Superkondensatorer

Tillbaka från BEC-5 har jag fått en gäng nya uppslag för lagerbladstexter. Den första handlar om superkondensatorer, eller elektriska dubbelskiktskondensatorer (EDLC) som är ett område där Universitetet i Tartu varit ledande. I en normal kondensator lagras energi i två metallytor (elektroder) separerade av ett isolerande skikt. När en spänning läggs på mellan skikten byggs en laddning upp på vardera ytan, positiv på ena och negativ på andra. Laddningen kan lagras och sedan laddas ur om kondensatorn kopplas in i en krets. Kapacitansen C=εA/d, där ε är mellanskiktets permittivitet, A är plattornas area och d avståndet mellan dem. Vi ser att man kan öka kapacitansen genom att öka area och minska avståndet mellan plattorna. Den lagrade energin är proportionell mot kapacitansen, som i typiska kondensatorer mäts i piko- till mikrofarad.

Om man fyller mellanrummet mellan elektroderna med en elektrolyt (en vätska med fria laddningar, t.ex. saltvatten) kommer negativa laddningar att attraheras till den positiva plattan och vice versa. Vid varje elektrod byggs en laddning upp tills den attraherade laddningen balanserar den på elektroden. Detta kallas det elektriska dubbelskiktet. Mellan elektrodernas dubbelskikt är laddningstätheten noll. Det fina är att dubbelskiktet är tunt; endast någon nanometer. Dvs ett riktigt lågt d i kapacitansekvationen. Detta är principen för elektrolytkondensatorer.

I en superkondensator går man ett steg längre och använder elektroder av något poröst material, oftast av kol som dessutom har låg vikt. I vissa speciella kolmaterial kan man få elektroder med extremt stor yta, uppemot 2000 m² per gram. Genom att därtill välja lämplig elektrolyt med goda egenskaper kan man nå kapacitanser på kilofarad, dvs tio storleksordningar högre än normala kondensatorer. Superkondensatorerna är därmed en konkurrent till batterier när det gäller strömförsörjning. Kondensatorerna har flera viktiga teknologiska fördelar över batterier. De är snabba; en kondensator kan snabbt ladda ur en stor laddning vilket gör att man kan nå höga effekter. Effekten per vikt är långt högre än ens de bästa batterierna. Kondensatorer har dessutom lång livslängd; en EDLC klara uppemot en miljon laddningscykler, jämfört med några tusen för batterier. Än så länge har kondensatorerna lägre energitäthet än batterier, men gapet minskar.

Här kommer Yury Gogotsi från Drexler University i Philadelphia in. Hans grupp har utvecklat en metod att skapa porösa kolelektroder där porstorleken kan kontrolleras med subångströmprecision. I ett papper i Science 2006 [1] och nyligen i Angewandte Chemie [2] visade gruppen att med precist utformade porstorlekar kan man dramatiskt öka kapacitansen. Man har nått värden på 170 F/g. Ur detta har dessutom kommit ett företag, Y-carbon, som skall kommersialisera idén. Gruppen har en även reviewartikel på gång i Nature Materials under sommaren.

Superkondensatorerna börjar nu alltså ta in på batteriernas energiförsprång och bli en konkurrent inom även energikrävande applikationer som fordonsteknik. De är dessutom ideala som komplement till de energieffektiva men ganska långsamma bränslecellerna. Samtidigt är det för tidigt att räkna ut batteritekniken. Även där sker utveckling, och många av principerna för batterier och EDLC är liknande så mycket av forsningen inom EDLC kan också appliceras både inom batteri- och bränslecellsteknik.

[1] J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi et al., "Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less Than 1 Nanometer," Science 313, 1760-1763 (2006).
[2] J. Chmiola, C. Largeot, P.-L. Taberna et al., "Desolvation of Ions in Subnanometer Pores and Its Effect on Capacitance and Double-Layer Theory," Angew. Chem. Int. Ed. 47, 3392-3395 (2008).