Tregummis Gjennombrudd Øker Superkondensatorens Levetid

Batterier er blant de mest populære energilagringsenhetene. Disse elektrokjemiske enhetene kan lades og utlades mange ganger uten skade. De gir mange fordeler, som reduserte energikostnader, økt energiuavhengighet, forbedret nettstabilitet og støtte for integrering av fornybar energi. 

Men det finnes en annen elektrokjemisk energilagringsenhet som har langt større kapasiteter enn batterier. Den enheten er en superkondensator, også kalt en ultrakondensator eller elektrokjemisk kondensator.

En høykapasitet energilagringsenhet, en superkondensator, bygger bro mellom batterier og konvensjonelle kondensatorer. 

Denne enheten har høy effekttetthet, som er omtrent tusen ganger høyere enn for oppladbare batterier. Den lagrer også mer ladning enn en kondensator og lader og utlader raskere enn batterier.

I tillegg til å ha lang syklusstabilitet, har superkondensatorer rask lade-/utladningseffektivitet, noe som gjør dem egnet for applikasjoner som krever raske kraftutbrudd. I dag blir superkondensatorer i økende grad brukt i en rekke anvendelser, inkludert lasere, bærbare strømforsyninger, kamerablitsutstyr, pulserende lysgeneratorer, fornybare energisystemer, hybride elektriske kjøretøy og industriell strømreserve.

En superkondensator består nå av to elektroder, elektroniske ledere koblet til den ytre kretsen, som er adskilt av elektrolytt, en ionisk leder, og en separator, som er en membran som elektrisk skiller dem slik at elektrodene ikke kortslutter, samtidig som den tillater visse ioner å passere gjennom for å forhindre en åpen krets i systemet.

På grunn av sin høye effekttetthet og miljøvennlighet, som for eksempel resirkulerbarhet, er superkondensatoren et av de mest omfattende og aktive forskningsområdene innen energilagringssystemer.

I en superkondensator bestemmer overflatekontrollerte reaksjoner hovedsakelig dens kapasitans. Derfor er et stabilt grensesnitt mellom elektrode og elektrolytt nøkkelen til å oppnå høy ytelse og sikre stabil elektrokjemisk ytelse.

Grensesnitteegenskaper er avgjørende for å sikre høy elektrokjemisk ytelse, så forskere har utviklet ulike metoder for å forbedre og overvinne problemene knyttet til dem.

Imidlertid møter alle disse forsøkene betydelige begrensninger som skalerbarhet, kostnad, miljøvennlighet og flere trinn i prosesseringen. Derfor er det viktig å finne en bærekraftig løsning som oppfyller disse kriteriene og fortsatt kan oppnå høy energi-/effekttetthet i superkondensatoren for langsiktig drift. 

Dermed samlet et team av forskere fra tre ulike institusjoner seg for å introdusere et nytt elektrolytttilsetningsstoff, som består av en konjugert biopolymer av gum kondagogu eller natriumalginat (KS). Denne tregummien er ikke bare lett tilgjengelig, men også resirkulerbar. 

Innføringen av tregummien skapte et beskyttende lag på elektrodens overflate, som hindret dannelse av biprodukter samtidig som den tillot enkel ion- og elektrontransport. Merkverdig, bruk av dette nye tilsetningskonseptet i superkondensatorsystemet fører til forbedret elektrokjemisk pålitelighet. 

Ved en enda lav KS‑konsentrasjon, dvs. 5 mg ml⁻¹, forbedret kapasitetsbevaringen seg med opptil 35 % til imponerende 93 % etter 30 000 sykluser ved en strømtetthet på 4,0 mA cm⁻². Dette er rett og slett «bemerkelsesverdig» gitt bruken av sur H₂SO₄‑elektrolytt og karbonbasert elektrode.

Studien omtaler dette som den «tidligste rapporten» om en betydelig forbedring i superkondensatorens langsiktige drift ved å introdusere et biopolymer‑konjugat elektrolytttilsetningsstoff. Denne løsningen, takket være sin enkelhet, lave kostnad og miljøvennlighet, har potensial til å kommersialiseres.

Tregummis rolle i neste generasjons superkondensatorer

Forskere fra universiteter i Skottland, Sør‑Korea og¹ India gjennomførte forskningen, som ble publisert denne måneden i Energy Storage Materials. 

Dette inkluderer University of Glasgow, Chung‑Ang University, Ajou University, Amrita University og Myongji University, som sammen designet den konjugerte KS‑komposittstrukturen for en svært stabil superkondensator som tilbyr biokompatibilitet og fremragende elektrokjemisk pålitelighet.

Avfalls-gummien som brukes her produseres av trær i India. Tregummier har mange bruksområder på tvers av industrier som mat, kosmetikk og farmasøytisk industri. Denne spesifikke gummien har imidlertid få praktiske anvendelser.

Faktisk er gummiene som brukes «et lite hodebry for den indiske regjeringen å kvitte seg med», bemerket studiens korresponderende forfatter, Dr. Jun Young Cheong fra University of Glasgow’s James Watt School of Engineering. Han la til:

«Med denne forskningen har vi funnet en måte å lage noe virkelig innflytelsesrikt fra denne gummien, ved å skape en biologisk nedbrytbar, resirkulerbar biopolymer som gir bemerkelsesverdig ytelse og kan forlenge superkondensatorenes bruksliv dramatisk.» 

Bruken av sure elektrolytter påvirker superkondensatorers langsiktige ytelse. Ved å forårsake uønskede side‑reaksjoner med deres metall‑elektroder, reduserer de evnen til å holde full ladning over tid.

Deretter er det problemet med å erstatte, resirkulere og avhende superkondensatorer ved slutten av deres levetid. Dette bidrar til det raskt voksende problemet med elektronisk avfall, som medfører betydelige miljø‑ og helserisikoer.

Dermed brukte teamet gum kondagogu, en polysakkarid (kompleks biomolekyl) produsert av barken til Cochlospermum Gossypium‑ eller Kondagogu‑gummitreet (KO). Forskerne kombinerte den med natriumalginat for å lage en svamp‑lignende biopolymer kalt ‘KS’.

Tilsetting av denne biopolymeren til den sure elektrolytten dannet et beskyttende lag på karbonelektrodene, som bidro til å forhindre elektrodenes fysiske nedbrytning. Denne beskyttelsen ble gitt uten å påvirke iontransportprosessen, som gjør at superkondensatoren kan lades og utlades.

Den forbedrede elektrolytten forbedret superkondensatorens ytelse betydelig.

«I laboratoriet har vi vist fremragende ytelse over 30 000 sykluser. Hvis vi kjørte én syklus per dag, kunne superkondensatoren teoretisk sett vare mer enn 80 år uten å miste betydelig ytelse, noe som kan bety at superkondensatorer kan brukes i enheter i mye lengre tid …» 

– Dr. Cheong

Forskningen er faktisk basert på Dr. Cheongs pågående forskning på bruk av biologisk avfall i batterier. Hans forskning har også vist effektiviteten …

«Vannløselige biowaste‑gummibindere for naturlig grafittanode for litium‑ion‑batterier» forskningsarbeidet ble publisert² i fjor sommer, som handlet om å erstatte den konvensjonelle polyvinylidenfluoriden (PVdF), som bruker miljøskadelig N‑metyl‑2‑pyrrolidon, med en vannløselig binder.

Studien detaljert fremstillingen av naturlig grafittbaserte anoder ved bruk av PVdF og vannløselige biowaste (W‑SB) bindere fra Cochlospermum gossypium‑treets gummi. Begge disse brukte 10 wt % binder. 

NG‑W‑SB‑elektroden viste gode mekaniske egenskaper og opprettholdt strukturell integritet etter sykling, noe som fremmet lav ladningsoverføringsmotstand på elektroden. Den viste også høye strømspisser i første syklus, noe som indikerer forbedret elektrokjemisk ytelse, i motsetning til de noe lavere spissene til NG‑PVdF‑elektroden, som ytterligere opplevde kapasitetsnedbrytning allerede etter 200 sykluser. NG‑W‑SB hadde derimot en høyere stabil kapasitetsbevaring som gikk opp til 360 sykluser.

«Generelt viste W‑SB‑bindere svært forbedrede syklusstabilitetsegenskaper, sammenlignbare hastighetskapasiteter og lavere elektrodemotstand, noe som åpnet en ny vei for å adoptere biowaste (gummi) som en funksjonell vannløselig binder for LIB‑applikasjoner», bemerket studien.

Et annet av Dr. Cheongs forskningsarbeid³ inkluderer, «Organisk materiale‑avledet aktivert karbon for miljøvennlig morbærpapir‑superkondensator», hvor aktivert karbon (AC) ble fremstilt ved bruk av appelsinskall (OP), et vanlig avfall, som deretter ble belagt på morbærpapir (MP), som viser hydrofilisitet, høy holocellulose‑innhold og sterk binding med aktivt materiale. En annen belegg av poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) ble brukt for å fremstille et dobbeltbelagt MP for superkondensatoren her.

Andre utviklinger innen superkondensatorområdet

Gitt hvor kritiske superkondensatorer er i ulike anvendelser, undersøker forskere over hele verden aktivt måter å forbedre deres ytelse på. 

Plasmabehandling for å forbedre kapasitansen

Tidligere denne måneden avdekket forskere ved Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Russland en plasmabehandling som kan doble kapasiteten til superkondensatorer.

Teamet, ifølge studiens hovedforsker, assisterende professor Stanislav Evlashin, undersøker måter å forbedre superkondensatorers ytelse «ved å leke med det karbonbaserte materialet som brukes i deres elektroder».

Det finnes to måter å øke mengden energi en superkondensator lagrer på, forklarte Evlashin:

«Enten forbedrer du den effektive overflatearealet til elektrodene ved intrikat overflatedesign, eller du introduserer fremmede atomer i karbonmaterialet til elektrodene.»

Studien deres fokuserte på effekten av å introdusere fremmede atomer i karbonmaterialet til superkondensatorelektroder via plasmabehandling. 

Teamet testet virkningen av plasma med seks forskjellige kjemiske sammensetninger på kapasitansen til karbonnanovegger, men kun plasmaet bestående av en nitrogen‑ og argonblanding viste betydelig forbedring. 

«Vi fant at det som skjer først er at den amorfe karbonen som gjenstår etter veksten av karbonnanoveggstrukturer blir fjernet. Dette etterfølges av dannelsen av nye defekter og innlemmingen av heteroatomer i karbonmaterialets struktur. Amorf karbon, sammen med nitrogen‑heteroatomer, bidrar til forekomsten av pseudokapasitans.»

– Evlashin

Forbedring av ytelse gjennom elektrode & materialteknikk

Denne uken forsket forskere fra University of California med elektro‑krystallisering orientering⁴ samt overflateaktivering under bredtemperatur ZHSC‑er eller sink‑ion‑superkondensatorer.

Som studien bemerket, er det nødvendig å matche anode‑ og katodens kapasitet for å maksimere den elektrokjemiske celleytelsen. Derfor presenterte de to tilnærminger for å jevne ut utnyttelsen av elektroder i ZHSC‑er. 

Dette inkluderer å minimere dendritt‑dannelse, som øker sykluselivet, ved å modifisere anodens strømforsamler med kobber‑nanopartikler. Den andre strategien var å øke kapasiteten til den aktiverte karbonkatoden gjennom en elektrolyttreaksjon.

Den komplette cellen opprettholdt 84 % av sin kapasitet selv etter 50 000 fullstendige lade‑utladningssykluser opp til 2 V. Dens kumulative kapasitet var imidlertid 19,8 Ah cm⁻², noe som overgår ZHSC‑er, og gjør dette enhetsdesignet «lovende for høy‑utholdenhets‑applikasjoner, inkludert uavbrutte strømforsyninger og energihøstingssystemer som krever hyppig sykling», ble det uttalt.

En studie fra forrige måned, derimot, anbefalte⁵ å modifisere den anioniske strukturen til litium‑kobolt‑oksid for å forbedre energitettheten og ladningslagringskapasiteten til superkondensatorer.

For dette ble litium‑kobolt‑oksid modifisert til LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, som viste imponerende ytelseskarakteristikker, inkludert en kapasitans på 512 F g⁻¹ og en coulombisk effektivitet på litt over 92 % etter 4000 sykluser ved en strømtetthet på 2 A g⁻¹. Den elektrokjemiske stabiliteten til det modifiserte materialet ved høye strømnivåer, samt lav ekvivalent seriemotstand, ifølge studien, «posisjonerer det som en betydelig kandidat for fremtidige fremskritt innen superkondensatorteknologi».

Plastiske superkondensatorer for mer energilagring

Forskere bruker til og med plast for å forbedre superkondensatorer. UCLA‑kjemikere utviklet strukturerte, pels‑lignende PEDOT‑nanofibrer som har større overflateareal for å lagre ladning og overlegen elektrisk ledningsevne.

PEDOT eller poly(3,4‑ethylenedioxythiophene) er en gjennomsiktig og fleksibel film som påføres overflater av elektroniske komponenter og fotografisk film for å beskytte dem mot statisk elektrisitet. Dens potensial for energilagring er ganske begrenset ettersom PEDOT‑materialer ikke har den elektriske ledningsevnen og overflatearealet som kreves for å lagre store mengder energi.

Imidlertid, ved å bruke en innovativ metode, kontrollerte kjemikerne PEDOT‑morfologien for å dyrke nanofibrer presist. Dampfase‑vokseprosessen skapte vertikale PEDOT‑nanofibrer som så ut som tett gress som vokser oppover.

«Materialets unike vertikale vekst gjør at vi kan lage PEDOT‑elektroder som lagrer langt mer energi enn tradisjonell PEDOT.»

– The corresponding author, UCLA materials scientist Maher El-Kady

Teamet laget deretter en superkondensator ved bruk av PEDOT‑strukturer som lagret nesten ti ganger mer ladning enn konvensjonell PEDOT og varte nesten 100 000 lade‑sykluser.

Ifølge den korresponderende forfatteren, Richard Kaner, som er professor i kjemi, samt materialvitenskap og ingeniørfag:

«Den eksepsjonelle ytelsen og holdbarheten til våre elektroder viser stort potensial for bruk av graphene‑PEDOT i superkondensatorer som kan hjelpe samfunnet vårt med å møte våre energibehov.»

Klikk her for å lære alt om selvladende superkondensatorer.

Legge til superkondensatorer i batterier for å øke ladehastigheten

Midt i all denne forskningen har selv den tyske bilprodusenten BMW søkt om et superkondensator‑patent som vil lade hybrid‑racerbiler på ett minutt.

Selskapet utforsker potensialet for å legge til en motorsport‑spesifikk superkondensator i batterier for å redusere ladetiden betydelig. Ifølge søknaden vil kobling av en hybrid‑superbil med en kapasitet på over 20 kWh til et eksisterende batteribasert system bidra til å overvinne noen av de viktigste ulempene ved begge systemene.

BMW anslår at «for en kunde som ønsker å kjøre kjøretøyet på racerbanen, kan dette tilby muligheten til å kjøre kontinuerlig ved de fysiske grensene med korte avbrudd.»

Konkurrenten, Volkswagen Group, bruker allerede en superkondensator i Lamborghini Sian. Superkondensatoren lagrer elektrisk energi, som deretter mates til en elektrisk motor. Sian har en 25 kW‑motor integrert i girkassen for å gi en e‑boost til den 577 kW‑store 6,5‑liter V12‑motoren, eller drive den helt på elektrisitet under lavhastighetsmanøvrering.

Innovative selskaper i feltet

Størrelsen på det globale superkondensatormarkedet er i milliarder av dollar, drevet av økende etterspørsel etter bærekraftige og energieffektive energilagringsløsninger. Derfor jobber mange selskaper, som Panasonic Corporation og Skeleton Technologies, med å forbedre teknologien.

Et fremtredende navn i dette området er AVX Corporation, som ble kjøpt opp av den japanske elektronikkprodusenten Kyocera Corporation i 2020, hvorpå AVX‑aksjene sluttet å handles på NYSE. Kyoceras aksjer handles derimot i OTC‑markedet (KYOCF:OTCPK) til $10,70, noe som gir en markedsverdi på $15,85 milliarder. Den betaler en utbytteavkastning på 3,12 %.

KEMET Corporation er også kjent for å tilby et bredt spekter av superkondensatorer med høy ytelse som kan brukes som sekundære batterier når de anvendes i en DC‑krets. Ifølge deres offisielle nettside er enhetene best egnet for bruk i lavspente, DC‑hold‑applikasjoner. Opprinnelig et amerikansk selskap som ble børsnotert på NYSE i 1990, ble KEMET kjøpt opp av det taiwanske selskapet Yageo Corporation i 2020.

Maxwell Technologies er enda en fremtredende produsent av ultrakondensatorer. Tesla (TSLA ) kjøpte selskapet i 2019, men solgte det videre til UCAP Power i 2021. Til tross for salget av Maxwell, beholdt den $817,34 milliarder store markedsverdien EV‑ og batteriprodusenten sin tørre‑elektrode‑produksjonsprosess, som er basert på deres kondensatorteknologi. TSLA‑aksjene er for tiden ned mer enn 37 % YTD og handles til $248,80.

Deretter finnes det det australske selskapet CAP‑XX, som produserer tynne, prismatiske superkondensatorer for bruk i håndholdte forbrukerenheter, kommersiell og industriell elektronikk, og rene energiapplikasjoner. Det er notert på London Stock Exchange AIM‑markedet.

CAP‑XXs superkondensatorer har høy energitetthet, høy celle‑spenning og ekstremt lav lekkasjestrøm. Med hjelp av sine superkondensatorer kan produsenter redusere batteristørrelse, vekt og kostnad, antall og kostnad for komponenter, samt deres miljøpåvirkning.

Konklusjon

Mens batterier har fått mest oppmerksomhet, får superkondensatorer økende oppmerksomhet ettersom de blir en av de mest kritiske komponentene i det globale energiekosystemet. Tross alt kan de tilby høy effektivitet, lang sykluseliv og umiddelbar kraftleveranse.

For øyeblikket er superkondensatorer komplementære i energilagringssektoren for applikasjoner som forbrukerelektronikk, jevning av fornybar energi, hybride el‑biler og backup‑strøm, som krever raske lade‑utladningssykluser og lang driftstid.

Så er den bredere adopsjonen av superkondensatorer fortsatt begrenset av kostnad, materialer og miljøhensyn. Imidlertid takler tilnærminger som biopolymerer basert på tregummi nettopp disse utfordringene, noe som peker mot en lovende fremtid for superkondensatorer. Kommersialisering vil fortsatt ta tid, men når den tar av, kan superkondensatorer bli mainstream og spille en sentral rolle i bærekraftige energisystemer.

Klikk her for en liste over de beste batteriaktiene.

Studier referert til:

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). Langvarig superkondensator med stabil elektrode‑elektrolytt‑grensesnitt muliggjort av et biopolymer‑konjugat elektrolytttilsetningsstoff. 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). Vannløselige biowaste‑gummibindere for naturlig grafittanode for litium‑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‑avledet aktivert karbon for miljøvennlig morbærpapir‑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 av elektro‑krystallisering orientering og overflateaktivering i bredtemperatur sink‑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‑ingeniørkunst i litium‑kobolt‑oksid for bruk i høy‑ytelses superkondensatorer. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7