Суперконденсатор на основі цементу створює нову систему зберігання енергії – Physics World

Суперконденсатор на основі цементу створює нову систему зберігання енергії – Physics World

Мітка часу: 25 серпня 2023 р., 4:22

будинок з фундаментом із цементних суперконденсаторів міг би зберігати енергію, необхідну на день
Оскільки новий «суперконденсаторний» бетон зберігає свою міцність, будинок із фундаментом із цього матеріалу міг би зберігати денну кількість енергії, виробленої сонячними батареями чи вітряними млинами, і дозволяти використовувати її, коли це необхідно. (З дозволу: Франц-Йозеф Ульм, Адмір Масич і Ян-Шао Хорн)

Новий рентабельний і ефективний суперконденсатор, виготовлений із сажі та цементу, може накопичувати денну енергію в бетонному фундаменті будівлі або забезпечувати безконтактну підзарядку електромобілів під час їхнього руху. За словами дослідників з Массачусетського технологічного інституту (MIT) та Інституту Вісса, обидва в США, пристрій може сприяти використанню відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна, вітрова та припливна.

Суперконденсатори технічно відомі як двошарові електричні або електрохімічні конденсатори, і їхні можливості знаходяться десь посередині між можливостями батарей і звичайними (діелектричними) конденсаторами. Хоча суперконденсатори гірше зберігають заряд, ніж батареї, у цьому відношенні вони кращі за звичайні конденсатори завдяки своїм пористим електродам, площа поверхні яких досягає кількох квадратних кілометрів. Подвійний шар, який утворюється на межі електроліт-електрод таких пристроїв, коли подається напруга, додатково збільшує кількість заряду, який вони можуть зберігати.

Суперконденсатори також мають деякі переваги перед акумуляторами. У той час як батареї можуть заряджатися і розряджатися годинами, суперконденсатори роблять це за лічені хвилини. Вони також мають набагато довший термін служби, витримуючи мільйони циклів, а не тисячі. І на відміну від батарей, які працюють за допомогою хімічних реакцій, суперконденсатори зберігають енергію у формі електрично заряджених іонів, які збираються на поверхні їхніх електродів.

Надзвичайно велика внутрішня поверхня

Новий пристрій, розроблений командою під керівництвом Франц-Йозеф Ульм, Адмір Машич та Ріг Ян-Шао, містить матеріал на основі цементу, який може похвалитися надзвичайно високою внутрішньою площею поверхні. Дослідники досягли цього, почавши з сухої цементної суміші, що містить сажу, яка нагадує дуже дрібне деревне вугілля. До цієї суміші вони додали воду та суперпластифікатори – стандартну водовідновлюючу добавку у виробництві бетону. Коли вода реагує з цементом, вона природним чином утворює розгалужену мережу пор усередині структури, і вуглець мігрує в ці пори, утворюючи волокнисті нитки з фрактальною структурою. Саме ця щільна, взаємопов’язана мережева структура забезпечує надзвичайно велику площу поверхні матеріалу.

«Ми розповсюджуємо свіжий матеріал у пластикові трубки та даємо їм застигнути щонайменше 28 днів», — пояснює Ульм. «Потім ми розрізаємо зразки на шматки розміром з електрод, замочуємо ці електроди в стандартному розчині електроліту (хлориду калію) і створюємо суперконденсатор із двох електродів, розділених ізоляційною мембраною».

Потім дослідники поляризують електроди, підключивши один електрод до позитивного заряду, а інший – до негативного. Під час зарядки позитивно заряджені іони з електроліту накопичуються на негативно зарядженому об’ємному вуглецевому дроті, а негативно заряджені іони накопичуються на позитивно зарядженому вугільному дроті.

Енергія на день

З мембраною на шляху заряджені іони не можуть переміщатися між електродами. Цей дисбаланс створює електричне поле, яке заряджає надпровідник. «Той факт, що об’ємний дріт заповнює доступний для нього простір – те, що ми підтвердили за допомогою спектроскопії EDS-Raman – дозволяє нам накопичувати багато енергії на надзвичайно великій поверхні сажі», – говорить Ульм. «Коли ми потім відключаємо джерело енергії від суперконденсатора, збережена енергія вивільняється, і таким чином ми можемо забезпечити живлення для різноманітних застосувань».

За їхніми розрахунками, які вони деталізують у PNAS, блок матеріалу розміром 45м3 (еквівалентно кубу розміром 3.55 м), зможе зберігати близько 10 кВт/год енергії. Це приблизно стільки ж, скільки середньодобове споживання електроенергії типовим домогосподарством. Таким чином, будинок, побудований на фундаменті, який містить цей вуглецево-бетонний композит, міг би накопичувати енергію, вироблену, наприклад, сонячними батареями, і вивільняти її за потреби. Цей матеріал можна також включити в генератори періодичної електроенергії, такі як вітряні турбіни, які потім можуть накопичувати енергію у своїх базах і вивільняти її під час періодів простою.

Іншим потенційним застосуванням суперконденсатора — хоча й висококласного — було б додати його на бетонні дороги. Потім ці супер-дороги могли накопичувати енергію (можливо, вироблену сонячними панелями, розташованими поряд з ними) і доставляти її електромобілям, що проїжджали повз них, за допомогою електромагнітної індукції. Ця технологія в основному така ж, як і для бездротової підзарядки мобільних телефонів, і дослідники кажуть, що її також можна використовувати для підзарядки електромобілів, коли вони не рухаються — наприклад, на автостоянці.

Більш короткострокове використання, додають вони, може бути в будівлях, віддалених від електричної мережі, які можуть живитися за допомогою сонячних панелей, прикріплених до суперконденсаторів.

Дуже масштабована система

Система дуже масштабована, каже Ульм, оскільки ємність накопичення енергії збільшується пропорційно об’єму електродів. «Ви можете переходити від електродів товщиною 1 міліметр до електродів товщиною 1 метр, і таким чином ви можете масштабувати ємність накопичення енергії від освітлення світлодіода на кілька секунд до живлення цілого будинку», — пояснює він. Залежно від властивостей, необхідних для конкретного застосування, систему можна налаштувати, регулюючи суміш, додає він. Для дороги, де заряджаються транспортні засоби, потрібні дуже високі швидкості заряджання та розряджання, тоді як для живлення будинку «у вас є цілий день, щоб зарядити його», тому можна використовувати матеріал із повільнішою зарядкою.

«Той факт, що складові матеріали настільки легкодоступні, відкриває новий шлях до перегляду рішень для зберігання енергії», — розповідає Ульм. Світ фізики. «Після води бетон є найбільш споживаним матеріалом на Землі, але він завдає незначних екологічних витрат, оскільки приблизно 8% світового викиду CO2 викиди є результатом 4 гігатонн щорічного глобального світового виробництва. Тому ми зосередилися на тому, щоб зробити бетон багатофункціональним матеріалом, який міг би виконувати додаткову корисну суспільну функцію».

Зберігання енергії сьогодні має вирішальне значення, якщо ми хочемо приборкати вплив зміни клімату, зазначає він, і попередні дослідження показали, що цементно-вуглецева суміш може бути використана для виготовлення електронно-провідного цементу. Однак електропровідності недостатньо для накопичення енергії. «Ми припустили, що гідратація гідрофільного цементу в присутності гідрофобної сажі повинна природним чином забезпечити два інші необхідні критерії: пористість при зберіганні та транспортуванні», — говорить Ульм.

Найближчим завданням дослідників є створення суперконденсатора, який може накопичувати таку саму кількість заряду, як і акумулятор на 12 В. «Ми вважаємо цей пристрій елементарною цеглинкою для більш просунутих пристроїв», — говорить Ульм.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики