Siêu tụ điện làm từ xi măng tạo ra hệ thống lưu trữ năng lượng mới – Vật lý Thế giới

Siêu tụ điện làm từ xi măng tạo ra hệ thống lưu trữ năng lượng mới – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: 25:2023 sáng ngày 4 tháng 22 năm XNUMX

Một ngôi nhà với nền làm bằng siêu tụ điện xi măng có thể lưu trữ năng lượng đủ cho một ngày
Vì bê tông “siêu tụ điện” mới sẽ giữ được độ bền nên một ngôi nhà có nền làm bằng vật liệu này có thể lưu trữ năng lượng trị giá một ngày do các tấm pin mặt trời hoặc cối xay gió tạo ra và cho phép sử dụng bất cứ khi nào cần. (Được phép: Franz-Josef Ulm, Admir Masic và Yang-Shao Horn)

Một siêu tụ điện hiệu quả và tiết kiệm chi phí mới được làm từ muội than và xi măng có thể lưu trữ năng lượng trị giá một ngày trong nền bê tông của tòa nhà hoặc cung cấp khả năng sạc không tiếp xúc cho ô tô điện khi chúng di chuyển qua nó. Theo các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Viện Wyss, cả hai đều ở Mỹ, nơi đã phát triển nó, thiết bị này cũng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió và thủy triều.

Siêu tụ điện về mặt kỹ thuật được gọi là tụ điện hai lớp hoặc tụ điện hóa, và khả năng của chúng nằm ở khoảng giữa pin và tụ điện (điện môi) thông thường. Mặc dù kém hiệu quả trong việc lưu trữ điện tích hơn pin, nhưng siêu tụ điện vẫn tốt hơn tụ điện thông thường ở khía cạnh này nhờ các điện cực xốp, có diện tích bề mặt lớn tới vài kmXNUMX. Lớp kép hình thành ở giao diện điện cực-điện phân của các thiết bị như vậy khi đặt điện áp vào sẽ làm tăng thêm lượng điện tích mà chúng có thể lưu trữ.

Siêu tụ điện cũng có một số lợi thế so với pin. Trong khi pin có thể mất hàng giờ để sạc và xả thì siêu tụ điện thực hiện việc đó chỉ trong vài phút. Chúng cũng có tuổi thọ dài hơn nhiều, kéo dài hàng triệu chu kỳ thay vì hàng nghìn. Và không giống như pin hoạt động thông qua các phản ứng hóa học, siêu tụ điện lưu trữ năng lượng dưới dạng các ion tích điện tập hợp trên bề mặt điện cực của chúng.

Diện tích bề mặt bên trong cực cao

Thiết bị mới, được phát triển bởi một nhóm do Franz-Josef Ulm, ngưỡng mộ Masic và Sừng Yang-Shao, chứa vật liệu gốc xi măng có diện tích bề mặt bên trong cực cao. Nhóm nghiên cứu đã đạt được điều này bằng cách bắt đầu với hỗn hợp xi măng khô có chứa muội than, giống như than củi rất mịn. Vào hỗn hợp này, họ đã thêm nước và chất siêu dẻo – một loại phụ gia giảm nước tiêu chuẩn trong sản xuất bê tông. Khi nước phản ứng với xi măng, nó sẽ hình thành một mạng lưới phân nhánh các lỗ chân lông trong cấu trúc một cách tự nhiên và carbon di chuyển vào các lỗ này để tạo thành các sợi dẻo có cấu trúc giống như fractal. Chính cấu trúc mạng lưới dày đặc, liên kết với nhau này đã cung cấp cho vật liệu diện tích bề mặt cực lớn.

Ulm giải thích: “Chúng tôi đổ vật liệu mới vào các ống nhựa và để chúng cứng lại trong ít nhất 28 ngày”. “Sau đó, chúng tôi cắt các mẫu thành các khối có kích thước bằng điện cực, ngâm các điện cực này vào dung dịch điện phân tiêu chuẩn (kali clorua) và chế tạo một siêu tụ điện gồm hai điện cực được ngăn cách bởi một màng cách điện.”

Sau đó, các nhà nghiên cứu phân cực các điện cực bằng cách nối một điện cực với điện tích dương và điện cực kia với điện tích âm. Trong quá trình sạc, các ion tích điện dương từ chất điện phân tích tụ trên dây cacbon thể tích tích điện âm, trong khi các ion tích điện âm tích tụ trên dây cacbon tích điện dương.

Năng lượng xứng đáng cho một ngày

Khi có màng che chắn, các ion tích điện không thể di chuyển giữa các điện cực. Sự mất cân bằng này tạo ra điện trường tích điện cho chất siêu dẫn. “Thực tế là dây thể tích lấp đầy không gian có sẵn cho nó – điều chúng tôi đã xác nhận bằng quang phổ EDS-Raman – cho phép chúng tôi lưu trữ nhiều năng lượng trên bề mặt cực lớn của muội than,” Ulm nói. “Sau đó, khi chúng tôi ngắt kết nối nguồn năng lượng khỏi siêu tụ điện, năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng và do đó có thể cung cấp năng lượng cho nhiều ứng dụng khác nhau.”

Theo tính toán của họ, họ trình bày chi tiết trong PNAS, một khối vật liệu có chiều dài 45 m3 (tương đương với một khối lập phương 3.55 m), sẽ có thể lưu trữ khoảng 10 kWh năng lượng. Con số này gần bằng mức tiêu thụ điện trung bình hàng ngày của một hộ gia đình thông thường. Do đó, một ngôi nhà được xây dựng với nền móng chứa hỗn hợp bê tông carbon này có thể lưu trữ năng lượng trị giá một ngày - ví dụ như được sản xuất bởi các tấm pin mặt trời - và giải phóng nó khi cần thiết. Vật liệu này cũng có thể được tích hợp vào các máy phát điện không liên tục như tua-bin gió, sau đó có thể lưu trữ năng lượng trong đế và giải phóng năng lượng trong thời gian ngừng hoạt động.

Một ứng dụng tiềm năng khác của siêu tụ điện – mặc dù là loại cao cấp – là bổ sung nó vào đường bê tông. Những siêu đường này sau đó có thể lưu trữ năng lượng (có thể được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời đặt dọc theo chúng) và cung cấp năng lượng cho các phương tiện chạy bằng điện thông qua cảm ứng điện từ. Công nghệ này về cơ bản giống với công nghệ được sử dụng để sạc điện thoại di động không dây và các nhà nghiên cứu cho biết nó cũng có thể được sử dụng để sạc lại xe điện khi chúng không di chuyển – chẳng hạn như trong bãi đậu xe.

Họ cho biết thêm, những ứng dụng ngắn hạn hơn có thể nằm trong các tòa nhà cách xa lưới điện, có thể được cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời gắn vào siêu tụ điện.

Hệ thống rất có khả năng mở rộng

Ulm cho biết hệ thống này có khả năng mở rộng rất cao vì khả năng lưu trữ năng lượng tăng tỷ lệ thuận với thể tích của các điện cực. Ông giải thích: “Bạn có thể chuyển từ điện cực dày 1 milimet sang điện cực dày 1 mét và về cơ bản, bằng cách đó, bạn có thể mở rộng khả năng lưu trữ năng lượng từ chiếu sáng một đèn LED trong vài giây đến cung cấp năng lượng cho cả một ngôi nhà”. Ông cho biết thêm, tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết cho một ứng dụng nhất định, hệ thống có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh hỗn hợp. Đối với đường sạc cho xe cộ, tốc độ sạc và xả rất nhanh là cần thiết, trong khi để cấp điện cho một ngôi nhà “bạn có cả ngày để sạc pin”, vì vậy có thể sử dụng vật liệu sạc chậm hơn.

Ulm nói: “Thực tế là các vật liệu cấu thành rất sẵn có đã mở ra một cách mới để suy nghĩ lại về các giải pháp lưu trữ năng lượng”. Thế giới vật lý. “Bê tông, sau nước, là vật liệu được tiêu thụ nhiều nhất trên Trái đất, nhưng nó gây ra tổn thất môi trường không hề nhỏ, vì khoảng 8% lượng COXNUMX trên toàn thế giới thải ra.2 lượng khí thải là kết quả của 4 gigatons sản xuất toàn cầu hàng năm trên toàn thế giới. Do đó, trọng tâm chung của chúng tôi là làm cho bê tông trở thành vật liệu đa chức năng có thể cung cấp thêm chức năng xã hội hữu ích.”

Ông lưu ý rằng việc lưu trữ năng lượng ngày nay có tầm quan trọng đặc biệt nếu chúng ta muốn hạn chế tác động của biến đổi khí hậu và các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng hỗn hợp xi măng-cacbon có thể được sử dụng để tạo ra xi măng dẫn điện tử. Tuy nhiên, độ dẫn điện không đủ để lưu trữ năng lượng. Ulm cho biết: “Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng quá trình hydrat hóa xi măng ưa nước với sự có mặt của muội than kỵ nước sẽ cung cấp hai tiêu chí cần thiết khác một cách tự nhiên: độ xốp lưu trữ và vận chuyển”.

Trọng tâm trước mắt của các nhà nghiên cứu là tạo ra một siêu tụ điện có thể lưu trữ lượng điện tích tương đương với pin 12V. Ulm cho biết: “Chúng tôi coi thiết bị này là viên gạch cơ bản hướng tới các thiết bị tiên tiến hơn”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý