kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Production of energy-storage paper electrodes using a pilot-scale paper machine
Laboratory of Organic Electronics, Department of Science and Technology, Linköping University, 601 74 Norrköping, Sweden;Ahlstrom-Munksjö Research Center, 38140 Apprieu, France.ORCID iD: 0000-0002-7488-3788
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0002-9113-8413
RISE Research Institutes of Sweden, Bioeconomy and Health, Drottning Kristinas väg 61, SE-114 86 Stockholm, Sweden.
Ahlstrom-Munksjö Research Center, 38140 Apprieu, France.
Show others and affiliations
2022 (English)In: Journal of Materials Chemistry A, ISSN 2050-7488, E-ISSN 2050-7496, Vol. 10, no 40, p. 21579-21589Article in journal (Refereed) Published
Place, publisher, year, edition, pages
Royal Society of Chemistry (RSC) , 2022. Vol. 10, no 40, p. 21579-21589
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-321339DOI: 10.1039/d2ta04431eISI: 000859988400001Scopus ID: 2-s2.0-85140059550OAI: oai:DiVA.org:kth-321339DiVA, id: diva2:1710352
Funder
Vinnova, 2016-05193
Note

QC 20221114

Available from: 2022-11-11 Created: 2022-11-11 Last updated: 2022-11-19Bibliographically approved
In thesis
1. Design of Cellulose-Based Electrically Conductive Composites: Fundamentals, Modifications, and Scale-up
Open this publication in new window or tab >>Design of Cellulose-Based Electrically Conductive Composites: Fundamentals, Modifications, and Scale-up
2022 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Modern demand for consumer electronics is fueling the generation of 'E-waste.' Furthermore, theraw materials and manufacturing methods used in the fabrication of electronics are not sustainable.There is therefore the need to develop renewable and sustainable raw materials for electronicdevices that do not sacrifice performance; as well as a requirement to develop novel, scalable,sustainable electronic device fabrication methods that use these green electronic materials. To thisend, bio-based materials are an environment-friendly alternative to non-renewable materials; andprinted electronics could replace traditional manufacturing methods. Cellulose, one of the mostabundant biopolymers on Earth, exhibits an interesting hierarchical structure. Due to extensiveresearch over the years, there are a wide variety of established chemical modifications for cellulose,which can be harnessed to prepare high-performance electronic components. The hierarchicalstructure of cellulose is crucial in defining its material properties. In cellulose rich fibers, highmolecular mass glucan polymers are commonly found in the form of cellulose nanofibrils (CNFs);these can be liberated and, once so, are capable of self-assembling into a wide variety of structures.Since cellulose is electrically insulating, it needs to be made into composites with conductivematerials to form electrically conductive materials.This thesis investigates the interaction between cellulose and the conductive polymer PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : polystyrene sulfonate), and demonstrates how a fundamentalunderstanding of the interactions between the two can be used to guide the chemical modificationof cellulose for the large scale production of sustainable electronics. First, the PEDOT:PSS structurewas studied using molecular dynamics (MD) simulations and experimental methods. Secondly, theinteraction between cellulose and PEDOT:PSS was studied, and factors affecting this interactionwere identified. This knowledge was then applied to propose a molecular interaction mechanismbetween these materials. Nanocellulose, especially cellulose nanofibrils (CNFs), have been integralto the development of bio-based conductive composites. However, the nanofibrillation process isexpensive and energy-intensive. In addition, PEDOT:PSS is an expensive polymer. Therefore, inthis work, chemically modified fibers were used to improve the interaction between cellulose andPEDOT:PSS; and prepare fiber-based bioelectronics and energy storage devices. The large-scaleproduction of papers capable of energy storage has also been demonstrated using chemicallymodifiedfibers, the factors affecting the processing of these materials have been identifiedthroughout.

Abstract [sv]

En enorm efterfrågan på hemelektronik skapar ett stort "e-avfalls” problem i dagenssamhälle. De råvaror som idag används för att tillverka elektronik har ett högtkoldioxidavtryck, och traditionella tillverkningsmetoder för elektronik är dessutomenergikrävande. Därför finns det en stort behov av högpresterande, hållbara, billiga,förnyelsebara råvaror för elektroniska komponenter. Dessutom behövs nya, hållbarabearbetningsmetoder för att producera elektroniska komponenter med lägre mängderinbyggd energi. I detta avseende är biobaserade material ett miljövänligt alternativ till ickeförnybaramaterial och tryckt elektronik skulle kunna användas för att ersätta traditionellatillverkningsmetoder. Cellulosa är en mycket vanligt förekommande biopolymer i mångaväxter och i vissa djur och det finns många rationella metoder för att utvinna denna polymeroch polymeren är därför en mycket intressant råvara för framtida produkter. Denhögmolekylära glukanmolekylen organiseras i i de flesta fallen i cellulosa nanofibriller (CNF)som sedan anordnas i en hierarkisk struktur i makroskopiska fibrer. Modern forskning harockså visat att de frilagda fibrillerna kan självorganiseras i skräddarsydda nano-strukturersom kan vara mycket intressanta för att tillverka högpresterande elektroniska komponenter.Med hjälp av all den forskning som genomförts för cellulosamaterial genom åren finns detockså tillgång till en fantastisk verktygslåda för att kemiskt modifiera cellulosa för att passa iolika tillämpningar. Eftersom cellulosa är elektriskt isolerande är det nödvändigt attkombinera cellulosa med ett ledande material för att skapa skräddarsydda komponenter medgod elektrisk ledningsförmåga.Arbetet i denna avhandling har fokuserats på studera växelverkan mellan cellulosa och denledande polymer PEDOT:PSS, och för att klarlägga hur denna grundläggande förståelse kanutnyttjas för att identifiera nödvändiga kemiska modifieringar på cellulosan för att överföraresultaten till storskalig produktion av hållbar elektronik. Initialt studerades den molekyläraoch övermolekylära strukturen hos PEDOT:PSS komplex med en kombination avmolekylärdynamiska (MD) simuleringar och experimentella undersökningar. För det andrastuderades växelverkan mellan cellulosa och PEDOT:PSS, och det visade sig möjligt attidentifiera de faktorer som kontrollerar denna växelverkan. Dessa kunskaper användes sedanför att molekylärt förklara hur dessa material fundamentalt växelverkar med varandra.Nanocellulosa, särskilt cellulosa nanofibriller (CNF) har varit en del av biobaserade ledandekompositer. Nanofibrilleringsprocessen är dock kostnads- och energikrävande. Dessutom ärPEDOT:PSS en dyr polymer. Därför användes i detta arbete kemiskt modifierade fibrer föratt förbättra interaktionen mellan cellulosa och PEDOT:PSS (för att minska kostnaderna),och för att förbereda fiberbaserad bioelektronik och energilagringsenheter. Storskaligproduktion av energilagringspapper demonstrerades också med kemiskt modifierade fibreroch faktorer som påverkar bearbetningen av dessa material identifierades.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2022. p. 71
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2022:55
Keywords
Cellulose nanofibrils, PEDOT:PSS, chemically-modified cellulose fibers, fundamental interactions, bioelectronics, energy storage, conductive paper production, large-scale production
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology Composite Science and Engineering Materials Chemistry
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-321659 (URN)978-91-8040-405-1 (ISBN)
Public defence
2022-12-16, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Vinnova
Note

QC 2022-11-21. Embargo godkänt av Mikael Lindström, skolchef CBH.

Available from: 2022-11-21 Created: 2022-11-19 Last updated: 2023-12-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Jain, KarishmaHajian, AlirezaWågberg, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Isacsson, PatrikJain, KarishmaHajian, AlirezaHåkansson, KarlEdberg, JesperEngquist, IsakWågberg, Lars
By organisation
Fibre TechnologyFibre- and Polymer TechnologyWallenberg Wood Science Center
In the same journal
Journal of Materials Chemistry A
Paper, Pulp and Fiber Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 39 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf