Ο υπερπυκνωτής με βάση το τσιμέντο δημιουργεί ένα νέο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας - Physics World

Ο υπερπυκνωτής με βάση το τσιμέντο δημιουργεί ένα νέο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας - Physics World

Χρονική σήμανση: 25 Αυγούστου 2023 4:22 π.μ.

ένα σπίτι με θεμέλιο από υπερπυκνωτές τσιμέντου θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια μιας ημέρας
Δεδομένου ότι το νέο σκυρόδεμα «υπερπυκνωτών» θα διατηρήσει τη δύναμή του, ένα σπίτι με θεμέλια από αυτό το υλικό θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια που παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες ή ανεμόμυλους ημερησίως και να του επιτρέψει να χρησιμοποιηθεί όποτε χρειαστεί. (Ευγενική προσφορά: Franz-Josef Ulm, Admir Masic και Yang-Shao Horn)

Ένας νέος οικονομικά αποδοτικός και αποδοτικός υπερπυκνωτής κατασκευασμένος από αιθάλη και τσιμέντο θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια μιας ημέρας στη τσιμεντένια βάση ενός κτιρίου ή να παρέχει ανέπαφη επαναφόρτιση για ηλεκτρικά αυτοκίνητα καθώς ταξιδεύουν σε αυτό. Η συσκευή θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή, η αιολική και η παλιρροιακή ενέργεια, σύμφωνα με τους ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) και του Ινστιτούτου Wyss, αμφότερες στις ΗΠΑ, που την ανέπτυξαν.

Οι υπερπυκνωτές είναι τεχνικά γνωστοί ως ηλεκτρικοί πυκνωτές διπλής στρώσης ή ηλεκτροχημικοί και οι δυνατότητές τους εμπίπτουν κάπου μεταξύ αυτών των μπαταριών και των συμβατικών (διηλεκτρικών) πυκνωτών. Αν και λιγότερο καλοί στην αποθήκευση φορτίου από τις μπαταρίες, οι υπερπυκνωτές είναι καλύτεροι από τους συμβατικούς πυκνωτές από αυτή την άποψη χάρη στα πορώδη ηλεκτρόδιά τους, τα οποία έχουν επιφάνειες τόσο μεγάλες όσο αρκετά τετραγωνικά χιλιόμετρα. Το διπλό στρώμα που σχηματίζεται στη διεπαφή ηλεκτρολύτη-ηλεκτροδίου τέτοιων συσκευών όταν εφαρμόζεται τάση αυξάνει περαιτέρω την ποσότητα φόρτισης που μπορούν να αποθηκεύσουν.

Οι υπερπυκνωτές έχουν επίσης κάποια πλεονεκτήματα σε σχέση με τις μπαταρίες. Ενώ οι μπαταρίες μπορεί να χρειαστούν ώρες για να φορτιστούν και να αποφορτιστούν, οι υπερπυκνωτές το κάνουν μέσα σε λίγα λεπτά. Έχουν επίσης πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, που διαρκεί για εκατομμύρια κύκλους αντί για χιλιάδες. Και σε αντίθεση με τις μπαταρίες, οι οποίες λειτουργούν μέσω χημικών αντιδράσεων, οι υπερπυκνωτές αποθηκεύουν ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρικά φορτισμένων ιόντων που συγκεντρώνονται στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων τους.

Εξαιρετικά υψηλή εσωτερική επιφάνεια

Η νέα συσκευή, που αναπτύχθηκε από μια ομάδα με επικεφαλής τον Franz-Josef Ulm, Admir Masic και Γιανγκ-Σάο Χορν, περιέχει ένα υλικό με βάση το τσιμέντο που διαθέτει εξαιρετικά υψηλή εσωτερική επιφάνεια. Οι ερευνητές το πέτυχαν ξεκινώντας με ένα ξηρό μίγμα τσιμέντου που περιέχει αιθάλη, που μοιάζει με πολύ λεπτό κάρβουνο. Σε αυτό το μείγμα, πρόσθεσαν νερό και υπερρευστοποιητές - ένα τυπικό πρόσμικτο που μειώνει το νερό στην παραγωγή σκυροδέματος. Καθώς το νερό αντιδρά με το τσιμέντο, σχηματίζει φυσικά ένα διακλαδισμένο δίκτυο πόρων εντός της δομής και ο άνθρακας μεταναστεύει σε αυτούς τους πόρους για να σχηματίσει συρμάτινα νήματα με δομή που μοιάζει με φράκταλ. Αυτή η πυκνή, διασυνδεδεμένη, δικτυακή δομή είναι που παρέχει στο υλικό την εξαιρετικά μεγάλη επιφάνεια του.

«Γεμίζουμε το φρέσκο ​​υλικό σε πλαστικούς σωλήνες και τους αφήνουμε να σκληρύνουν για τουλάχιστον 28 ημέρες», εξηγεί η Ulm. «Στη συνέχεια κόβουμε τα δείγματα σε κομμάτια μεγέθους ηλεκτροδίου, εμποτίζουμε αυτά τα ηλεκτρόδια σε ένα τυπικό διάλυμα ηλεκτρολύτη (χλωριούχο κάλιο) και κατασκευάζουμε έναν υπερπυκνωτή από δύο ηλεκτρόδια που χωρίζονται από μια μονωτική μεμβράνη».

Οι ερευνητές στη συνέχεια πολώνουν τα ηλεκτρόδια συνδέοντας το ένα ηλεκτρόδιο με ένα θετικό φορτίο και το άλλο με ένα αρνητικό φορτίο. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, τα θετικά φορτισμένα ιόντα από τον ηλεκτρολύτη συσσωρεύονται στο αρνητικά φορτισμένο ογκομετρικό σύρμα άνθρακα, ενώ τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα συσσωρεύονται στο θετικά φορτισμένο σύρμα άνθρακα.

Ενέργεια μιας ημέρας

Με τη μεμβράνη στο δρόμο, τα φορτισμένα ιόντα δεν μπορούν να μετακινηθούν μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αυτή η ανισορροπία παράγει το ηλεκτρικό πεδίο που φορτίζει τον υπεραγωγό. "Το γεγονός ότι το ογκομετρικό σύρμα γεμίζει τον διαθέσιμο χώρο - κάτι που επιβεβαιώσαμε με τη φασματοσκοπία EDS-Raman - μας επιτρέπει να αποθηκεύουμε πολλή ενέργεια στην εξαιρετικά μεγάλη επιφάνεια της αιθάλης", λέει ο Ulm. «Όταν στη συνέχεια αποσυνδέουμε την πηγή ενέργειας από τον υπερπυκνωτή, η αποθηκευμένη ενέργεια απελευθερώνεται και μπορεί έτσι να παρέχει την ισχύ για μια ποικιλία εφαρμογών».

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, τους οποίους αναλύουν PNAS, ένα μπλοκ του υλικού διαστάσεων 45 μ3 (ισοδύναμο με έναν κύβο 3.55 m), θα μπορούσε να αποθηκεύσει περίπου 10 kWh ενέργειας. Αυτό είναι περίπου το ίδιο με τη μέση ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ενός τυπικού νοικοκυριού. Ένα σπίτι χτισμένο με θεμέλια που περιέχουν αυτό το σύνθετο υλικό άνθρακα-μπετόν θα μπορούσε επομένως να αποθηκεύσει ενέργεια μιας ημέρας – που παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες, για παράδειγμα – και να την απελευθερώσει όταν χρειάζεται. Το υλικό μπορεί επίσης να ενσωματωθεί σε διακοπτόμενες γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας, όπως οι ανεμογεννήτριες, οι οποίες στη συνέχεια θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν ενέργεια στις βάσεις τους και να την απελευθερώσουν κατά τη διάρκεια περιόδων διακοπής.

Μια άλλη πιθανή εφαρμογή για τον υπερπυκνωτή – αν και υψηλού επιπέδου – θα ήταν η προσθήκη του σε τσιμεντένια οδοστρώματα. Αυτοί οι σούπερ δρόμοι θα μπορούσαν στη συνέχεια να αποθηκεύσουν ενέργεια (ίσως παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες που βρίσκονται δίπλα τους) και να την παραδώσουν στα διερχόμενα ηλεκτρικά οχήματα μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Αυτή η τεχνολογία είναι ουσιαστικά η ίδια με αυτήν που χρησιμοποιείται για την ασύρματη επαναφόρτιση κινητών τηλεφώνων και οι ερευνητές λένε ότι θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την επαναφόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων όταν δεν κινούνται — σε χώρο στάθμευσης, για παράδειγμα.

Περισσότερες βραχυπρόθεσμες χρήσεις, προσθέτουν, μπορεί να είναι σε κτίρια μακριά από το ηλεκτρικό δίκτυο, τα οποία θα μπορούσαν να τροφοδοτηθούν χρησιμοποιώντας ηλιακούς συλλέκτες συνδεδεμένους στους υπερπυκνωτές.

Πολύ επεκτάσιμο σύστημα

Το σύστημα είναι πολύ επεκτάσιμο, λέει ο Ulm, καθώς η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας αυξάνεται ανάλογα με τον όγκο των ηλεκτροδίων. «Μπορείτε να μεταβείτε από ηλεκτρόδια πάχους 1 χιλιοστού σε ηλεκτρόδια πάχους 1 μέτρου και με αυτόν τον τρόπο βασικά μπορείτε να κλιμακώσετε τη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας από το άναμμα ενός LED για λίγα δευτερόλεπτα μέχρι την τροφοδοσία ενός ολόκληρου σπιτιού», εξηγεί. Ανάλογα με τις ιδιότητες που απαιτούνται για μια δεδομένη εφαρμογή, το σύστημα θα μπορούσε να ρυθμιστεί ρυθμίζοντας το μείγμα, προσθέτει. Για έναν δρόμο με φόρτιση οχημάτων, θα χρειάζονταν πολύ γρήγοροι ρυθμοί φόρτισης και εκφόρτισης, ενώ για την τροφοδοσία ενός σπιτιού «έχετε όλη την ημέρα για να το φορτίσετε», επομένως θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί υλικό πιο αργής φόρτισης.

"Το γεγονός ότι τα συστατικά υλικά είναι τόσο εύκολα διαθέσιμα ανοίγει έναν νέο τρόπο για να ξανασκεφτούμε λύσεις αποθήκευσης ενέργειας", λέει ο Ulm Κόσμος Φυσικής. «Το σκυρόδεμα είναι, μετά το νερό, το υλικό με τη μεγαλύτερη κατανάλωση στη Γη, αλλά έχει ένα μη αμελητέο περιβαλλοντικό κόστος, αφού περίπου το 8% του παγκόσμιου COXNUMX2 οι εκπομπές προκύπτουν από τους 4 γιγατόνους της ετήσιας παγκόσμιας παραγωγής. Ως εκ τούτου, η συνολική μας εστίαση ήταν να κάνουμε το σκυρόδεμα ένα πολυλειτουργικό υλικό που θα μπορούσε να προσφέρει μια επιπλέον χρήσιμη κοινωνική λειτουργία».

Η αποθήκευση ενέργειας είναι κρίσιμης σημασίας σήμερα, αν θέλουμε να περιορίσουμε τον αντίκτυπο της κλιματικής αλλαγής, σημειώνει, και προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι ένα μείγμα τσιμέντου-άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός τσιμέντου που αγώγει τα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, η ηλεκτρική αγωγιμότητα δεν είναι αρκετή για την αποθήκευση ενέργειας. «Υποθέσαμε ότι η ενυδάτωση του υδρόφιλου τσιμέντου παρουσία της υδρόφοβης αιθάλης θα πρέπει φυσικά να παρέχει τα δύο άλλα κριτήρια που χρειάζονται: πορώδες αποθήκευσης και μεταφοράς», λέει ο Ulm.

Η άμεση εστίαση των ερευνητών είναι να φτιάξουν έναν υπερπυκνωτή που μπορεί να αποθηκεύσει την ίδια ποσότητα φόρτισης με μια μπαταρία 12 V. «Θεωρούμε αυτή τη συσκευή ως το βασικό τούβλο προς πιο προηγμένες συσκευές», λέει ο Ulm.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής