Cementbaseret superkondensator laver et nyt energilagringssystem – Physics World

Cementbaseret superkondensator laver et nyt energilagringssystem – Physics World

Tidsstempel: 25. august 2023 kl. 4

et hus med et fundament lavet af cement superkondensatorer kunne lagre en dags energi
Da den nye "supercapacitor"-beton ville bevare sin styrke, kunne et hus med et fundament lavet af dette materiale opbevare en dags energi produceret af solpaneler eller vindmøller, og tillade det at blive brugt, når det er nødvendigt. (Med høflighed: Franz-Josef Ulm, Admir Masic og Yang-Shao Horn)

En ny omkostningseffektiv og effektiv superkondensator lavet af kønrøg og cement kunne lagre en dags energi i betonfundamentet af en bygning eller give kontaktløs opladning til elbiler, når de kører på tværs af den. Enheden kunne også lette brugen af ​​vedvarende energikilder såsom sol-, vind- og tidevandskraft, ifølge forskerne ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Wyss Institute, begge i USA, der udviklede den.

Superkondensatorer er teknisk kendt som elektriske dobbeltlags eller elektrokemiske kondensatorer, og deres kapacitet ligger et sted mellem batterier og konventionelle (dielektriske) kondensatorer. Selvom de er mindre gode til at opbevare ladning end batterier, er superkondensatorer bedre end konventionelle kondensatorer i denne henseende takket være deres porøse elektroder, som har overfladearealer så store som adskillige kvadratkilometer. Det dobbelte lag, der dannes ved elektrolyt-elektrode-grænsefladen af ​​sådanne enheder, når en spænding påføres, øger yderligere mængden af ​​ladning, de kan lagre.

Superkondensatorer har også nogle fordele i forhold til batterier. Mens batterier kan tage timer at oplade og aflade, klarer superkondensatorer det på få minutter. De har også en meget længere levetid, der varer i millioner af cyklusser i stedet for tusindvis. Og i modsætning til batterier, som virker gennem kemiske reaktioner, lagrer superkondensatorer energi i form af elektrisk ladede ioner, der samles på overfladen af ​​deres elektroder.

Ekstremt høj indre overflade

Den nye enhed, udviklet af et team ledet af Franz-Josef Ulm, Admir Masic , Yang-Shao Horn, indeholder et cementbaseret materiale, der kan prale af et ekstremt stort indre overfladeareal. De undersøgte opnåede dette ved at starte med en tør cementblanding indeholdende kønrøg, som minder om meget fint trækul. Til denne blanding tilføjede de vand og superplastificeringsmidler – en standard vandreducerende blanding i betonproduktion. Når vandet reagerer med cementen, danner det naturligt et forgrenet netværk af porer i strukturen, og kulstoffet migrerer ind i disse porer for at danne trådede filamenter med en fraktallignende struktur. Det er denne tætte, indbyrdes forbundne netværksstruktur, der giver materialet dets ekstremt store overfladeareal.

"Vi fylder det friske materiale i plastikrør og lader dem hærde i mindst 28 dage," forklarer Ulm. "Vi skærer derefter prøverne i stykker på størrelse med elektrode, gennembløder disse elektroder i en standard elektrolytopløsning (kaliumchlorid) og bygger en superkondensator ud af to elektroder adskilt af en isolerende membran."

Forskerne polariserer derefter elektroderne ved at forbinde den ene elektrode til en positiv ladning og den anden til en negativ ladning. Under opladning akkumuleres positivt ladede ioner fra elektrolytten på den negativt ladede volumetriske carbontråd, mens negativt ladede ioner akkumuleres på den positivt ladede carbontråd.

En dags energi

Med membranen i vejen kan de ladede ioner ikke bevæge sig mellem elektroderne. Denne ubalance frembringer det elektriske felt, der oplader superlederen. "Det faktum, at den volumetriske ledning fylder den plads, der er til rådighed for den - noget vi bekræftede med EDS-Raman-spektroskopi - giver os mulighed for at lagre en masse energi på den ekstremt store overflade af kulsorten," siger Ulm. "Når vi derefter kobler energikilden fra superkondensatoren, frigives den lagrede energi og kan dermed levere strøm til en række forskellige applikationer."

Ifølge deres beregninger, som de detaljerer i PNAS, en blok af materialet, der måler 45 m3 (svarende til en 3.55 m terning), ville være i stand til at lagre omkring 10 kWh energi. Det er omtrent det samme som det gennemsnitlige daglige elforbrug i en typisk husstand. Et hus bygget med fundamenter, der indeholder denne kulstofbetonkomposit, kunne derfor lagre en dags energi – produceret af f.eks. solpaneler – og frigive den, når det er nødvendigt. Materialet kan også inkorporeres i intermitterende elektricitetsgeneratorer såsom vindmøller, som derefter kan lagre energi i deres baser og frigive den i perioder med nede.

En anden potentiel anvendelse for superkondensatoren - om end en avanceret - ville være at tilføje den til betonveje. Disse superveje kunne derefter lagre energi (måske produceret af solpaneler placeret ved siden af ​​dem) og levere den til passerende elektriske køretøjer via elektromagnetisk induktion. Denne teknologi er grundlæggende den samme som den, der bruges til trådløs opladning af mobiltelefoner, og forskerne siger, at den også kan bruges til at oplade elektriske køretøjer, når de ikke bevæger sig - for eksempel på en parkeringsplads.

Mere kortsigtede anvendelser, tilføjer de, kan være i bygninger langt fra elnettet, som kunne drives ved hjælp af solpaneler fastgjort til superkondensatorerne.

Meget skalerbart system

Systemet er meget skalerbart, siger Ulm, da energilagringskapaciteten stiger i forhold til elektrodernes volumen. "Du kan gå fra 1 millimeter tykke elektroder til 1 meter tykke elektroder, og ved at gøre det kan du dybest set skalere energilagringskapaciteten fra at tænde en LED i et par sekunder til at drive et helt hus," forklarer han. Afhængigt af de egenskaber, der kræves til en given applikation, kan systemet tunes ved at justere blandingen, tilføjer han. For en vej med køretøjsopladning ville det være nødvendigt med meget hurtige opladnings- og afladningshastigheder, mens du til at forsyne et hjem "har hele dagen til at lade det op", så langsommere opladningsmateriale kunne bruges.

"Det faktum, at de indgående materialer er så let tilgængelige, åbner op for en ny måde at gentænke energilagringsløsninger på," fortæller Ulm Fysik verden. "Beton er, efter vand, det mest forbrugte materiale på Jorden, men det har en ikke ubetydelig miljøomkostning, da omkring 8% af verdensomspændende COXNUMX2 emissioner stammer fra de 4 gigaton af den årlige globale verdensomspændende produktion. Vores overordnede fokus var derfor at gøre konkret til et multifunktionelt materiale, der kunne give en yderligere brugbar samfundsfunktion.”

Energilagring er af afgørende betydning i dag, hvis vi skal dæmme op for virkningen af ​​klimaændringer, bemærker han, og tidligere undersøgelser har vist, at en cement-kulstofblanding kan bruges til at lave en elektronledende cement. Elektrisk ledningsevne er dog ikke nok til at lagre energi. "Vi antog, at hydrering af den hydrofile cement i nærvær af den hydrofobe carbon black naturligvis skulle give de to andre kriterier, der er nødvendige: opbevarings- og transportporøsitet," siger Ulm.

Forskernes umiddelbare fokus er at lave en superkondensator, der kan lagre samme mængde ladning som et 12V batteri. "Vi betragter denne enhed som den elementære mursten mod mere avancerede enheder," siger Ulm.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden