Tsemendil põhinev superkondensaator loob uudse energiasalvestussüsteemi – Physics World

Uus kulutõhus ja tõhus tahmast ja tsemendist valmistatud superkondensaator võib koguda päeva energiat hoone betoonvundamendis või pakkuda kontaktivaba laadimist elektriautodele, kui need mööda seda liiguvad. Seade võib hõlbustada ka taastuvate energiaallikate, nagu päikese-, tuule- ja loodeteenergia, kasutamist, vastavalt USA Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) ja Wyssi Instituudi teadlastele, kes selle välja töötasid.

Superkondensaatorid on tehniliselt tuntud kui elektrilised kahekihilised või elektrokeemilised kondensaatorid ning nende võimekus jääb akude ja tavaliste (dielektriliste) kondensaatorite omade vahele. Kuigi superkondensaatorid on laengu salvestamisel vähem head kui akud, on superkondensaatorid selles osas paremad kui tavalised kondensaatorid tänu poorsetele elektroodidele, mille pindala ulatub mitme ruutkilomeetrini. Kahekordne kiht, mis tekib selliste seadmete elektrolüüdi-elektroodi liidesel pinge rakendamisel, suurendab veelgi laengu hulka, mida nad suudavad salvestada.

Superkondensaatoritel on akude ees ka mõned eelised. Kui akude laadimine ja tühjendamine võib võtta tunde, siis superkondensaatorid teevad seda minutitega. Samuti on neil palju pikem eluiga, mis kestab pigem miljoneid tsükleid kui tuhandeid. Ja erinevalt akudest, mis töötavad keemiliste reaktsioonide kaudu, salvestavad superkondensaatorid energiat elektriliselt laetud ioonide kujul, mis kogunevad nende elektroodide pinnale.

Äärmiselt suur sisepind

Uus seade, mille on välja töötanud meeskond juhitud Franz-Josef Ulm, Admir Masic ja Yang-Shao Horn, sisaldab tsemendipõhist materjali, millel on äärmiselt suur sisepind. Uuritavad saavutasid selle, alustades tahma sisaldavast kuivast tsemendisegust, mis meenutab väga peent sütt. Sellele segule lisasid nad vett ja superplastifikaatoreid – standardset vett vähendavat lisandit betoonitootmises. Kui vesi reageerib tsemendiga, moodustab see struktuuri sees loomulikult hargneva pooride võrgustiku ja süsinik migreerub nendesse pooridesse, moodustades fraktalitaolise struktuuriga traatilisi filamente. Just see tihe, omavahel seotud võrgustruktuur annab materjalile ülisuure pinna.

“Värske materjali täidame plasttorudesse ja laseme neil vähemalt 28 päeva taheneda,” selgitab Ulm. "Seejärel lõikasime proovid elektroodi suurusteks tükkideks, leotame neid elektroode standardses elektrolüüdi lahuses (kaaliumkloriid) ja ehitame kahest isoleermembraaniga eraldatud elektroodist superkondensaatori."

Seejärel polariseerivad teadlased elektroodid, ühendades ühe elektroodi positiivse ja teise negatiivse laenguga. Laadimise ajal kogunevad positiivselt laetud ioonid elektrolüüdist negatiivse laenguga süsiniktraadile, negatiivselt laetud ioonid aga positiivselt laetud süsiniktraadile.

Päev energiat

Kui membraan on teel, ei saa laetud ioonid elektroodide vahel liikuda. See tasakaalustamatus tekitab ülijuhti laadiva elektrivälja. „Asjaolu, et mahuline traat täidab selle käsutuses oleva ruumi – mida me kinnitasime EDS-Ramani spektroskoopiaga – võimaldab meil salvestada palju energiat tahma ülisuurele pinnale,“ ütleb Ulm. "Kui me seejärel lahutame energiaallika superkondensaatorist, vabaneb salvestatud energia ja see võib seega pakkuda võimsust mitmesuguste rakenduste jaoks."

Vastavalt nende arvutustele, mida nad üksikasjalikult kirjeldavad PNAS, materjalist plokk mõõtmetega 45 m³ (vastab 3.55 m kuubikule), suudaks salvestada umbes 10 kWh energiat. See on umbes sama suur kui tavalise majapidamise keskmine päevane elektritarbimine. Seda süsinik-betoonkomposiiti sisaldava vundamendiga ehitatud maja võiks seega salvestada päeva energiat (näiteks päikesepaneelide abil toodetud) ja vajaduse korral seda vabastada. Materjali võib lisada ka vahelduvatesse elektrigeneraatoritesse, näiteks tuuleturbiinidesse, mis võivad seejärel oma baasides energiat salvestada ja seda puhkeperioodide ajal vabastada.

Teine potentsiaalne superkondensaatori rakendus – ehkki tipptasemel – oleks selle lisamine betoonteedele. Need superteed saaksid seejärel salvestada energiat (võib-olla toodetakse nende kõrval asuvate päikesepaneelide abil) ja edastada see elektromagnetilise induktsiooni kaudu mööduvatele elektrisõidukitele. See tehnoloogia on põhimõtteliselt sama, mis mobiiltelefonide juhtmevabaks laadimiseks, ja teadlaste sõnul saab seda kasutada ka elektrisõidukite laadimiseks, kui need ei liigu – näiteks parklas.

Nad lisavad, et lähiajalisemad kasutusvõimalused võivad olla elektrivõrgust kaugel asuvates hoonetes, mida saaks toita superkondensaatorite külge kinnitatud päikesepaneelide abil.

Väga skaleeritav süsteem

Ulm ütleb, et süsteem on väga skaleeritav, kuna energiasalvestusmaht suureneb võrdeliselt elektroodide mahuga. "Võite minna 1-millimeetri paksustelt elektroodidelt 1 meetri paksustele elektroodidele ja põhimõtteliselt saate seda tehes suurendada energiasalvestusvõimsust alates mõnesekundilise LED-i valgustamisest kuni terve maja toiteni," selgitab ta. Olenevalt konkreetse rakenduse jaoks vajalikest omadustest saaks süsteemi häälestada segu reguleerimisega, lisab ta. Sõidukite laadimise teel oleks vaja väga kiiret laadimis- ja tühjenemiskiirust, samas kui kodu toiteks on "laadimiseks aega terve päev", seega võiks kasutada aeglasemalt laadivat materjali.

Mittetoksilised superkondensaatorid on täielikult taaskasutatavad

"Asjaolu, et koostisosad on nii kergesti kättesaadavad, avab uue võimaluse energia salvestamise lahenduste ümbermõtestamiseks," ütleb Ulm. Füüsika maailm. „Betoon on peale vee kõige tarbitavam materjal Maal, kuid selle keskkonnakulu on märkimisväärne, kuna ligikaudu 8% kogu maailmas leiduvast süsinikdioksiidist₂ heitkogused tulenevad 4 gigatonnist ülemaailmsest aastasest toodangust. Seetõttu oli meie üldine eesmärk muuta betoonist multifunktsionaalne materjal, mis võiks pakkuda täiendavat kasulikku ühiskondlikku funktsiooni.

Ta märgib, et energia salvestamine on tänapäeval kriitilise tähtsusega, kui tahame kliimamuutuste mõju ohjeldada, ja varasemad uuringud on näidanud, et tsemendi-süsiniku segu saab kasutada elektroni juhtiva tsemendi valmistamiseks. Elektrijuhtivusest energia salvestamiseks aga ei piisa. "Me oletasime, et hüdrofiilse tsemendi hüdraatimine hüdrofoobse tahma juuresolekul peaks loomulikult tagama veel kaks vajalikku kriteeriumi: ladustamis- ja transpordipoorsus," ütleb Ulm.

Teadlaste esmane eesmärk on valmistada superkondensaator, mis suudab salvestada sama palju laengut kui 12 V aku. "Me peame seda seadet keerukamate seadmete jaoks elementaarseks telliseks, " ütleb Ulm.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• ChartPrime. Tõsta oma kauplemismängu ChartPrime'iga kõrgemale. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/cement-based-supercapacitor-makes-a-novel-energy-storage-system/