Superkondenzator na osnovi cementa ustvarja nov sistem za shranjevanje energije – Physics World

Superkondenzator na osnovi cementa ustvarja nov sistem za shranjevanje energije – Physics World

Časovni žig: 25. avgust 2023 4:22

hiša s temeljem iz cementnih superkondenzatorjev bi lahko shranila dnevno količino energije
Ker bi novi »superkondenzatorski« beton ohranil svojo trdnost, bi lahko hiša s temeljem iz tega materiala shranila dnevno energijo, ki jo proizvedejo sončni kolektorji ali vetrnice, in omogočila, da se jo uporabi, kadar koli je to potrebno. (Z dovoljenjem: Franz-Josef Ulm, Admir Masic in Yang-Shao Horn)

Nov stroškovno učinkovit in učinkovit superkondenzator, narejen iz saj in cementa, bi lahko shranil dnevno energijo v betonske temelje stavbe ali zagotovil brezstično polnjenje električnih avtomobilov, ko potujejo po njej. Naprava bi lahko olajšala tudi uporabo obnovljivih virov energije, kot so sončna energija, energija vetra in plimovanja, menijo raziskovalci na tehnološkem inštitutu Massachusetts (MIT) in inštitutu Wyss, oba v ZDA, ki sta jo razvila.

Superkondenzatorji so tehnično znani kot električni dvoslojni ali elektrokemični kondenzatorji, njihove zmogljivosti pa se uvrščajo nekje med zmogljivosti baterij in običajnih (dielektričnih) kondenzatorjev. Čeprav so pri shranjevanju naboja manj dobri kot baterije, so superkondenzatorji v tem pogledu boljši od običajnih kondenzatorjev zaradi svojih poroznih elektrod, katerih površina je velika do več kvadratnih kilometrov. Dvojna plast, ki nastane na vmesniku med elektrolitom in elektrodo takšnih naprav, ko se uporabi napetost, dodatno poveča količino naboja, ki ga lahko shranijo.

Superkondenzatorji imajo tudi nekaj prednosti pred baterijami. Medtem ko lahko polnjenje in praznjenje baterij traja več ur, superkondenzatorji to storijo v nekaj minutah. Imajo tudi veliko daljšo življenjsko dobo, saj zdržijo na milijone ciklov in ne na tisoče. Za razliko od baterij, ki delujejo s kemičnimi reakcijami, superkondenzatorji shranjujejo energijo v obliki električno nabitih ionov, ki se zbirajo na površinah njihovih elektrod.

Izjemno visoka notranja površina

Novo napravo, ki jo je razvila ekipa pod vodstvom Franz-Josef Ulm, Admir Mašić in Yang-Shao Horn, vsebuje material na osnovi cementa, ki se ponaša z izjemno visoko notranjo površino. Raziskovalci so to dosegli tako, da so začeli s suho cementno mešanico, ki je vsebovala saje, ki spominjajo na zelo fino oglje. Tej mešanici so dodali vodo in superplastifikatorje – standardni dodatek za zmanjševanje vode v proizvodnji betona. Ko voda reagira s cementom, naravno oblikuje razvejano mrežo por znotraj strukture, ogljik pa migrira v te pore in tvori žičnate filamente s fraktalno podobno strukturo. Prav ta gosta, medsebojno povezana mrežasta struktura zagotavlja materialu izjemno veliko površino.

»Svež material napolnimo v plastične cevi in ​​pustimo, da se strdijo vsaj 28 dni,« pojasnjuje Ulm. "Vzorce nato razrežemo na kose velikosti elektrod, te elektrode namočimo v standardno raztopino elektrolita (kalijev klorid) in iz dveh elektrod, ločenih z izolacijsko membrano, zgradimo superkondenzator."

Raziskovalci nato polarizirajo elektrode tako, da eno elektrodo povežejo s pozitivnim nabojem, drugo pa z negativnim nabojem. Med polnjenjem se pozitivno nabiti ioni iz elektrolita kopičijo na negativno nabiti volumetrični ogljikovi žici, medtem ko se negativno nabiti ioni kopičijo na pozitivno nabiti ogljikovi žici.

Energija za en dan

Ko je membrana na poti, se nabiti ioni ne morejo premikati med elektrodami. To neravnovesje povzroči električno polje, ki napolni superprevodnik. »Dejstvo, da volumetrična žica zapolnjuje prostor, ki ji je na voljo – kar smo potrdili z EDS-Ramanovo spektroskopijo – nam omogoča, da shranimo veliko energije na izjemno veliki površini saj,« pravi Ulm. "Ko nato odklopimo vir energije iz superkondenzatorja, se shranjena energija sprosti in tako lahko zagotovi moč za različne aplikacije."

Po njihovih izračunih, ki jih podrobno opisujejo v PNAS, blok materiala v izmeri 45 m3 (enakovredno 3.55 m kocke), bi lahko shranili približno 10 kWh energije. To je približno enako povprečni dnevni porabi električne energije v običajnem gospodinjstvu. Hiša, zgrajena s temelji, ki vsebujejo ta kompozit ogljika in betona, bi torej lahko shranila dnevno količino energije – ki jo na primer proizvedejo sončni paneli – in jo sprostila, ko je to potrebno. Material bi lahko vključili tudi v občasne generatorje električne energije, kot so vetrne turbine, ki bi nato lahko shranili energijo v svojih bazah in jo sprostili med obdobji izpada.

Druga možna uporaba superkondenzatorja – čeprav vrhunskega – bi bila dodajanje na betonska cestišča. Te super-ceste bi nato lahko shranile energijo (ki bi jo morda proizvedle sončne celice, nameščene poleg njih) in jo prek elektromagnetne indukcije dostavile mimo vozečim električnim vozilom. Ta tehnologija je v osnovi enaka tisti, ki se uporablja za brezžično polnjenje mobilnih telefonov, in raziskovalci pravijo, da bi jo lahko uporabili tudi za polnjenje električnih vozil, ko se ta ne premikajo – na primer na parkirišču.

Dodajajo, da bi lahko bila uporaba v bližnji prihodnosti v zgradbah daleč od električnega omrežja, ki bi se lahko napajala s pomočjo sončnih kolektorjev, pritrjenih na superkondenzatorje.

Zelo razširljiv sistem

Sistem je zelo razširljiv, pravi Ulm, saj se zmogljivost shranjevanja energije povečuje sorazmerno z volumnom elektrod. »Od elektrod debeline 1 milimetra lahko preidete na elektrode debeline 1 metra in s tem lahko v bistvu razširite zmogljivost shranjevanja energije od prižiga LED za nekaj sekund do napajanja celotne hiše,« pojasnjuje. Glede na lastnosti, zahtevane za določeno aplikacijo, bi lahko sistem prilagodili s prilagajanjem mešanice, dodaja. Za cesto za polnjenje vozil bi bile potrebne zelo hitre stopnje polnjenja in praznjenja, medtem ko za napajanje doma "imate cel dan, da ga napolnite", zato bi lahko uporabili material za počasnejše polnjenje.

"Dejstvo, da so sestavni materiali tako lahko dostopni, odpira nov način za ponoven razmislek o rešitvah za shranjevanje energije," pravi Ulm Svet fizike. »Beton je za vodo najbolj porabljen material na Zemlji, vendar ima nezanemarljive okoljske stroške, saj približno 8 % svetovnega CO2 emisije so posledica 4 gigaton letne globalne svetovne proizvodnje. Naš splošni fokus je bil zato narediti beton večnamenski material, ki bi lahko zagotovil dodatno koristno družbeno funkcijo.«

Shranjevanje energije je danes ključnega pomena, če želimo omejiti vpliv podnebnih sprememb, ugotavlja, prejšnje študije pa so pokazale, da je mogoče mešanico cementa in ogljika uporabiti za izdelavo cementa, ki prevodi elektrone. Vendar električna prevodnost ni dovolj za shranjevanje energije. "Predvidevali smo, da bi hidratacija hidrofilnega cementa v prisotnosti hidrofobnih saj seveda zagotovila še dve potrebni merili: skladiščno in transportno poroznost," pravi Ulm.

Raziskovalci se takoj osredotočajo na izdelavo superkondenzatorja, ki lahko shrani enako količino naboja kot 12-voltna baterija. »To napravo smatramo za osnovno opeko do naprednejših naprav,« pravi Ulm.

Časovni žig:

Več od Svet fizike