Svenska forskare undersöker ett minst sagt okonventionellt användningsområde för papper. Det handlar om ett elektroniskt papper som kan tillverkas i vanliga pappersmaskiner och lagra energi. Ett pilottest visar att papperet skulle kunna användas som elektrodmaterialet i en superkondensator. I framtiden skulle containrar fyllda med sådant papper kunna ställas upp intill exempelvis vindkraftverk och lagra energin från dem.
Bakom forskningen står Digital Cellulose Center, ett forskningscenter för digital cellulosa, där RISE, Linköpings universitet och KTH är partner tillsammans med ett stort antal företag.
Digital cellulosa beskrivs som cellulosa som kombineras med elektroaktivt material. Det gör det förhoppningsvis möjligt att utveckla elektriskt aktiva cellulosaprodukter som kan kommunicera med den digitala världen samtidigt som de förblir hållbara och miljövänliga.
Kraftpapper med elektroniska egenskaper
Forskningen är inte ny. Karl Håkansson, forskare inom området biobaserad elektronik på RISE, berättar att de sedan ett tiotal år utvecklat ett kraftpapper med elektroniska egenskaper i samarbete med Linköpings Universitet och KTH. Det är ett specialpapper med energilagrande material, en ledande polymer och biobaserat kol från kokosnötter. Målet är att papperet ska kunna tillverkas i stor skala i traditionella pappersmaskiner utan att förlora sin energilagrande funktion.
Lovande resultat
Nyligen har pilottester gjorts i en av Ahlstrom-Munksjös anläggningar i Frankrike och resultaten ser mycket lovande ut. ”För kommersiella superkondensatorer brukar den specifika kapacitansen per viktenhet av aktivt material ligga runt 80– 100 F/g (Farad). Enligt preliminära mätningar uppnår elektrodpappret över 85 F/g, men forskarna tror att de kommer att kunna uppnå värden nära 100 F/g”, skriver Digital Cellulose Center i en presentation.
Två användningsområden
Karl Håkansson berättar att de nu utvärderar egenskaper hos materialet.
Han ser två huvudsakliga användningsområden för papperet. Det ena är förpackningar, där integrerad energilagring kan göra det möjligt att lagra information och driva sensorer och displayer i papperet. Sensorerna kan till exempel mäta vilka temperaturer förpackningen utsatts för under transport. Frågan är om dock det finns en så stor marknad för den sortens material att det blir lönsamt att tillverka storskaligt.
Karl Håkansson tror att den andra tillämpningen att har större utsikter att lyckas, den där papperet fungerar som stationära energilager. Är det då kostnadseffektivt jämfört med konkurrerande stationära energilager?
Poängen är att några sådana energilager inte finns.
– Det skulle krävas så stora volymer att om man skulle använda litiumjonbatterier till det så skulle allt litium ta slut, hävdar han.
Containrar fyllda med papper
För förnybar energi som vind- och solkraft skulle dock stationära energilager kunna fylla en viktig funktion, då sådana energikällor inte producerar el i ett jämn och stabilt flöde. Därför är lagring av energi högintressant och papper är dessutom ett förhållandevis billigt material.
Man kan föreställa sig ett scenario där containrar till brädden fyllts med ledande papper och monterats i anslutning till vindkraftverk. Förmodligen måste papperet bytas ut med jämna mellanrum då materialet bryts ned med tiden, vilket gör att återvinningen blir viktig, framhåller Karl.
Dyr polymer
Förenklat består ett sådant pappersbaserat energilager av två pappersark med elektrolyt emellan. Papperet blötläggs i elektrolyten. Sedan kapslas det in så att elektrolyten inte rinner ut.
Den ledande polymeren som är en komponent i pappret kommer dock med en hög prislapp.
– Det här optimerar vi så att man använder så lite som möjligt av den, förklarar Karl Håkansson.
Det finns flera orsaker till att polymeren är så dyr.
– Dels är startmaterialet, de ingående kemikalierna, dyra, men det beror också på att polymeren i dag används i så högvärdiga applikationer att de företag som tillverkar den ser till att ta bra betalt för den.
Polymeren används bland annat inom tryckt elektronik.
Bulkelektronik
Såvitt Karl vet har inga andra forskare tittat på exakt samma teknik. Enligt honom kan det också bli en stor ny slutmarknad för pappersindustrin.
– Ja, om det fungerar bra skulle det behövas i stora mängder, men jämfört med de enorma mängder papper som tillverkas idag så kommer det såklart börja som ett specialpapper på en eller flera mindre maskiner, säger han.
Karl Håkansson kallar det de håller på med för ”bulkelektronik”. Totalt är de idag 10-15 forskare från RISE, KTH och Linköpings Universitet som arbetar inom fältet och de kommer till lika delar från pappers- och elektronikbranschen.
– Vi kommer från båda sidor och det är viktigt att båda sidor förstår vad som viktigt för att det ska fungera, att de från papperssidan förstår det elektroniska och de från elektronsidan förstår pappersdelen, förklararar Karl.
Optimering
Intressant i sammanhanget är att det ledande papperet testats i just en av Ahstrom-Munksjös anläggning, ett företag som annars är nischat mot elektrotekniskt papper. Vilket är precis raka motsatsen till de egenskaper man eftersträvar med det ledande papperet.
– Medan det papper de gör är extremt rent från elektriskt ledande egenskaper, så är det här papperet tvärtom, det innehåller extremt ledande egenskaper. Och vi har börjat optimera det för att ”retendera” så mycket aktivt material som möjligt.
Digital Cellulose Center beskriver detta som en av de största utmaningarna i projektet: att fästa de elektro-aktiva på fibrerna (cellulosan) eller i fibernätverket så att de inte rinner ut i processen. Fyller man pappret för mycket så är risken att det blir så svagt att det inte håller ihop.
Forskarna tittar även på hur de kan optimera träfibern.
– Vi håller på med den optimeringen också, säger Karl Håkansson men han vill inte avslöja om någon massasort, exempel barr- eller eukalyptusmassa, är mer lämplig än någon annan.
Korta fakta:
Digital Cellulose Center
Digital Cellulose Center är ett forskningscenter för digital cellulosa. Centret samfinansieras av Vinnova, industri och akademi. Digital Cellulose Center omfattar de akademiska partnerna RISE Research Institutes of Sweden, Linköpings universitet (LiU) och Royal Institute of Technology (KTH), tillsammans med en stor grupp företag som representerar områden som elektroaktiva material, papper och massa, förpackning och omvandling samt som elektriska applikationer och energilagring: ABB, Agfa, Ahlstrom-Munksjö, Beneli, Billerud Korsnäs, Borregaard, Essity, Graphmatech, Ligna Energy, Mycronic, Stena Recycling, Stora Enso och 2D fab AB.
Text: Simon Matthis