Supercondensatorul pe bază de ciment face un nou sistem de stocare a energiei – Physics World

Supercondensatorul pe bază de ciment face un nou sistem de stocare a energiei – Physics World

Marca temporală: 25 august 2023 4:22

o casă cu o fundație făcută din supercondensatori de ciment ar putea stoca energie pentru o zi
Deoarece noul beton „supercondensator” și-ar păstra rezistența, o casă cu o fundație realizată din acest material ar putea stoca o zi de energie produsă de panouri solare sau de morile de vânt și ar putea să fie folosită ori de câte ori este nevoie. (Cu amabilitatea: Franz-Josef Ulm, Admir Masic și Yang-Shao Horn)

Un nou supercondensator rentabil și eficient, realizat din negru de fum și ciment, ar putea stoca energie pentru o zi în fundația de beton a unei clădiri sau ar putea oferi reîncărcare fără contact pentru mașinile electrice în timp ce traversează ea. Dispozitivul ar putea facilita, de asemenea, utilizarea surselor de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară, eoliană și mareală, potrivit cercetătorilor de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) și de la Wyss Institute, ambele din SUA, care l-au dezvoltat.

Supercondensatorii sunt cunoscuți din punct de vedere tehnic ca condensatori electrici cu două straturi sau condensatori electrochimici, iar capacitățile lor se situează undeva între cele ale bateriilor și ale condensatoarelor (dielectrice) convenționale. Deși mai puțin buni la stocarea încărcăturii decât bateriile, supercondensatorii sunt mai buni decât condensatorii convenționali în această privință datorită electrozilor lor poroși, care au suprafețe mari de câțiva kilometri pătrați. Stratul dublu care se formează la interfața electrolit-electrod a unor astfel de dispozitive atunci când se aplică o tensiune crește și mai mult cantitatea de încărcare pe care o pot stoca.

Supercondensatorii au și unele avantaje față de baterii. În timp ce bateriile pot dura ore să se încarce și să se descarce, supercondensatorii o fac în câteva minute. Ele au, de asemenea, o durată de viață mult mai lungă, care durează mai degrabă milioane de cicluri decât mii. Și spre deosebire de baterii, care funcționează prin reacții chimice, supercondensatoarele stochează energie sub formă de ioni încărcați electric care se adună pe suprafețele electrozilor lor.

Suprafață internă extrem de mare

Noul dispozitiv, dezvoltat de o echipă condusă de Franz-Josef Ulm, Admir Masic și Yang-Shao Corn, contine un material pe baza de ciment care se lauda cu o suprafata interioara extrem de mare. Cercetații au realizat acest lucru pornind cu un amestec uscat de ciment care conține negru de fum, care seamănă cu cărbunele foarte fin. La acest amestec, au adăugat apă și superplastifianți - un aditiv standard de reducere a apei în producția de beton. Pe măsură ce apa reacționează cu cimentul, formează în mod natural o rețea ramificată de pori în interiorul structurii, iar carbonul migrează în acești pori pentru a forma filamente cu o structură asemănătoare fractalului. Această structură densă, interconectată, de rețea este cea care oferă materialului suprafața sa extrem de mare.

„Umplem materialul proaspăt în tuburi de plastic și le lăsăm să se întărească timp de cel puțin 28 de zile”, explică Ulm. „Apoi tăiem probele în bucăți de dimensiunea unui electrod, înmuiem acești electrozi într-o soluție standard de electrolit (clorură de potasiu) și construim un supercondensator din doi electrozi separați de o membrană izolatoare.”

Apoi, cercetătorii polarizează electrozii conectând un electrod la o sarcină pozitivă și celălalt la o sarcină negativă. În timpul încărcării, ionii încărcați pozitiv din electrolit se acumulează pe firul de carbon volumetric încărcat negativ, în timp ce ionii încărcați negativ se acumulează pe firul de carbon încărcat pozitiv.

O zi de energie

Cu membrana în cale, ionii încărcați nu se pot deplasa între electrozi. Acest dezechilibru produce câmpul electric care încarcă supraconductorul. „Faptul că firul volumetric umple spațiul disponibil pentru el – ceea ce am confirmat cu spectroscopia EDS-Raman – ne permite să stocăm multă energie pe suprafața extrem de mare a negrului de fum”, spune Ulm. „Atunci când deconectam sursa de energie de la supercondensator, energia stocată este eliberată și, astfel, poate furniza energie pentru o varietate de aplicații.”

Conform calculelor lor, pe care le detaliază PNAS, un bloc de material care măsoară 45 m3 (echivalentul unui cub de 3.55 m), ar putea stoca aproximativ 10 kWh de energie. Acesta este aproximativ același cu consumul mediu zilnic de energie electrică al unei gospodării tipice. O casă construită cu fundații care conțin acest compozit carbon-beton ar putea, prin urmare, să stocheze o zi de energie – produsă de panouri solare, de exemplu – și să o elibereze atunci când este nevoie. Materialul ar putea fi, de asemenea, încorporat în generatoare intermitente de electricitate, cum ar fi turbinele eoliene, care ar putea apoi stoca energie în bazele lor și ar putea elibera în perioadele de oprire.

O altă aplicație potențială pentru supercondensator – deși unul de ultimă generație – ar fi adăugarea acestuia pe drumurile din beton. Aceste super-drumuri ar putea apoi stoca energie (produsă probabil de panourile solare situate lângă ele) și să o livreze vehiculelor electrice care trec prin inducție electromagnetică. Această tehnologie este în esență aceeași cu cea folosită pentru reîncărcarea wireless a telefoanelor mobile, iar cercetătorii spun că ar putea fi folosită și pentru a reîncărca vehiculele electrice atunci când acestea nu sunt în mișcare - într-o parcare, de exemplu.

Mai multe utilizări pe termen scurt, adaugă ei, ar putea fi în clădiri departe de rețeaua de electricitate, care ar putea fi alimentate cu panouri solare atașate la supercondensatori.

Sistem foarte scalabil

Sistemul este foarte scalabil, spune Ulm, deoarece capacitatea de stocare a energiei crește proporțional cu volumul electrozilor. „Puteți trece de la electrozi de 1 milimetru grosime la electrozi de 1 metru grosime și, făcând acest lucru, practic, puteți scala capacitatea de stocare a energiei de la aprinderea unui LED pentru câteva secunde până la alimentarea unei întregi case”, explică el. În funcție de proprietățile necesare pentru o anumită aplicație, sistemul ar putea fi reglat prin ajustarea amestecului, adaugă el. Pentru un drum de încărcare a vehiculelor, ar fi necesare rate foarte rapide de încărcare și descărcare, în timp ce pentru alimentarea unei case „aveți toată ziua să o încărcați”, așa că ar putea fi folosit material cu încărcare mai lentă.

„Faptul că materialele constitutive sunt atât de ușor disponibile deschide o nouă modalitate de a regândi soluțiile de stocare a energiei”, spune Ulm. Lumea fizicii. „Betonul este, după apă, cel mai consumat material de pe Pământ, dar are un cost de mediu deloc neglijabil, deoarece aproximativ 8% din CO la nivel mondial.2 emisiile rezultă din cele 4 gigatone ale producției globale anuale la nivel mondial. Prin urmare, obiectivul nostru general a fost de a face din beton un material multifuncțional care ar putea oferi o funcție societală utilă suplimentară.”

Stocarea energiei este de o importanță critică astăzi dacă vrem să reducem impactul schimbărilor climatice, notează el, iar studiile anterioare au arătat că un amestec de ciment-carbon poate fi folosit pentru a face un ciment conducător de electroni. Conductivitatea electrică nu este însă suficientă pentru a stoca energie. „Am emis ipoteza că hidratarea cimentului hidrofil în prezența negrului de fum hidrofob ar trebui să ofere în mod natural celelalte două criterii necesare: porozitatea de depozitare și transport”, spune Ulm.

Accentul imediat al cercetătorilor este de a realiza un supercondensator care poate stoca aceeași cantitate de încărcare ca o baterie de 12 V. „Considerăm acest dispozitiv ca fiind caramida elementară către dispozitive mai avansate”, spune Ulm.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii