ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้ซีเมนต์สร้างระบบกักเก็บพลังงานแบบใหม่ - Physics World

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้ซีเมนต์สร้างระบบกักเก็บพลังงานแบบใหม่ - Physics World

Time Stamp: 25 สิงหาคม 2023 4:22

บ้านที่มีฐานรากทำจากซีเมนต์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถกักเก็บพลังงานได้หนึ่งวัน
เนื่องจากคอนกรีต "ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์" ใหม่จะยังคงความแข็งแกร่งเอาไว้ บ้านที่มีฐานที่ทำจากวัสดุนี้สามารถกักเก็บพลังงานที่ผลิตโดยแผงโซลาร์เซลล์หรือกังหันลมได้หนึ่งวัน และปล่อยให้นำไปใช้ได้ทุกเมื่อที่ต้องการ (เอื้อเฟื้อโดย: Franz-Josef Ulm, Admir Masic และ Yang-Shao Horn)

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบใหม่ที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพซึ่งทำจากคาร์บอนแบล็กและซีเมนต์สามารถกักเก็บพลังงานต่อวันไว้ในฐานคอนกรีตของอาคาร หรือให้การชาร์จแบบไร้สัมผัสสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าขณะเดินทางข้ามอาคาร อุปกรณ์ดังกล่าวยังสามารถอำนวยความสะดวกในการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม และพลังงานน้ำขึ้นน้ำลง ตามที่นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) และสถาบัน Wyss ทั้งสองแห่งในสหรัฐฯ ผู้พัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าว

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีชื่อทางเทคนิคว่าตัวเก็บประจุแบบไฟฟ้าสองชั้นหรือไฟฟ้าเคมี และความสามารถของพวกมันอยู่ระหว่างความสามารถของแบตเตอรี่กับตัวเก็บประจุแบบธรรมดา (ไดอิเล็กทริก) แม้ว่าจะเก็บประจุได้ไม่ดีเท่าแบตเตอรี่ แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็ยังดีกว่าตัวเก็บประจุทั่วไปในแง่นี้ เนื่องจากมีอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน ซึ่งมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ถึงหลายตารางกิโลเมตร ชั้นสองชั้นที่ก่อตัวที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์-อิเล็กโทรดของอุปกรณ์ดังกล่าวเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติม จะทำให้ปริมาณประจุที่สามารถจัดเก็บได้มากขึ้น

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังมีข้อดีเหนือแบตเตอรี่อยู่บ้าง ในขณะที่แบตเตอรี่อาจใช้เวลาหลายชั่วโมงในการชาร์จและคายประจุ แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที นอกจากนี้ยังมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่ามาก โดยใช้งานได้หลายล้านรอบแทนที่จะเป็นพันรอบ และแตกต่างจากแบตเตอรี่ที่ทำงานผ่านปฏิกิริยาเคมี ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะเก็บพลังงานในรูปของไอออนที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งรวมตัวกันบนพื้นผิวของอิเล็กโทรด

พื้นที่ผิวภายในสูงมาก

อุปกรณ์ใหม่นี้พัฒนาโดยทีมงานที่นำโดย ฟรานซ์-โจเซฟ อุล์ม, แอดมิน มาซิค และ Yang-Shao Hornประกอบด้วยวัสดุซีเมนต์ซึ่งมีพื้นที่ผิวภายในสูงมาก การวิจัยประสบความสำเร็จโดยเริ่มจากส่วนผสมซีเมนต์แห้งที่มีคาร์บอนแบล็ค ซึ่งมีลักษณะคล้ายถ่านที่ละเอียดมาก ในส่วนผสมนี้ พวกเขาได้เติมน้ำและสารลดน้ำพิเศษซึ่งเป็นสารผสมลดน้ำมาตรฐานในการผลิตคอนกรีต เมื่อน้ำทำปฏิกิริยากับซีเมนต์ น้ำจะก่อตัวเป็นเครือข่ายรูพรุนภายในโครงสร้างโดยธรรมชาติ และคาร์บอนจะย้ายเข้าไปในรูพรุนเหล่านี้เพื่อสร้างเส้นใยลวดที่มีโครงสร้างคล้ายแฟร็กทัล โครงสร้างเครือข่ายที่หนาแน่นและเชื่อมต่อถึงกันนี้ทำให้วัสดุมีพื้นที่ผิวที่ใหญ่มาก

“เราเติมวัสดุสดลงในหลอดพลาสติกและปล่อยให้แข็งตัวเป็นเวลาอย่างน้อย 28 วัน” Ulm อธิบาย “จากนั้น เราตัดตัวอย่างเป็นชิ้นขนาดอิเล็กโทรด แช่อิเล็กโทรดเหล่านี้ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์มาตรฐาน (โพแทสเซียมคลอไรด์) และสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จากอิเล็กโทรดสองตัวที่คั่นด้วยเมมเบรนฉนวน”

จากนั้นนักวิจัยจึงโพลาไรซ์อิเล็กโทรดโดยเชื่อมต่ออิเล็กโทรดตัวหนึ่งเข้ากับประจุบวกและอีกอันเชื่อมต่อกับประจุลบ ในระหว่างการชาร์จ ไอออนที่มีประจุบวกจากอิเล็กโทรไลต์จะสะสมบนลวดคาร์บอนตามปริมาตรที่มีประจุลบ ในขณะที่ไอออนที่มีประจุลบจะสะสมบนลวดคาร์บอนที่มีประจุบวก

พลังงานที่คุ้มค่าในหนึ่งวัน

เมื่อเมมเบรนขวางทาง ไอออนที่มีประจุจะไม่สามารถเคลื่อนที่ระหว่างอิเล็กโทรดได้ ความไม่สมดุลนี้ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่ประจุตัวนำยิ่งยวด “ความจริงที่ว่าเส้นลวดปริมาตรเติมพื้นที่ที่มีอยู่ ซึ่งเป็นสิ่งที่เรายืนยันด้วยสเปกโทรสโกปี EDS-Raman ช่วยให้เราสามารถกักเก็บพลังงานได้จำนวนมากบนพื้นผิวคาร์บอนแบล็คที่มีขนาดใหญ่มาก” Ulm กล่าว “เมื่อเราตัดการเชื่อมต่อแหล่งพลังงานออกจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ พลังงานที่เก็บไว้จะถูกปล่อยออกมา และจึงสามารถให้พลังงานสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย”

ตามการคำนวณซึ่งมีรายละเอียดระบุไว้ PNASเป็นบล็อกวัสดุขนาด 45 ม3 (เทียบเท่าลูกบาศก์ 3.55 ม.) จะสามารถกักเก็บพลังงานได้ประมาณ 10 กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งใกล้เคียงกับปริมาณการใช้ไฟฟ้าเฉลี่ยต่อวันของครัวเรือนทั่วไป บ้านที่สร้างด้วยฐานรากที่ประกอบด้วยคอนกรีตผสมคาร์บอนนี้สามารถกักเก็บพลังงานหนึ่งวัน เช่น ที่ผลิตโดยแผงโซลาร์เซลล์ และปล่อยออกมาเมื่อจำเป็น วัสดุดังกล่าวอาจถูกรวมเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น กังหันลม ซึ่งสามารถกักเก็บพลังงานไว้ที่ฐานและปล่อยพลังงานออกมาในช่วงที่ระบบหยุดทำงาน

การใช้งานที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ - แม้ว่าจะเป็นระดับไฮเอนด์ - ก็คือการเพิ่มลงในถนนคอนกรีต ถนนซุปเปอร์โรดเหล่านี้สามารถกักเก็บพลังงาน (อาจผลิตโดยแผงโซลาร์เซลล์ที่อยู่ข้างๆ) และส่งไปยังยานพาหนะไฟฟ้าที่วิ่งผ่านผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วเทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้ในการชาร์จโทรศัพท์มือถือแบบไร้สาย และนักวิจัยกล่าวว่าสามารถใช้เพื่อชาร์จยานพาหนะไฟฟ้าเมื่อไม่ได้เคลื่อนที่ เช่น ในที่จอดรถ

พวกเขาเสริมว่าการใช้งานในระยะสั้นมากขึ้นอาจอยู่ในอาคารที่ห่างไกลจากโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งสามารถขับเคลื่อนโดยใช้แผงโซลาร์เซลล์ที่ติดอยู่กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ระบบที่ปรับขนาดได้มาก

Ulm กล่าวว่าระบบนี้สามารถปรับขนาดได้มาก เนื่องจากความสามารถในการกักเก็บพลังงานจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของปริมาตรของอิเล็กโทรด “คุณสามารถเปลี่ยนจากอิเล็กโทรดหนา 1 มิลลิเมตรไปเป็นอิเล็กโทรดหนา 1 เมตร และโดยพื้นฐานแล้ว คุณจะสามารถปรับขนาดความสามารถในการกักเก็บพลังงานจากการส่องสว่าง LED เป็นเวลาไม่กี่วินาที ไปจนถึงจ่ายไฟให้กับบ้านทั้งหลัง” เขาอธิบาย เขาเสริมว่าระบบสามารถปรับได้โดยการปรับส่วนผสม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับการใช้งานที่กำหนด สำหรับถนนที่ชาร์จยานพาหนะ จำเป็นต้องมีอัตราการชาร์จและการคายประจุที่เร็วมาก ในขณะที่สำหรับการจ่ายไฟให้กับบ้าน "คุณมีเวลาทั้งวันในการชาร์จให้เต็ม" ดังนั้นจึงสามารถใช้วัสดุที่ชาร์จช้าลงได้

“ความจริงที่ว่าวัสดุที่เป็นส่วนประกอบนั้นมีหาได้ง่ายมากทำให้เกิดวิธีใหม่ในการคิดใหม่เกี่ยวกับโซลูชันการจัดเก็บพลังงาน” Ulm กล่าว โลกฟิสิกส์. “คอนกรีตเป็นวัสดุที่มีการบริโภคมากที่สุดในโลกรองจากน้ำ แต่ต้องแลกมาด้วยต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมที่ไม่อาจมองข้ามได้ เนื่องจากประมาณ 8% ของ CO ทั่วโลก2 การปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นผลมาจากการผลิตทั่วโลกประจำปีจำนวน 4 กิกะตัน ดังนั้นเป้าหมายโดยรวมของเราคือการทำให้เป็นรูปธรรมเป็นวัสดุอเนกประสงค์ที่สามารถให้ประโยชน์ต่อสังคมเพิ่มเติมได้”

การจัดเก็บพลังงานมีความสำคัญอย่างยิ่งในปัจจุบันหากเราต้องควบคุมผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเขาตั้งข้อสังเกตและการศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าส่วนผสมของซีเมนต์และคาร์บอนสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างซีเมนต์ที่นำอิเล็กตรอนได้ อย่างไรก็ตาม ค่าการนำไฟฟ้าไม่เพียงพอต่อการกักเก็บพลังงาน “เราตั้งสมมติฐานว่าการให้ความชุ่มชื้นแก่ซีเมนต์ที่ชอบน้ำโดยมีคาร์บอนแบล็คที่ไม่ชอบน้ำควรให้เกณฑ์อีกสองประการที่จำเป็นโดยธรรมชาติ ได้แก่ ความพรุนในการจัดเก็บและการขนส่ง” Ulm กล่าว

จุดมุ่งหมายเร่งด่วนของนักวิจัยคือการสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่สามารถเก็บประจุได้เท่ากับแบตเตอรี่ 12V “เราถือว่าอุปกรณ์นี้เป็นอิฐพื้นฐานไปสู่อุปกรณ์ขั้นสูง” Ulm กล่าว

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์