Учёные представили инновационный прототип суперконденсатора, созданного из простейших и доступных компонентов: цемента, сажи и воды. Это устройство способно накапливать значительные объёмы энергии. Учитывая, что цемент — один из самых распространённых строительных материалов в мире, такая технология может стать экономичным решением для повышения эффективности систем, использующих возобновляемые источники энергии.
Проблема хранения «зелёной» энергии
Несмотря на очевидные долгосрочные выгоды и экологичность, возобновляемая энергетика сталкивается с серьёзным вызовом: непостоянство генерации. Солнечные панели и ветряки производят энергию неравномерно, что не всегда совпадает с пиками потребления. Это создаёт необходимость в эффективных накопителях, которые могли бы сохранять излишки энергии для использования в нужный момент. Однако современные аккумуляторы, например литий-ионные, имеют существенные недостатки: они зависят от ограниченных ресурсов, дороги в производстве и создают проблемы для окружающей среды при утилизации.
Исследование, проведённое специалистами Массачусетского технологического института (MIT) и опубликованное в журнале PNAS, предлагает преодолеть эти ограничения с помощью принципиально нового, доступного и недорогого решения. «Существует огромная потребность в крупномасштабных системах хранения энергии. Именно здесь наша технология выглядит чрезвычайно многообещающей, ведь цемент используется повсеместно», — поясняет Франц-Йозеф Ульм, научный сотрудник Департамента гражданского и экологического проектирования MIT.
Предложенное решение — это суперконденсатор на основе цемента и воды. Ключевым компонентом, превращающим эту смесь в высокоэффективный накопитель, является сажа — мелкодисперсный углеродный порошок. Добавление даже небольшого её количества кардинально меняет свойства материала, позволяя создавать устройства, способные стабилизировать энергосистемы с непостоянной генерацией.
Принцип работы и фрактальная структура
Важно понимать разницу между батареями и конденсаторами. Батареи накапливают и отдают энергию в результате относительно медленных химических реакций. Конденсаторы же работают на принципе электростатики: они заряжаются и разряжаются почти мгновенно, накапливая заряд на своих обкладках.
Обычный конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделённых изолятором и погружённых в электролит. При подаче напряжения ионы накапливаются на пластинах, создавая разделение зарядов, что и является запасённой энергией. Суперконденсаторы работают по тому же принципу, но обладают гораздо большей ёмкостью. Ключ к высокой ёмкости — огромная площадь поверхности проводящих пластин.
Исследователям из MIT удалось создать материал с колоссальной внутренней поверхностью в малом объёме. Секрет в уникальном поведении смеси. При контакте воды с цементом естественным образом образуется разветвлённая сеть пор. Добавленная в смесь гидрофобная сажа в процессе гидратации цемента мигрирует по этой сети, формируя сложные, похожие на фракталы, проводящие структуры — бесчисленные ветвящиеся нити. Таким образом, в толще цемента самособирается проводящая углеродная сеть.
Из этого материала формируют два электрода, разделяют их тонким изолятором и погружают в электролит (например, раствор хлорида калия). «Этим материалам тысячи лет, но, комбинируя их особым образом, мы получаем проводящий нанокомпозит — и вот тут начинается магия», — говорит соавтор исследования Адмир Масич. Технология проста для воспроизведения, а для создания проводящей сети требуется всего около 3% сажи от общего объёма смеси.
Обратите внимание: В кишечнике человека обнаружены сотни электрогенных бактерий, которые генерируют электричество.
Перспективы применения и практические испытания
Для проверки концепции команда создала несколько небольших прототипов суперконденсаторов (диаметром ~1 см, толщиной 1 мм). Три таких устройства, соединённые последовательно, успешно запитали светодиодные лампы. Расчёты показывают, что блок суперконденсаторов объёмом 45 кубических метров сможет хранить около 10 киловатт-часов энергии — это примерный суточный расход электричества среднего домохозяйства.
Высокое удельное сопротивление цемента открывает интересные возможности. Например, фундамент дома, сделанный из такого материала, мог бы накапливать энергию от солнечных панелей на крыше для использования ночью. Ещё более амбициозная идея — создание «умных» бетонных дорог, которые могли бы осуществлять беспроводную зарядку электромобилей прямо во время их движения.
Однако разработчики отмечают существующий компромисс: чем больше сажи добавлено для увеличения ёмкости, тем менее прочным становится бетон. Для несущих конструкций (фундаментов, опор) оптимально содержание сажи около 3-10%. Но там, где сверхвысокая прочность не критична — например, в основаниях ветряных турбин, — можно использовать смеси с большим содержанием углерода для максимальной энергоёмкости. Состав смеси можно гибко адаптировать под конкретную задачу: для быстрой зарядки или для долгосрочного хранения.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Исследователи разработали прототип суперконденсатора из простой смеси цемента, сажи и воды, позволяющий хранить большое количество энергии.