Согласно новому исследованию, два самых распространенных исторических материала человечества, цемент и технический углерод (который напоминает очень мелкий древесный уголь), могут стать основой для новой недорогой системы накопления энергии. Технология могла бы облегчить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра и энергия приливов, позволяя энергетическим сетям оставаться стабильными, несмотря на колебания в поставках возобновляемой энергии.
Исследователи обнаружили, что эти два материала можно объединить с водой, чтобы создать суперконденсатор — альтернативу батареям, — который мог бы обеспечивать хранение электрической энергии.
В качестве примера исследователи Массачусетского технологического института, разработавшие систему, говорят, что их суперконденсатор в конечном итоге можно было бы встроить в бетонный фундамент дома, где он мог бы накапливать энергию на целый день, практически не увеличивая стоимость фундамента и при этом обеспечивая необходимую прочность конструкции. Исследователи также представляют себе бетонную проезжую часть, которая могла бы обеспечить бесконтактную подзарядку электромобилей во время их движения по этой дороге.
Простая, но инновационная технология описана в журнале PNAS, в статье профессоров Массачусетского технологического института Франца-Йозефа Ульма, Адмира Масича и Ян-Шао Хорна, а также четырех других сотрудников Массачусетского технологического института и Института Висса.
Конденсаторы в принципе представляют собой очень простые устройства, состоящие из двух электропроводящих пластин, погруженных в электролит и разделенных мембраной. Когда на конденсатор подается напряжение, положительно заряженные ионы из электролита накапливаются на отрицательно заряженной пластине, в то время как положительно заряженная пластина накапливает отрицательно заряженные ионы.
Поскольку мембрана между пластинами блокирует миграцию заряженных ионов, такое 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 при необходимости. Суперконденсаторы — это просто конденсаторы, которые могут накапливать исключительно большие заряды.
Количество энергии, которое может накапливать конденсатор, зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин. Ключом к новым суперконденсаторам, разработанным этой командой, является метод получения материала на основе цемента с чрезвычайно высокой площадью внутренней поверхности благодаря плотной взаимосвязанной сети проводящего материала в его объемном объеме.
Исследователи добились этого, введя технический углерод, обладающий высокой электропроводностью, в бетонную смесь вместе с цементным порошком и водой и дав ей затвердеть. Вступая в реакцию с цементом, вода естественным образом образует разветвленную сеть отверстий внутри конструкции, и углерод мигрирует в эти пространства, образуя проволокоподобные структуры внутри затвердевшего цемента. Эти структуры имеют фрактальную структуру, с более крупными ветвями, от которых отходят более мелкие ответвления, а те отрастают еще меньшими ответвлениями, и так далее, в конечном итоге получается чрезвычайно большая площадь поверхности в пределах относительно небольшого объема.
Затем материал пропитывается стандартным электролитическим материалом, таким как хлорид калия, разновидность соли, которая обеспечивает образование заряженных частиц, накапливающихся на углеродных структурах. Исследователи обнаружили, что два электрода, изготовленные из этого материала, разделенные тонким пространством или изолирующим слоем, образуют очень мощный суперконденсатор.
Две пластины конденсатора функционируют точно так же, как два полюса перезаряжаемой батареи эквивалентного напряжения. При подключении к источнику электричества, как в случае с батареей, энергия накапливается в пластинах, а затем, при подключении к нагрузке, электрический ток течет обратно, обеспечивая питание.
«Материал завораживает, — говорит Масич, — потому что у вас есть наиболее часто используемый искусственный материал в мире, цемент, который сочетается с сажей, это хорошо известный исторический материал — им были написаны свитки Мертвого моря. У вас есть материалы, которым по меньшей мере два тысячелетия, и когда вы комбинируете их определенным образом, получается проводящий нанокомпозит, и вот тогда все становится по-настоящему интересным».
По мере затвердевания смеси, говорит он, «вода систематически расходуется в ходе реакций гидратации цемента, и эта гидратация существенно влияет на наночастицы углерода, поскольку они гидрофобны (отталкивают воду)». По мере развития смеси «технический углерод самособирается в соединенный токопроводящий провод», — говорит он.
Этот процесс легко воспроизводим с использованием недорогих материалов, которые легко доступны в любой точке мира. По словам Масика, количество углерода, необходимое для создания перколяционной углеродной сети, очень мало — всего 3% от объема смеси.
По словам Ульма, суперконденсаторы, изготовленные из этого материала, обладают огромным потенциалом для содействия переходу мира на возобновляемые источники энергии. Основные источники энергии без выбросов — энергия ветра, солнца и приливов — вырабатывают свою мощность в разное время, которое часто не соответствует пикам потребления электроэнергии, поэтому необходимы способы хранения этой энергии.
«Существует огромная потребность в больших накопителях энергии», — говорит он, а существующие батареи слишком дороги и в основном основаны на таких материалах, как литий, запасы которого ограничены, поэтому крайне необходимы более дешевые альтернативы. «Именно в этом наша технология чрезвычайно перспективна, потому что цемент распространен повсеместно», — говорит Ульм.
Инженеры Массачусетского технологического института создали “суперконденсатор”, изготовленный из древних, распространенных материалов, который может накапливать большое количество энергии. Изготовленное всего лишь из цемента, воды и технического углерода (который напоминает измельченный древесный уголь), устройство могло бы стать основой для недорогих систем, которые периодически накапливают возобновляемую энергию, такую как солнечная или ветровая энергия. Авторы: Франц-Йозеф Ульм, Адмир Масич и Ян-Шао Хорн
Команда подсчитала, что блок бетона, легированного наноуглеродом черного цвета, размером 45 кубических метров (или ярдов) — что эквивалентно кубу около 3,5 метров в поперечнике — будет обладать достаточной емкостью для хранения около 10 киловатт—часов энергии, что считается средним ежедневным потреблением электроэнергии в домашнем хозяйстве.
Поскольку бетон сохранил бы свою прочность, дом с фундаментом из этого материала мог бы накапливать дневную энергию, вырабатываемую солнечными батареями или ветряными мельницами, и использовать ее всякий раз, когда это необходимо. Кроме того, суперконденсаторы можно заряжать и разряжать гораздо быстрее, чем аккумуляторы.
После серии тестов, использованных для определения наиболее эффективных соотношений цемента, технического углерода и воды, команда продемонстрировала процесс, изготовив небольшие суперконденсаторы размером примерно с несколько кнопочных аккумуляторов, около 1 сантиметра в поперечнике и 1 миллиметр толщиной, каждый из которых можно заряжать до 1 вольта, что сопоставимо к 1-вольтовой батарее. Затем они подключили три из них, чтобы продемонстрировать свою способность зажигать 3-вольтовый светодиод (LED).
Доказав принцип, теперь они планируют создать серию более крупных версий, начиная с моделей размером с обычный 12-вольтовый автомобильный аккумулятор, а затем довести их до версии объемом 45 кубических метров, чтобы продемонстрировать их способность накапливать энергию на целый дом.
Они обнаружили, что существует компромисс между способностью материала к хранению и его структурной прочностью. При добавлении большего количества технического углерода полученный суперконденсатор может накапливать больше энергии, но бетон получается немного слабее, и это может быть полезно для применений, где бетон не играет конструктивной роли или где не требуется полный потенциал прочности бетона.
Они обнаружили, что для таких применений, как фундамент или конструктивные элементы основания ветряной турбины, оптимальным является содержание около 10% технического углерода в смеси.
Другим потенциальным применением карбоцементных суперконденсаторов является строительство бетонных дорог, которые могли бы накапливать энергию, вырабатываемую солнечными панелями вдоль дороги, а затем передавать эту энергию электромобилям, движущимся по дороге, используя ту же технологию, которая используется для беспроводной подзарядки телефонов. Аналогичный тип системы подзарядки автомобилей уже разрабатывается компаниями в Германии и Нидерландах, но для хранения используются стандартные аккумуляторы.
Исследователи говорят, что первоначально технология могла бы использоваться в изолированных домах, зданиях или убежищах вдали от электросети, которые могли бы питаться от солнечных панелей, прикрепленных к цементным суперконденсаторам.
Ульм говорит, что система очень масштабируема, поскольку емкость накопителя энергии напрямую зависит от объема электродов. «Вы можете перейти от электродов толщиной 1 миллиметр к электродам толщиной 1 метр, и, поступая таким образом, вы, по сути, можете увеличить емкость накопителя энергии от освещения светодиода в течение нескольких секунд до питания целого дома», — говорит он.
В зависимости от свойств, желаемых для конкретного применения, систему можно настроить, отрегулировав состав смеси. По словам Ульма, для зарядки транспортных средств на дороге потребовались бы очень быстрые скорости зарядки и разрядки, в то время как для питания дома «у вас есть целый день, чтобы зарядить его», поэтому можно использовать материалы для более медленной зарядки.
«Таким образом, это действительно многофункциональный материал», — добавляет он. Помимо способности накапливать энергию в виде суперконденсаторов, тот же вид бетонной смеси можно использовать в качестве системы отопления, просто подводя электричество к бетону с углеродной прослойкой.
Ульм рассматривает это как «новый взгляд на будущее бетона в рамках перехода к энергетике».
В исследовательскую группу также входили постдоки Николас Чанут и Дамиан Стефанюк с факультета гражданского строительства и охраны окружающей среды Массачусетского технологического института, Джеймс Уивер из Института биологически вдохновленной инженерии Висса и Юнгуанг Чжу с факультета машиностроения Массачусетского технологического института. Работа была проведена при поддержке Центра устойчивого развития бетона Массачусетского технологического института при спонсорской поддержке Фонда продвижения бетона.