forbedret netstabilitet og støtte til integration af vedvarende energi.

Men der findes en anden elektrokemisk energilagringsenhed, der har langt større kapaciteter end batterier. Den enhed er en superkondensator, også kaldet en ultrakondensator eller elektrokemisk kondensator.

En højkapacitets energilagringsenhed, en superkondensator, bygger bro mellem batterier og konventionelle kondensatorer.

Denne enhed viser høj effekt tæthed, som er omkring tusind gange højere end den for genopladelige batterier. Den lagrer også mere ladning end en kondensator og oplader og aflader hurtigere end batterier.

Udover at have lang cyklusstabilitet har superkondensatorer hurtig opladnings-/afladningseffektivitet, hvilket gør dem velegnede til anvendelser, der kræver hurtige energiburster. I dag anvendes superkondensatorer i stigende grad i en række applikationer, herunder laser, bærbare strømforsyninger, kamera‑blitzudstyr, pulserende lysgeneratorer, vedvarende energisystemer, hybride elektriske køretøjer og industriel strømbackup.

En superkondensator består nu af to elektroder, elektroniske ledere forbundet til den ydre kredsløb, som er adskilt af elektrolyt, en ionisk leder, og en separator, som er en membran der elektrisk adskiller dem, så elektroderne ikke kortslutter, mens den tillader visse ioner at passere for at forhindre en åben kredsløb i systemet.

På grund af dens høje effekt tæthed og miljøvenlighed, såsom genanvendelighed, er superkondensatoren et af de mest udbredte og aktivt forskede energilagringssystemer.

I en superkondensator bestemmer overfladekontrolleret reaktion hovedsageligt dens kapacitans. Derfor er en stabil grænseflade mellem elektrode og elektrolyt afgørende for at opnå høj ydeevne og sikre stabil elektrokemisk præstation.

Grænsefladeegenskaber er afgørende for at sikre høj elektrokemisk ydeevne, så forskere har udviklet forskellige metoder til at forbedre og overvinde de tilknyttede problemer.

Dog står alle disse forsøg over for betydelige begrænsninger såsom skalerbarhed, omkostninger, miljøvenlighed og flere trin i behandlingen. Derfor er det vigtigt at finde en bæredygtig løsning, der opfylder disse kriterier og stadig kan opnå høj energi-/effekt tæthed i superkondensatoren for langsigtet drift.

Så kom et team af forskere fra tre forskellige institutioner sammen for at introducere et nyt elektrolytadditiv, som består af en konjugeret biopolymer af gum kondagogu eller natriumalginat (KS). Denne trægummi er ikke kun bredt tilgængelig, men også genanvendelig.

Introduktionen af trægummien skabte et beskyttende lag på elektrodens overflade, som forhindrede dannelsen af biprodukter, mens den tillod let ion-/elektrontransport. Bemærkelsesværdigt fører anvendelsen af dette nye additivkoncept i superkondensatorsystemet til forbedret elektrokemisk pålidelighed.

Selv ved en lille KS-koncentration, dvs. 5 mg ml⁻¹, forbedredes kapacitetsbevarelsen med hele 35 % til imponerende 93 % over 30.000 cyklusser ved en strømtæthed på 4,0 mA cm⁻². Dette er simpelthen “bemærkelsesværdigt” i betragtning af brugen af sur H₂SO₄‑elektrolyt og carbonbaseret elektrode.

Undersøgelsen kalder dette den “tidligste rapport” om en betydelig forbedring af superkondensatorens langsigtede drift ved introduktion af et biopolymer‑konjugat elektrolytadditiv. Denne løsning, takket være dens enkelhed, lave omkostninger og miljøvenlighed, har potentiale til at blive kommercialiseret.

Trægummis rolle i næste generations superkondensatorer

Forskere fra universiteter i Skotland, Sydkorea og¹ Indien gennemførte forskningen, som blev offentliggjort denne måned i Energy Storage Materials.

Dette inkluderer University of Glasgow, Chung‑Ang University, Ajou University, Amrita University og Myongji University, som sammen designede den konjugerede KS‑kompositstruktur for en yderst stabil superkondensator, der tilbyder biokompatibilitet og fremragende elektrokemisk pålidelighed.

Den affaldsgummi, der anvendes her, produceres af træer i Indien. Trægummier har mange anvendelsesområder på tværs af industrier som fødevarer, kosmetik og farmaceutik. Denne specifikke gummi har dog få praktiske anvendelser.

Faktisk er de anvendte gummier “en smule hovedpine for den indiske regering at bortskaffe,” bemærkede studiets korresponderende forfatter, Dr. Jun Young Cheong fra University of Glasgow’s James Watt School of Engineering. Han tilføjede:

“Med denne forskning har vi fundet en måde at skabe noget virkelig indflydelsesrigt fra denne gummi, ved at skabe en biologisk nedbrydelig, genanvendelig biopolymer, som muliggør bemærkelsesværdig ydeevne og kan forlænge superkondensatorernes brugbare levetid dramatisk.”

Brugen af sure elektrolytter påvirker superkondensatorernes langsigtede ydeevne. Ved at forårsage uønskede side‑reaktioner med deres metal‑elektroder reducerer de deres evne til at holde en fuld ladning over tid.

Derefter er der problemet med udskiftning, genanvendelse og bortskaffelse af superkondensatorer ved slutningen af deres levetid. Dette bidrager til det hastigt voksende problem med elektronisk affald, som udgør betydelige miljø‑ og sundhedsrisici.

Så brugte teamet gum kondagogu, en polysaccharid (kompleks biomolekyle) produceret af barken på Cochlospermum Gossypium‑ eller Kondagogu‑træet. Forskere kombinerede den med natriumalginat for at producere en svamp‑lignende biopolymer kaldet ‘KS’.

Tilføjelsen af denne biopolymer til den sure elektrolyt dannede et beskyttende lag på dens carbon‑elektroder, hvilket hjalp med at forhindre elektrodernes fysiske nedbrydning. Denne beskyttelse blev leveret uden at påvirke iontransportprocessen, som gør det muligt for superkondensatoren at oplade og aflade.

Den forbedrede elektrolyt forbedrede markant superkondensatorens ydeevne.

“I laboratoriet har vi vist fremragende ydeevne over 30.000 cyklusser. Hvis vi kørte én cyklus pr. dag, kunne superkondensatoren teoretisk holde i mere end 80 år uden at miste væsentlig ydeevne, hvilket kunne betyde, at superkondensatorer kunne bruges i enheder i meget længere tid uden at skulle udskiftes.”

– Dr. Cheong

Forskningen er faktisk baseret på Dr. Cheongs igangværende forskning i brug af bioaffald i batterier. Hans forskning har også vist effektiviteten af at bruge gum‑bindere, som er vandopløselige, i grafit‑anoder i Li‑ion‑batterier.

Forskningen “vandopløselige biowaste‑gum‑bindere til naturlig grafit‑anode til lithium‑ion‑batterier” blev offentliggjort² sidste sommer, som handlede om at erstatte den konventionelle polyvinylidenfluorid (PVdF), der anvender miljøskadelig N‑Methyl‑2‑pyrrolidon, med en vandopløselig binder.

Undersøgelsen detaljerede fremstillingen af naturlige grafit‑baserede anoder ved brug af PVdF og vandopløselige biowaste‑(W‑SB) bindere fra Cochlospermum gossypium‑træets gummi. Begge anvendte 10 wt % af binderen.

NG‑W‑SB‑elektroden udviste gode mekaniske egenskaber og bevarede strukturel integritet efter cykluser, hvilket fremmede lav ladningsoverførselsmodstand på elektroden. Den viste også høje strømspidser i den første cyklus, hvilket indikerer forbedret elektrokemisk ydeevne, i modsætning til de lidt lavere spidser for NG‑PVdF‑elektroden, som yderligere oplevede kapacitetsnedbrydning allerede efter 200 cyklusser. NG‑W‑SB har derimod en højere stabil kapacitetsbevarelse, som går op til 360 cyklusser.

“Generelt viste W‑SB‑bindere stærkt forbedrede cyklusbearbejdningskarakteristika, sammenlignelige hastighedsevner og lavere elektrode‑modstand, hvilket åbnede en ny vej for at anvende biowaste (gum) som en funktionel vandopløselig binder til LIB‑applikationer,” bemærkede undersøgelsen.

En anden af Dr. Cheongs forskning³ omfatter “Organisk materiale‑afledt aktivt kul til miljøvenlig mulberry‑papir‑superkondensator,” hvor aktivt kul (AC) blev fremstillet ved brug af appelsinskal (OP), et almindeligt affald, som derefter blev belagt på mulberry‑papir (MP), som viser hydrofilicitet, højt holocelleuloseindhold og stærk binding med aktivt materiale. En anden belægning af poly(3,4‑ethylenedioxythiophene) polystyren‑sulfonat (PEDOT:PSS) blev brugt til at fremstille et dobbeltbelagt MP til superkondensatoren her.

Andre udviklinger inden for superkondensatorområdet

I betragtning af hvor kritiske superkondensatorer er i forskellige anvendelser, undersøger forskere verden over aktivt måder at forbedre deres ydeevne på.

Plasmabehandling for at forbedre kapaciteten

Tidligere denne måned afslørede forskere ved Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Rusland en plasmabehandling, der kan fordoble kapaciteten af superkondensatorer.

Teamet, ifølge studiets hovedforsker, assisterende professor Stanislav Evlashin, undersøger måder at forbedre superkondensatorers ydeevne på “ved at rode med det carbon‑baserede materiale, der bruges i deres elektroder.”

Der er to måder at øge den mængde energi, en superkondensator lagrer, forklarede Evlashin:

“Enten øger du den effektive overfladeareal af elektroderne ved indviklet overfladedesign, eller du introducerer fremmede atomer i carbon‑materialet i elektroderne.”

Deres studie fokuserede på effekten af at introducere fremmede atomer i carbon‑materialet i superkondensatorelektroder via plasmabehandling.

Teamet testede virkningen af plasma med seks forskellige kemiske sammensætninger på kapaciteten af carbon‑nanovægge, men kun plasmaet bestående af en nitrogen‑ og argon‑blanding viste betydelig forbedring.

“Vi fandt, at det første der sker, er at den amorfe carbon, der er tilbage efter væksten af carbon‑nanovæg‑strukturer, fjernes. Dette efterfølges af dannelsen af nye defekter og indarbejdelsen af heteroatomer i carbon‑materialets struktur. Amorf carbon, sammen med nitrogen‑heteroatomer, bidrager til forekomsten af pseudokapacitans.”

– Evlashin

Fremskridt i ydeevne gennem elektrode‑ og materialeteknik

I denne uge har forskere fra University of California udviklet elektro‑krystallisationsorientering⁴ samt overfladeaktivering under bred‑temperatur ZHSC’er eller zink‑ion‑superkondensatorer.

Som studiet bemærkede, er det nødvendigt at matche anode‑ og katodes kapacitet for at maksimere den elektrokemiske celleydelse. Derfor præsenterede de to tilgange til at udligne udnyttelsen af elektroder i ZHSC’er.

Dette inkluderer at minimere dendritdannelse, som øger cyklusstabiliteten, ved at modificere anodens strømforsamler med kobber‑nanopartikler. Den anden strategi var at øge kapaciteten af den aktiverede carbon‑katode gennem en elektrolytreaktion.

Den fulde celle opretholdt 84 % af sin kapacitet selv efter 50.000 fulde opladnings‑/afladnings‑cyklusser op til 2 V. Dens samlede kapacitet var imidlertid 19,8 Ah cm⁻², hvilket overstiger ZHSC’er, og gør dette enhedsdesign “lovende for høj‑udholdenhedsapplikationer, herunder uafbrudt strømforsyning og energihøstningssystemer, der kræver hyppig cyklisering,” stod der.

Et studie fra sidste måned, imidlertid, anbefalede⁵ at modificere den anioniske struktur af lithium‑kobalt‑oxid for at forbedre energitætheden og ladningslagringskapaciteten af superkondensatorer.

Til dette blev lithium‑kobalt‑oxid modificeret til LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, som udviste imponerende præstationskarakteristika, herunder en kapacitans på 512 F g⁻¹ og en coulombisk effektivitet på lige over 92 % efter 4000 cyklusser ved en strømtæthed på 2 A g⁻¹. Den elektrokemiske stabilitet af det modificerede materiale ved forhøjede strømhastigheder samt lav ækvivalent seriemodstand, ifølge studiet, “placerer det som en betydningsfuld kandidat til fremtidige fremskridt inden for superkondensatorteknologi.”

Plastik‑superkondensatorer for mere energilagring

Forskere bruger endda plastik til at forbedre superkondensatorer. UCLA‑kemikere udviklede strukturerede, pels‑lignende PEDOT‑nanofibre, som har større overfladeareal til at lagre ladning og overlegen elektrisk ledningsevne.

PEDOT eller poly(3,4‑ethylenedioxythiophene) er en gennemsigtig og fleksibel film, der påføres overflader af elektroniske komponenter og fotografiske film for at beskytte dem mod statisk elektricitet. Dens potentiale for energilagring er ret begrænset, da PEDOT‑materialer ikke har den elektriske ledningsevne og overfladeareal, der kræves for at holde store mængder energi.

Dog, ved brug af en innovativ metode, kontrollerede kemikerne PEDOT’s morfologi for præcist at dyrke nanofibre. Damp‑fase vækstprocessen skabte vertikale PEDOT‑nanofibre, der lignede tæt græs, der voksede opad.

“Materialets unikke vertikale vækst gør det muligt for os at skabe PEDOT‑elektroder, der lagrer langt mere energi end traditionel PEDOT.”

– Den korresponderende forfatter, UCLA‑materialev scientist Maher El‑Kady

Teamet skabte derefter en superkondensator ved brug af PEDOT‑strukturer, som lagrede næsten ti gange mere ladning end konventionel PEDOT og holdt næsten 100.000 opladnings‑cyklusser.

Ifølge den korresponderende forfatter, Richard Kaner, som er professor i kemi samt materialvidenskab og ingeniørvidenskab:

“Den ekstraordinære ydeevne og holdbarhed af vores elektroder viser stort potentiale for brug af graphene‑PEDOT i superkondensatorer, som kan hjælpe vores samfund med at opfylde vores energibehov.”

Klik her for at lære alt om selv‑ladende superkondensatorer.

Tilføjelse af superkondensatorer til batterier for at øge opladningshastigheden

Midt i al denne forskning har selv den tyske bilproducent BMW indgivet en superkondensator‑patent, som vil oplade hybrid‑racerkøretøjer inden for et minut.

Virksomheden undersøger potentialet i at tilføje en motorsport‑specifik superkondensator til batterier for markant at reducere opladningstiden. Ifølge ansøgningen vil kobling af en hybrid‑superbil med en kapacitet på over 20 kWh til et eksisterende batteribaseret system hjælpe med at overvinde nogle af de væsentlige ulemper ved begge systemer.

BMW anslår, at “for en kunde, der ønsker at køre køretøjet på banen, kan dette give mulighed for at køre kontinuerligt ved de fysiske grænser med korte afbrydelser.”

Dens konkurrent, Volkswagen Group, bruger imidlertid allerede en superkondensator i Lamborghini Sian. Superkondensatoren lagrer elektrisk energi, som derefter føres til en elektrisk motor. Sian har en 25 kW motor indbygget i gearkassen for at give et e‑boost til den 577 kW 6,5‑liters V12 eller drive den fuldstændigt på elektricitet under lavhastighedsmanøvrering.

Innovative virksomheder inden for feltet

Størrelsen på det globale superkondensatormarked er i milliarder af dollars, drevet af den stigende efterspørgsel efter bæredygtige og energieffektive energilagringsløsninger. Derfor arbejder mange virksomheder, såsom Panasonic Corporation og Skeleton Technologies, på at forbedre teknologien.

Et fremtrædende navn i dette område er AVX Corporation, som blev opkøbt af den japanske elektronikproducent Kyocera Corporation i 2020, hvorefter AVX’s almindelige aktier ophørte med at blive handlet på NYSE. Kyoceras aktier handles imidlertid på OTC‑markedet (KYOCF:OTCPK) til $10,70, hvilket giver en markedsværdi på $15,85 milliarder. Den betaler en udbytteafkast på 3,12 %.

KEMET Corporation er også kendt for at tilbyde et bredt udvalg af superkondensatorer med høj‑præstationskapacitet, som kan bruges som sekundære batterier, når de anvendes i et DC‑kredsløb. Ifølge deres officielle hjemmeside er enhederne bedst egnet til brug i lavspændings‑DC‑hold‑applikationer. Oprindeligt et amerikansk firma, der gik på børsen på NYSE i 1990, blev KEMET opkøbt af det taiwanske firma Yageo Corporation i 2020.

Maxwell Technologies er endnu en fremtrædende producent af ultrakondensatorer. Tesla (TSLA ) opkøbte den i 2019, kun for at sælge den til UCAP Power i 2021. På trods af salget af Maxwell beholdt den $817,34 milliarder markedsværdi EV‑ og batteriproducent sin tør‑elektrode‑fremstillingsproces, som er baseret på deres kondensatorteknologi. TSLA‑aktierne er i øjeblikket faldet med over 37 % YTD, da de handles til $248,80.

Derefter er der den australske CAP‑XX, som fremstiller tynde, prismatiske superkondensatorer til brug i forbruger‑handheld‑enheder, kommerciel og industriel elektronik samt ren‑energi‑applikationer. Den er noteret på London Stock Exchange AIM‑markedet.

CAP‑XX’s superkondensatorer har høj energitæthed, høj celle‑spænding og ekstremt lav lækstrøm. Med hjælp fra deres superkondensatorer kan producenter reducere batteristørrelse, vægt og omkostninger, antallet og omkostningerne ved de involverede komponenter samt deres miljøpåvirkning.

Konklusion

Mens batterier har fået al opmærksomheden, får superkondensatorer stigende indpas, da de bliver en af de mest afgørende komponenter i det globale energiekosystem. Trods alt kan de tilbyde høj effektivitet, lang cyklusstabilitet og øjeblikkelig kraftlevering.

I øjeblikket er superkondensatorer komplementære i energilagringssektoren for anvendelser som forbruger‑elektronik, udjævning af vedvarende energi, hybride el‑biler og backup‑strøm, som kræver hurtige opladnings‑/afladnings‑cyklusser og lang driftstid.

Så er den bredere adoption af superkondensatorer stadig begrænset af omkostninger, materialer og miljømæssige bekymringer. Dog tackler tilgange som trægummi‑baserede biopolymerer netop disse udfordringer, hvilket peger på en lovende fremtid for superkondensatorer. Kommercialisering vil dog tage tid, men når den skaleres op, kan superkondensatorer blive mainstream og spille en central rolle i bæredygtige energisystemer.

Klik her for en liste over de bedste batteriaktier.

Studier refereret:

1. ​Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). Langtidsholdbar superkondensator med stabil elektrode‑elektrolyt‑grænseflade muliggør ved brug af et biopolymer‑konjugat elektrolytadditiv. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). Vandopløselige biowaste‑gum‑bindere til naturlig grafit‑anode til lithium‑ion‑batterier. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). Organisk materiale‑afledt aktivt kul til miljøvenlig mulberry‑papir‑superkondensator. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Ingeniørkunst af elektro‑krystallisationsorientering og overfladeaktivering i bred‑temperatur zink‑ion‑superkondensatorer. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Anion‑engineering i lithium‑kobalt‑oxid til anvendelse i høj‑præstations‑superkondensatorer. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7