水泥基超级电容器打造新型储能系统

由柏拉图重新发布

关注： 0

具有水泥超级电容器地基的房屋可以储存一天的能量 — 由于新的“超级电容器”混凝土将保持其强度，因此具有由这种材料制成的地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并允许在需要时使用。（由 Franz-Josef Ulm、Admir Masic 和 Yang-Shao Horn 提供）

由炭黑和水泥制成的新型经济高效的超级电容器可以在建筑物的混凝土地基中存储一天的能量，或者为电动汽车在穿过建筑物时提供非接触式充电。开发该设备的美国麻省理工学院 (MIT) 和维斯研究所的研究人员表示，该设备还可以促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用。

超级电容器在技术上被称为双电层或电化学电容器，其性能介于电池和传统（介电）电容器之间。尽管超级电容器在存储电荷方面不如电池，但由于其多孔电极的表面积高达几平方公里，因此在这方面比传统电容器更好。当施加电压时，在此类设备的电解质-电极界面处形成的双层进一步增加了它们可以存储的电荷量。

与电池相比，超级电容器还具有一些优势。电池充电和放电可能需要数小时，而超级电容器只需几分钟即可完成。它们的使用寿命也更长，可以持续数百万次而不是数千次。与通过化学反应工作的电池不同，超级电容器以在电极表面聚集的带电离子的形式存储能量。

极高的内表面积

新设备由领导的团队开发弗朗茨-约瑟夫·乌尔姆, 马西奇和仰韶角，包含具有极高内表面积的水泥基材料。研究人员通过使用含有炭黑的干水泥混合物来实现这一目标，炭黑类似于非常细的木炭。他们在这种混合物中添加了水和高效减水剂——混凝土生产中的标准减水剂。当水与水泥发生反应时，它会在结构内自然形成孔隙的分支网络，碳迁移到这些孔隙中，形成具有分形结构的金属丝。正是这种致密、互连的网络结构为材料提供了极大的表面积。

“我们将新鲜材料填充到塑料管中，并让它们硬化至少 28 天，”乌尔姆解释道。 “然后，我们将样品切成电极大小的块，将这些电极浸泡在标准电解质溶液（氯化钾）中，并用由绝缘膜隔开的两个电极构建超级电容器。”

然后，研究人员将一个电极连接到正电荷，将另一个电极连接到负电荷，从而使电极极化。充电期间，来自电解质的带正电的离子积聚在带负电的体积碳线上，而带负电的离子积聚在带正电的碳线上。

一天的能量

由于膜的阻碍，带电离子无法在电极之间移动。这种不平衡产生了给超导体充电的电场。 “事实上，体积线填充了可用的空间——我们通过 EDS-拉曼光谱证实了这一点——使我们能够在炭黑的极大表面上存储大量能量，”乌尔姆说。 “当我们断开超级电容器的电源时，存储的能量就会被释放，从而可以为各种应用提供电力。”

根据他们的计算，他们详细介绍了 PNAS，一块 45 m 的材料³ （相当于一个3.55米的立方体）将能够储存约10千瓦时的能量。这与典型家庭的平均每日用电量大致相同。因此，用含有这种碳混凝土复合材料的地基建造的房屋可以储存一天的能量（例如由太阳能电池板产生的能量），并在需要时释放它。这种材料还可以被整合到风力涡轮机等间歇性发电机中，然后这些发电机可以在其底座中储存能量并在停机期间释放能量。

超级电容器的另一个潜在应用（尽管是高端应用）是将其添加到混凝土道路中。然后，这些超级道路可以储存能量（可能由位于其旁边的太阳能电池板产生）并通过电磁感应将其输送给经过的电动车辆。这项技术与用于手机无线充电的技术基本相同，研究人员表示，它也可以用于在电动汽车静止时（例如在停车场）为其充电。

他们补充说，更多的近期用途可能是在远离电网的建筑物中，这些建筑物可以使用连接到超级电容器的太阳能电池板供电。

非常可扩展的系统

乌尔姆说，该系统具有很强的可扩展性，因为能量存储容量与电极体积成比例增加。 “你可以从 1 毫米厚的电极变成 1 米厚的电极，这样基本上你就可以扩展能量存储容量，从点亮 LED 几秒钟到为整个房子供电，”他解释道。他补充说，根据给定应用所需的性能，可以通过调整混合物来调整系统。对于车辆充电道路，需要非常快的充电和放电速率，而对于为家庭供电“你有一整天的时间来充电”，因此可以使用充电速度较慢的材料。

无毒超级电容器完全可回收

乌尔姆表示：“组成材料如此容易获得，这一事实为重新思考储能解决方案开辟了一种新方法。” 物理世界。 “混凝土是继水之后地球上消耗最多的材料，但它带来了不可忽视的环境成本，因为全球约 8% 的二氧化碳₂ 全球年产量达 4 亿吨，产生排放量。因此，我们的总体重点是使混凝土成为一种多功能材料，可以提供额外的有用的社会功能。”

他指出，如果我们要遏制气候变化的影响，今天的储能至关重要，之前的研究表明，水泥-碳混合物可用于制造电子导电水泥。然而，导电性不足以储存能量。 “我们假设，在疏水性炭黑存在的情况下使亲水性水泥水合自然会提供所需的另外两个标准：储存和运输孔隙率，”乌尔姆说。

研究人员当前的重点是制造一种可以存储与 12V 电池相同电量的超级电容器。 “我们认为该设备是更先进设备的基础砖块，”乌尔姆说。