Elektrisitet blir i stadig større grad den dominerende energikilden. Den er ren på bruksstedet og gjør det mulig å integrere fornybare kilder som vind- og solenergi. Men ettersom vi blir mer og mer avhengige av elektrisitet, øker også etterspørselen etter de elektroniske komponentene som muliggjør bruken av den, svært raskt.
En av de viktigste elektriske komponentene i elelktronikk er kondensatorer – en enhet som lagrer og frigjør elektrisk energi i korte perioder, noen ganger bare en brøkdel av et sekund. I motsetning til batterier er de utviklet for raske, gjentatte lade–utladningssykluser. Deres primære funksjon er å stabilisere strømforsyningen ved å jevne ut svingninger i elektriske signaler i kretser, men de brukes også til å levere raske energipulser, filtrere ulike signaler og muliggjøre hurtig kobling i kretser. Hver smarttelefon eller datamaskin inneholder mer enn 400 kondensatorer, noe som betyr at de fleste av oss er avhengige av tusenvis av kondensatorer hver dag. Kondensatorer er uunnværlige for korttids energilagring og avgjørende for å møte utfordringene knyttet til økt bruk av elektrisitet.
Dagens kondensatorer har imidlertid to store utfordringer: de må kunne lagre mer energi og håndtere større effekter for å møte behovene til fremtidens elektronikk, og de må bli mer bærekraftige dersom vi skal nå samfunnets miljømål. Nåværende kondensatorer er en betydelig bidragsyter til elektronisk avfall (e-avfall), som ikke bare er en miljøfare, men også innebærer at tusenvis av tonn verdifulle materialer kastes. Å forbedre gjenvinnbarheten til kondensatorer er avgjørende for å kunne ta tilbake verdifulle metaller og andre elementer til verdikjeden og redusere miljøavtrykket fra elektronikk.
Det er her DYNASTORE-prosjektet kommer inn. DYNASTORE har som mål å utvikle en ny generasjon kondensatorer som kombinerer høy energilagringskapasitet med bærekraft og resirkulerbarhet. Prosjektet fokuserer på en innovativ klasse supramolekylære materialer kjent som plastiske krystaller – supramolekylære strukturer som har lavtemperatur-synteseveier og økt potensial for elektrisk energilagring.
Forskerne vil utforske to komplementære designstrategier ved å kombinere eksperimenter med datamodellering. De unike egenskapene til supramolekylære materialer – som lavtemperatur-syntese og god løselighet – vil gjøre det mulig å produsere kondensatorer enklere og på måter som støtter en sirkulær økonomi. Spesielt vil de verdifulle metallene som brukes i kondensatorelektrodene kunne gjenvinnes og gjenbrukes, noe som reduserer avfall og bevarer ressurser.
Ved å gå foran med denne tilnærmingen ønsker DYNASTORE å legge grunnlaget for kondensatorer som er lette, enkle å bearbeide og langt mer bærekraftige enn dagens toppmoderne enheter. Dette kan forandre måten vi lagrer og bruker elektrisitet på – og dermed støtte overgangen til fornybar energi og mer bærekraftig elektronikk i fremtiden.
Electricity is the preferred energy form because it is clean at the site of use and allows the integration of renewable energy. Expanding the application of electricity however is increasing demand on the electrical circuitry that facilitate its use. Capacitors are key components in all electronics that need to be developed for a wider range of electrical conditions, particularly for high electrical energy density storage (HEEDS). Capacitors also contribute to the problem of E-waste, and their recyclability must be improved to increase the recovery of valuable materials and enhance the sustainability of future electronics.
DYNASTORE will address the need for HEEDS capacitors with opportunities for recycling and end of life material recovery from E-waste. DYNASTORE will do this by developing a new class of supramolecular materials that use a unique relationship between dynamic molecular orientations at the local length scale and the long-range crystal structure. This combination allows us to simultaneously enhance the maximum polarization, reduce the remanent polarization and increase the maximum electric field range, creating large recoverable electrical energy densities. This will be achieved through two separate compositional design approaches both with combined experimental and simulation work. First, we will use the molecular orientational disorder to frustrate the long-range order, producing relaxor-like ferroelectrics, with zero remanent polarization and large maximum polarizations. Secondly, we will engineer electric field induced phase transitions that switch the materials from zero net polarization to high maximum polarization states similarly as in antiferroelectric capacitors. The low synthesis temperature and solubility of supramolecular materials will be utilized to develop an easy processing of plastic crystal capacitors with a circular economy in which the valuable metal used for the electrodes in devices can be recovered and reused.
