Genombrott med trädgum ökar superkondensators livslängd

Batterier är bland de mest populära energilagringsenheterna. Dessa elektrokemiska enheter kan laddas och urladdas många gånger utan skada. De erbjuder många fördelar, såsom minskade energikostnader, ökad energisjälvständighet, förbättrad nätstabilitet och stöd för integration av förnybar energi.

Men det finns en annan elektrokemisk energilagringsenhet som har långt större kapacitet än batterier. Den enheten är en superkondensator, även kallad ultrakondensator eller elektrokemisk kondensator.

En högkapacitets energilagringsenhet, en superkondensator, överbryggar klyftan mellan batterier och konventionella kondensatorer.

Denna enhet uppvisar hög effekt densitet, ungefär tusen gånger högre än uppladdningsbara batterier. Den lagrar också mer laddning än en kondensator och laddas samt urladdas snabbare än batterier.

Förutom att ha lång cyklisk stabilitet har superkondensatorer snabb laddnings-/urladdningseffektivitet, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar som kräver snabba kraftutbrott. Idag används superkondensatorer i allt större utsträckning i en rad applikationer, inklusive laser, bärbara strömförsörjningar, kamerablixtutrustning, pulserande ljusgeneratorer, förnybara energisystem, hybridfordon och industriell reservkraft.

En superkondensator består nu av två elektroder, elektroniska ledare som är anslutna till den yttre kretsen, som separeras av en elektrolyt, en jonledare, och en separator, som är ett membran som elektriskt separerar dem så att elektroderna inte kortsluter samtidigt som vissa joner får passera för att förhindra en öppen krets i systemet.

På grund av sin höga effekt densitet och miljövänlighet, såsom återvinningsbarhet, är superkondensatorn ett av de mest omfattande och aktivt forskade energilagringssystemen.

I en superkondensator bestäms dess kapacitans huvudsakligen av en ytkontrollerad reaktion. Därför är ett stabilt gränssnitt mellan elektrod och elektrolyt nyckeln till att uppnå hög prestanda och säkerställa stabil elektrokemisk prestanda.

Gränssnittsegenskaper är avgörande för att säkerställa hög elektrokemisk prestanda, så forskare har utvecklat olika metoder för att förbättra och övervinna de problem som är förknippade med dem.

Dock möter alla dessa försök betydande begränsningar såsom skalbarhet, kostnad, miljövänlighet och flera steg i bearbetningsprocessen. Därför är det viktigt att ta fram en hållbar lösning som uppfyller dessa kriterier och ändå kan uppnå hög energi-/effekttäthet i superkondensatorn för långsiktig drift.

Så samlades ett team av forskare från tre olika institutioner för att introducera ett nytt elektrolytadditiv, som består av en konjugerad biopolymer av gum kondagogu eller natriumalginat (KS). Detta trädgum är inte bara allmänt tillgängligt utan också återvinningsbart.

Introduktionen av trädgumen skapade ett skyddande lager på elektrodens yta, vilket förhindrade bildandet av biprodukter samtidigt som den möjliggjorde enkel jon-/elektrontransport. Anmärkningsvärt är att användandet av detta nya additivkoncept i superkondensatorsystemet leder till förbättrad elektrokemisk tillförlitlighet.

Vid en ännu låg KS-koncentration, dvs. 5 mg ml‑1, förbättrades kapacitetsbehållningen med hela 35 % till imponerande 93 % för 30 000 cykler vid en strömtäthet på 4,0 mA cm‑2. Detta är helt enkelt “remarkable” med tanke på användningen av sur H₂SO₄‑elektrolyt och kolbaserad elektrod.

Studien kallar detta för den “earliest report” om en betydande förbättring av superkondensatorns långsiktiga drift genom att introducera ett biopolymerkonjugat‑elektrolytadditiv. Denna lösning, tack vare sin enkelhet, låga kostnad och miljövänlighet, har potential att kommersialiseras.

Trädgummans roll i nästa generations superkondensatorer

Forskare från från universitet i Skottland, Sydkorea och¹ India genomförde forskningen, som publicerades den här månaden i Energy Storage Materials.

Detta inkluderar University of Glasgow, Chung-Ang University, Ajou University, Amrita University och Myongji University, som tillsammans designade den konjugerade KS‑kompositstrukturen för en mycket stabil superkondensator som erbjuder biokompatibilitet och utmärkt elektrokemisk tillförlitlighet.

Det avfallsgum som används här produceras av träd i Indien. Trädgummor har omfattande användningsområden inom industrier som livsmedel, kosmetika och läkemedel. Detta specifika gum har dock inte många praktiska användningsområden.

Faktum är att de använda gummen är “en liten huvudvärk för den indiska regeringen att göra sig av med,” noterade studiens korresponderande författare, Dr. Jun Young Cheong från University of Glasgow’s James Watt School of Engineering. Han tillade:

“Med denna forskning har vi hittat ett sätt att skapa något verkligt betydelsefullt från detta gum, en biologiskt nedbrytbar, återvinningsbar biopolymer som möjliggör en anmärkningsvärd prestanda och kan förlänga superkondensatorernas användbara livslängd dramatiskt.”

Användningen av sura elektrolyter påverkar superkondensatorernas långsiktiga prestanda. Genom att orsaka oönskade sidoreaktioner med deras metall elektroder minskar de deras förmåga att hålla en full laddning över tid.

Sedan finns problemet med att ersätta, återvinna och kassera superkondensatorer i slutet av deras livslängd. Detta bidrar till det snabbt växande problemet med elektroniskt avfall, vilket innebär betydande miljö- och hälsorisker.

Så använde teamet gum kondagogu, en polysackarid (komplex biomolekyl) som produceras av barken på Cochlospermum Gossypium- eller Kondagogu-gummiträdet (KO). Forskare kombinerade den med natriumalginat för att producera en svampig biopolymer benämnd ‘KS’.

Tillsättningen av denna biopolymer till den sura elektrolyten bildade ett skyddande lager på dess kol‑elektroder, vilket hjälpte till att förhindra elektrodernas fysiska nedbrytning. Detta skydd gavs utan att påverka jontransportprocessen, vilket möjliggör att superkondensatorn kan laddas och urladdas.

Den förbättrade elektrolyten förbättrade avsevärt superkondensatorns prestanda.

“I laboratoriet har vi visat utmärkt prestanda över 30 000 cykler. Om vi körde en cykel per dag skulle superkondensatorn teoretiskt kunna hålla i mer än 80 år utan att förlora betydande prestanda, vilket skulle kunna innebära att superkondensatorer kan användas i enheter mycket längre utan att behöva bytas ut.”

– Dr. Cheong

Forskningen är faktiskt baserad på Dr. Cheongs pågående forskning om att använda bioavfall i batterier. Hans forskning har också visat effektiviteten av att använda gumbindare, som är vattenlösliga, i grafitanoder i litiumjonbatterier.

Forskningen “water-soluble biowaste gum binders for natural graphite anode for lithium-ion batteries” publicerades förra sommaren, och handlade om att ersätta den konventionella polyvinylidene fluoride (PVdF), som använder den miljöskadliga N‑Methyl‑2‑pyrrolidonen, med en vattenlöslig bindare.

Studien beskrev tillverkningen av naturliga grafitbaserade anoder med hjälp av PVdF och vattenlösliga biowaste‑bindare (W‑SB) från Cochlospermum gossypium‑trädets gum. Båda använde 10 wt % bindare.

NG‑W‑SB‑elektroden uppvisade goda mekaniska egenskaper och behöll strukturell integritet efter cykling, vilket främjade låg laddningsöverföringsresistans på elektroden. Den visade också höga strömspikar i den första cykeln, vilket indikerar förbättrad elektrokemisk prestanda, till skillnad från de något låga spikarna hos NG‑PVdF‑elektroden, som dessutom upplevde kapacitetsnedbrytning redan efter 200 cykler. NG‑W‑SB har däremot en högre stabil kapacitetsbehållning som går upp till 360 cykler.

“Generellt visade W‑SB‑bindare kraftigt förbättrade cykelbehållningskarakteristika, jämförbara hastighetskapaciteter och lägre elektrodresistans, vilket öppnade en ny väg för att använda biowaste (gum) som en funktionell vattenlöslig bindare för LIB‑applikationer,” noterade studien.

En annan av Dr. Cheongs forskningsprojekt³ inkluderar, “Organic material-derived activated carbon for eco-friendly mulberry paper supercapacitor,” där aktiverat kol (AC) framställdes med hjälp av apelsinskal (OP), ett vanligt avfall, som sedan belades på mulberry‑papper (MP), vilket visar hydrofilicitet, hög holocellulosehalt och stark bindning med aktivt material. En ytterligare beläggning av poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) användes för att tillverka ett dubbelt belagt MP för superkondensatorn här.

Andra utvecklingar inom superkondensatorområdet

Med tanke på hur kritiska superkondensatorer är i olika tillämpningar, undersöker forskare världen över aktivt sätt att förbättra deras prestanda.

Plasmabehandling för att förbättra kapaciteten

Tidigare den här månaden presenterade forskare vid Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Ryssland en plasmabehandling som kan dubbla kapaciteten hos superkondensatorer.

Teamet, enligt studiens huvudundersökare, assistentprofessor Stanislav Evlashin, undersöker sätt att förbättra superkondensatorernas prestanda ”genom att finjustera det kolbaserade materialet som används i deras elektroder.”

Det finns två sätt att öka den mängd energi en superkondensator lagrar, förklarade Evlashin:

“Antingen ökar du den effektiva ytan på elektroderna genom intrikat ytdesign eller så introducerar du främmande atomer i kolmaterialet i elektroderna.”

Deras studie fokuserade på effekten av att introducera främmande atomer i kolmaterialet i superkondensatorelektroder via plasmabehandling.

Teamet testade påverkan av plasma med sex olika kemiska sammansättningar på kapaciteten hos kol‑nanoväggar, men endast plasma bestående av en kväve‑ och argonblandning visade betydande förbättring.

“Vi fann att det som först händer är att den amorfa kolen som återstår efter tillväxten av kol‑nanoväggsstrukturer avlägsnas. Detta följs av bildandet av nya defekter och införlivandet av heteroatomer i kolmaterialets struktur. Amorf kol, tillsammans med kväve‑heteroatomer, bidrar till förekomsten av pseudokapacitans.”

– Evlashin

Förbättrad prestanda genom elektrod‑ och materialteknik

Denna vecka har forskare från University of California konstruerat elektro‑kristalliseringens orientering samt ytkatalys under bredtemperatur‑ZHSCs eller zink‑jon‑superkondensatorer.

Som studien påpekade krävs det att anoden och katodens kapacitet matchas för att maximera den elektrokemiska cellens prestanda. Därför presenterade de två metoder för att jämna ut utnyttjandet av elektroder i ZHSCs.

Detta inkluderar att minimera dendritbildning, vilket ökar cykelns livslängd, genom att modifiera anodens strömsamlare med kopparnanopartiklar. Den andra strategin var att öka kapaciteten hos den aktiverade kol‑katoden genom en elektrolytreaktion.

Den fullständiga cellen behöll 84 % av sin kapacitet även efter 50 000 fulla ladd‑urladdningscykler upp till 2 V. Dess kumulativa kapacitet var samtidigt 19,8 Ah cm⁻², vilket överstiger ZHSCs, vilket gör denna enhetsdesign “lovande för höguttagstillämpningar, inklusive avbrottsfri strömförsörjning och energihämtande system som kräver frekvent cykling,” enligt rapporten.

En studie från förra månaden rekommenderade under tiden att modifiera den anjoniska strukturen i litiumkoboltoxid för att förbättra energitätheten och laddningslagringskapaciteten hos superkondensatorer.

För detta modifierades litiumkoboltoxid till LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, vilket uppvisade imponerande prestandaegenskaper, inklusive en kapacitans på 512 F g⁻¹ och en coulombisk verkningsgrad på strax över 92 % efter 4000 cykler vid en strömtäthet på 2 A g⁻¹. Den elektrokemiska stabiliteten hos det modifierade materialet vid förhöjda strömtätheter, samt låg ekvivalent serieresistans, placerar enligt studien “det som en betydande kandidat för framtida framsteg inom superkondensatorteknik.”

Plastiska superkondensatorer för mer energilagring

Forskare använder till och med plast för att förbättra superkondensatorer. UCLA‑kemister utvecklade strukturerade, pälsliknande PEDOT‑nanofibrer som har större yta för att lagra laddning och överlägsen elektrisk ledningsförmåga.

PEDOT eller poly(3,4-ethylenedioxythiophene) är en transparent och flexibel film som appliceras på ytor av elektroniska komponenter och fotografiska filmer för att skydda dem mot statisk elektricitet. Dess potential för energilagring är dock begränsad eftersom PEDOT‑material inte har den elektriska ledningsförmågan och yta som krävs för att lagra stora mängder energi.

Genom att använda en innovativ metod kontrollerade kemisterna PEDOT:s morfologi för att exakt odla nanofibrer. Värmefasstillväxtprocessen skapade vertikala PEDOT‑nanofibrer som såg ut som tät gräs som växer uppåt.

“Materialets unika vertikala tillväxt gör att vi kan skapa PEDOT‑elektroder som lagrar mycket mer energi än traditionell PEDOT.”

– Den korresponderande författaren, UCLA‑materialvetare Maher El‑Kady

Teamet skapade sedan en superkondensator med PEDOT‑strukturer som lagrade nästan tio gånger mer laddning än konventionell PEDOT och höll i nästan 100 000 laddningscykler.

Enligt den korresponderande författaren, Richard Kaner, som är professor i kemi samt materialvetenskap och teknik:

“Den exceptionella prestandan och hållbarheten hos våra elektroder visar stor potential för användning av graphene‑PEDOT i superkondensatorer som kan hjälpa vårt samhälle att möta våra energibehov.”

Klicka här för att lära dig allt om självuppladdande superkondensatorer.

Att lägga till superkondensatorer till batterier för att öka laddningshastigheten

Mitt i all denna forskning har till och med den tyska biltillverkaren BMW ansökt om ett superkondensatorpatent som kommer att ladda hybridracerbilar inom en minut.

Företaget undersöker möjligheten att lägga till en motorsport‑specifik superkondensator till batterier för att avsevärt minska laddningstiden. Enligt ansökan kommer kopplingen av en hybrid‑superbil med en kapacitet på över 20 kWh till ett befintligt batteribaserat system att hjälpa till att övervinna några av de viktigaste nackdelarna med båda systemen.

BMW uppskattar att ”för en kund som vill köra fordonet på racetracken kan detta erbjuda möjligheten att köra kontinuerligt vid de fysiska gränserna med korta avbrott.”

Dess konkurrent, Volkswagen Group, använder redan en superkondensator i Lamborghini Sian. Superkondensatorn lagrar elektrisk energi, som sedan matas till en elmotor. Sian har en 25 kW‑motor inbyggd i växellådan för att ge en e‑boost till den 577 kW‑stora 6,5‑liters V12‑motorn eller driva den helt på elektricitet under låg hastighetsmanövrering.

Innovativa företag inom området

Storleken på den globala superkondensatormarknaden uppgår till miljarder dollar, drivet av den ökande efterfrågan på hållbara och energieffektiva energilagringslösningar. Därför arbetar många företag, såsom Panasonic Corporation och Skeleton Technologies, med att förbättra tekniken.

Ett framstående namn inom detta område är AVX Corporation, som förvärvades av den japanska elektronikproducenten Kyocera Corporation år 2020, varpå AVX:s vanliga aktier upphörde att handlas på NYSE. Kyoceras aktier handlas däremot på OTC‑marknaden (KYOCF:OTCPK) till $10,70, vilket ger ett börsvärde på $15,85 miljarder. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 3,12 %.

KEMET Corporation är också känt för att erbjuda ett brett sortiment av superkondensatorer med högpresterande kapacitet som kan användas som sekundära batterier när de tillämpas i en DC‑krets. Enligt företagets officiella webbplats är enheterna bäst lämpade för lågspännings‑DC‑hållningsapplikationer. Ursprungligen ett amerikanskt företag som börsnoterades på NYSE år 1990, förvärvades KEMET av det taiwanesiska företaget Yageo Corporation år 2020.

Maxwell Technologies är ännu en framstående tillverkare av ultrakondensatorer. Tesla (TSLA ) förvärvade företaget 2019, bara för att sälja det till UCAP Power 2021. Trots att Maxwell såldes behöll den EV‑ och batteritillverkaren med ett börsvärde på $817,34 miljarder sin torra elektrod‑tillverkningsprocess, som är baserad på dess kondensatorteknik. TSLA‑aktierna är för närvarande ned med över 37 % år‑till‑datum och handlas till $248,80.

Sedan finns det australiensiska CAP‑XX, som tillverkar tunna, prismatiska superkondensatorer för användning i konsumenthandhållna enheter, kommersiell och industriell elektronik samt ren energianvändning. Företaget är listat på London Stock Exchange AIM‑marknad.

CAP‑XX:s superkondensatorer har hög energitäthet, hög cellspänning och extremt låg läckström. Med hjälp av deras superkondensatorer kan tillverkare minska batteristorlek, vikt och kostnad, antalet och kostnaden för komponenter samt deras miljöpåverkan.

Slutsats

Medan batterier har stått i rampljuset, får superkondensatorer ökad uppmärksamhet då de blir en av de mest avgörande komponenterna i det globala energiekosystemet. Trots allt kan de erbjuda hög effektivitet, lång cykel‑livslängd och omedelbar kraftleverans.

För närvarande är superkondensatorer komplementära i energilagringssektorn för applikationer som konsumentelektronik, jämnare förnybar energi, hybrid‑EV och reservkraft, vilka kräver snabba ladd‑urladdningscykler och lång driftstid.

Så är den bredare adoptionen av superkondensatorer fortfarande begränsad av kostnad, material och miljöaspekter. Metoder som biopolymere baserade på trädgum tacklar dock dessa utmaningar, vilket pekar mot en lovande framtid för superkondensatorer. Även om kommersialiseringen kommer att ta tid, kan superkondensatorer när de väl skalar upp bli mainstream och spela en nyckelroll i hållbara energisystem.

Klicka här för en lista över de bästa batteriaktierna.

Studier som refereras:

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