Cementbaserad superkondensator gör ett nytt energilagringssystem – Physics World

Cementbaserad superkondensator gör ett nytt energilagringssystem – Physics World

Tidsstämpel: 25 augusti 2023 4:22

ett hus med en grund gjord av cementsuperkondensatorer kunde lagra en dags energi
Eftersom den nya "superkondensator"-betongen skulle behålla sin styrka, skulle ett hus med en grund gjord av detta material kunna lagra en dags energi från solpaneler eller väderkvarnar, och låta den användas när det behövs. (Med tillstånd: Franz-Josef Ulm, Admir Masic och Yang-Shao Horn)

En ny kostnadseffektiv och effektiv superkondensator tillverkad av kimrök och cement kan lagra en dags energi i betongfundamentet i en byggnad eller ge kontaktlös laddning för elbilar när de färdas över den. Enheten kan också underlätta användningen av förnybara energikällor som sol-, vind- och tidvattenkraft, enligt forskarna vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Wyss Institute, båda i USA, som utvecklade den.

Superkondensatorer är tekniskt kända som elektriska dubbelskikts- eller elektrokemiska kondensatorer, och deras kapacitet ligger någonstans mellan batteriernas och konventionella (dielektriska) kondensatorer. Även om de är mindre bra på att lagra laddning än batterier, är superkondensatorer bättre än konventionella kondensatorer i detta avseende tack vare deras porösa elektroder, som har en yta så stor som flera kvadratkilometer. Det dubbla skiktet som bildas vid elektrolyt-elektrodgränssnittet hos sådana anordningar när en spänning appliceras ökar ytterligare mängden laddning som de kan lagra.

Superkondensatorer har också vissa fördelar jämfört med batterier. Medan batterier kan ta timmar att ladda och ladda ur, gör superkondensatorer det på några minuter. De har också en mycket längre livslängd, som varar i miljontals cykler snarare än tusentals. Och till skillnad från batterier, som fungerar genom kemiska reaktioner, lagrar superkondensatorer energi i form av elektriskt laddade joner som samlas på ytorna av deras elektroder.

Extremt hög invändig yta

Den nya enheten, utvecklad av ett team som leds av Franz-Josef Ulm, Admir Masic och Yang-Shao Horn, innehåller ett cementbaserat material som har en extremt hög inre yta. De forskade uppnådde detta genom att börja med en torr cementblandning innehållande kimrök, som påminner om mycket fint träkol. Till denna blandning tillsatte de vatten och supermjukgörare – en vanlig vattenreducerande blandning i betongproduktion. När vattnet reagerar med cementen bildar det naturligt ett förgrenat nätverk av porer i strukturen, och kolet migrerar in i dessa porer för att bilda trådiga filament med en fraktalliknande struktur. Det är denna täta, sammankopplade nätverksstruktur som ger materialet sin extremt stora yta.

"Vi fyller det färska materialet i plaströr och låter dem stelna i minst 28 dagar", förklarar Ulm. "Vi skär sedan proverna i elektrodstora bitar, blötlägger dessa elektroder i en standardelektrolytlösning (kaliumklorid) och bygger en superkondensator av två elektroder åtskilda av ett isolerande membran."

Forskarna polariserar sedan elektroderna genom att koppla en elektrod till en positiv laddning och den andra till en negativ laddning. Under laddning ackumuleras positivt laddade joner från elektrolyten på den negativt laddade volymetriska koltråden, medan negativt laddade joner ackumuleras på den positivt laddade koltråden.

En dags energi

Med membranet i vägen kan de laddade jonerna inte röra sig mellan elektroderna. Denna obalans producerar det elektriska fältet som laddar supraledaren. "Det faktum att den volymetriska tråden fyller det tillgängliga utrymmet - något vi bekräftade med EDS-Raman-spektroskopi - gör att vi kan lagra mycket energi på den extremt stora ytan av kimrök", säger Ulm. "När vi sedan kopplar bort energikällan från superkondensatorn frigörs den lagrade energin och kan därmed ge kraften för en mängd olika applikationer."

Enligt deras beräkningar, som de detaljerar i PNAS, ett block av materialet som mäter 45 m3 (motsvarande en 3.55 m kub), skulle kunna lagra cirka 10 kWh energi. Detta är ungefär samma som den genomsnittliga dagliga elförbrukningen för ett typiskt hushåll. Ett hus byggt med grund som innehåller denna kol-betongkomposit skulle därför kunna lagra en dags energi – producerad av till exempel solpaneler – och släppa ut den vid behov. Materialet kan också ingå i intermittenta elgeneratorer som vindkraftverk, som sedan kan lagra energi i sina baser och släppa ut den under perioder med låga perioder.

En annan potentiell tillämpning för superkondensatorn – om än en avancerad sådan – skulle vara att lägga till den på betongvägar. Dessa supervägar kan sedan lagra energi (kanske producerad av solpaneler placerade bredvid dem) och leverera den till passerande elfordon via elektromagnetisk induktion. Den här tekniken är i grunden densamma som används för att ladda mobiltelefoner trådlöst, och forskarna säger att den också kan användas för att ladda elfordon när de inte rör sig – till exempel på en parkeringsplats.

Mer kortsiktiga användningar, tillägger de, kan vara i byggnader långt från elnätet, som kan drivas med hjälp av solpaneler anslutna till superkondensatorerna.

Mycket skalbart system

Systemet är väldigt skalbart, säger Ulm, eftersom energilagringskapaciteten ökar i proportion med elektrodernas volym. "Du kan gå från 1 millimeter tjocka elektroder till 1 meter tjocka elektroder, och genom att göra det kan du i princip skala energilagringskapaciteten från att tända en lysdiod i några sekunder till att driva ett helt hus", förklarar han. Beroende på de egenskaper som krävs för en given applikation kan systemet justeras genom att justera blandningen, tillägger han. För en fordonsladdningsväg skulle mycket snabba laddnings- och urladdningshastigheter behövas, medan för att driva ett hem "har du hela dagen på dig att ladda upp det", så långsamt laddande material kan användas.

"Det faktum att de ingående materialen är så lättillgängliga öppnar upp ett nytt sätt att tänka om energilagringslösningar", säger Ulm Fysikvärlden. "Betong är, efter vatten, det mest konsumerade materialet på jorden, men det kommer till en icke försumbar miljökostnad, eftersom ungefär 8% av världens koldioxid2 utsläppen är resultatet av 4 gigaton av den årliga globala världsomspännande produktionen. Vårt övergripande fokus var därför att konkretisera ett multifunktionellt material som skulle kunna ge ytterligare en användbar samhällsfunktion.”

Energilagring är av avgörande betydelse idag om vi ska stävja effekterna av klimatförändringarna, konstaterar han, och tidigare studier har visat att en cement-kolblandning kan användas för att göra ett elektronledande cement. Elektrisk ledningsförmåga räcker dock inte för att lagra energi. "Vi antog att hydratisering av det hydrofila cementet i närvaro av det hydrofoba kimröket naturligtvis skulle ge de två andra kriterier som behövs: lagrings- och transportporositet", säger Ulm.

Forskarnas omedelbara fokus är att göra en superkondensator som kan lagra samma mängd laddning som ett 12V-batteri. "Vi betraktar den här enheten som den grundläggande tegelstenen mot mer avancerade enheter," säger Ulm.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden