Väittelijä kehitti uusia materiaaleja energian varastointiin – myös taipuisaan elektroniikkaan (Väitös: FM Milla Suominen, 8.3.2019, kemia)

Energiaa voidaan varastoida moniin erilaisiin laitteisiin, joista ehkä tunnetuimmat ovat akut. Erityisen tehokkaita energianvarastointilaitteita ovat superkondensaattorit. Verrattuna akkuihin niihin voidaan varastoida vähemmän energiaa, mutta toisaalta ne voidaan varata ja purkaa minuuteissa, kun taas akuissa varaaminen voi kestää jopa useita tunteja. Lisäksi superkondensaattori voidaan ladata ja purkaa useita kymmeniä tuhansia kertoja.

– Superkondensaattorit voidaan jakaa edelleen alaluokkiin, joissa kaikissa energian varastointi perustuu käytettyihin materiaaleihin. Materiaaleilla on omat hyvät ja huonot puolensa: hiiliin perustuvissa superkondensaattoreissa energiamäärät jäävät alhaisiksi, kun taas sähköä johtaviin polymeereihin perustuvissa kondensaattoreissa käyttöikä jää lyhyeksi, Milla Suominen kertoo.

Kemian alaan kuuluvassa väitöstutkimuksessaan Suominen valmisti uusia komposiittimateriaaleja, joiden hän totesi soveltuvan hyvin energian varastointiin. Tutkimuksen merkittävimpänä tuloksena hän valmisti yhdestä vähemmän tunnetusta ja käytetystä johdepolymeeristä ensimmäiset taipuisat superkondensaattorit yhteistyössä Tampereen teknillisen yliopiston tutkijoiden kanssa, ja tulokset olivat lupaavia.

– Taipuisa elektroniikka on noussut hyvin kiinnostavaksi viime aikoina. Tämä vaatii myös energiaa varastoivilta laitteilta taipuisuutta. Polyazuleeniin pohjautuvat superkondensaattorimme pystyivät varastoimaan hieman enemmän energiaa kuin joihinkin toisiin johdepolymeereihin perustuvat laitteet. Lisäksi niihin voitiin varastoida sama määrä energiaa sekä tasaisena että taivutettuna, kertoo Suominen.

Superkondensaattoreihin ladattavan energian määrää halutaan lisätä

Suominen valmisti uusia komposiittimateriaaleja sähköä johtavista polymeereistä ja hiilen yhdestä olomuodosta, grafeenista. Grafeeni on yhden atomin paksuinen hiililevy, joka on yksi kestävimpiä tunnettuja materiaaleja. Lisäksi grafeeni johtaa erinomaisesti sähköä, minkä vuoksi sitä voidaan käyttää hyvin monenlaisiin sovelluksiin.

– Komposiitit koostuvat aina kahdesta tai useammasta komponentista. Kun ne yhdistetään, saadaan uusi materiaali, jonka ominaisuudet ovat täysin erilaiset kuin yksittäisten komponenttien. Toivoimme uusien komposiittimateriaalien toisaalta nostavan superkondensaattoriin ladattavan energian määrää ja toisaalta parantavan niiden käyttöikää, kun yhdistimme johdepolymeerin ja grafeenin ominaisuudet, Suominen tiivistää työn lähtökohdat.

Suominen valmisti komposiittimateriaalit sähkökemiallisesti käyttäen ionisia nesteitä liuottimena. Tämä mahdollisti yksinkertaisen valmistusreitin, sillä ioniset nesteet ovat huoneen lämmössä nestemäisiä suoloja. 

– Kaikille tuttu ruokasuola on huoneen lämmössä kiinteä, koska se koostuu hyvin pienistä ja symmetrisistä ioneista, jotka pakkautuvat hyvin tiiviisti. Tällaisen rakenteen rikkominen vaatii hyvin korkeita lämpötiloja. Ionisissa nesteissä taas ionit ovat hyvin suurikokoisia ja epäsymmetrisiä, minkä vuoksi ioniset nesteet sulavat hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja voivat olla nestemäisiä jopa huoneen lämmössä. Ioniset nesteet eivät juuri haihdu, minkä vuoksi niitä pidetään muita liuottimia turvallisempana vaihtoehtona, ja niillä on osoitettu olevan erityisesti johdepolymeerien ominaisuuksia parantavia vaikutuksia, Suominen kertoo.

Suomisen mukaan parempien komposiittien suunnittelu ja valmistaminen vaatii, että ymmärretään paremmin niiden muodostumiseen ja vuorovaikutuksiin vaikuttavia seikkoja. 

Väitöstyössään hän pyrki selvittämään tätä muun muassa yhdistämällä kaksi mittaustekniikkaa: sähkökemian ja spektroskopian. Spektrosähkökemiallisten tutkimusten avulla yhdestä näytteestä saadaan enemmän tietoa kerralla, ja yhdistelmätekniikoiden käyttö on suosittua sekä materiaalien että kokonaisten laitteiden tutkimuksessa.

– Tekniikan avulla saimme selville, että materiaalissa tapahtuu muutoksia varausten kuljetuksessa tai johdepolymeerin pituudessa riippuen komposiittimateriaalista ja grafeenin määrästä, tiivistää Suominen spektrosähkökemiallisten mittausten tulokset.

***

FM Milla Suominen esittää väitöskirjansa Electrochemical fabrication of nanocomposites towards sustainable energy applications julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 8.3.2019 klo 12 (Turun yliopisto, Arcanum, Arc 1, Arcanuminkuja 4, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Pedro Gómez-Romero (Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology, Barcelona, Espanja) ja kustoksena professori Carita Kvarnström (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on kemia.

Väittelijän yhteystiedot: p. +358 50 437 0081, milsuo@utu.fi