Смесь бетона и углерода превращается в суперконденсатор: невероятно быстрая зарядка и огромная емкость накопления энергии

Открытие Массачусетского технологического института, по-видимому, выводит эту технологию на новый уровень: оно устраняет необходимость укладки сетчатых электродов в бетон и вместо этого позволяет техническому углероду формировать свои собственные связанные электродные структуры в рамках процесса отверждения.

В этом процессе используется взаимодействие воды и цемента. Вода образует разветвленную сеть каналов в бетоне, когда он начинает затвердевать, и углерод естественным образом мигрирует в эти каналы. Они имеют фрактальную структуру: более крупные ответвления разветвляются на все более мелкие, что создает угольные электроды с чрезвычайно большой площадью поверхности, проходящие через бетон.

Две из этих ветвей, разделенные изолирующим слоем или тонким пространством, успешно работают как пластины суперконденсатора, как только все это омывается стандартным электролитом, таким как хлорид калия.

Суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться почти мгновенно, поэтому удельная мощность и выходная мощность, как правило, намного выше, чем у стандартной литиевой батареи.

Плотность энергии ниже, поэтому необходимо найти компромисс между тем, сколько энергии хранится в объемном выражении, и тем, насколько прочным должен быть ваш бетон. Добавление большего количества углерода увеличивает накопление энергии, но ослабляет материал в целом.

Но самое замечательное здесь то, что это устройство хранения энергии не обязательно должно быть маленьким — обычно бетон испльзуется центнерами и тоннами. Средний американский дом площадью 185,8 м², построенный на стандартной 13-сантиметровой бетонной плите, использует около 24 м³ бетона. Добавьте больше, если у вас есть подъездная дорожка или забетонированный гараж, и еще больше, если дом построен с использованием бетонных стен или колонн.

Команда Массачусетского технологического института говорит, что блок объемом 45 м³ бетона, легированного наноуглеродом, будет хранить около 10 кВтч электроэнергии — этого достаточно, чтобы покрыть около трети энергопотребления среднего американского дома или сократить счет за электроэнергию в вашей сети почти до нуля, особенно с приличной солнечной батареей на крыше.

Команда протестировала эти бетонные суперконденсаторы в небольшом масштабе, вырезав пары электродов, чтобы создать крошечные 1-вольтовые суперконденсаторы размером с батарейку-таблетку, и используя три из них, чтобы зажечь 3-вольтовый светодиод. Теперь команда работает над блоками размером с автомобильные аккумуляторы и нацелена на версию объемом 45м³ и мощностью 10 кВтч для более масштабной демонстрации.

По словам профессора Массачусетского технологического института Франца-Йозефа Ульма, соавтора нового исследования, опубликованного вчера в журнале PNAS, это сверхмасштабируемая технология.

«Вы можете перейти от электродов толщиной 1 миллиметр к электродам толщиной 1 метр, и, таким образом, в основном вы можете масштабировать емкость накопления энергии от включения светодиода в течение нескольких секунд до питания всего дома», — рассказал он.

За пределами дома бетон есть абсолютно везде, от зданий до наземных покрытий и дорожной сети. Команда утверждает, что энергоаккумулирующий бетон может быть соединен с придорожными солнечными панелями и индуктивными зарядными катушками для создания сверхбыстрых беспроводных зарядных дорог для электромобилей благодаря способности суперконденсаторов перекачивать большой объем сока по требованию.

Также, по-видимому, много бетона используется в фундаментах крупных сетевых накопителей энергии, что открывает интересную возможность того, что гигантский бетонный суперконденсатор может хорошо сочетаться с более медленной химической батареей, давая ей возможность доставлять импульсы энергии. к сети быстро, а также более длительные вклады при меньшей мощности.

С другой стороны, неясно, подойдет ли этот вид бетона для использования на открытом воздухе, где он будет намокать. Также неясно, можно ли практически залить эти бетонные суперконденсаторы на месте для самосборки на месте. Вопрос безопасности подобных конденсаторов также пока остается открытым, но ученые обещают предложить утилитарные стратегии его применения в ближайшие годы.