Цемент + Технический углерод + Вода = Суперконденсатор

Представьте себе суперконденсатор, сделанный из обычных и распространенных материалов, таких как вода и технический углерод. Возможности безграничны.

К

Опубликовано

Исследователи из Массачусетского технологического института под руководством профессоров Франца-Йозефа Ульма, Адмира Масича и Ян-Шао Хорна обнаружили, что смешивание цемента, технического углерода и воды в определенных пропорциях приводит к получению бетона, который выполняет функцию суперконденсатора, способного хранить электрическую энергию. . В статье, опубликованной в журнале PNAS 31 июля 2023 года, исследователи написали:

«Масштабное внедрение систем возобновляемой энергетики требует разработки решений по хранению энергии для эффективного управления дисбалансом между предложением и спросом на энергию. Здесь мы исследуем такое масштабируемое материальное решение для хранения энергии в суперконденсаторах, изготовленных из легкодоступных материалов-прекурсоров, которые можно получить локально практически из любой точки планеты, а именно цемента, воды и технического углерода.

«Анализ текстуры показывает, что реакции гидратации цемента в присутствии углерода создают фрактальную электронпроводящую углеродную сеть, которая пронизывает несущую нагрузку матрицу на основе цемента. Показано, что энергоемкость этой заполняющей пространство сетки технического углерода с высокой удельной площадью поверхности, доступной для накопления заряда, является интенсивной величиной, тогда как высокоскоростная способность углерод-цементных электродов демонстрирует самоподобие из-за гидратации. пористость, доступная для переноса заряда.

«Эта интенсивная и самоподобная природа накопления энергии и ее скоростная способность представляют собой возможность массового масштабирования от электродного до структурного масштаба. Доступность, универсальность и масштабируемость этих углеродно-цементных суперконденсаторов открывают горизонт для проектирования многофункциональных структур, которые используют высокую емкость хранения энергии, возможности высокоскоростного заряда/разряда и структурную прочность для устойчивых жилых и промышленных применений, начиная от автономной энергетики убежища и самозарядные дороги для электромобилей, а также прерывистое хранение энергии для ветряных турбин и приливных электростанций».

В своем блоге Массачусетский технологический институт сообщил, что конденсаторы — очень простые устройства. Они состоят из двух электропроводящих пластин, погруженных в электролит и разделенных мембраной. Когда на конденсатор подается напряжение, положительно заряженные ионы электролита накапливаются на отрицательно заряженной пластине, а положительно заряженная пластина накапливает отрицательно заряженные ионы.

Поскольку мембрана между пластинами блокирует миграцию заряженных ионов, разделение зарядов создает электрическое поле между пластинами, и конденсатор становится заряженным. Две пластины могут поддерживать эту пару зарядов в течение длительного времени, а затем очень быстро доставлять их, когда это необходимо. Суперконденсаторы — это просто конденсаторы, которые могут хранить исключительно большие заряды.

Количество энергии, которую может хранить конденсатор, зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин. Ключом к новым суперконденсаторам, разработанным этой командой, является метод производства материала на основе цемента с чрезвычайно высокой площадью внутренней поверхности благодаря плотной взаимосвязанной сети проводящего материала в его объемном объеме.

Изображение через PNAS

Исследователи добились этого, введя технический углерод, обладающий высокой проводимостью, в бетонную смесь вместе с цементным порошком и водой, а затем давая ей затвердеть. Вода естественным образом образует разветвленную сеть отверстий внутри конструкции, вступая в реакцию с цементом, а углерод мигрирует в эти пространства, образуя проволочные структуры внутри затвердевшего цемента. Эти структуры имеют фрактальную структуру: от более крупных ветвей прорастают более мелкие, а от более мелких веточек и так далее, в результате чего получается чрезвычайно большая площадь поверхности в пределах относительно небольшого объема.

Затем материал пропитывают стандартным электролитом, таким как хлорид калия — своего рода соль, — который образует заряженные частицы, которые накапливаются на углеродных структурах. Исследователи обнаружили, что два электрода из этого материала, разделенные тонким пространством или изолирующим слоем, образуют очень мощный суперконденсатор.