Kaksi ihmiskunnan kaikkialla esiintyvistä historiallisista materiaaleista, sementti ja hiilimusta (joka muistuttaa erittäin hienoa hiiltä), voivat muodostaa perustan uudelle, edulliselle energian varastointijärjestelmälle, uuden tutkimuksen mukaan. Teknologia voisi helpottaa uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko-, tuuli- ja vuorovesivoiman, käyttöä sallimalla energiaverkkojen pysyä vakaina uusiutuvan energian tarjonnan vaihteluista huolimatta.
Tutkijat havaitsivat, että nämä kaksi materiaalia voidaan yhdistää veteen superkondensaattorin valmistamiseksi - vaihtoehtona akuille - joka voisi varastoida sähköenergiaa. Esimerkiksi järjestelmän kehittäneet MIT-tutkijat sanovat, että heidän superkondensaattorinsa voitaisiin lopulta liittää talon betoniperustukseen, jossa se voisi varastoida koko päivän energiaa samalla kun se lisää vähän (tai ei ollenkaan) perustuksen kustannuksia. ja tarjoaa silti tarvittavan rakenteellisen lujuuden. Tutkijat kuvittelevat myös betoniradan, joka voisi tarjota kontaktittoman latauksen sähköautoille, kun ne kulkevat tien yli.
Yksinkertaista mutta innovatiivista tekniikkaa kuvataan lehden tulevassa artikkelissaPNASMIT:n professorien Franz-Josef Ulmin, Admir Masicin ja Yang-Shao Hornin ja neljän muun MIT:n ja Wyss Instituten tutkimuksessa.
Kondensaattorit ovat periaatteessa hyvin yksinkertaisia laitteita, jotka koostuvat kahdesta sähköä johtavasta levystä, jotka on upotettu elektrolyyttiin ja jotka on erotettu toisistaan kalvolla. Kun kondensaattorin yli syötetään jännite, positiivisesti varautuneet ionit elektrolyytistä kerääntyvät negatiivisesti varautuneelle levylle, kun taas positiivisesti varautunut levy kerää negatiivisesti varautuneita ioneja. Koska levyjen välissä oleva kalvo estää varautuneiden ionien kulkeutumisen poikki, tämä varausten erottelu luo sähkökentän levyjen väliin ja kondensaattori varautuu. Kaksi levyä voivat ylläpitää tätä latausparia pitkään ja toimittaa ne sitten nopeasti tarvittaessa. Superkondensaattorit ovat yksinkertaisesti kondensaattoreita, jotka voivat tallentaa poikkeuksellisen suuria varauksia.
Tehon määrä, jonka kondensaattori voi varastoida, riippuu sen johtavien levyjen kokonaispinta-alasta. Avain tämän tiimin kehittämiin uusiin superkondensaattoreihin tulee menetelmästä, jolla valmistetaan sementtipohjaista materiaalia, jolla on erittäin suuri sisäpinta-ala, koska sen irtotilavuudessa on tiheä, toisiinsa yhdistetty johtava materiaaliverkosto. Tutkijat saavuttivat tämän lisäämällä nokimustaa - joka on erittäin johtavaa - betoniseokseen yhdessä sementtijauheen ja veden kanssa ja antamalla sen kovettua. Vesi muodostaa luonnollisesti haaroittuvan aukkojen verkoston rakenteessa reagoidessaan sementin kanssa, ja hiili kulkeutuu näihin tiloihin muodostaen lankamaisia rakenteita kovettuneen sementin sisällä. Näillä rakenteilla on fraktaalimainen rakenne, jossa suuremmat oksat itävät pienempiä oksia, ja ne itävät vielä pienempiä oksia, ja niin edelleen, jolloin tuloksena on erittäin suuri pinta-ala suhteellisen pienen tilavuuden rajoissa. Materiaali liotetaan sitten tavalliseen elektrolyyttimateriaaliin, kuten kaliumkloridiin, eräänlaiseen suolaan, joka tuottaa varautuneita hiukkasia, jotka kerääntyvät hiilirakenteisiin. Kaksi tästä materiaalista valmistettua elektrodia, joita erottaa ohut tila tai eristyskerros, muodostavat erittäin tehokkaan superkondensaattorin, tutkijat havaitsivat.
Kondensaattorin kaksi levyä toimivat samalla tavalla kuin vastaavan jännitteen ladattavan akun kaksi napaa: Kun se liitetään sähkönlähteeseen, kuten akussa, energia varastoituu levyihin, ja sitten kun se kytketään kuormaan, sähkö virta virtaa takaisin ulos tuottamaan virtaa.
"Materiaali on kiehtovaa", Masic sanoo, "koska sinulla on maailman eniten käytetty ihmisen valmistama materiaali, sementti, joka on yhdistetty hiilimustaan, joka on tunnettu historiallinen materiaali - Kuolleenmeren kääröt olivat Teillä on näitä ainakin kaksituhatta vuotta vanhoja materiaaleja, joita yhdistämällä tietyllä tavalla syntyy johtava nanokomposiitti, ja silloin asiat muuttuvat todella mielenkiintoisiksi."
Kun seos kovettuu ja kovettuu, hän sanoo: "Vesi kulutetaan järjestelmällisesti sementin hydraatioreaktioiden kautta, ja tämä hydraatio vaikuttaa olennaisesti hiilen nanohiukkasiin, koska ne ovat hydrofobisia (vettä hylkiviä)." Seoksen kehittyessä "hiekamusta kerääntyy itsestään yhdistetyksi johtavaksi langaksi", hän sanoo. Prosessi on helposti toistettavissa materiaaleilla, jotka ovat edullisia ja helposti saatavilla kaikkialla maailmassa. Ja tarvittava hiilen määrä on hyvin pieni - vain 3 tilavuusprosenttia seoksesta - perkoloidun hiiliverkoston saavuttamiseksi, Masic sanoo.
mainos
Tästä materiaalista valmistetuilla superkondensaattoreilla on suuri potentiaali auttaa maailmaa siirtymään uusiutuvaan energiaan, Ulm sanoo. Pääasialliset päästöttömän energian lähteet, tuuli-, aurinko- ja vuorovesivoima, tuottavat kaikki tuotantonsa vaihtelevina aikoina, jotka eivät usein vastaa sähkönkulutuksen huippuja, joten energian varastointitavat ovat välttämättömiä. "Suurille energiavarastoille on valtava tarve", hän sanoo, ja nykyiset akut ovat liian kalliita ja perustuvat enimmäkseen materiaaleihin, kuten litiumiin, jonka tarjonta on rajallista, joten halvempia vaihtoehtoja tarvitaan kipeästi. "Siinä teknologiamme on erittäin lupaava, koska sementtiä on kaikkialla", Ulm sanoo.
Ryhmä laski, että nanohiilimustalla seostettu betonilohko, joka on kooltaan 45 kuutiota (tai jaardia), joka vastaa noin 3,5 metrin halkaisijaltaan kuutiota, riittäisi varastoimaan noin 10 kilowattituntia energiaa. joka lasketaan kotitalouden keskimääräiseksi päivittäiseksi sähkönkulutukseksi. Koska betoni säilyttäisi lujuutensa, tästä materiaalista valmistettu talo voisi varastoida aurinkopaneelien tai tuulimyllyjen tuottamaa energiaa vuorokaudessa ja käyttää sitä tarvittaessa. Ja superkondensaattorit voidaan ladata ja purkaa paljon nopeammin kuin akut.
Sementin, hiilimustan ja veden tehokkaimpien suhteiden määrittämiseen käytettyjen testien jälkeen ryhmä esitteli prosessin valmistamalla pieniä superkondensaattoreita, joiden koko on noin 1 senttimetri ja paksuus 1 millimetri. joka voidaan ladata 1 volttiin, joka on verrattavissa 1 voltin akkuun. Sitten he liittivät kolme näistä osoittaakseen kykynsä sytyttää 3 voltin valoa emittoivaa diodia (LED). Todettuaan periaatteen, he suunnittelevat nyt rakentavansa sarjan suurempia versioita, jotka alkavat noin tyypillisen 12 voltin auton akun kokoisista, ja jatkavat sitten 45 kuutiometrin versiota osoittamaan sen kykyä säilyttää taloa. -voiman arvoinen.
He havaitsivat, että materiaalin varastointikapasiteetin ja sen rakenteellisen lujuuden välillä on kompromissi. Lisäämällä lisää nokimustaa tuloksena oleva superkondensaattori pystyy varastoimaan enemmän energiaa, mutta betoni on hieman heikompaa, mikä voi olla hyödyllistä sovelluksissa, joissa betonilla ei ole rakenteellista roolia tai joissa ei vaadita betonin täyttä lujuuspotentiaalia. He havaitsivat, että sellaisissa sovelluksissa kuin perustukset tai tuuliturbiinin pohjan rakenneosat "sweet spot" on noin 10 prosenttia nokimustaa sekoituksessa.
Toinen potentiaalinen sovellus hiilisementti-superkondensaattoreille on rakentaa betoniteitä, jotka voisivat varastoida aurinkopaneelien tuottamaa energiaa tien varrelle ja sitten toimittaa tämän energian tien varrella liikkuviin sähköajoneuvoihin käyttämällä samaa tekniikkaa, jota käytetään langattomasti ladattavissa puhelimissa. Saksan ja Hollannin yritykset kehittävät jo vastaavaa autolatausjärjestelmää, mutta käyttävät varastointiin tavallisia akkuja.
Teknologian alkuperäiset käyttötarkoitukset saattavat koskea eristyksissä olevia koteja tai rakennuksia tai suojia, jotka ovat kaukana verkkosähköstä, ja ne voisivat saada virtaa sementtisuperkondensaattoriin kiinnitetyistä aurinkopaneeleista, tutkijat sanovat.
mainos
Ulm sanoo, että järjestelmä on erittäin skaalautuva, sillä energian varastointikapasiteetti on suora funktio elektrodien tilavuudesta. "Voit siirtyä 1 millimetrin paksuisista elektrodeista 1 metrin paksuisiin elektrodeihin, ja näin periaatteessa voit skaalata energian varastointikapasiteettia LED-valon sytyttämisestä muutaman sekunnin ajaksi koko talon virransyöttöön", hän sanoo.
Tiettyyn sovellukseen halutuista ominaisuuksista riippuen järjestelmää voidaan virittää seosta säätämällä. Ajoneuvon lataustiellä tarvittaisiin erittäin nopeat lataus- ja purkunopeudet, kun taas kodin sähkönsyöttöön "sinulla on koko päivä aikaa ladata sitä", joten hitaammin latautuvaa materiaalia voitaisiin käyttää, Ulm sanoo.
"Se on siis todella monikäyttöinen materiaali", hän lisää. Sen lisäksi, että se pystyy varastoimaan energiaa superkondensaattorien muodossa, samanlaista betoniseosta voidaan käyttää lämmitysjärjestelmänä yksinkertaisesti syöttämällä sähköä hiiliteräsbetoniin.
Ulm näkee tämän "uudeksi tapaksi katsoa kohti betonin tulevaisuutta osana energiasiirtymää".
Tutkimusryhmään kuuluivat myös postdocs Nicolas Chanut ja Damian Stefaniuk MIT:n rakennus- ja ympäristötekniikan osastolta, James Weaver Wyss Institute for Biologically Inspired Engineeringistä ja Yunguang Zhu MIT:n konetekniikan osastolta. Työtä tuki MIT Concrete Sustainability Hub ja Concrete Advancement Foundation -säätiö.