Sementbasert superkondensator lager et nytt energilagringssystem – Physics World

Sementbasert superkondensator lager et nytt energilagringssystem – Physics World

Tidsstempel: 25. august 2023 kl.4: 22

et hus med et fundament laget av sement-superkondensatorer kunne lagre en dags energi
Siden den nye "superkondensatoren"-betongen vil beholde sin styrke, kan et hus med fundament laget av dette materialet lagre en dags energi produsert av solcellepaneler eller vindmøller, og la det brukes når det trengs. (Med tillatelse: Franz-Josef Ulm, Admir Masic og Yang-Shao Horn)

En ny kostnadseffektiv og effektiv superkondensator laget av carbon black og sement kan lagre en dags energi i betongfundamentet til en bygning eller gi kontaktløs opplading for elbiler når de kjører over den. Enheten kan også lette bruken av fornybare energikilder som sol-, vind- og tidevannskraft, ifølge forskerne ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Wyss Institute, begge i USA, som utviklet den.

Superkondensatorer er teknisk kjent som elektriske dobbeltlags eller elektrokjemiske kondensatorer, og deres evner faller et sted mellom batterier og konvensjonelle (dielektriske) kondensatorer. Selv om de er mindre gode til å lagre ladning enn batterier, er superkondensatorer bedre enn konvensjonelle kondensatorer i denne forbindelse takket være deres porøse elektroder, som har overflatearealer så store som flere kvadratkilometer. Det doble laget som dannes ved elektrolytt-elektrode-grensesnittet til slike enheter når en spenning påføres, øker ytterligere mengden ladning de kan lagre.

Superkondensatorer har også noen fordeler fremfor batterier. Mens batterier kan ta timer å lade og utlades, gjør superkondensatorer det på minutter. De har også en mye lengre levetid, som varer i millioner av sykluser i stedet for tusenvis. Og i motsetning til batterier, som fungerer gjennom kjemiske reaksjoner, lagrer superkondensatorer energi i form av elektrisk ladede ioner som samles på overflaten av elektrodene deres.

Ekstremt høy indre overflate

Den nye enheten, utviklet av et team ledet av Franz-Josef Ulm, Admir Masic og Yang-Shao Horn, inneholder et sementbasert materiale som har en ekstremt høy indre overflate. De undersøkte oppnådde dette ved å starte med en tørr sementblanding som inneholder kjønrøk, som ligner veldig fint trekull. Til denne blandingen tilsatte de vann og supermyknere – en standard vannreduserende blanding i betongproduksjon. Når vannet reagerer med sementen, danner det naturlig et forgrenet nettverk av porer inne i strukturen, og karbonet migrerer inn i disse porene for å danne trådformede filamenter med en fraktallignende struktur. Det er denne tette, sammenkoblede nettverksstrukturen som gir materialet sitt ekstremt store overflateareal.

"Vi fyller det ferske materialet i plastrør og lar dem herde i minst 28 dager," forklarer Ulm. "Vi kutter deretter prøvene i elektrodestørrelser, bløtlegger disse elektrodene i en standard elektrolyttløsning (kaliumklorid) og bygger en superkondensator av to elektroder atskilt med en isolerende membran."

Forskerne polariserer deretter elektrodene ved å koble en elektrode til en positiv ladning og den andre til en negativ ladning. Under lading akkumuleres positivt ladede ioner fra elektrolytten på den negativt ladede volumetriske karbonledningen, mens negativt ladede ioner akkumuleres på den positivt ladede karbonledningen.

En dags energi

Med membranen i veien kan ikke de ladede ionene bevege seg mellom elektrodene. Denne ubalansen produserer det elektriske feltet som lader superlederen. "Det faktum at den volumetriske ledningen fyller plassen som er tilgjengelig for den - noe vi bekreftet med EDS-Raman-spektroskopi - gjør at vi kan lagre mye energi på den ekstremt store overflaten av carbon black," sier Ulm. "Når vi så kobler energikilden fra superkondensatoren, frigjøres den lagrede energien, og kan dermed gi kraft til en rekke bruksområder."

I følge deres beregninger, som de detaljerer i PNAS, en blokk av materialet som måler 45 m3 (tilsvarer en 3.55 m kube), ville kunne lagre ca. 10 kWh energi. Dette er omtrent det samme som det gjennomsnittlige daglige strømforbruket til en vanlig husholdning. Et hus bygget med fundamenter som inneholder denne kompositten av karbonbetong kan derfor lagre en dags energi – produsert av for eksempel solcellepaneler – og frigjøre den når det trengs. Materialet kan også innlemmes i periodiske elektrisitetsgeneratorer som vindturbiner, som deretter kan lagre energi i basene og frigjøre den i nede perioder.

En annen potensiell applikasjon for superkondensatoren - om enn en avansert en - ville være å legge den til betongveier. Disse superveiene kan deretter lagre energi (kanskje produsert av solcellepaneler plassert ved siden av dem) og levere den til passerende elektriske kjøretøy via elektromagnetisk induksjon. Denne teknologien er i bunn og grunn den samme som brukes til å lade mobiltelefoner trådløst, og forskerne sier at den også kan brukes til å lade elektriske kjøretøy når de ikke beveger seg - for eksempel på en parkeringsplass.

Mer kortsiktig bruk, legger de til, kan være i bygninger langt fra strømnettet, som kan drives ved hjelp av solcellepaneler festet til superkondensatorene.

Veldig skalerbart system

Systemet er veldig skalerbart, sier Ulm, siden energilagringskapasiteten øker proporsjonalt med volumet på elektrodene. "Du kan gå fra 1 millimeter tykke elektroder til 1 meter tykke elektroder, og ved å gjøre det kan du i utgangspunktet skalere energilagringskapasiteten fra å tenne en LED i noen sekunder til å drive et helt hus," forklarer han. Avhengig av egenskapene som kreves for en gitt applikasjon, kan systemet justeres ved å justere blandingen, legger han til. For en vei med kjøretøy som lades, ville det være nødvendig med svært raske lade- og utladingshastigheter, mens for å drive et hjem "har du hele dagen til å lade det opp," så materiale som kan lades tregere.

"Det faktum at de inngående materialene er så lett tilgjengelige åpner for en ny måte å tenke nytt på energilagringsløsninger," forteller Ulm Fysikkens verden. "Betong er, etter vann, det mest forbrukte materialet på jorden, men det kommer til en ikke-ubetydelig miljøkostnad, siden omtrent 8 % av verdensomspennende CO2 utslippene kommer fra de 4 gigatonnene av den årlige globale verdensomspennende produksjonen. Vårt overordnede fokus var derfor å gjøre konkret til et multifunksjonelt materiale som kunne gi en ekstra nyttig samfunnsfunksjon."

Energilagring er av avgjørende betydning i dag hvis vi skal dempe virkningen av klimaendringer, bemerker han, og tidligere studier har vist at en sement-karbonblanding kan brukes til å lage en elektronledende sement. Elektrisk ledningsevne er imidlertid ikke nok til å lagre energi. "Vi antok at hydratisering av den hydrofile sementen i nærvær av den hydrofobe kjønrøk naturlig burde gi de to andre kriteriene som trengs: lagrings- og transportporøsitet," sier Ulm.

Forskernes umiddelbare fokus er å lage en superkondensator som kan lagre like mye ladning som et 12V batteri. "Vi anser denne enheten som den grunnleggende mursteinen mot mer avanserte enheter," sier Ulm.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden