Блог

Jun 09, 2023

Ученые Массачусетского технологического института предлагают хранить энергию с помощью цементных блоков

План коммерциализации суперконденсаторов в ближайшие несколько лет Исследователи из Массачусетского технологического института предложили новую альтернативу аккумулятору, изготовленную из самых простых материалов. Блоки цемента, наполненные разновидностью углерода

План коммерциализации суперконденсаторов в ближайшие несколько лет

Исследователи из Массачусетского технологического института предложили новую альтернативу аккумулятору, изготовленную из самых простых материалов.

Блоки цемента, наполненные углеродом, похожим на сажу, могут хранить достаточно энергии, чтобы обеспечить энергией целые домохозяйства. По словам ученых, один 3,5-метровый блок может содержать 10 кВт-ч энергии и обеспечивать питанием дом в течение дня, а технология может быть коммерциализирована в течение нескольких лет, говорят ученые.

Подобные конденсаторы, встроенные в дороги, могут заряжать автомобили без проводов, говорят в своей статье профессоры Массачусетского технологического института Франц-Йозеф Ульм, Адмир Масик и Ян-Шао Хорн и другие из Массачусетского технологического института и Института биологической инженерии Висса.

Ученые обнаружили, что технический углерод, форма элемента, обнаруженного в не полностью сгоревшем материале, можно добавлять в цементные блоки по мере их застывания, превращая их в суперконденсаторы, способные удерживать большие электрические заряды.

Конденсаторы удерживают электрический заряд на отдельных металлических проводниках. Энергия, которую они удерживают, зависит от площади поверхности проводящего материала, и команда обнаружила, что можно очень просто создать огромную площадь поверхности, добавив технический углерод во влажный цемент.

Углеродная сажа очень проводящая, и она диффундирует во влажном цементе, попадая в полости, оставленные водой, вступая в реакцию в процессе отверждения. Это создает сеть крошечных проволочных микроволокон внутри твердого бетонного блока, структурированную фрактально, с множеством ответвлений, поддерживающих все более мелкие ветви.

Затем материал пропитывают солью, такой как хлорид калия, которая действует как электролит, образуя заряженные частицы, которые накапливаются на углеродных структурах. Два электрода из этого материала, разделенные тонким пространством или изолирующим слоем, образуют очень мощный суперконденсатор.

«Этот материал потрясающий», — говорит Масик, — «потому что у вас есть наиболее часто используемый в мире искусственный материал — цемент, который сочетается с углеродной сажей, это хорошо известный исторический материал — с его помощью были написаны свитки Мертвого моря. . У вас есть материалы, возраст которых составляет по крайней мере два тысячелетия, и, если объединить их определенным образом, получится проводящий нанокомпозит, и именно тогда все становится действительно интересно».

По мере того, как смесь затвердевает, «углеродная сажа самособирается в соединенный проводящий провод», — говорит он.

Цементные конденсаторы могут производиться в любой точке мира, а блоки работают всего лишь с тремя процентами технического углерода в смеси.

Блоки могут помочь в энергетическом переходе, поскольку во всем мире хранение энергии необходимо для балансировки возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветровая энергия, которая не производится в то же время, когда она необходима.

«Существует огромная потребность в больших хранилищах энергии», — говорит Ульм, а существующие батареи дороги и основаны на таких материалах, как литий, запасы которого ограничены, поэтому крайне необходимы более дешевые альтернативы. «Именно здесь наша технология чрезвычайно перспективна, потому что цемент повсюду».

Команда выяснила, что блок бетона, легированного наноуглеродной сажей, объемом 45 кубических метров будет иметь достаточную мощность для хранения около 10 кВтч энергии, что считается средним ежедневным потреблением электроэнергии для домашнего хозяйства, поэтому удаленные автономные дома с батареи в фундаменте могли бы работать с помощью ветряных мельниц или солнечных батарей.

В центрах обработки данных можно использовать аккумуляторы ИБП, которые являются частью конструкции здания.

Если требуются более мощные конденсаторы, их можно изготовить с большей концентрацией технического углерода за счет некоторой прочности конструкции. Это может быть полезно в тех случаях, когда бетон не играет конструктивной роли или где не требуется полный потенциал прочности бетона. По словам команды, для таких применений, как фундамент или структурные элементы основания ветряной турбины, «золотой серединой» является содержание около 10 процентов технического углерода в смеси.

В качестве доказательства концепции команда начала с очень маленького размера, с суперконденсаторов размером с батарейку-таблетку, диаметром один сантиметр и толщиной один миллиметр. Три из них были заряжены до одного вольта и использовались для питания светодиода (LED) напряжением 3 В.