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
Supercapacitors with graphene coated paper electrodes
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Institutionen för tillämpad naturvetenskap och design.
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Institutionen för tillämpad naturvetenskap och design.
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Institutionen för tillämpad naturvetenskap och design.
Mittuniversitetet, Fakulteten för naturvetenskap, teknik och medier, Institutionen för tillämpad naturvetenskap och design.ORCID-id: 0000-0003-2873-7875
Visa övriga samt affilieringar
2012 (Engelska)Ingår i: Nordic Pulp & Paper Research Journal, ISSN 0283-2631, E-ISSN 2000-0669, Vol. 27, nr 2, s. 481-485Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Paper based supercapacitors are prepared by stacking a paper between two graphene electrodes and soaking these in an aqueous electrolyte. We demonstrate that supercapacitors can easily be manufactured by using proven paper technologies. Several different electrode materials were compared and two types of contacting material, silver and graphite foil were tested. The influence of the paper used as separator was also investigated. The supercapacitors with a graphene-gold nanoparticle composite as electrodes showed a specific capacitance of up to 100 F/g and an energy density of 1.27 Wh/kg. The energy density can further be increased by using other electrolytes. The silver contacts showed a pseudo capacitance, which the graphite contacts did not. The papers tested had a minor effect on the capacitance, but they have an influence on the weight and the volume of the supercapacitor.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
2012. Vol. 27, nr 2, s. 481-485
Nyckelord [en]
Coating; Graphene; Graphite; Paper; Supercapacitor
Nationell ämneskategori
Teknik och teknologier
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:miun:diva-16880DOI: 10.3183/NPPRJ-2012-27-02-p481-485ISI: 000315696000044Scopus ID: 2-s2.0-84865260056Lokalt ID: STCOAI: oai:DiVA.org:miun-16880DiVA, id: diva2:548005
Tillgänglig från: 2013-04-04 Skapad: 2012-08-29 Senast uppdaterad: 2017-12-07Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Paper-based Supercapacitors
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Paper-based Supercapacitors
2014 (Engelska)Licentiatavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

The growing market of mobile electronic devices, renewable off-grid energy sources and electric vehicles requires high-performance energy storage devices. Rechargeable batteries are usually the first choice due to their high energy density. However, supercapacitors have a higher power density and longer life-time compared to batteries. For some applications supercapacitors are more suitable than batteries. They can also be used to complement batteries in order to extend a battery's life-time. The use of supercapacitors is, however, still limited due to their high costs. Most commercially available supercapacitors contain expensive electrolytes and costly electrode materials.

In this thesis I will present the concept of cost efficient, paper-based supercapacitors. The idea is to produce supercapacitors with low-cost, green materials and inexpensive production processes. We show that supercapacitor electrodes can be produced by coating graphite on paper. Roll-to-roll techniques known from the paper industry can be employed to facilitate an economic large-scale production. We investigated the influence of paper on the supercapacitor's performance and discussed its role as passive component. Furthermore, we used chemically reduced graphite oxide (CRGO) and a CRGO-gold nanoparticle composite to produce electrodes for supercapacitors. The highest specific capacitance was achieved with the CRGO-gold nanoparticle electrodes. However, materials produced by chemical synthesis and intercalation of nanoparticles are too costly for a large-scale production of inexpensive supercapacitor electrodes. Therefore, we introduced the idea of producing graphene and similar nano-sized materials in a high-pressure homogenizer. Layered materials like graphite can be exfoliated when subjected to high shear forces. In order to form mechanical stable electrodes, binders need to be added. Nanofibrillated cellulose (NFC) can be used as binder to improve the mechanical stability of the porous electrodes. Furthermore, NFC can be prepared in a high-pressure homogenizer and we aim to produce both NFC and graphene simultaneously to obtain a NFC-graphene composite. The addition of 10% NFC in ratio to the amount of graphite, increased the supercapacitor's capacitance, enhanced the dispersion stability of homogenized graphite and improved the mechanical stability of graphite electrodes in both dry and wet conditions. Scanning electron microscope images of the electrode's cross section revealed that NFC changed the internal structure of graphite electrodes depending on the type of graphite used. Thus, we discussed the influence of NFC and the electrode structure on the capacitance of supercapacitors.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Sundsvall: Mid Sweden University, 2014. s. 65
Serie
Mid Sweden University licentiate thesis, ISSN 1652-8948 ; 112
Nyckelord
graphene, graphite, paper, nano fibrillated cellulose, supercapacitor, electric double-layer capacitor, energy storage, roll-to-roll, coating, kinetic energy recovery
Nationell ämneskategori
Fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:miun:diva-22410 (URN)978-91-87557-68-2 (ISBN)
Presentation
2014-06-12, O 102, Mid Sweden University, Holmgatan 10, Sundsvall, 10:15 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2014-08-18 Skapad: 2014-07-03 Senast uppdaterad: 2015-03-13Bibliografiskt granskad
2. 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

Andres_supercapacitors(1948 kB)1719 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT02.pdfFilstorlek 1948 kBChecksumma SHA-512
89d69e957d28b443a90dbbbc7a7b4fa35f68416df422d328016cd6dbc696291b8beccfbe7dd6e6f4b3b9c54fadcf7bc5a4785dbe01d1154fd0f4b57bd89bb8cf
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Andres, BrittaForsberg, SvenVilches, Ana PaolaZhang, RenyunAndersson, HenrikHummelgård, MagnusBäckström, JoakimOlin, Håkan

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Andres, BrittaForsberg, SvenVilches, Ana PaolaZhang, RenyunAndersson, HenrikHummelgård, MagnusBäckström, JoakimOlin, Håkan
Av organisationen
Institutionen för tillämpad naturvetenskap och designInstitutionen för informationsteknologi och medier
I samma tidskrift
Nordic Pulp & Paper Research Journal
Teknik och teknologier

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 1719 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: 2471 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