Doorbraak met boomgum verbetert levensduur van supercondensatoren

Batterijen behoren tot de meest populaire energieopslagapparaten. Deze elektrochemische apparaten kunnen vele keren worden opgeladen en ontladen zonder schade. Ze bieden tal van voordelen, zoals lagere energiekosten, grotere energieonafhankelijkheid, verbeterde netstabiliteit en ondersteuning van de integratie van hernieuwbare energie.

Maar er bestaat een ander elektrochemisch energieopslagapparaat dat veel grotere mogelijkheden heeft dan batterijen. Dat apparaat is een supercondensator, ook wel een ultracondensator of elektrochemische condensator genoemd.

Een energieopslagapparaat met hoge capaciteit, een supercondensator, overbrugt de kloof tussen batterijen en conventionele condensatoren.

Dit apparaat vertoont een hoge vermogensdichtheid, ongeveer duizend keer hoger dan die van oplaadbare batterijen. Het slaat bovendien meer lading op dan een condensator en laadt en ontlaadt sneller dan batterijen.

Naast een lange cyclische stabiliteit hebben supercondensatoren een snelle laad-/ontlaadefficiëntie, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die snelle energiepieken nodig hebben. Tegenwoordig worden supercondensatoren steeds vaker gebruikt in diverse toepassingen, waaronder lasers, draagbare stroomvoorzieningen, flitsapparatuur voor camera’s, gepulseerde lichtgeneratoren, systemen voor hernieuwbare energie, hybride elektrische voertuigen en industriële noodstroomvoorzieningen.

Een supercondensator bestaat nu uit twee elektroden, elektronische geleiders die met de buitenste schakeling verbonden zijn, gescheiden door een elektrolyt, een ionische geleider, en een separator, een membraan dat ze elektrisch van elkaar scheidt zodat de elektroden geen kortsluiting veroorzaken, terwijl bepaalde ionen erdoorheen kunnen gaan om een open circuit in het systeem te voorkomen.

Vanwege de hoge vermogensdichtheid en milieuvriendelijkheid, zoals recyclebaarheid, is de supercondensator een van de meest breed en actief onderzochte energieopslagsystemen.

In een supercondensator bepaalt een oppervlaktegestuurde reactie voornamelijk de capaciteit. Daarom is een stabiele interface tussen elektrode en elektrolyt cruciaal om hoge prestaties te bereiken en een stabiele elektrochemische werking te waarborgen.

Interfaciale eigenschappen zijn essentieel voor een hoge elektrochemische prestatie, daarom hebben onderzoekers verschillende methoden ontwikkeld om deze te verbeteren en de daarmee samenhangende problemen te overwinnen.

Echter, al deze pogingen ondervinden aanzienlijke beperkingen, zoals schaalbaarheid, kosten, milieuvriendelijkheid en meerdere verwerkingsstappen. Daarom is het essentieel een duurzame oplossing te vinden die aan deze criteria voldoet en toch een supercondensator met hoge energie-/vermogendichtheid voor langdurig gebruik kan realiseren.

Dus kwam een team van onderzoekers van drie verschillende instellingen samen om een nieuw elektrolytadditief te introduceren, bestaande uit een geconjugeerde biopolymeer van gum kondagogu of natriumalginaat (KS). Deze boomgum is niet alleen overvloedig beschikbaar, maar ook recyclebaar.

De introductie van de boomgum creëerde een beschermende laag op het oppervlak van de elektrode, die de vorming van bijproducten voorkwam terwijl het eenvoudige ionen-/elektronentransport mogelijk bleef. Opmerkelijk is dat het toepassen van dit nieuwe additiefconcept in het supercondensatorsysteem leidt tot een verbeterde elektrochemische betrouwbaarheid.

Zelfs bij een lage KS-concentratie, namelijk 5 mg ml‑1, verbeterde de capaciteitsretentie met maar liefst 35% tot een indrukwekkende 93% na 30.000 cycli bij een stroomdichtheid van 4,0 mA cm‑2. Dit is simpelweg “opmerkelijk”, gezien het gebruik van een zuur H₂SO₄‑elektrolyt en een koolstofgebaseerde elektrode.

De studie noemt dit het “eerste rapport” over een aanzienlijke verbetering van de langetermijnwerking van de supercondensator door een biopolymeer‑geconjugeerd elektrolytadditief te introduceren. Deze oplossing, dankzij zijn eenvoud, lage kosten en milieuvriendelijkheid, heeft potentie voor commercialisatie.

De rol van boomgum in supercondensatoren van de volgende generatie

Onderzoekers van universiteiten in Schotland, Zuid‑Korea en India voerden het onderzoek uit, dat deze maand werd gepubliceerd in Energy Storage Materials.

Dit omvat de University of Glasgow, Chung‑Ang University, Ajou University, Amrita University en Myongji University, die gezamenlijk de geconjugeerde KS‑composietstructuur ontwierpen voor een zeer stabiele supercondensator die biocompatibiliteit en uitstekende elektrochemische betrouwbaarheid biedt.

De afvalgum die hier wordt gebruikt, wordt geproduceerd door bomen in India. Boomgommen hebben talloze toepassingen in sectoren zoals voeding, cosmetica en farmaceutica. Deze specifieke gum heeft echter weinig praktische toepassingen.

In feite zijn de gebruikte gommen “een beetje een hoofdpijndossier voor de Indiase overheid om te verwerken,” merkte de corresponderende auteur van de studie, Dr. Jun Young Cheong van de James Watt School of Engineering van de University of Glasgow, op. Hij voegde toe:

“Met dit onderzoek hebben we een manier gevonden om iets echt impactvols te maken van deze gum, door een biologisch afbreekbare, recyclebare biopolymeer te creëren die opmerkelijke prestaties mogelijk maakt en de bruikbare levensduur van supercondensatoren aanzienlijk kan verlengen.”

Het gebruik van zure elektrolyten beïnvloedt de langetermijnprestaties van supercondensatoren. Door ongewenste nevenreacties met hun metalen elektroden te veroorzaken, verminderen ze het vermogen om over tijd een volledige lading vast te houden.

Daarbij komt nog het probleem van het vervangen, recyclen en afvoeren van supercondensatoren aan het einde van hun levensduur. Dit draagt bij aan het snelgroeiende probleem van elektronisch afval, dat aanzienlijke milieu- en gezondheidsrisico’s met zich meebrengt.

Dus gebruikte het team de gum kondagogu, een polysacharide (complex biomolecuul) geproduceerd door de bast van de Cochlospermum Gossypium‑ of Kondagogu‑boom (KO). Onderzoekers combineerden dit met natriumalginaat om een sponsachtig biopolymeer genaamd ‘KS’ te produceren.

Het toevoegen van dit biopolymeer aan het zure elektrolyt vormde een beschermende laag op de koolstofelektroden, die hielp de fysieke degradatie van de elektroden te voorkomen. Deze bescherming werd geboden zonder het ionentransportproces te beïnvloeden, waardoor de supercondensator kan laden en ontladen.

Het verbeterde elektrolyt verbeterde de prestaties van de supercondensator aanzienlijk.

“In het laboratorium hebben we uitstekende prestaties aangetoond over 30.000 cycli. Als we één cyclus per dag zouden uitvoeren, zou de supercondensator theoretisch meer dan 80 jaar kunnen meegaan zonder significante prestatieverlies, wat zou kunnen betekenen dat supercondensatoren veel langer in apparaten kunnen worden gebruikt zonder vervanging.”

– Dr. Cheong

Het onderzoek is eigenlijk gebaseerd op Dr. Cheong’s lopende onderzoek naar het gebruik van bio‑afval in batterijen. Zijn onderzoek heeft ook de effectiviteit aangetoond van het gebruik van gumbinders, die in water oplosbaar zijn, in grafietanodes in Li‑ionbatterijen.

Het onderzoek “water‑oplosbare biowaste‑gumbinders voor natuurlijke grafietanodes voor lithium‑ionbatterijen” werd afgelopen zomer gepubliceerd, waarin werd gesproken over het vervangen van het conventionele polyvinylideenfluoride (PVdF), dat milieuschadelijke N‑Methyl‑2‑pyrrolidon gebruikt, door een water‑oplosbare binder.

De studie beschreef de fabricage van op natuurlijke grafiet gebaseerde anodes met behulp van PVdF en water‑oplosbare biowaste‑binders (W‑SB) afkomstig van de gum van de Cochlospermum gossypium‑boom. Beide gebruikten 10 wt % binder.

De NG‑W‑SB‑elektrode vertoonde goede mechanische eigenschappen en behield de structurele integriteit na cyclussen, waardoor de ladingsoverdrachtsweerstand op de elektrode laag bleef. Bovendien toonde het hoge stroompieken in de eerste cyclus, wat wijst op verbeterde elektrochemische prestaties, in tegenstelling tot de iets lagere pieken van de NG‑PVdF‑elektrode, die na slechts 200 cycli een capaciteitsdegradatie ondervond. NG‑W‑SB heeft daarentegen een hogere stabiele capaciteitsretentie tot 360 cycli.

“Over het algemeen vertoonden W‑SB‑binders sterk verbeterde cyclische retentie‑kenmerken, vergelijkbare snelheidsmogelijkheden en lagere elektrode‑weerstand, wat een nieuw pad opende voor het gebruik van biowaste (gum) als functionele water‑oplosbare binder voor LIB‑toepassingen,” merkte de studie.

Een ander onderzoek van Dr. Cheong omvat “Geactiveerde koolstof afgeleid van organisch materiaal voor milieuvriendelijke mulberry‑papier‑supercondensator”, waarbij geactiveerde koolstof (AC) werd bereid uit sinaasappelschil (OP), een veelvoorkomend afval, dat vervolgens werd gecoat op mulberry‑papier (MP), dat hydrofiliteit, een hoog holocellulosegehalte en een sterke binding met het actieve materiaal vertoont. Een extra coating van poly(3,4-ethylenedioxithiophene) polystyreen‑sulfonaat (PEDOT:PSS) werd gebruikt om een dubbel gecoat MP te vervaardigen voor de supercondensator.

Andere ontwikkelingen op het gebied van supercondensatoren

Gezien hoe cruciaal supercondensatoren zijn in diverse toepassingen, onderzoeken onderzoekers wereldwijd actief manieren om hun prestaties te verbeteren.

Plasmabehandeling om de capaciteit te verbeteren

Eerder deze maand onthulden wetenschappers van het Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Rusland een plasmabehandeling die de capaciteit van supercondensatoren kan verdubbelen.

Het team, volgens de hoofdonderzoeker van de studie, assistent‑professor Stanislav Evlashin, onderzoekt manieren om de prestaties van supercondensatoren te verbeteren “door te knutselen met het koolstof‑gebaseerde materiaal dat in hun elektroden wordt gebruikt.”

Er zijn twee manieren om de hoeveelheid energie die een supercondensator opslaat te vergroten, legde Evlashin uit:

“Ofwel vergroot je het effectieve oppervlak van de elektroden door een ingewikkeld oppervlakontwerp, of je introduceert vreemde atomen in het koolstofmateriaal van de elektroden.”

Hun studie richtte zich op het effect van het introduceren van vreemde atomen in het koolstofmateriaal van supercondensatorelektroden via een plasmabehandeling.

Het team testte de impact van plasma met zes verschillende chemische samenstellingen op de capaciteit van koolstof‑nanowalls, maar alleen het plasma bestaande uit een stikstof‑ en argonmengsel toonde een substantiële verbetering.

“We ontdekten dat eerst het amorfe koolstof dat overblijft na de groei van carbon nanowall‑structuren wordt verwijderd. Daarna ontstaan nieuwe defecten en worden hetero‑atomen in de koolstofstructuur opgenomen. Amorf koolstof, samen met de stikstof‑hetero‑atomen, draagt bij aan het ontstaan van pseudocapaciteit.”

– Evlashin

Prestaties verbeteren door elektrode‑ en materiaalingénieurswerk

Deze week hebben onderzoekers van de University of California de elektro‑kristallisatie‑oriëntatie en oppervlakte‑activering onder brede‑temperatuur ZHSC’s of zink‑ion‑supercondensatoren ontwikkeld.

Zoals de studie opmerkt, is het afstemmen van de capaciteit van anode en kathode noodzakelijk om de elektrochemische celprestaties te maximaliseren. Daarom presenteerden ze twee benaderingen om het gebruik van elektroden in ZHSC’s te egaliseren.

Dit omvat het minimaliseren van dendrietvorming, wat de cyclustijd verlengt, door de anode‑stroomcollector te modificeren met kopernanodeeltjes. De andere strategie was het verhogen van de capaciteit van de geactiveerde koolstofkathode via een elektrolytreactie.

De volledige cel behield zelfs na 50.000 volledige laad‑ontlaadcycli tot 2 V nog 84 % van zijn capaciteit. De cumulatieve capaciteit bedroeg ondertussen 19,8 Ah cm⁻², wat ZHSC’s overtreft, waardoor dit apparaatontwerp “veelbelovend is voor toepassingen met hoge duurzaamheid, waaronder ononderbroken stroomvoorzieningen en energie‑opwekkingssystemen die frequente cycli vereisen,” stelde het.

Een studie van vorige maand, daarentegen, raadde aan de anionstructuur van lithium‑kobaltoxide te modificeren om de energiedichtheid en laadopslagcapaciteit van supercondensatoren te verbeteren.

Hiervoor werd lithium‑kobaltoxide gemodificeerd tot LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, dat indrukwekkende prestatiekenmerken vertoonde, waaronder een capaciteit van 512 F g⁻¹ en een coulombische efficiëntie van net iets meer dan 92 % na 4000 cycli bij een stroomdichtheid van 2 A g⁻¹. De elektrochemische stabiliteit van het gemodificeerde materiaal bij verhoogde stroomsterktes, evenals een lage equivalente serieweerstand, positioneert het volgens de studie “als een belangrijke kandidaat voor toekomstige ontwikkelingen in supercondensatortechnologie.”

Plastic supercondensatoren voor meer energieopslag

Onderzoekers gebruiken zelfs plastic om supercondensatoren te verbeteren. Chemici van UCLA ontwikkelden gestructureerde, vacht‑achtige PEDOT‑nanodraden die meer oppervlak hebben om lading op te slaan en superieure elektrische geleidbaarheid.

PEDOT of poly(3,4‑ethylenedioxithiophene) is een transparante en flexibele film die op de oppervlakken van elektronische componenten en fotografische films wordt aangebracht om ze te beschermen tegen statische elektriciteit. Het potentieel voor energieopslag is echter beperkt, omdat PEDOT‑materialen niet beschikken over de elektrische geleidbaarheid en het oppervlak dat nodig is om grote hoeveelheden energie op te slaan.

Met een innovatieve methode beheersten de chemici echter de morfologie van PEDOT om nanodraden nauwkeurig te laten groeien. Het groeiproces in de dampfase creëerde verticale PEDOT‑nanodraden die eruitzagen als dichte grasgroei die naar boven groeit.

“De unieke verticale groei van het materiaal stelt ons in staat PEDOT‑elektroden te maken die veel meer energie opslaan dan traditioneel PEDOT.”

– De corresponderende auteur, UCLA‑materiaalwetenschapper Maher El‑Kady

Het team creëerde vervolgens een supercondensator met PEDOT‑structuren die bijna tien keer meer lading opsloegen dan conventioneel PEDOT en bijna 100.000 laadcycli duurden.

Volgens de corresponderende auteur, Richard Kaner, die professor chemie is, evenals materiaalkunde en engineering:

“De uitzonderlijke prestaties en duurzaamheid van onze elektroden tonen een groot potentieel voor het gebruik van graphene‑PEDOT in supercondensatoren die onze samenleving kunnen helpen te voorzien in onze energiebehoeften.”

Klik hier om alles te leren over zelf‑opladen supercondensatoren.

Supercondensatoren toevoegen aan batterijen om de oplaadsnelheid te verhogen

Te midden van al dit onderzoek heeft zelfs de Duitse autofabrikant BMW een patent voor een supercondensator aangevraagd die hybride raceauto’s binnen een minuut kan opladen.

Het bedrijf onderzoekt de mogelijkheid om een motorsport‑specifieke supercondensator aan batterijen toe te voegen om de oplaadtijd aanzienlijk te verkorten. Volgens de aanvraag zal het koppelen van een hybride superauto met een capaciteit van meer dan 20 kWh aan een bestaand batterijsysteem helpen enkele van de belangrijkste nadelen van beide systemen te overwinnen.

BMW schat dat “voor een klant die het voertuig op het racecircuit wil rijden, dit de mogelijkheid kan bieden om continu te rijden op de fysieke grenzen met korte onderbrekingen.”

De concurrent, Volkswagen Group, gebruikt ondertussen al een supercondensator in de Lamborghini Sian. De supercondensator slaat elektrische energie op, die vervolgens naar een elektromotor wordt gevoed. De Sian heeft een 25 kW‑motor ingebouwd in de versnellingsbak om een e‑boost te geven aan de 577 kW 6,5‑liter V12 of om hem volledig op elektriciteit te laten rijden tijdens manoeuvres op lage snelheid.

Innovatieve bedrijven in het veld

De omvang van de wereldwijde supercondensatormarkt ligt in de miljarden dollars, gedreven door de groeiende vraag naar duurzame en energie‑efficiënte opslagoplossingen. Daarom werken veel bedrijven, zoals Panasonic Corporation en Skeleton Technologies, aan het verbeteren van de technologie.

Een prominente naam in dit segment is AVX Corporation, dat in 2020 werd overgenomen door de Japanse elektronicafabrikant Kyocera Corporation, waarna de gewone aandelen van AVX niet meer op de NYSE werden verhandeld. De aandelen van Kyocera worden ondertussen verhandeld op de OTC‑markt (KYOCF:OTCPK) tegen $10,70, wat een marktkapitalisatie van $15,85 billion oplevert. Het betaalt een dividendrendement van 3,12 %.

KEMET Corporation staat ook bekend om het aanbieden van een breed scala aan supercondensatoren met hoge prestatie‑mogelijkheden die kunnen worden gebruikt als secundaire batterijen wanneer ze in een DC‑circuit worden toegepast. Volgens de officiële website zijn de apparaten het meest geschikt voor gebruik in laagspannings‑DC‑hold‑up‑toepassingen. Oorspronkelijk een Amerikaans bedrijf dat in 1990 op de NYSE werd genoteerd, werd KEMET in 2020 overgenomen door het Taiwanese bedrijf Yageo Corporation.

Maxwell Technologies is nog een prominente fabrikant van ultracondensatoren. Tesla (TSLA ) nam het in 2019 over, om het vervolgens in 2021 aan UCAP Power te verkopen. Ondanks de verkoop van Maxwell behield de EV‑ en batterijfabrikant met een marktkapitalisatie van $817,34 billion zijn droog‑elektrodenproductieproces, dat gebaseerd is op zijn condensatortechnologie. TSLA‑aandelen zijn momenteel meer dan 37 % gedaald YTD en worden verhandeld tegen $248,80.

Dan is er het in Australië gevestigde CAP‑XX, dat dunne, prismatische supercondensatoren produceert voor gebruik in consumenthandapparaten, commerciële en industriële elektronica, en toepassingen voor schone energie. Het is genoteerd aan de London Stock Exchange AIM‑markt.

De supercondensatoren van CAP‑XX blinken uit in een hoge energiedichtheid, hoge celspanning en extreem lage lekstroom. Met behulp van hun supercondensatoren kunnen fabrikanten de grootte, het gewicht en de kosten van batterijen, het aantal en de kosten van betrokken componenten, en hun milieu‑impact verminderen.

Conclusie

Hoewel batterijen de aandacht hebben getrokken, winnen supercondensatoren aan terrein omdat ze een van de meest cruciale componenten in het wereldwijde energiesysteem worden. Tenslotte kunnen ze een hoge efficiëntie, een lange cyclustijd en onmiddellijke vermogenslevering bieden.

Momenteel zijn supercondensatoren complementair in de energieopslagsector voor toepassingen zoals consumentenelektronica, het gladstrijken van hernieuwbare energie, hybride EV’s en noodstroom, die snelle laad‑ontlaadcycli en een lange operationele levensduur vereisen.

De bredere adoptie van supercondensatoren wordt nog steeds beperkt door kosten, materiaal- en milieukwesties. Benaderingen zoals op boomgum gebaseerde biopolymeren pakken deze uitdagingen echter aan, wat wijst op een veelbelovende toekomst voor supercondensatoren. De commercialisatie zal tijd kosten, maar zodra deze op gang komt, kunnen supercondensatoren mainstream worden en een sleutelrol spelen in duurzame energiesystemen.

Klik hier voor een lijst van top‑batterijen aandelen.

Gerefereerde studies:

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). Long-lasting supercapacitor with stable electrode-electrolyte interface enabled by a biopolymer conjugate electrolyte additive. 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). Water-soluble biowaste gum binders for natural graphite anode for lithium-ion batteries. 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). Organic material-derived activated carbon for ecofriendly mulberry paper supercapacitor. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Engineering electro-crystallization orientation and surface activation in wide-temperature zinc ion supercapacitors. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Anion engineering in lithium cobalt oxide for application in high-performance supercapacitors. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7