Puukumin läpimurto pidentää superkondensaattorin käyttöikää

Paristot ovat yksi suosituimmista energian varastointilaitteista. Nämä elektrokemialliset laitteet voidaan ladata ja purkaa monta kertaa ilman vaurioita. Ne tarjoavat lukuisia etuja, kuten alennetut energiakustannukset, lisääntynyt energian itsenäisyys, parantunut verkon vakaus ja tuki uusiutuvan energian integroinnille. 

Mutta on olemassa toinen elektrokemiallinen energian varastointilaite, joka ylittää paristot huomattavasti. Tämä laite on superkondensaattori, jota kutsutaan myös ultrakondensaattoriksi tai elektrokemialliseksi kondensaattoriksi.

Korkean kapasiteetin energian varastointilaite, superkondensaattori, täyttää aukon paristojen ja perinteisten kondensaattorien välillä. 

Tämä laite osoittaa korkean tehotiheyden, joka on noin tuhat kertaa suurempi kuin ladattavien paristojen. Se myös varastoi enemmän varausta kuin kondensaattori ja latautuu sekä purkautuu nopeammin kuin paristot.

Pitkän syklisen vakauden lisäksi superkondensaattoreilla on nopea lataus-/purkausteho, mikä tekee niistä sopivia sovelluksiin, jotka vaativat nopeita energiapurkauksia. Nykyään superkondensaattoreita käytetään yhä enemmän erilaisissa sovelluksissa, kuten laseissa, kannettavissa virtalähteissä, kameran salama-laitteissa, pulssivalon generaattoreissa, uusiutuvan energian järjestelmissä, hybridisähköajoneuvoissa ja teollisissa varavoimanlaitteissa.

Superkondensaattori koostuu kahdesta elektrodista, ulkoiseen piiriin kytketyistä sähköjohtimista, jotka on erotettu elektrolyytillä, ionijohtimella, ja erotinlevyllä, joka on kalvo, joka erottaa ne sähköisesti niin, että elektrodit eivät lyhytkytkeydy, mutta sallii tiettyjen ionien kulkea sen läpi estäen avoimen piirin järjestelmässä.

Korkean tehotiheytensä ja ympäristöystävällisyytensä, kuten kierrätettävyyden, vuoksi superkondensaattori on yksi laajimmin ja aktiivisimmin tutkituista energian varastointijärjestelmistä.

Superkondensaattorissa pinnasta hallittu reaktio määrittää pääosin sen kapasitanssin. Siksi vakaa rajapinta elektrodin ja elektrolyytin välillä on avain korkean suorituskyvyn ja vakaan elektrokemiallisen toiminnan saavuttamiseksi.

Rajapinnan ominaisuudet ovat ratkaisevia korkean elektrokemiallisen suorituskyvyn varmistamiseksi, joten tutkijat ovat kehittäneet erilaisia menetelmiä niiden parantamiseksi ja niihin liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi.

Kuitenkin kaikki nämä yritykset kohtaavat merkittäviä rajoituksia, kuten skaalautuvuus, kustannukset, ympäristöystävällisyys ja useita prosessointiin liittyviä vaiheita. Siksi on tärkeää kehittää kestävä ratkaisu, joka täyttää nämä kriteerit ja pystyy edelleen saavuttamaan korkean energia-/tehotiheyden superkondensaattorin pitkäaikaisessa toiminnassa.

Niinpä kolme eri laitosta koostuva tutkijaryhmä yhdisti voimansa esitelläkseen uuden elektrolyyttilisäaineen, joka koostuu kondagogu-puun kumin tai natriumalginaatin (KS) konjugoidusta biopolymeeristä. Tämä puukumi on paitsi laajasti saatavilla myös kierrätettävä.

Puukumin lisääminen loi suojaavan kerroksen elektrodin pinnalle, mikä esti sivutuotteiden muodostumisen samalla kun mahdollisti helpon ionien/elektronien kuljetuksen. Merkittavaa on, että tämän uuden lisäainekonseptin käyttö superkondensaattorijärjestelmässä parantaa elektrokemiallista luotettavuutta.

Jo pienellä KS-pitoisuudella, eli 5 mg ml⁻¹, kapasitanssin säilyvyys parani jopa 35 % saavuttaen huikeat 93 % 30 000 sykliä kohden virrantiheytyksellä 4,0 mA cm⁻². Tämä on yksinkertaisesti “merkittävää” ottaen huomioon hapan H₂SO₄‑elektrolyytti ja hiilipohjainen elektrodi.

Tutkimus kutsuu tätä “varhaisimmaksi raportiksi” merkittävästä parannuksesta superkondensaattorin pitkäaikaisessa toiminnassa biopolymeerikonjugaatio‑elektrolyyttilisäaineen käyttöönoton myötä. Tämä ratkaisu, yksinkertaisuutensa, alhaisen kustannuksensa ja ympäristöystävällisyytensä ansiosta, omaa kaupallistamismahdollisuuden.

Puukumin rooli seuraavan sukupolven superkondensaattoreissa

Tutkijat Skotlannin, Etelä-Korean ja¹ Intian yliopistoista suorittivat tutkimuksen, joka julkaistiin tässä kuussa Energy Storage Materials -lehdessä. 

Tähän sisältyvät University of Glasgow, Chung-Ang University, Ajou University, Amrita University ja Myongji University, jotka yhdessä suunnittelivat konjugoidun KS-komposiittirakenteen erittäin vakaalle superkondensaattorille, joka tarjoaa biokompatibiliteettia ja erinomaista elektrokemiallista luotettavuutta.

Tässä käytetty jätökumi tuotetaan Intian puista. Puukumeilla on laajat käyttökohteet eri teollisuudenaloilla, kuten elintarvike-, kosmetiikka- ja lääketieteellisessä alassa. Tämä erityinen kumi kuitenkin ei ole monessa käytännöllisessä sovelluksessa.

Itse asiassa käytetyt kumit ovat “pieni päänsärky Intian hallitukselle hävittää”, totesi tutkimuksen vastaava tekijä, tohtori Jun Young Cheong Glasgow’n James Watt -koulusta. Hän lisäsi:

“Tämän tutkimuksen avulla olemme löytäneet tavan tehdä tästä kumista todella vaikuttavaa, luomalla biohajoavan, kierrätettävän biopolymeerin, joka mahdollistaa merkittävän suorituskyvyn ja voisi pidentää superkondensaattorien käyttöikää dramaattisesti.” 

Happojen elektrolyyttien käyttö vaikuttaa superkondensaattorien pitkäaikaiseen suorituskykyyn. Ne aiheuttavat ei-toivottuja sivureaktioita metallielektrodeihin, mikä heikentää niiden kykyä pitää täyttä varausta ajan myötä.

Sitten on ongelma superkondensaattorien korvaamisesta, kierrättämisestä ja hävittämisestä niiden elinkaaren lopussa. Tämä lisää nopeasti kasvavaa elektroniikkajätteen ongelmaa, joka aiheuttaa merkittäviä ympäristö- ja terveysriskejä.

Tiimi käytti siis gum kondagogu -polysakkaridia (monimutkainen biomolekyyli), jota tuotetaan Cochlospermum Gossypium- tai Kondagogu-puun (KO) kuoresta. Tutkijat yhdistivät sen natriumalginaattiin luodakseen sienimäisen biopolymeerin nimeltä ‘KS’.

Tämän biopolymeerin lisääminen happamaan elektrolyyttiin muodosti suojaavan kerroksen sen hiilielektrodeille, mikä auttoi estämään elektrodien fyysistä rappeutumista. Tämä suojaus toteutui vaikuttamatta ionikuljetusprosessiin, mikä mahdollistaa superkondensaattorin lataamisen ja purkamisen.

Parannettu elektrolyytti paransi merkittävästi superkondensaattorin suorituskykyä.

“Laboratoriossa olemme osoittaneet erinomaisen suorituskyvyn yli 30 000 sykliä. Jos suorittaisimme yhden syklin päivässä, superkondensaattori voisi teoreettisesti kestää yli 80 vuotta menettämättä merkittävää suorituskykyä, mikä tarkoittaisi, että superkondensaattoreita voitaisiin käyttää laitteissa paljon pidempään ilman vaihtoa.”

– Tohtori Cheong

Tutkimus perustuu itse asiassa tohtori Cheongin käynnissä olevaan tutkimukseen biojätteen käytöstä akuissa. Hänen tutkimuksensa on myös osoittanut kumisidosten, jotka liukenevat veteen, tehokkuuden grafiittianodeissa litiumioniakuissa.

“Vesiliukoiset biojätteenkumisidokset luonnolliselle grafiittianodelle litiumioniakuissa” -tutkimus julkaistiin viime kesänä, ja se käsitteli perinteisen polyvinyylideenifluorin (PVdF) korvaamista, joka käyttää ympäristölle haitallista N-Metyyli-2-pirolidonia, vesiliukoisella sidoksella.

Tutkimus kuvaili luonnolliseen grafiittiin perustuvien anodien valmistusta käyttäen PVdF- ja vesiliukoisia biojätteensidoksia (W‑SB) Cochlospermum gossypium -puun kumista. Molemmissa käytettiin 10 wt % sidosta.

NG‑W‑SB‑elektrodi osoitti hyvät mekaaniset ominaisuudet ja säilytti rakenteellisen eheyden syklausessa, edistäen alhaista varausvaihtoresistanssia elektrodilla. Se myös näytti korkeat virtapikat ensimmäisessä syklissä, mikä osoittaa parantunutta elektrokemiallista suorituskykyä, toisin kuin hieman alhaisemmat NG‑PVdF‑elektrodin piikit, jotka kokivat kapasiteetin heikkenemisen jo 200 sykliä jälkeen. NG‑W‑SB:llä on sen sijaan korkeampi vakaa kapasiteetin säilyvyys, joka jatkuu jopa 360 sykliin.

“Yleisesti ottaen W‑SB‑sidokset osoittivat merkittävästi parantuneita syklaus‑säilyvyysominaisuuksia, verrattavia nopeuskykyjä ja alhaisempaa elektrodin vastusta, mikä avasi uuden mahdollisuuden käyttää biojätettä (kumia) toimivana vesiliukoisena sidoksena litiumioniakkujen sovelluksissa,” totesi tutkimus.

Toinen tohtori Cheongin tutkimus³ sisältää, “Orgaanisesta materiaalista johdettu aktivoitu hiili ympäristöystävälliseen mulperipaperi‑superkondensaattoriin”, jossa aktivoitu hiili (AC) valmistettiin appelsiininkuoresta (OP), yleisestä jätteestä, ja päällystettiin sen jälkeen mulperipaperiin (MP), joka osoittaa hydrofobisuutta, korkean holoselluloosapitoisuuden ja vahvan sidoksen aktiivimateriaalin kanssa. Toinen päällyste poly(3,4‑etyleenidioksitiofeenistä) polystyreenisulfonaatista (PEDOT:PSS) käytettiin valmistamaan kaksinkertaisesti päällystetty MP tähän superkondensaattoriin.

Muut kehitykset superkondensaattorien alalla

Koska superkondensaattorit ovat kriittisiä erilaisissa sovelluksissa, tutkijat ympäri maailmaa tutkivat aktiivisesti keinoja parantaa niiden suorituskykyä. 

Plasmakäsittely kapasitanssin parantamiseksi

Juuri tässä kuussa venäläiset tiedemiehet Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) -laitoksessa esittelivät plasmakäsittelyn, joka voi kaksinkertaistaa superkondensaattorien kapasiteetin.

Tiimi, tutkimuksen pääasiallinen tutkija, apulaisprofessori Stanislav Evlashin, mukaan, tutkii keinoja parantaa superkondensaattorien suorituskykyä “käsittelemällä niiden elektrodeissa käytettyä hiilipohjaista materiaalia.”

Evlashin selitti kaksi tapaa lisätä superkondensaattorin varastoiman energian määrää:

“Voit joko lisätä elektrodien tehokasta pinta-alaa monimutkaisella pinnan suunnittelulla tai tuoda vieraita atomeja elektrodien hiilimateriaaliin.”

Heidän tutkimuksensa keskittyi vieraat atomit hiilimateriaaliin superkondensaattorien elektrodeissa plasmakäsittelyn avulla.

Tiimi testasi plasmassa kuuden eri kemiallisen koostumuksen vaikutusta hiilinanoseinien kapasitanssiin, mutta vain typpi‑ ja argoniseos plasman muodossa osoitti merkittävää parannusta.

“Havaitsimme, että ensin poistetaan amorfinen hiili, joka jää hiilinanoseinärakenteiden kasvun jälkeen. Tämän jälkeen syntyy uusia vikoja ja heteroatomit sisällytetään hiilimateriaalin rakenteeseen. Amorfiinen hiili yhdessä typpiheteroatomien kanssa edistää pseudokapasitanssin syntymistä.”

– Evlashin

Suorituskyvyn parantaminen elektrodin ja materiaalien suunnittelun avulla

Tällä viikolla Kalifornian yliopiston tutkijat suunnittelivat elektro‑kiteytyssuuntausta⁴ sekä pinnan aktivointia laajassa lämpötilassa ZHSC- tai sinkkioni‑superkondensaattoreissa.

Kuten tutkimuksessa todettiin, anodin ja katodin kapasiteetin tasapainottaminen on välttämätöntä elektrokemiallisen kennon suorituskyvyn maksimoimiseksi. Siksi he esittelivät kaksi lähestymistapaa elektrodien hyödyntämisen tasapainottamiseksi ZHSC:issä.

Tämä sisältää dendriittien muodostumisen minimoinnin, mikä pidentää syklisten elinikää, muokkaamalla anodin virtakollektoria kuparinanopartikkeleilla. Toinen strategia oli aktivoidun hiilikatodin kapasiteetin lisääminen elektrolyyttireaktion avulla.

Koko kenno säilytti 84 % kapasiteetistaan jopa 50 000 täyden lataus‑purkaussyklin jälkeen 2 V:n jännitteellä. Sen kumulatiivinen kapasiteetti oli samalla 19,8 Ah cm⁻², mikä ylittää ZHSC:t, tehden tästä laitemallista “lupauksen antavan korkean kestävyyden sovelluksille, mukaan lukien katkeamattomat virtalähteet ja energiankeräysjärjestelmät, jotka vaativat usein sykliä,” se totesi.

Viime kuun tutkimus puolestaan suositteli litiumkobalttioksidin anionirakenteen muokkaamista superkondensaattorien energiatehokkuuden ja varauskapasiteetin parantamiseksi.

Tätä varten litiumkobalttioksidia muokattiin muotoon LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, joka osoitti vaikuttavia suorituskykyominaisuuksia, mukaan lukien 512 F g⁻¹ kapasitanssi ja yli 92 % coulombinen hyötysuhde 4000 sykliä jälkeen 2 A g⁻¹ virrantiheytyksellä. Muokatun materiaalin elektrokemiallinen vakaus kohonnutina virrantiheyksinä sekä alhainen ekvivalenttinen sarjavastus, tutkimuksen mukaan, “asettaa sen merkittäväksi ehdokkaaksi tulevaisuuden superkondensaattoriteknologian kehityksessä.”

Muoviset superkondensaattorit suurempaan energian varastointiin

Tutkijat käyttävät jopa muovia superkondensaattorien parantamiseen. UCLA:n kemistit kehittivät teksturoituja, turkin kaltaisia PEDOT‑nanokuituja, joilla on suurempi pinta-ala varauksen varastointiin ja erinomainen sähkönjohtavuus.

PEDOT tai poly(3,4‑etyleenidioksitiofeeni) on läpinäkyvä ja joustava kalvo, jota käytetään elektronisten komponenttien ja valokuvafilmien pinnoilla suojaamaan niitä staattiselta sähköltä. Sen potentiaali energian varastointiin on melko rajallinen, koska PEDOT‑materiaaleilla ei ole tarvittavaa sähkönjohtavuutta ja pinta-alaa suurten energiamäärien varastointiin.

Kuitenkin innovatiivisella menetelmällä kemistit hallitsivat PEDOT:n morfologiaa kasvattaakseen nanokuituja tarkasti. Höyryvaiheessa tapahtuva kasvuprosessi loi pystysuoria PEDOT‑nanokuituja, jotka näyttivät tiheältä ylöspäin kasvavalta ruohosta.

“Materiaalin ainutlaatuinen pystysuora kasvu mahdollistaa PEDOT‑elektrodien luomisen, jotka varastoivat paljon enemmän energiaa kuin perinteinen PEDOT.”

– Vastaava tekijä, UCLA:n materiaalitieteilijä Maher El‑Kady

Tiimi loi sitten superkondensaattorin käyttäen PEDOT‑rakenteita, jotka varastoivat lähes kymmenen kertaa enemmän varausta kuin perinteinen PEDOT ja kestivät lähes 100 000 lataus‑purkaussyklit.

Vastaavan tekijän, Richard Kanerin, joka on kemian sekä materiaalitieteen ja -tekniikan professori, mukaan:

“Elektrodien poikkeuksellinen suorituskyky ja kestävyys osoittavat suurta potentiaalia grafeeni‑PEDOT:n käytölle superkondensaattoreissa, jotka voivat auttaa yhteiskuntaa täyttämään energiatarpeensa.”

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken itsevarautuvista superkondensaattoreista.

Superkondensaattorien lisääminen akkujen kanssa latausnopeuden kasvattamiseksi

Kaiken tämän tutkimuksen keskellä jopa saksalainen autonvalmistaja BMW on jättänyt superkondensaattoripatentin, joka lataa hybridiautoja minuutissa.

Yritys tutkii mahdollisuutta lisätä moottoriurheiluun suunniteltu superkondensaattori akkujen kanssa merkittävästi lyhentääkseen latausaikaa. Hakemuksen mukaan hybridisupersarjan, jonka kapasiteetti on yli 20 kWh, yhdistäminen olemassa olevaan akku‑pohjaiseen järjestelmään auttaa voittamaan molempien järjestelmien keskeiset haitat.

BMW arvioi, että “asiakkaalle, joka haluaa ajaa ajoneuvoa radalla, tämä voi tarjota mahdollisuuden ajaa jatkuvasti fyysisten rajojen mukaan lyhyillä tauoilla.”

Sen kilpailija, Volkswagen Group, puolestaan käyttää jo superkondensaattoria Lamborghini Sian -mallissa. Superkondensaattori varastoi sähköenergiaa, joka syötetään sitten sähkömoottorille. Sianissa on 25 kW:n moottori, joka on sisäänrakennettu vaihteistoon tarjoamaan e‑boost 577 kW:n 6,5‑litraiseen V12‑moottoriin tai mahdollistamaan kokonaan sähköisen voimansiirron matalan nopeuden liikkeissä.

Innovatiiviset yritykset alalla

Globaalin superkondensaattorimarkkinan koko on miljardeja dollareita, mikä johtuu kasvavasta kysynnästä kestäville ja energiatehokkaille energian varastointiratkaisuille. Siksi monet yritykset, kuten Panasonic Corporation ja Skeleton Technologies, työskentelevät teknologian parantamiseksi.

Merkittävä nimi tällä alalla on AVX Corporation, jonka japanilainen elektroniikkavalmistaja Kyocera Corporation osti vuonna 2020, jonka jälkeen AVX:n osakkeet lakkasivat kaupankäynnin NYSE:ssä. Kyoceran osakkeet puolestaan käydään OTC‑markkinoilla (KYOCF:OTCPK) hintaan 10,70 $, mikä asettaa sen markkina-arvoksi 15,85 miljardia dollaria. Se maksaa osinkotuoton 3,12 %.

KEMET Corporation on myös tunnettu laajasta valikoimastaan superkondensaattoreita, joilla on korkea suorituskyky ja joita voidaan käyttää toissijaisina akkuina DC‑piirissä. Virallisella verkkosivullaan laitteet sopivat parhaiten matalajänniteisiin DC‑varmistussovelluksiin. Alun perin Yhdysvaltain yritys, joka listautui NYSE:ssä vuonna 1990, KEMET ostettiin Taiwanilaiselta Yageo Corporatilta vuonna 2020.

Maxwell Technologies on vielä yksi merkittävä ultrakondensaattorien valmistaja. Tesla (TSLA ) osti sen vuonna 2019, mutta myi sen UCAP Powerille vuonna 2021. Huolimatta Maxwellin myymisestä, $817,34 miljardia markkina-arvoinen EV‑ ja akkuvalmistaja säilytti sen kuiva‑elektrodi‑valmistusprosessin, joka perustuu kondensaattoriteknologiaan. TSLA‑osakkeet ovat tällä hetkellä yli 37 % laskeneet vuoden alusta, ja ne käyvät kauppaa hintaan 248,80 $.

Sitten on Australian CAP‑XX, joka valmistaa ohuita, prismamaisia superkondensaattoreita kuluttajien käsilaitteisiin, kaupallisiin ja teollisiin elektroniikkaratkaisuihin sekä puhtaan energian sovelluksiin. Se on listattu Lontoon pörssin AIM‑markkinoilla.

CAP‑XX:n superkondensaattorit ylpeilevät korkealla energiatihteydellä, korkealla kennon jännitteellä ja äärimmäisen alhaisella vuotovirralla. Näiden superkondensaattorien avulla valmistajat voivat vähentää akun kokoa, painoa ja kustannuksia, komponenttien määrää ja kustannuksia sekä niiden ympäristövaikutuksia.

Yhteenveto

Vaikka akut ovat olleet huomion keskipisteessä, superkondensaattorit saavat yhä enemmän jalansijaa, kun ne nousevat yhdeksi tärkeimmistä komponenteista globaaleissa energiajärjestelmissä. Loppujen lopuksi ne voivat tarjota korkean hyötysuhteen, pitkän syklisten elinkaaren ja välittömän tehojakelun.

Tällä hetkellä superkondensaattorit täydentävät energian varastointialaa sovelluksissa kuten kuluttajaelektroniikka, uusiutuvan energian tasoitus, hybridisähköajoneuvot ja varavoima, jotka vaativat nopeita lataus‑purkaussyklejä ja pitkää käyttöikää.

Siten superkondensaattorien laajempi käyttöönotto on edelleen rajoittunut kustannusten, materiaalien ja ympäristökysymysten vuoksi. Kuitenkin puukumiin perustuvat biopolymeerit pyrkivät ratkaisemaan nämä haasteet, mikä viittaa lupaavaan tulevaisuuteen superkondensaattoreille. Kaupallistuminen vie aikaa, mutta kun se kiihtyy, superkondensaattorit voivat tulla valtavirtaan ja toimia keskeisenä osana kestäviä energiajärjestelmiä.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista akkuosakkeista.

Viitteet:

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). Kestävän elektrode‑elektrolyyttirajapinnan mahdollistama pitkäikäinen superkondensaattori biopolymeerikonjugaatio‑elektrolyyttilisäaineen avulla. 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). Vesiliukoiset biojätteenkumisidokset luonnolliselle grafiittianodelle litiumioniakuissa. 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). Orgaanisesta materiaalista johdettu aktivoitu hiili ympäristöystävälliseen mulperipaperi‑superkondensaattoriin. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Elektrokiteytyssuuntausten ja pinnan aktivoinnin suunnittelu laajassa lämpötilassa sinkkioni‑superkondensaattoreissa. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Anionien suunnittelu litiumkobalttioksidissa korkean suorituskyvyn superkondensaattoreiden sovelluksiin. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7