Блог

Aug 14, 2023

Цемент

Новый экономичный и эффективный суперконденсатор, изготовленный из технического углерода и цемента, может хранить дневной запас энергии в бетонном фундаменте здания или обеспечивать бесконтактную подзарядку электромобилей.

Новый экономичный и эффективный суперконденсатор, изготовленный из технического углерода и цемента, может хранить дневной запас энергии в бетонном фундаменте здания или обеспечивать бесконтактную подзарядку электромобилей во время их движения по нему. Устройство также может облегчить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, ветровая и приливная энергия, по мнению исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и Института Висса в США, разработавших его.

Суперконденсаторы технически известны как электрические двухслойные или электрохимические конденсаторы, а их возможности находятся где-то между аккумуляторами и обычными (диэлектрическими) конденсаторами. Хотя суперконденсаторы хуже сохраняют заряд, чем батареи, в этом отношении они лучше обычных конденсаторов благодаря своим пористым электродам, площадь поверхности которых достигает нескольких квадратных километров. Двойной слой, который образуется на границе раздела электролит-электрод таких устройств при приложении напряжения, еще больше увеличивает количество заряда, которое они могут хранить.

Суперконденсаторы также имеют некоторые преимущества перед батареями. В то время как для зарядки и разрядки батарей могут потребоваться часы, суперконденсаторы делают это за считанные минуты. Они также имеют гораздо более длительный срок службы: миллионы циклов, а не тысячи. И в отличие от батарей, которые работают посредством химических реакций, суперконденсаторы хранят энергию в виде электрически заряженных ионов, которые собираются на поверхности их электродов.

Новое устройство, разработанное командой под руководством Франца-Йозефа Ульма, Адмира Масича и Ян-Шао Хорна, содержит материал на основе цемента, который может похвастаться чрезвычайно высокой площадью внутренней поверхности. Исследователи добились этого, начав с сухой цементной смеси, содержащей углеродную сажу, которая напоминает очень мелкий древесный уголь. В эту смесь добавили воду и суперпластификаторы – стандартную водоредуцирующую добавку при производстве бетона. Когда вода вступает в реакцию с цементом, она естественным образом образует разветвленную сеть пор внутри структуры, а углерод мигрирует в эти поры, образуя проволочные нити с фрактальной структурой. Именно эта плотная взаимосвязанная сетчатая структура обеспечивает материалу чрезвычайно большую площадь поверхности.

«Мы заливаем свежий материал в пластиковые пробирки и даем им затвердеть в течение как минимум 28 дней», — объясняет Ульм. «Затем мы разрезаем образцы на куски размером с электроды, погружаем эти электроды в стандартный раствор электролита (хлорида калия) и строим суперконденсатор из двух электродов, разделенных изолирующей мембраной».

Затем исследователи поляризуют электроды, подключая один электрод к положительному заряду, а другой к отрицательному. Во время зарядки положительно заряженные ионы электролита накапливаются на отрицательно заряженной объемной углеродной проволоке, а отрицательно заряженные ионы накапливаются на положительно заряженной углеродной проволоке.

Если мембрана мешает, заряженные ионы не могут перемещаться между электродами. Этот дисбаланс создает электрическое поле, которое заряжает сверхпроводник. «Тот факт, что объемная проволока заполняет доступное ей пространство – что мы подтвердили с помощью EDS-рамановской спектроскопии – позволяет нам хранить много энергии на чрезвычайно большой поверхности технического углерода», – говорит Ульм. «Когда мы затем отключаем источник энергии от суперконденсатора, накопленная энергия высвобождается и, таким образом, может обеспечить питание для различных приложений».

Согласно их расчетам, которые они подробно описывают в PNAS, блок материала объемом 45 м3 (эквивалент куба размером 3,55 м) сможет хранить около 10 кВтч энергии. Это примерно столько же, сколько среднесуточное потребление электроэнергии в типичном домашнем хозяйстве. Таким образом, дом, построенный на фундаменте, содержащем этот углеродно-бетонный композит, может хранить дневной запас энергии – например, вырабатываемой солнечными панелями – и высвобождать ее при необходимости. Этот материал также может быть использован в генераторах прерывистой электроэнергии, таких как ветряные турбины, которые затем смогут хранить энергию в своих основаниях и высвобождать ее в периоды простоя.