Инженеры Массачусетского технологического института создают суперконденсатор для накопления энергии из древних материалов. Изготовленное из цемента, технического углерода и воды устройство может обеспечить дешевое и масштабируемое накопление энергии для возобновляемых источников энергии.
MIT engineers are creating a supercapacitor to store energy from ancient materials. Made from cement, carbon black and water, the device could provide low-cost and scalable energy storage for renewable energy sources.
Согласно новому исследованию, два самых распространенных исторических материала человечества: цемент и технический углерод (который напоминает очень мелкий древесный уголь) могут стать основой для новой недорогой системы хранения энергии. Технология может облегчить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра и приливов, позволяя энергетическим сетям оставаться стабильными, несмотря на колебания поставок возобновляемой энергии.
Простая, но инновационная технология описана в журнале PNAS в статье профессоров Массачусетского технологического института Франца-Йозефа Ульма, Адмира Масика и Ян-Шао Хорна, а также четырех других сотрудников Массачусетского технологического института и Института биологической инженерии Висса.
Конденсаторы в принципе представляют собой очень простые устройства, состоящие из двух электропроводящих пластин, погруженных в электролит и разделенных мембраной. Когда на конденсатор подается напряжение, положительно заряженные ионы из электролита накапливаются на отрицательно заряженной пластине, в то время как положительно заряженная пластина накапливает отрицательно заряженные ионы. Поскольку мембрана между пластинами блокирует миграцию заряженных ионов, такое разделение зарядов создает электрическое поле между пластинами, и конденсатор заряжается. Две пластины могут поддерживать эту пару зарядов в течение длительного времени, а затем очень быстро доставлять их при необходимости.
Количество энергии, которое может накапливать конденсатор, зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин.
Ключом к новым суперконденсаторам, является метод производства материала на основе цемента с чрезвычайно высокой внутренней поверхностью из-за плотной, взаимосвязанной сети проводящего материала в его объеме. Исследователи добились этого, введя технический углерод, обладающий высокой проводимостью, в бетонную смесь вместе с цементным порошком и водой и дав ему затвердеть. Вода естественным образом образует разветвленную сеть отверстий внутри конструкции при взаимодействии с цементом, и углерод мигрирует в эти пространства, образуя проволочные структуры внутри затвердевшего цемента. Они имеют структуру, подобную фракталу, но с более крупными ответвлениями, прорастающими из мелких ответвлений, а из тех прорастают еще более мелкие ответвления и так далее. В результате получается чрезвычайно большая площадь поверхности в пределах относительно небольшого объема. Затем материал пропитывается стандартным электролитом, таким как хлорид калия (разновидность соли), которая обеспечивает образование заряженных частиц, которые накапливаются в углеродных структурах. Исследователи обнаружили, что два электрода, изготовленные из этого материала, разделенные тонким пространством или изолирующим слоем, образуют очень мощный конденсатор.
По мере схватывания и отверждения смеси, по словам исследователей, вода систематически расходуется в ходе реакций гидратации цемента, и эта гидратация фундаментально влияет на наночастицы углерода, поскольку они гидрофобны (отталкивают воду). По мере развития смеси технический углерод самоорганизуется в соединенный токопроводящий провод, утверждают ученые. Процесс легко воспроизводим с использованием недорогих материалов, которые доступны в любой точке мира. По словам Адмира Масика, для создания перколяционной углеродной сети требуется очень небольшое количество углерода – всего 3% по объему смеси.
Суперконденсаторы, изготовленные из этого материала, обладают огромным потенциалом для содействия переходу мира на возобновляемые источники энергии, говорит Франц-Йозеф Ульм. Основные источники энергии без выбросов – энергия ветра, солнца и приливов – вырабатывают свою мощность в разное время, которое часто не соответствует пикам потребления электроэнергии, поэтому необходимы способы накопления этой энергии. «Существует огромная потребность в большом накопителе энергии», – убежден он, а существующие батареи слишком дороги и в основном основаны на таких материалах, как литий, запасы которого ограничены, поэтому крайне необходимы более дешевые альтернативы. «Вот где наша технология чрезвычайно перспективна, потому что цемент распространен повсеместно», – заявляет Ульм.
Команда подсчитала, что блок из бетона с добавлением наноуглерода черного цвета размером 45 кубических метров (или ярдов) – что эквивалентно кубу около 3,5 метров в поперечнике – будет иметь достаточную емкость для хранения около 10 киловатт-часов энергии, что считается средним ежедневным потреблением электроэнергии в домашнем хозяйстве. Поскольку бетон сохранит свою прочность, дом с фундаментом из этого материала мог бы хранить дневной запас энергии, вырабатываемой солнечными батареями или ветряными мельницами, и позволял бы использовать ее всякий раз, когда это необходимо. Кроме того, суперконденсаторы можно заряжать и разряжать гораздо быстрее, чем аккумуляторы.
Ульм говорит, что система очень масштабируема, поскольку емкость аккумулятора энергии напрямую зависит от объема электродов. «Вы можете перейти от электродов толщиной в 1 миллиметр к электродам толщиной в 1 метр, и, поступая таким образом, в принципе, вы можете увеличить емкость накопителя энергии от включения светодиода на несколько секунд до питания целого дома», – говорит он.
В зависимости от свойств, желаемых для данного применения, систему можно настроить, отрегулировав смесь. Для дороги, заряжающей автомобиль, 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, продолжает Ульм.
«Таким образом, это действительно многофункциональный материал», – добавляет он. Помимо способности накапливать энергию в виде суперконденсаторов, бетонную смесь того же типа можно использовать в качестве системы отопления, просто подав электричество на углеродистый бетон.
В исследовательскую группу также вошли постдоки Николас Шанут и Дамиан Стефанюк с кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды Массачусетского технологического института, Джеймс Уивер из института Висса и Юнгуан Чжу с кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. Работа была поддержана MIT Concrete Sustainability Hub при спонсорской поддержке Фонда улучшения бетона.
По материалам сайта: https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-create-supercapacitor-ancient-materials-0731
