A cement alapú szuperkondenzátor új energiatároló rendszert hoz létre – a fizika világát

A cement alapú szuperkondenzátor új energiatároló rendszert hoz létre – a fizika világát

Időbélyeg: 25. augusztus 2023. 4:22

egy cement szuperkondenzátorokból álló alappal rendelkező ház egy nap energiát tud tárolni
Mivel az új „szuperkondenzátor” beton megőrizné szilárdságát, egy ilyen anyagú alapozású ház egy nap napelemek vagy szélmalmok által termelt energiát tárolhatna, és bármikor felhasználható lenne. (Jóvolt: Franz-Josef Ulm, Admir Masic és Yang-Shao Horn)

Egy új, költséghatékony és hatékony koromból és cementből készült szuperkondenzátor egy nap energiáját tárolhatja az épület betonalapzatában, vagy érintésmentesen töltheti fel az elektromos autókat, miközben áthaladnak rajta. A készüléket a Massachusetts Institute of Technology (MIT) és a Wyss Institute kutatói szerint is megkönnyítheti a megújuló energiaforrások, például a nap-, szél- és árapály-energia felhasználása.

A szuperkondenzátorokat technikailag elektromos kétrétegű vagy elektrokémiai kondenzátoroknak nevezik, és képességeik valahol az akkumulátorok és a hagyományos (dielektromos) kondenzátorok közé esnek. Bár kevésbé alkalmasak a töltés tárolására, mint az akkumulátorok, a szuperkondenzátorok ebben a tekintetben jobbak, mint a hagyományos kondenzátorok porózus elektródáiknak köszönhetően, amelyek felülete több négyzetkilométer is lehet. Az ilyen eszközök elektrolit-elektróda interfészén feszültség hatására kialakuló kettős réteg tovább növeli a tárolható töltés mennyiségét.

A szuperkondenzátoroknak is van néhány előnyük az akkumulátorokhoz képest. Míg az akkumulátorok feltöltése és kisütése órákig is eltarthat, a szuperkondenzátorok ezt percek alatt teszik meg. Élettartamuk is sokkal hosszabb, több millió ciklus helyett több ezer. És ellentétben az akkumulátorokkal, amelyek kémiai reakciókon keresztül működnek, a szuperkondenzátorok az energiát elektromosan töltött ionok formájában tárolják, amelyek az elektródáik felületén gyűlnek össze.

Rendkívül nagy belső felület

Az új eszköz, amelyet egy csapat fejlesztett ki Franz-Josef Ulm, Admir Masic és a Yang-Shao Horn, cement alapú anyagot tartalmaz, amely rendkívül nagy belső felülettel büszkélkedhet. A kutatók ezt úgy érték el, hogy egy nagyon finom szénre emlékeztető kormot tartalmazó száraz cementkeverékkel kezdtek. Ehhez a keverékhez vizet és szuperlágyítókat adtak – a betongyártásban szokásos vízcsökkentő adalékanyagot. Ahogy a víz reakcióba lép a cementtel, az természetes módon elágazó pórushálózatot képez a szerkezeten belül, és a szén ezekbe a pórusokba vándorol, és fraktálszerű szerkezetű drótszálakat képez. Ez a sűrű, összefüggő, hálózati struktúra biztosítja az anyag rendkívül nagy felületét.

„A friss anyagot műanyag csövekbe töltjük, és legalább 28 napig hagyjuk megszilárdulni” – magyarázza Ulm. "Ezután a mintákat elektróda méretű darabokra vágjuk, ezeket az elektródákat standard elektrolit oldatba (kálium-klorid) áztatjuk, és szuperkondenzátort építünk két szigetelő membránnal elválasztott elektródából."

A kutatók ezután polarizálják az elektródákat úgy, hogy az egyik elektródát pozitív, a másikat pedig negatív töltéshez kapcsolják. A töltés során az elektrolitból származó pozitív töltésű ionok a negatív töltésű volumetrikus szénszálon, míg a negatív töltésű ionok a pozitív töltésű szénszálon halmozódnak fel.

Egy nap energiája

Ha a membrán útban van, a töltött ionok nem tudnak mozogni az elektródák között. Ez a kiegyensúlyozatlanság hozza létre az elektromos mezőt, amely feltölti a szupravezetőt. „Az a tény, hogy a térfogati huzal kitölti a rendelkezésére álló teret – amit az EDS-Raman spektroszkópiával igazoltunk – lehetővé teszi, hogy sok energiát tároljunk a korom rendkívül nagy felületén” – mondja Ulm. "Amikor leválasztjuk az energiaforrást a szuperkondenzátorról, a tárolt energia felszabadul, és így számos alkalmazáshoz képes energiát biztosítani."

Az általuk részletezett számításaik szerint PNAS, egy 45 m méretű anyagtömb3 (3.55 m-es kockának felel meg), körülbelül 10 kWh energiát tudna tárolni. Ez nagyjából megegyezik egy tipikus háztartás átlagos napi áramfogyasztásával. Egy ilyen szén-beton kompozitot tartalmazó alapokkal épített ház tehát egy nap energiáját képes tárolni – például napelemekkel –, és szükség esetén leadni. Az anyagot szakaszos villamosenergia-termelőkbe, például szélturbinákba is beépíthetik, amelyek aztán energiát tárolhatnak az alapjaikban, és felszabadíthatják azt a leállási időszakokban.

A szuperkondenzátor másik lehetséges alkalmazása – bár csúcskategóriás – az lenne, ha betonutakra adnák. Ezek a szuperutak azután tárolhatnák az energiát (talán a mellettük elhelyezett napelemek termelik), és elektromágneses indukción keresztül eljuttathatják az elhaladó elektromos járművekhez. Ez a technológia alapvetően megegyezik a mobiltelefonok vezeték nélküli töltésére használt technológiával, és a kutatók szerint az elektromos járművek újratöltésére is használható, amikor azok nem mozognak – például egy parkolóban.

Hozzáteszik, hogy rövidebb távon a villamosenergia-hálózattól távolabbi épületekben valósulhatnak meg a felhasználások, amelyeket a szuperkondenzátorokhoz csatlakoztatott napelemekkel lehetne táplálni.

Nagyon skálázható rendszer

A rendszer nagyon skálázható, mondja Ulm, mivel az energiatároló kapacitás az elektródák térfogatával arányosan nő. „Az 1 milliméter vastag elektródákról az 1 méter vastag elektródákra válthat, és ezzel alapvetően az energiatároló kapacitást skálázhatja a LED néhány másodperces világításától az egész ház áramellátásáig” – magyarázza. Az adott alkalmazáshoz szükséges tulajdonságoktól függően a keverék beállításával hangolható a rendszer – teszi hozzá. Egy járműtöltő úton nagyon gyors töltési és kisütési sebességre lenne szükség, míg az otthoni áramellátáshoz „egész nap van a feltöltésre”, így lassabb töltésű anyagokat lehetne használni.

„Az a tény, hogy az összetevők olyan könnyen hozzáférhetőek, új utat nyit az energiatárolási megoldások újragondolásához” – mondja Ulm Fizika Világa. „A beton a víz után a legtöbbet fogyasztott anyag a Földön, de nem elhanyagolható környezetvédelmi költséggel jár, mivel a világ szén-dioxid-kibocsátásának nagyjából 8%-a2 A kibocsátás az éves globális világtermelés 4 gigatonnájából származik. Átfogó célunk tehát az volt, hogy a betont olyan többfunkciós anyaggá tegyük, amely további hasznos társadalmi funkciót tölthet be.”

Az energiatárolás kritikus jelentőségű manapság, ha meg akarjuk fékezni az éghajlatváltozás hatását, jegyzi meg, és korábbi tanulmányok is kimutatták, hogy a cement-szén keverékből elektronvezető cementet lehet készíteni. Az elektromos vezetőképesség azonban nem elegendő az energia tárolására. „Feltételeztük, hogy a hidrofil cement hidrofób korom jelenlétében történő hidratálása természetesen biztosítsa a két másik szükséges kritériumot: a tárolási és szállítási porozitást” – mondja Ulm.

A kutatók közvetlen célja egy olyan szuperkondenzátor elkészítése, amely ugyanannyi töltést képes tárolni, mint egy 12 V-os akkumulátor. „Ezt az eszközt a fejlettebb eszközök alapvető elemének tekintjük” – mondja Ulm.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa