Инженеры Массачусетского технологического института создали цемент, который служит электрическим суперконденсатором для хранения энергии.
Инженеры Массачусетского технологического института создали суперконденсатор из цемента, воды и сажи, или черного углерода. Суперконденсатор изготовлен из распространенных и недорогих материалов, способных хранить большое количество энергии. Устройство может стать основой для экономически эффективных систем, которые периодически накапливают возобновляемую энергию, такую как солнечная или ветровая энергия.
Согласно новому исследованию, два наиболее распространенных исторических материала человечества, бетон и сажа (которая выглядит как очень мелкий уголь), могут стать основой для новой недорогой системы хранения энергии. Эта технология может облегчить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра и приливов, позволяя энергосистемам оставаться стабильными, несмотря на колебания в поставках возобновляемой энергии.
Исследователи обнаружили, что два материала можно соединить с водой для создания суперконденсатора — альтернативы батареям, — который может обеспечить хранение электроэнергии. Например, исследователи Массачусетского технологического института, разработавшие эту систему, говорят, что их суперконденсатор можно было бы встроить в бетонный фундамент дома, где он мог бы хранить дневную энергию, практически не добавляя (или не добавляя ничего) к стоимости электроэнергии. необходимая прочность конструкции. Исследователи также предполагают бетонную дорогу, которая могла бы обеспечивать бесконтактную зарядку электромобилей, движущихся по ней.
Простая, но инновационная технология описана в готовящейся к публикации в журнале PNAS статье профессоров Массачусетского технологического института Франца-Йозефа Ульма, Адмира Масика и Ян-Шао Хорна, а также четырех других исследователей из Массачусетского технологического института и Института Висса.
Конденсаторы в принципе представляют собой очень простые устройства, состоящие из двух электропроводящих пластин, погруженных в электролит и разделенных мембраной. При подаче напряжения на конденсатор положительно заряженные ионы электролита накапливаются на отрицательно заряженной пластине, а положительно заряженная пластина накапливает отрицательно заряженные ионы. Поскольку мембрана между пластинами блокирует миграцию заряженных ионов, это разделение зарядов создает электрическое поле между пластинами, и конденсатор становится заряженным. Две пластины могут удерживать эту пару зарядов в течение определенного времени, а затем очень быстро высвобождать их, когда это необходимо. Суперконденсаторы — это просто конденсаторы, способные накапливать исключительно большие заряды.
Количество энергии, которое может хранить конденсатор, зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин. Ключом к новым суперконденсаторам, разработанным этой командой, является метод производства материала на основе цемента с чрезвычайно большой площадью внутренней поверхности благодаря плотной взаимосвязанной сети проводящего материала в его объеме.
Исследователи добились этого, введя сажу, обладающую высокой проводимостью, в цементную смесь вместе с цементным порошком и водой и позволив ей затвердеть.
Вода, вступая в реакцию с бетоном, естественным образом образует разветвленную сеть отверстий внутри конструкции, и углерод мигрирует в эти пространства, создавая проволочные структуры внутри затвердевшего бетона. Эти структуры имеют фрактальную структуру, где более крупные ответвления отрастают от более мелких, а последние отрастают от еще более мелких ответвлений и т. д., что приводит к чрезвычайно большой площади поверхности в пределах относительно небольшого объема.
Затем материал погружают в стандартный электролит, такой как хлорид калия, очень распространенную соль, которую можно получить из морской соли, которая обеспечивает заряженные частицы, которые накапливаются на углеродных структурах. Исследователи обнаружили, что два электрода из этого материала, разделенные тонким зазором или изолирующим слоем, образуют очень мощный суперконденсатор.
Две пластины конденсатора функционируют как два полюса перезаряжаемой батареи с эквивалентным напряжением: при подключении к источнику электричества, например, к батарее, энергия накапливается в пластинах, а затем при подключении к нагрузке возникает электрический ток. снова, чтобы обеспечить питание.
«Этот материал очарователен, — сказал исследователь Адмир Масич, — потому что это самый используемый материал в мире человеком, бетон в сочетании с сажей, который является хорошо известным историческим материалом — свитки Мертвого моря были написаны с помощью это. Это материалы, которым не менее двух тысячелетий, которые при определенном сочетании дают жизнь проводящему нанокомпозиту, и здесь все становится по-настоящему интересным».
Когда смесь затвердевает и твердеет, объясняет исследователь, «вода систематически потребляется в результате реакций гидратации цемента, и эта гидратация существенно влияет на углеродные наночастицы, потому что они гидрофобны (отталкивают воду)». По мере развития смеси «сажа самособирается в связанную нить». Этот процесс легко воспроизводим с использованием недорогих и доступных во всем мире материалов. Кроме того, количество углерода, необходимого очень мало — всего 3% от объема смеси — для получения углеродной сети фильтрата, объяснил Масик.
Команда подсчитала, что блок из легированного наноуглеродом бетона объемом 45 кубических метров, что эквивалентно кубу со стороной около 3,5 метров, будет иметь достаточную емкость для хранения около 10 киловатт-часов энергии, что считается средним суточным потреблением электроэнергии для человека. домашнее хозяйство. Поскольку бетон сохранит свою прочность, дом с бетонным фундаментом может накапливать дневную энергию от солнечных батарей или ветряных турбин и использовать ее при необходимости. Кроме того, суперконденсаторы можно заряжать и разряжать намного быстрее, чем батареи, и проблема может заключаться, по меньшей мере, в замедлении разряда.
После серии тестов для определения наиболее эффективных соотношений цемента, сажи и воды команда продемонстрировала процесс, изготовив небольшие суперконденсаторы размером примерно с батарейку-таблетку, диаметром около 1 сантиметра и толщиной 1 миллиметр, каждый из которых мог бы заряжаться от 1 вольта, как 1 вольтовая батарея. Затем они соединили три из них, чтобы продемонстрировать их способность освещать 3-вольтовый светодиод (LED). Продемонстрировав принцип, теперь они планируют построить серию более крупных версий, начиная с версии размером с типичный 12-вольтовый автомобильный аккумулятор и, в конечном итоге, до версии на 45 кубических метров, чтобы продемонстрировать способность хранить определенное количество энергии. энергия равна энергии дома.
Они обнаружили, что существует компромисс между емкостью материала и его структурной прочностью. При добавлении большего количества сажи полученный суперконденсатор способен хранить больше энергии, но бетон немного слабее, и это может быть полезно для приложений, где бетон не играет конструкционной роли или где не требуется полная потенциальная прочность бетона. конкретный. Для таких применений, как фундаменты или конструктивные элементы основания ветряной турбины, «сильной стороной» является около 10% технического углерода в смеси.
Другое потенциальное применение углеродно-цементных суперконденсаторов — строительство бетонных дорог, которые могли бы накапливать энергию, вырабатываемую солнечными панелями вдоль дороги, и затем подавать ее на движущиеся по ней электромобили, используя тот же тип технологии, что и для беспроводных перезаряжаемых телефонов. Подобный тип системы зарядки автомобилей уже разрабатывается компаниями в Германии и Нидерландах, но они используют для хранения стандартные аккумуляторы.
Исследователи говорят, что раннее использование этой технологии может быть для изолированных домов, зданий или укрытий вдали от энергосистемы, которые могут питаться от солнечных панелей, подключенных к бетонным суперконденсаторам.
Ульм говорит, что система легко масштабируется, поскольку способность хранить энергию напрямую зависит от объема электрода. «Вы можете перейти от электродов толщиной в миллиметр к электродам толщиной в метр, и тем самым вы можете масштабировать емкость накопления энергии от включения светодиода на несколько секунд до питания всего дома», — сказал он.
В зависимости от желаемых свойств для данного приложения система может быть настроена путем корректировки состава смеси. По словам Ульма, для улицы с зарядкой транспортных средств потребуются очень быстрые скорости зарядки и разрядки, в то время как для питания дома «у вас есть целый день, чтобы зарядить его», поэтому можно использовать материал с более медленной зарядкой. «Так что это действительно многофункциональный материал», — добавляет он. Помимо способности запасать энергию в виде суперконденсаторов, тот же тип бетонной смеси можно использовать в качестве системы отопления, просто подав электричество на углеродсодержащий бетон.
Этот бетон позволит по-новому взглянуть на крупномасштабное накопление и передачу энергии, не повреждая конструкции, в которых он установлен.
Благодаря нашему Telegram-каналу вы можете быть в курсе публикации новых статей из журнала «Экономические сценарии».
Статья , в которой технические специалисты Массачусетского технологического института создали цемент, который служит электрическим суперконденсатором для хранения энергии, взята из журнала Economic Scenarios .
Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Scenari Economici по адресу https://scenarieconomici.it/i-tecnici-del-mit-hanno-creato-un-cemento-che-funge-anche-da-supercondensatore-elettrico-per-accumulare-energia/ в Sun, 06 Aug 2023 07:28:41 +0000.