Ett fluffigt tredimensionellt batteri som tål stötar och slag. Det är vad forskare vid KTH och universitetet i Stanford konstruerat med hjälp av cellulosa från träd. Förutom att elektroniken och batteriet är elastiskt och formbart finns det ytterligare en ny egenskap: Det går att lagra betydligt mer energi på mindre plats än i konventionella batterier.

– Nanocellulosa kallar vi materialet vi arbetar med. Denna får man genom att bryta ner trädfibrer och göra dem ungefär en miljon gånger smalare än vad de är i träd. Nanocellulosan används för att bygga ett fluffigt material som kallas aerogel, berättar Mahiar Max Hamedi, forskare vid KTH och Harvard.

Mahiar Max Hamedi, forskare vid KTH och Harvard, som varit med och uppfunnit ett mjukt batteri.

Han berättar att själva framställningen av aerogelen innebär att man fryser nanocellulosan upplöst i vatten och sedan frystorkar den så att vattnet övergår från is till gas utan att passera via ett flytande tillstånd.

– Vi gör lite andra tricks också för att stabilisera molekylerna. Så att cellulosan blir stabilare och hårdare, och inte kollapsar. Det vi sedan får är ett material som är både starkt, lätt och mjukt. Materialet liknar ungefär skummet i en bäddmadrass, fast lite hårdare, lättare och mer poröst. Det går att trycka på det utan att det går sönder, säger Max Hamedi.

När aerogelen väl är skapad så går det att lägga till funktioner till det nya materialet. Ja, till exempel elektroniska egenskaper.

– Vi använder oss av en väldigt precis teknik, snudd på atomnivå, som i vårt fall lägger på bläck som leder ström inuti aerogelen. Man kan belägga hela ytan inuti om man vill, säger Max Hamedi.

När det gäller just ytan inuti tycker han en jämförelse med ett par mänskliga lungor är bra. Skulle man veckla ut ett par lungor skulle de täcka en hel fotbollsplan. Samma sak gäller här. Utrymmet inuti någon kubikdecimeter aerogel motsvarar en fotbollsplans area.

– Tidigare har batteritillverkare jobbat i två dimensioner. Nu är vi inte längre begränsade till 2D. Vi kan bygga i tre dimensioner, vilket ger möjligheten att få plats med mycket mer elektronik på mindre yta, eller volym, säger Max Hamedi.

Med två dimensioner tänker han främst på elektronik som batterier och dioder, som bygger på att elektroderna anod och katod används. Här har arkitekturen varit 2D, men det finns begränsningar i hur tunna batteriskikten kan vara. Sådant blir mindre relevant i 3D.

– Anledningen till att folk inte tidigare konstruerat den här typen av elektronik är den extremt komplexa 3D-strukturen i tredimensionella, porösa material som uppfattats som ett hinder för att kunna bygga elektroder. Men 3D-strukturen är inte ett problem. Det har vi bevisat. Den här typen av struktur och materialarkitektur ger dessutom en frihet även för design och formgivning av till exempel batterier, säger Max Hamedi.

Batterier är alltså ett exempel på vad man kan göra med materialet, själva aerogelen. Trots att man trycker och klämmer på materialet så sker ingen kortslutning.

– Man kan trycka hur mycket man vill. Böj- och sträckbar elektronik finns ju redan, men elektronik som är okänslig för stötar och slag är något nytt. Dessutom har ju batterier fram till idag varit kända för att vara hårda komponenter, säger Max Hamedi.

Varför då utgå från träd när elektronik ska tillverkas?!

– För att det går att göra helt otroliga material av träd och cellulosa, säger Max Hamedi.

När det kommer till användningsområden så är dessa flera. Att batterierna är mjuka och formbara ger en ny typ av frihet som inte tidigare funnits med hårda batterier. De skulle till exempel i framtiden kunna användas i elbilar, att ingå som en del av karossen, men också i kläder.

– Så länge kläderna har ett foder och inte bara består av bomull i ett lager så skulle det gå. Vi har dock inte gått den vägen med vår forskning, men sådana möjligheter finns, säger Max Hamedi.

Forskningen har utförts vid Wallenberg Wood Science Center på KTH. KTH-professor Lars Wågberg på Institutionen för fiber och polymerteknologi har varit mycket involverad, och hans arbete kring aerogeler ligger till grund för uppfinningen av mjuk elektronik. En av världens ledande batteriforskare, professor Yi Cui från Stanford, har också varit samarbetspartner.

Forskningsresultaten har precis publicerats i prestigfyllda Nature Communication under rubriken "Self-Assembled Three-Dimensional And Compressible Interdigitated Thin Film Supercapacitors And Batteries”.

Filed under: SvenskTeknik