Uusi nanotekniikka, jossa selluloosamolekyylit hiilinanoputkien kanssa muodostavat nanokomposiitin, saattaa olla kaivattu ratkaisu lähes ikuisina pidettyihin ongelmiin sähkön varastoinnissa ja latauksessa. Suomalainen hiilinanoputkipohjainen ratkaisu sähköä varastoivana keksintönä on maailmaluokassa mullistava: se on tehokkain tunnettu superkondensaattoriratkaisu.

Jyväskylän nanotieteen tutkimuskeskuksen, NSC:n tähtäin on molekyylitason funktionaalisissa systeemeissä ja uudensukupolven high tech -laitteissa. Yksi merkittävä testausvaiheen innovaatio on uudenpolven superkondensaattori.

”Meidän kondensaattorimme on EDLC- eli electric double-layer capacitor -tyyppinen, ja tällä hetkellä energiatiheydeltään suurimpia tunnettuja”, kertoo tutkija Pasi Moilanen.

Tämä sähkön varastointiyksikkö on kehitetty hiilinanoputkista sekä selluloosan nanopartikkeleista. Rakenteessa sellukuidut estävät hiilinanoputkia menemästä kiinni toisiinsa, missä piilee menetelmän patentoitu spesifikaatio.

Erikoiskondensaattorissa sen hiilinanoputkiin varastoituu valtava sähkömäärä, ja ratkaisussa syntyy erittäin korkea energiatiheys verrattuna tavallisiin kondensaattoreihin. Erikoisuus on selluloosa-hiilinanoputkikomposiitissa, jonka avulla elektrodien pinta-ala on kasvatettu suuren varauskyvyn saamiseksi. 

Koeajojen tehot omassa luokassaan

Kykyä varastoida sähkövarausta on mitattu, ja sen pohjalta superkondensaattori on tutkijoiden mukaan suuritehoisin tunnettu sähkönvarastoija maailmassa.

Moilanen toteaa, että koeajot ovat tuottaneet lukuina jo varsin hyviä tuloksia, mutta olisi muistettava, että ”sarjatuotannosta ollaan vielä matkan päässä”.

”Maailmalta toki löytyy valmiita superkondensaattoreita, joiden kapasitanssi ei ole lähellekään yhtä hyvä kuin meillä. Toisaalta taas niitä voi ostaa jo kaupasta, meillä taas valmiiseen tuotteeseen on matkaa.”

Sähköautot, bio- ja tuulivoimalat tarvitsevat varastotekniikkaa

Uuden polven superkondensaattorit voivat tukea merkittävästi paitsi sähköautojen tekniikka, koska tekniikka kaupallisesti tuotteistaessa mahdollistaa valtavan sähköenergian varastoinnin pienempään tilaan kuin nykyiset akkutekniikat, mutta ennen muuta ratkaisu näyttäisi mahdollistavan minuuteissa tapahtuvan latauksen, kun nykyakuilla litiumakun lataus kestää tunteja. Niin ikään myös pienimuotoinen hake-, bio- ja tuulienergian tuotanto tarvitsevat toimiakseen tasateholla varauskapasiteetiltaan ylivertaista sähkön varastointitekniikkaa.  

Puolentoista vuoden kehitystyöstä testauksiin

Suomen ensimmäinen nanoteknologian professori Jorma Virtanen on toiminut virassaan viitisen vuotta. Juuri hän sai poikkitieteellisen idean jalostaa nanotutkimuksen sähköä varaavasta superkondensaattorista. Virtanen ideoi kondensaattoria uusiin sähkön varastointi- ja käyttötarkoituksiin, ja vain puolentoista vuoden kehitystyön tuloksena laitteella ajetaan nyt paljon lupaavia testejä.

”Tutkimuksen ja soveltavan tieteenteon sekä tuotteistamisen täytyy edetä rinnakkain. Totuus on, että perustutkimuksesta tulee kuitenkin aina dramaattisimmat tulokset, joita ei ennakkoon kukaan osaa nähdä, hän tietää. Mutta ei saa katsoa kapeasti”, Virtanen muistuttaa. Nanotieteen painottaminen yliopistossa tähtää myös alan yritysten synnyttämiseen.

Poikkitieteellinen tutkimus, jossa yhdistyvät biokemia, biologia, kemia ja fysiikka, on yleensäkin resepti uusiin keksintöihin paitsi Jyväkylässä myös muun muassa BioMater-keskuksessa Kuopion yliopistossa. Alan tutkimus painottuu toistaiseksi perustutkimukseen, koska on paljastunut rakenteiden maailma, jota vielä verraten vähän tunnetaan.

Merkitystä myös suomalaiselle teollisuudelle

NCS:n nanokondensaattorikeksinnöllä on kansantaloudellista merkitystä. Nanomittakaavan sellun fibrillit uusissa keksinnöissä tulevat osaltaan korvaamaan vähentynyttä ja arvoltaan pahoin alentunutta paperin valmistusta.

Jyväskylän nanotutkimuslaitoksen esittämä arvio sellun jatkojalostuksen arvosta on korkea: vuoteen 2030 mennessä nanotekniikka kaksinkertaistaa metsäklusterin tuotteiden ja palvelujen arvon.

”Uusien tuotteiden odotetaan tuovan puolet arvon noususta, ja jo nyt nanoteknologia on tunnistettu yhtenä uusista, tämän kehityksen mahdollistavista teknologioista. NSC:ssä pyritään määrätietoisesti vastaamaan tähän metsäklusterin kasvuvisioon”, kertoo tutkimuskeskuksen teollisuuspalvelujen yrityspalvelupäällikkö Elja Kallberg.

Teksti: Reijo Holopainen

Artikkeli on tiivistelmä Sähköala-lehden numerossa 12/2008 julkaistusta kirjoituksesta.