Исследователи разработали прототип суперконденсатора из простой смеси цемента, сажи и воды, который может хранить большое количество энергии. Поскольку цемент является одним из наиболее широко используемых материалов в мире, сверхуниверсальное устройство может стать недорогим решением для повышения эффективности систем возобновляемой энергии.
Несмотря на свои преимущества с точки зрения долгосрочных затрат и декарбонизации, существующие системы производства возобновляемой энергии имеют свои недостатки. Возобновляемая энергия вырабатывается через равные промежутки времени, поэтому адаптироваться к пикам спроса на электроэнергию непросто. В связи с этим возникает необходимость аккумулировать вырабатываемую энергию, чтобы использовать ее в нужный момент и избежать дисбаланса между производством и спросом. Однако современные батареи, как правило, основаны на таких материалах, как литий, которые не только ограничены в поставках, но и вредны для окружающей среды.
Недавнее исследование, проведенное в Массачусетском технологическом институте (MIT) и подробно описанное в журнале , предлагает преодолеть эти проблемы с помощью более подходящего, доступного и недорогого решения для хранения энергии. «Существует огромная потребность в крупномасштабном хранении энергии. Именно в этом наша технология чрезвычайно многообещающая, поскольку цемент используется повсеместно», — объясняет Франц-Йозеф Ульм, научный сотрудник Департамента гражданского и экологического проектирования Массачусетского института энергетики. Технология в своем блоге.
Решение, предложенное исследователями, представляет собой суперконденсатор, сделанный из воды и цемента, материалов, которые легко доступны во всем мире. При добавлении небольшого количества сажи (продукта сгорания, похожего на мелкий угольный порошок) полученная структура обеспечивает особенно высокую производительность. Благодаря этому устройству можно эффективно стабилизировать колебания производства в системах возобновляемой энергии.
Фрактальная электропроводящая сеть
Хотя батареи и конденсаторы способны накапливать энергию, они работают совершенно по-разному. Если батареи выделяют энергию линейно, в результате химической реакции, то конденсаторы выделяют ее гораздо быстрее и нелинейно, в результате электростатической реакции.
Конденсаторы состоят из двух токопроводящих пластин, погруженных в раствор электролита и разделенных изолирующей мембраной. При подаче напряжения на их выводы положительно заряженные ионы скапливаются на отрицательно заряженной пластине, и наоборот. Мембрана препятствует миграции ионов и изменяет распределение электронов в окружающем пространстве. Это разделение зарядов приводит к увеличению электрического потенциала, который представляет собой энергию конденсатора. Две пластины собирают полученную энергию и очень быстро отдают ее при необходимости.
Обратите внимание: В кишечнике человека обнаружены сотни электрогенных бактерий, которые генерируют электричество.
Суперконденсаторы работают по тому же принципу, но имеют чрезвычайно высокую емкость. Емкость конденсатора зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин.Чтобы создать суперконденсатор, исследователи, участвовавшие в новом исследовании, разработали метод достижения очень большой площади внутренней поверхности в небольшом объеме. Это стало возможным благодаря способности воды естественным образом образовывать разветвленную сеть при контакте с цементом. По мере затвердевания смеси сажа мигрирует по этой сети, образуя нитевидные структуры, напоминающие фракталы (ветви перерастают во все более мелкие отростки). Поскольку сажа является гидрофобным материалом, по мере протекания реакций гидратации цемента она самособирается в проводящую сеть.
Из этого материала были сформированы два электрода, разделенные тонким изолирующим слоем. Для инициирования электростатических реакций прибор погружали в стандартную электролитическую смесь на основе хлорида калия. «Этим материалам не менее двух тысячелетий, и если их определенным образом скомбинировать, то получится проводящий нанокомпозит, и вот тут-то и начинается самое интересное», — объясняет Адмир Масич, исследователь из Массачусетского технологического института, который работает в одном отделе с Ульмом. Устройство легко воспроизводимо и имеет значительные преимущества по стоимости. При этом для образования токопроводящей сети достаточно всего 3% сажи (от общего объема смеси).
Универсальный и недорогой материал
Чтобы проверить эффективность концепции суперконденсатора, исследовательская группа разработала несколько суперконденсаторов диаметром около одного сантиметра и толщиной 1 миллиметр, способных накапливать энергию при напряжении около 1 вольта. Три из них использовались для питания светодиодов с общим напряжением 3 вольта. Установлено, что блока суперконденсаторов объемом 45 куб м достаточно для хранения 10 киловатт-часов энергии, что соответствует суточному потреблению домашнего хозяйства.
Поскольку цемент обладает высоким удельным сопротивлением, дом или здание с фундаментом из этого материала может, например, накапливать энергию, вырабатываемую солнечными панелями. Затем эту энергию можно использовать по мере необходимости. В частности, исследователи предусмотрели бетонные автомагистрали, которые могли бы мгновенно заряжать электромобили, проезжающие по ним.
Однако следует отметить, что существует компромисс между емкостью хранения и прочностью материала. С высоким содержанием сажи суперконденсатор может хранить больше энергии, но он менее долговечен, что не идеально подходит для конструкций, которые должны поддерживать дороги или дома. Однако эта цифра (около 10% от общей массы) может быть использована в конструктивном основании ветряных турбин, легкость которых по сравнению с другими инфраструктурами избавит от необходимости в очень прочном бетоне. Причем состав смеси можно корректировать для каждого отдельного случая, например в зависимости от необходимости быстрой зарядки аккумуляторов.
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.