miun.sePublikationer
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Cellulose binders for electric double-layer capacitor electrodes: The influence of cellulose quality on electrical properties
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Avdelningen för naturvetenskap.
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Avdelningen för kemiteknik.
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Avdelningen för naturvetenskap.ORCID-id: 0000-0002-4303-2585
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Avdelningen för kemiteknik.ORCID-id: 0000-0003-3407-7973
Visa övriga samt affilieringar
2018 (Engelska)Ingår i: Materials & design, ISSN 0264-1275, E-ISSN 1873-4197, Vol. 141, s. 342-349Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Cellulose derivatives are widely used as binders and dispersing agents in different applications. Binders composed of cellulose are an environmentally friendly alternative to oil-based polymer binding agents. Previously, we reported the use of cellulose nanofibers (CNFs) as binders in electrodes for electric double-layer capacitors (EDLCs). In addition to good mechanical stability, we demonstrated that CNFs enhanced the electrical performance of the electrodes. However, cellulose fibers can cover a broad range of length scales, and the quality requirements from an electrode perspective have not been thoroughly investigated. To evaluate the influence of fiber quality on electrode properties, we tested seven samples with different fiber dimensions that are based on the same kraft pulp. To capture the length scale from fibers to nanofibrils, we evaluated the performance of the untreated kraft pulp, refined fibers, microfibrillated cellulose (MFC) and CNFs. Electrodes with kraft pulp or refined fibers showed the lowest electrical resistivity. The specific capacitances of all EDLCs were surprisingly similar, but slightly lower for the EDLC with CNFs. The same electrode sample with CNFs also showed a slightly higher equivalent series resistance (ESR), compared to those of the other EDLCs. Graphite dispersions with MFC showed the best dispersion stability. 

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
2018. Vol. 141, s. 342-349
Nyckelord [en]
Cellulose, Electric double-layer capacitor, Graphite, Nanocellulose, Nanocomposite, Supercapacitor
Nationell ämneskategori
Kemiteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:miun:diva-32766DOI: 10.1016/j.matdes.2017.12.041ISI: 000424945300031Scopus ID: 2-s2.0-85040002856OAI: oai:DiVA.org:miun-32766DiVA, id: diva2:1178627
Tillgänglig från: 2018-01-30 Skapad: 2018-01-30 Senast uppdaterad: 2018-07-19Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Low-Cost, Environmentally Friendly Electric Double-Layer Capacitors: Concept, Materials and Production
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Low-Cost, Environmentally Friendly Electric Double-Layer Capacitors: Concept, Materials and Production
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Today’s society is currently performing an exit from fossilfuel energy sources. The change to sustainable alternativesrequires inexpensive and environmentally friendly energy storagedevices. However, most current devices contain expensive,rare or toxic materials. These materials must be replaced bylow-cost, abundant, nontoxic components.In this thesis, I suggest the production of paper-based electricdouble-layer capacitors (EDLCs) to meet the demand oflow-cost energy storage devices that provide high power density.To fulfill the requirements of sustainable and environmentallyfriendly devices, production of EDLCs that consist of paper,graphite and saltwater is proposed. Paper can be used as aseparator between the electrodes and as a substrate for theelectrodes. Graphite is suited for use as an active material in theelectrodes, and saltwater can be employed as an electrolyte.Westudied and developed different methods for the productionof nanographite and graphene from graphite. Composites containingthese materials and similar advanced carbon materialshave been tested as electrode materials in EDLCs. I suggest theuse of cellulose nanofibers (CNFs) or microfibrillated cellulose(MFC) as a binder in the electrodes. In addition to improvedmechanical stability, the nanocellulose improved the stabilityof graphite dispersions and the electrical performance of theelectrodes. The influence of the cellulose quality on the electricalproperties of the electrodes and EDLCs was investigated.The results showed that the finest nanocellulose quality is notthe best choice for EDLC electrodes; MFC is recommended forthis application instead. The results also demonstrated thatthe capacitance of EDLCs can be increased if the electrodemasses are adjusted according to the size of the electrolyte ions.Moreover, we investigated the issue of high contact resistancesat the interface between porous carbon electrodes and metalcurrent collectors. To reduce the contact resistance, graphitefoil can be used as a current collector instead of metal foils.Using the suggested low-cost materials, production methodsand conceptual improvements, it is possible to reduce the material costs by more than 90% in comparison with commercialunits. This confirms that paper-based EDLCs are apromising alternative to conventional EDLCs. Our findings andadditional research can be expected to substantially supportthe design and commercialization of sustainable EDLCs andother green energy technologies.

Abstract [sv]

I dagens samhälle pågår en omställning från användning avfossila energikällor till förnybara alternativ. Denna förändringkräver miljövänliga och kostnadseffektiva elektriska energilagringsenheterför att möjliggöra en kontinuerlig energileverans.Dagens energilagringsenheter innehåller ofta dyra, sällsyntaeller giftiga material som behöver bytas ut för att nå hållbaralösningar.I denna avhandling föreslås att tillverka pappersbaseradesuperkondensatorer som möter kraven för kostnadseffektivaelektriska energilagrare med hög effekttäthet. För att nå kravenpå miljömässigt hållbara enheter föreslås användning avendast papper, grafit och saltvatten. Papper kan användas somseparator mellan elektroder likväl som substrat vid elektrodbestrykning.Grafit kan användas som aktivt elektrodmaterialoch saltvatten fungerar som elektrolyt. Olika metoder har härutvecklats för att producera nanografit och grafen från grafit.Dessa material har tillsammans med liknande, kommersiellt tillgängliga,avancerade kolmaterial testats i elektrodkompositerför superkondensatorer. Som bindemedel i dessa kompositerföreslås nanofibrillerad eller mikrofibrillerad cellulosa. Jaghar demonstrerat att nanocellulosa ökar dispersionsstabilitetensamt förbättrar den mekaniska stabiliteten och dom elektriskaegenskaperna i elektroderna. Hur cellulosans kvalitet påverkarelektroderna har undersökts och visar att den finaste kvaliteteninte är det bästa valet för superkondensatorer, istället rekommenderasmikrofibrillerad cellulosa. Utöver detta demonstrerasmöjligheten att öka superkondensatorernas kapacitans genomatt balansera elektrodernas massa med hänsyn till jonernasstorlek i elektrolyten. I avhandlingen diskuteras även svårigheternamed hög kontaktresistans i gränssnittet mellan porösakolstrukturer och metallfolie och hur detta kan undvikas omgrafitfolie används som kontakt.Genom att använda de material, produktionstekniker ochkonceptförbättringar som föreslås i avhandlingen är det möjligtatt reducera materialkostnaderna med mer än 90% i jämförelsemed kommersiella superkondensatorer. Detta bekräftar att pappersbaserade superkondensatorer är ett lovande alternativoch våra resultat tillsammans med vidare utveckling harstor potential att stödja övergången till miljömässigt hållbarasuperkondensatorer och annan grön energiteknik.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Sundsvall: Mid Sweden University, 2017. s. 157
Serie
Mid Sweden University doctoral thesis, ISSN 1652-893X ; 267
Nyckelord
Electric Double-Layer Capacitor, Graphite, Cellulose Nanofibers, Large-Scale, Mass Balancing, Metal-Free
Nationell ämneskategori
Den kondenserade materiens fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:miun:diva-31539 (URN)978-91-88527-23-3 (ISBN)
Disputation
2017-09-08, M102, Holmgatan 10, Sundsvall, 10:15 (Engelska)
Handledare
Anmärkning

Vid tidpunkten för disputationen var följande delarbeten opublicerade: delarbete 6 inskickat.

At the time of the doctoral defence the following papers were unpublished: paper 6 submitted.

Tillgänglig från: 2017-09-07 Skapad: 2017-09-04 Senast uppdaterad: 2018-05-21Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(2434 kB)229 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 2434 kBChecksumma SHA-512
d5412b88b8cabc3a67906714d9b9d34ac76278792e483af938b18ff4dcd907b0b44d3a46ad7d0169cc5c50937952da8da7fa68c7b1574d961e4f81237e8ace61
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Andres, BrittaDahlström, ChristinaBlomquist, NicklasNorgren, MagnusOlin, Håkan

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Andres, BrittaDahlström, ChristinaBlomquist, NicklasNorgren, MagnusOlin, Håkan
Av organisationen
Avdelningen för naturvetenskapAvdelningen för kemiteknik
I samma tidskrift
Materials & design
Kemiteknik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 229 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 559 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf