Acumularori (supercondensatori) pentru stocarea energiei din ciment, apă, carbon.

Cercetătorii au descoperit că cele două materiale pot fi combinate cu apă pentru a face un supercondensator.

Tehnologia simplă, dar inovatoare, este descrisă într-o lucrare viitoare în revista PNAS , într-o lucrare a profesorilor MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic și Yang-Shao Horn și alți patru la MIT și la Institutul Wyss.

Condensatorii sunt in principiu dispozitive foarte simple, formate din doua placi conductoare electric scufundate intr-un electrolit si separate printr-o membrana. Când se aplică o tensiune pe condensator, ionii încărcați pozitiv din electrolit se acumulează pe placa încărcată negativ, în timp ce placa încărcată pozitiv acumulează ioni încărcați negativ. Deoarece membrana dintre plăci blochează ionii încărcați să migreze, această separare a sarcinilor creează un câmp electric între plăci, iar condensatorul devine încărcat. Cele două plăci pot menține această pereche de încărcări pentru o perioadă lungă de timp și apoi le pot livra foarte repede atunci când este nevoie. Supercondensatorii sunt pur și simplu condensatori care pot stoca sarcini excepțional de mari.

Cantitatea de putere pe care o poate stoca un condensator depinde de suprafața totală a plăcilor sale conductoare. Cheia noilor supercondensatori dezvoltați de această echipă provine dintr-o metodă de producere a unui material pe bază de ciment cu o suprafață internă extrem de mare datorită unei rețele dense, interconectate de material conductiv în volumul său în vrac. Cercetătorii au realizat acest lucru introducând negru de fum – care este foarte conductiv – într-un amestec de beton împreună cu pulbere de ciment și apă și lăsându-l să se întărească. Apa formează în mod natural o rețea ramificată de deschideri în interiorul structurii pe măsură ce reacționează cu cimentul, iar carbonul migrează în aceste spații pentru a face structuri asemănătoare sârmei în cimentul întărit. Aceste structuri au o structură asemănătoare unui fractal, cu ramuri mai mari care încolțesc ramuri mai mici, iar cele care încolțesc ramuri și mai mici, și așa mai departe, ajungând să aibă o suprafață extrem de mare în limitele unui volum relativ mic. Materialul este apoi înmuiat într-un material electrolit standard, cum ar fi clorura de potasiu, un fel de sare, care furnizează particulele încărcate care se acumulează pe structurile de carbon. Doi electrozi din acest material, despărțiți de un spațiu subțire sau de un strat izolator, formează un supercondensator foarte puternic, au descoperit cercetătorii.

Cele două plăci ale condensatorului funcționează la fel ca cei doi poli ai unei baterii reîncărcabile de tensiune echivalentă: atunci când sunt conectate la o sursă de energie electrică, ca și în cazul unei baterii, energia este stocată în plăci, iar atunci când este conectată la o sarcină, energia electrică. curentul curge înapoi pentru a furniza energie.

„Materialul este fascinant”, spune Masic, „pentru că aveți cel mai folosit material fabricat de om din lume, cimentul, care este combinat cu negru de fum, acesta este un material istoric bine-cunoscut – sulurile de la Marea Moartă au fost scris cu el. Aveți aceste materiale vechi de cel puțin două milenii pe care, atunci când le combinați într-un mod specific, obțineți un nanocompozit conductiv și atunci lucrurile devin cu adevărat interesante.”

Pe măsură ce amestecul se întărește și se vindecă, el spune: „Apa este consumată sistematic prin reacții de hidratare a cimentului, iar această hidratare afectează în mod fundamental nanoparticulele de carbon, deoarece sunt hidrofobe (refugând apa). Pe măsură ce amestecul evoluează, „negrul de fum se auto-asambla într-un fir conductor conectat”, spune el. Procesul este ușor de reprodus, cu materiale care sunt ieftine și ușor disponibile oriunde în lume. Iar cantitatea de carbon necesară este foarte mică – doar 3% din volumul amestecului – pentru a realiza o rețea de carbon percolat, spune Masic.

Supercondensatorii fabricați din acest material au un potențial mare de a ajuta la tranziția lumii către energie regenerabilă, spune Ulm. Principalele surse de energie fără emisii, energia eoliană, solară și mareală, toate își produc producția la momente variabile, care adesea nu corespund cu vârfurile de utilizare a energiei electrice, așa că modalitățile de stocare a acestei energie sunt esențiale. „Este o nevoie mare de stocare mare a energiei”, spune el, iar bateriile existente sunt prea scumpe și se bazează în mare parte pe materiale precum litiu, a căror aprovizionare este limitată, așa că alternative mai ieftine sunt foarte necesare. „Acolo tehnologia noastră este extrem de promițătoare, deoarece cimentul este omniprezent”, spune Ulm.

Echipa a calculat că un bloc de beton dopat cu nanocarbon-negru care are o dimensiune de 45 de metri cubi (sau yarzi) – echivalentul unui cub de aproximativ 3,5 metri diametru – ar avea suficientă capacitate pentru a stoca aproximativ 10 kilowați-oră de energie. care este considerată consumul mediu zilnic de energie electrică pentru o gospodărie. Deoarece betonul și-ar păstra rezistența, o casă cu o fundație făcută din acest material ar putea stoca o zi de energie produsă de panouri solare sau de morile de vânt și ar putea să fie folosită ori de câte ori este nevoie. Și, supercondensatorii pot fi încărcați și descărcați mult mai rapid decât bateriile.

După o serie de teste folosite pentru a determina cele mai eficiente raporturi de ciment, negru de fum și apă, echipa a demonstrat procesul prin realizarea de supercondensatoare mici, de dimensiunea unor baterii buton, cu o lungime de aproximativ 1 centimetru și o grosime de 1 milimetru, care ar putea fi încărcat fiecare la 1 volt, comparabil cu o baterie de 1 volt. Apoi au conectat trei dintre acestea pentru a-și demonstra capacitatea de a aprinde o diodă emițătoare de lumină (LED) de 3 volți. După ce au dovedit principiul, acum intenționează să construiască o serie de versiuni mai mari, începând cu unele de dimensiunea unei baterii de mașină tipice de 12 volți, apoi lucrând până la o versiune de 45 de metri cubi pentru a-și demonstra capacitatea de a depozita o casă. -valoarea puterii.

Există un compromis între capacitatea de stocare a materialului și rezistența sa structurală, au descoperit ei. Adăugând mai mult negru de fum, supercondensatorul rezultat poate stoca mai multă energie, dar betonul este puțin mai slab, iar acest lucru ar putea fi util pentru aplicații în care betonul nu joacă un rol structural sau în care nu este necesar întregul potențial de rezistență al betonului. Pentru aplicații precum fundația sau elementele structurale ale bazei unei turbine eoliene, „punctul favorabil” este în jur de 10% negru de fum în amestec, au descoperit ei.

O altă aplicație potențială pentru supercondensatorii carbon-ciment este pentru construirea de drumuri din beton care ar putea stoca energia produsă de panourile solare de-a lungul drumului și apoi să livreze acea energie vehiculelor electrice care călătoresc pe drum, folosind același tip de tehnologie folosită pentru telefoanele reîncărcabile fără fir. Un tip similar de sistem de reîncărcare a mașinilor este deja dezvoltat de companii din Germania și Țările de Jos, dar folosind baterii standard pentru depozitare.

În funcție de proprietățile dorite pentru o anumită aplicație, sistemul poate fi reglat prin ajustarea amestecului. Pentru un drum de încărcare a vehiculelor, ar fi necesare rate de încărcare și descărcare foarte rapide, în timp ce pentru alimentarea unei case „aveți toată ziua să o încărcați”, așa că ar putea fi folosit material de încărcare mai lentă, spune Ulm.

„Deci, este într-adevăr un material multifuncțional”, adaugă el. Pe lângă capacitatea sa de a stoca energie sub formă de supercondensatori, același tip de amestec de beton poate fi folosit ca sistem de încălzire, prin simpla aplicare a energiei electrice pe betonul cu carbon.