Çimento bazlı süper kapasitör yeni bir enerji depolama sistemi yaratıyor – Fizik Dünyası

Çimento bazlı süper kapasitör yeni bir enerji depolama sistemi yaratıyor – Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 25 Ağustos 2023 4:22 AM

temeli çimento süper kapasitörlerden yapılmış bir ev, bir günlük enerjiyi depolayabilir
Yeni “süper kapasitör” betonu gücünü koruyacağından, bu malzemeden temelleri yapılan bir ev, güneş panellerinin veya yel değirmenlerinin ürettiği bir günlük enerjiyi depolayabilir ve ihtiyaç duyulduğunda kullanılmasını sağlayabilir. (Nezaket: Franz-Josef Ulm, Admir Masic ve Yang-Shao Horn)

Karbon siyahı ve çimentodan yapılan yeni, uygun maliyetli ve verimli bir süper kapasitör, bir binanın beton temelinde bir günlük enerjiyi depolayabilir veya elektrikli arabaların üzerinde dolaşırken temassız olarak şarj edilmesini sağlayabilir. Cihazı geliştiren ABD'deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) ve Wyss Enstitüsü'ndeki araştırmacılara göre cihaz aynı zamanda güneş, rüzgar ve gelgit enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını da kolaylaştırabilir.

Süper kapasitörler teknik olarak elektrikli çift katmanlı veya elektrokimyasal kapasitörler olarak bilinir ve yetenekleri, piller ile geleneksel (dielektrik) kapasitörlerin yetenekleri arasında bir yere düşer. Süper kapasitörler, şarj depolama konusunda pillerden daha az iyi olsa da, birkaç kilometrekare kadar geniş yüzey alanına sahip gözenekli elektrotları sayesinde bu açıdan geleneksel kapasitörlerden daha iyidir. Bu tür cihazların elektrolit-elektrot arayüzünde voltaj uygulandığında oluşan çift katman, depolayabilecekleri yük miktarını daha da artırır.

Süper kapasitörlerin pillere göre bazı avantajları da vardır. Pillerin şarj edilmesi ve boşaltılması saatler sürebilirken, süper kapasitörler bunu birkaç dakika içinde gerçekleştirir. Ayrıca binlerce yerine milyonlarca döngü süren çok daha uzun bir ömre sahiptirler. Kimyasal reaksiyonlarla çalışan pillerden farklı olarak süper kapasitörler, enerjiyi elektrotlarının yüzeylerinde bir araya gelen elektrik yüklü iyonlar biçiminde depolar.

Son derece yüksek iç yüzey alanı

liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirilen yeni cihaz, Franz-Josef Ulm, hayran Masic ve Yang-Shao Boynuzu, son derece yüksek iç yüzey alanına sahip çimento bazlı bir malzeme içerir. Araştırmacı bunu, çok ince odun kömürüne benzeyen, karbon siyahı içeren kuru bir çimento karışımıyla başlayarak başardı. Bu karışıma su ve beton üretiminde standart su azaltıcı katkı maddesi olan süper akışkanlaştırıcılar eklendi. Su, çimento ile reaksiyona girdiğinde, doğal olarak yapı içinde dallanan bir gözenek ağı oluşturur ve karbon, bu gözeneklere göç ederek fraktal benzeri bir yapıya sahip ince filamentler oluşturur. Malzemeye son derece geniş yüzey alanı sağlayan da bu yoğun, birbirine bağlı ağ yapısıdır.

Ulm, "Taze malzemeyi plastik tüplere dolduruyoruz ve en az 28 gün sertleşmelerini sağlıyoruz" diye açıklıyor. "Daha sonra numuneleri elektrot büyüklüğünde parçalar halinde kesiyoruz, bu elektrotları standart bir elektrolit çözeltisine (potasyum klorür) batırıyoruz ve yalıtımlı bir membranla ayrılmış iki elektrottan bir süper kapasitör oluşturuyoruz."

Araştırmacılar daha sonra elektrotlardan birini pozitif yüke, diğerini negatif yüke bağlayarak elektrotları polarize ediyor. Şarj sırasında, elektrolitten gelen pozitif yüklü iyonlar, negatif yüklü hacimsel karbon tel üzerinde birikirken, negatif yüklü iyonlar, pozitif yüklü karbon tel üzerinde birikir.

Bir günlük enerji

Membran engellendiğinde yüklü iyonlar elektrotlar arasında hareket edemez. Bu dengesizlik süperiletkeni yükleyen elektrik alanını üretir. Ulm, "Hacimsel telin mevcut alanı doldurması gerçeği - EDS-Raman spektroskopisi ile doğruladığımız bir şey - karbon siyahının son derece geniş yüzeyinde çok fazla enerji depolamamıza olanak tanıyor" diyor. "Daha sonra enerji kaynağını süper kapasitörden ayırdığımızda, depolanan enerji serbest bırakılır ve böylece çeşitli uygulamalar için güç sağlayabilir."

Detaylandırdıkları hesaplamalara göre PNAS45 m ölçülerinde bir malzeme bloğu3 (3.55 m küp eşdeğeri) yaklaşık 10 kWh enerji depolayabilecektir. Bu, tipik bir hanenin ortalama günlük elektrik tüketimiyle hemen hemen aynıdır. Bu karbon-beton kompoziti içeren temellerle inşa edilmiş bir ev, bu nedenle, örneğin güneş panelleri tarafından üretilen bir günlük enerjiyi depolayabilir ve gerektiğinde onu serbest bırakabilir. Malzeme ayrıca rüzgar türbinleri gibi aralıklı elektrik jeneratörlerine de dahil edilebilir; bu jeneratörler daha sonra enerjiyi tabanlarında depolayabilir ve kesinti dönemlerinde serbest bırakabilir.

Süper kapasitör için bir başka potansiyel uygulama (üst düzey de olsa) onu beton yollara eklemek olacaktır. Bu süper yollar daha sonra enerjiyi depolayabilir (muhtemelen yanlarında bulunan güneş panelleri tarafından üretilebilir) ve onu elektromanyetik indüksiyon yoluyla geçen elektrikli araçlara iletebilir. Bu teknoloji temel olarak cep telefonlarını kablosuz olarak şarj etmek için kullanılan teknolojiyle aynı ve araştırmacılar, bunun elektrikli araçları hareket halinde değilken (örneğin otoparkta) şarj etmek için de kullanılabileceğini söylüyor.

Kısa vadede daha fazla kullanımın, elektrik şebekesinden uzakta, süper kapasitörlere bağlı güneş panelleri kullanılarak çalıştırılabilen binalarda olabileceğini de ekliyorlar.

Oldukça ölçeklenebilir sistem

Ulm, enerji depolama kapasitesinin elektrotların hacmiyle orantılı olarak artması nedeniyle sistemin oldukça ölçeklenebilir olduğunu söylüyor. "1 milimetre kalınlığındaki elektrotlardan 1 metre kalınlığındaki elektrotlara geçebilirsiniz ve bunu yaparak temel olarak enerji depolama kapasitesini bir LED'i birkaç saniyeliğine yakmaktan tüm eve güç sağlamaya kadar ölçeklendirebilirsiniz" diye açıklıyor. Belirli bir uygulama için gereken özelliklere bağlı olarak, karışımın ayarlanmasıyla sistemin ayarlanabileceğini ekliyor. Araç şarj eden bir yol için çok hızlı şarj ve deşarj oranlarına ihtiyaç duyulurken, bir eve güç sağlamak için "onu şarj etmek için tüm gününüz var", dolayısıyla daha yavaş şarj olan malzeme kullanılabilir.

Ulm, "Bileşenlerin bu kadar kolay bulunabilmesi, enerji depolama çözümlerini yeniden düşünmek için yeni bir yol açıyor" dedi. Fizik dünyası. “Beton, sudan sonra Dünya üzerinde en çok tüketilen malzemedir, ancak dünya çapındaki CO8'nin yaklaşık %XNUMX'i olduğundan göz ardı edilemeyecek bir çevresel maliyete sahiptir.2 Emisyonlar, dünya çapındaki yıllık küresel üretimin 4 gigatonundan kaynaklanmaktadır. Bu nedenle genel odak noktamız, betonu ilave bir yararlı toplumsal işlev sağlayabilecek çok işlevli bir malzeme haline getirmekti.”

İklim değişikliğinin etkisini azaltmak istiyorsak enerji depolamanın bugün kritik öneme sahip olduğunu belirtiyor ve önceki çalışmaların, elektron ileten çimento yapmak için çimento-karbon karışımının kullanılabileceğini gösterdiğini belirtiyor. Ancak elektrik iletkenliği enerjiyi depolamak için yeterli değildir. Ulm, "Hidrofilik çimentonun hidrofobik karbon siyahı varlığında hidratlanmasının doğal olarak ihtiyaç duyulan diğer iki kriteri sağlaması gerektiğini varsaydık: depolama ve taşıma gözenekliliği" diyor.

Araştırmacıların ilk odak noktası, 12V pille aynı miktarda şarjı depolayabilecek bir süper kapasitör yapmak. Ulm, "Bu cihazı daha gelişmiş cihazlara yönelik temel tuğla olarak görüyoruz" diyor.

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası