시멘트 기반 슈퍼커패시터가 새로운 에너지 저장 시스템을 만든다 – Physics World

카본 블랙과 시멘트로 만든 새로운 비용 효율적이고 효율적인 슈퍼커패시터는 건물의 콘크리트 기초에 하루 분량의 에너지를 저장하거나 전기 자동차가 건물 위를 이동할 때 비접촉 충전을 제공할 수 있습니다. 이 장치를 개발한 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)과 Wyss 연구소의 연구원에 따르면 이 장치는 태양광, 풍력, 조력과 같은 재생 에너지원의 사용을 촉진할 수도 있다고 합니다.

슈퍼커패시터는 기술적으로 전기 이중층 또는 전기화학적 커패시터로 알려져 있으며 그 성능은 배터리와 기존(유전체) 커패시터의 성능 사이에 속합니다. 슈퍼커패시터는 배터리보다 전하를 저장하는 능력은 떨어지지만 표면적이 수 평방 킬로미터에 달하는 다공성 전극 덕분에 기존 커패시터보다 우수합니다. 전압이 가해질 때 이러한 장치의 전해질-전극 경계면에 형성되는 이중층은 저장할 수 있는 전하량을 더욱 증가시킵니다.

슈퍼커패시터는 배터리에 비해 몇 가지 장점도 있습니다. 배터리는 충전하고 방전하는 데 몇 시간이 걸리는 반면, 슈퍼커패시터는 몇 분 안에 완료합니다. 또한 수명이 훨씬 길어 수천 주기가 아닌 수백만 주기 동안 지속됩니다. 화학 반응을 통해 작동하는 배터리와 달리 슈퍼커패시터는 전극 표면에 조립되는 전하를 띤 이온 형태로 에너지를 저장합니다.

매우 높은 내부 표면적

가 이끄는 팀이 개발한 새로운 장치 프란츠-요제프 울름, 어드미르 매직 및 양샤오 혼, 매우 높은 내부 표면적을 자랑하는 시멘트 기반 소재를 함유하고 있습니다. 연구진은 매우 미세한 숯과 유사한 카본 블랙을 함유한 건조 시멘트 혼합물로 시작하여 이를 달성했습니다. 이 혼합물에 그들은 물과 콘크리트 생산의 표준 감수제인 고성능감수제를 첨가했습니다. 물이 시멘트와 반응하면 자연적으로 구조 내에서 기공의 분기 네트워크가 형성되고, 탄소는 이러한 기공으로 이동하여 프랙탈과 같은 구조를 가진 철사 같은 필라멘트를 형성합니다. 매우 큰 표면적을 가진 재료를 제공하는 것은 조밀하고 상호 연결된 네트워크 구조입니다.

“우리는 새로운 재료를 플라스틱 튜브에 채우고 최소 28일 동안 굳힙니다.”라고 Ulm은 설명합니다. 그런 다음 샘플을 전극 크기의 덩어리로 자르고 이 전극을 표준 전해질 용액(염화칼륨)에 담근 다음 절연막으로 분리된 두 개의 전극으로 슈퍼커패시터를 만듭니다."

그런 다음 연구원들은 한 전극을 양전하에 연결하고 다른 전극을 음전하에 연결하여 전극을 분극화합니다. 충전하는 동안 전해질의 양전하 이온은 음전하를 띤 체적 탄소 와이어에 축적되고, 음전하 이온은 양전하를 띤 탄소 와이어에 축적됩니다.

하루의 에너지

막이 방해가 되면 하전된 이온이 전극 사이를 이동할 수 없습니다. 이러한 불균형은 초전도체를 충전하는 전기장을 생성합니다. Ulm은 “용적 와이어가 사용 가능한 공간을 채우고 있다는 사실(EDS-Raman 분광학을 통해 확인한 사실)은 카본 블랙의 매우 넓은 표면에 많은 에너지를 저장할 수 있게 해준다”고 말했습니다. “슈퍼커패시터에서 에너지원을 분리하면 저장된 에너지가 방출되어 다양한 응용 분야에 전력을 공급할 수 있습니다.”

그들이 자세히 설명하는 계산에 따르면 PNAS, 45m 크기의 재료 블록³ (3.55m 큐브에 해당) 약 10kWh의 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 일반 가정의 일일 평균 전력 소비량과 거의 같습니다. 따라서 이 탄소-콘크리트 복합재를 포함하는 기초로 지어진 집은 예를 들어 태양광 패널에서 생성된 하루 분량의 에너지를 저장하고 필요할 때 방출할 수 있습니다. 또한 이 물질은 풍력 터빈과 같은 간헐적 발전기에 통합되어 에너지를 베이스에 저장했다가 정지 기간 동안 방출할 수 있습니다.

슈퍼커패시터의 또 다른 잠재적 응용 분야는 비록 고급형이지만 콘크리트 도로에 추가하는 것입니다. 그러면 이러한 슈퍼로드는 에너지(아마도 옆에 위치한 태양광 패널에서 생성됨)를 저장하고 전자기 유도를 통해 지나가는 전기 자동차에 전달할 수 있습니다. 이 기술은 기본적으로 휴대폰을 무선으로 충전하는 데 사용되는 기술과 동일하며, 연구원들은 전기 자동차가 움직이지 않을 때(예: 주차장에서) 전기 자동차를 충전하는 데에도 사용할 수 있다고 말합니다.

더 단기적인 용도는 슈퍼커패시터에 부착된 태양광 패널을 사용하여 전력을 공급할 수 있는 전력망에서 멀리 떨어진 건물에서 사용될 수 있다고 덧붙였습니다.

확장성이 뛰어난 시스템

에너지 저장 용량이 전극의 부피에 비례하여 증가하기 때문에 이 시스템은 확장성이 매우 높다고 Ulm은 말합니다. “1밀리미터 두께의 전극에서 1미터 두께의 전극으로 갈 수 있으며, 그렇게 함으로써 기본적으로 몇 초 동안 LED를 켜는 것부터 집 전체에 전력을 공급하는 것까지 에너지 저장 용량을 확장할 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다. 주어진 응용 분야에 필요한 특성에 따라 혼합물을 조정하여 시스템을 조정할 수 있다고 그는 덧붙입니다. 차량을 충전하는 도로의 경우 매우 빠른 충전 및 방전 속도가 필요한 반면, 집에 전력을 공급하려면 "하루 종일 충전해야" 하므로 느린 충전 재료를 사용할 수 있습니다.

무독성 슈퍼커패시터는 완전히 재활용 가능합니다.

"구성 재료를 매우 쉽게 사용할 수 있다는 사실은 에너지 저장 솔루션을 다시 생각하는 새로운 방법을 열어줍니다."라고 Ulm은 말합니다. 물리 세계. “콘크리트는 물 다음으로 지구상에서 가장 많이 소비되는 물질이지만 무시할 수 없는 환경 비용이 발생합니다. 전 세계 CO의 약 8%가 배출되기 때문입니다.₂ 배출량은 전 세계 연간 생산량 중 4기가톤에 달합니다. 따라서 우리의 전반적인 초점은 콘크리트를 추가적인 유용한 사회적 기능을 제공할 수 있는 다기능 재료로 만드는 것이었습니다.”

그는 기후 변화의 영향을 억제하려면 오늘날 에너지 저장이 매우 중요하다고 지적하며, 이전 연구에서는 시멘트-탄소 혼합물을 사용하여 전자 전도성 시멘트를 만들 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 전기 전도도는 에너지를 저장하기에 충분하지 않습니다. “우리는 소수성 카본 블랙이 있는 상태에서 친수성 시멘트를 수화하는 것이 저장 및 수송 다공성이라는 두 가지 다른 필수 기준을 자연스럽게 제공해야 한다는 가설을 세웠습니다.”라고 Ulm은 말했습니다.

연구진의 즉각적인 초점은 12V 배터리와 동일한 양의 전하량을 저장할 수 있는 슈퍼커패시터를 만드는 것입니다. Ulm은 "우리는 이 장치를 고급 장치를 향한 기본 벽돌로 간주합니다."라고 말합니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/cement-based-supercapacitor-makes-a-novel-energy-storage-system/