Этот суперконденсатор сделан из цемента

Поскольку мир продолжает пытаться отойти от ископаемого топлива, исследователи ищут новые способы хранения энергии, производимой из более экологически чистых источников, таких как солнечные панели. В рамках этих усилий группа исследователей из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Массачусетского технологического института разработала суперконденсатор, использующий только цемент, воду и форму углерода, называемую углеродной сажей.

Энергию, производимую из возобновляемых источников, часто приходится хранить на черный день. Но батарейки не всегда лучший вариант. Для их зарядки требуется время, а для их изготовления требуются труднодоступные материалы, такие как литий, которые могут быть дорогостоящими и вредными для окружающей среды.

Франц-Йозеф Ульм, профессор гражданской и экологической инженерии в Массачусетском технологическом институте, и его коллеги были заинтересованы в разработке суперконденсаторов из легкодоступных материалов, таких как цемент, чтобы не только заполнить пробел, оставленный аккумуляторными технологиями, но и решить еще одну экологическую проблему: бетон. углеродный след. Их работа была опубликована 31 июля в журнале PNAS.

«Одной [мотивирующей проблемой] является огромный экологический след мирового производства цемента и бетона, который составляет примерно 8 процентов мировых выбросов CO2», — говорит Ульм, старший автор новой статьи. «Мы можем использовать это решение по хранению энергии для поддержки крайне необходимого перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии — кирпичик за кирпичиком, стена за стеной, дорога за дорогой».

Команда стремилась восстановить имидж цемента, используя его в качестве основы для электродов своего суперконденсатора. В отличие от батарей, в которых для удержания и разряда электричества используются химические реакции, суперконденсаторы работают за счет создания разницы зарядов между двумя проводящими пластинами. Этот заряд может сохраняться в течение длительного времени и быстро разряжаться при необходимости.

Чтобы построить свой суперконденсатор, команда смешала пасту из цемента и воды, а затем ввела небольшое количество технического углерода — тонкой, похожей на древесный уголь формы углерода, которая использовалась в качестве пигмента и пишущего материала на протяжении тысячелетий. . Например, технический углерод использовался для написания свитков Мертвого моря в III веке до нашей эры. Помимо истории, технический углерод также является материалом с высокой проводимостью.

Этот новый суперконденсатор можно легко масштабировать благодаря большой площади внутренней поверхности проводящего материала, созданной с использованием технического углерода. Франц-Йозеф Ульм, Адмир Масик и Ян-Шао Хорн/MIT

По мере затвердевания цементной смеси вода впитывалась и оставляла после себя разветвленную сеть туннелей, заполненных сажей. Конечным результатом является то, что цементная паста заполняется проводящими проводящими туннелями большой площади поверхности без увеличения общего объема электрода.

Ульм говорит, что реакция технического углерода в электроде является важнейшим открытием, поскольку она может значительно упростить масштабирование этого суперконденсатора.

«Мы обнаружили, что максимальная емкость хранения энергии зависит только от удельной поверхности технического углерода», — говорит Ульм. «Поскольку этот технический углерод заполняет пространство – благодаря магии химии! – мы можем просто увеличить объем для создания крупномасштабных энергетических решений».

Команда завершила работу над суперконденсатором, погрузив два электрода в раствор электролита, чтобы обеспечить систему заряженными частицами. В ходе своих испытаний они изготовили конденсаторы размером с кнопку, способные удерживать заряд в 1 В, и установили, что конденсатор способен сохранять свою емкость с минимальными потерями в течение 10 000 циклов зарядки-разрядки. Три суперконденсатора с напряжением 1 В также смогли заряжать светодиод с напряжением 3 В.

Команда также разработала конденсаторы размером с кнопку с различным соотношением цемента и сажи, но обнаружила, что, хотя добавление большего количества технического углерода (более 10 процентов по объему) к смеси увеличивает ее емкость хранения, это происходит за счет структурной целостности цемента. А для вариантов использования, которые имеют в виду Ульм и его коллеги, структурная прочность цемента имеет важное значение.

Бетон уже используется для строительства дорог, и поэтому команда видит возможность создания бетонных дорог, которые также могут заряжать автомобили во время движения по беспроводной сети, подобно беспроводным зарядным устройствам для смартфонов. «Такие самозаряжающиеся дороги уже существуют, но в них используются катушки, встроенные в дорожную систему и подключенные (в основном) к сетевому источнику энергии. Энергия в нашей системе будет собираться из экологически чистых источников и храниться в конструкции дорожного покрытия».