Учёные разработали энергоаккумулирующий суперконденсатор из распространённых материалов
Инженеры MIT провели новое исследование, в результате которого был разработан энергоаккумулирующий суперконденсатор, состоящий из таких распространённых материалов, как вода, цемент, сажа. Это устройство может стать базовым для недорогих систем, которые накапливают возобновляемую солнечную или ветровую энергию.
Как отмечают исследователи, технология может существенно продвинуть использование возобновляемых источников энергии. При её использовании энергетические сети будут оставаться в стабильном состоянии, несмотря на колебания в поставках солнечной, ветровой и других альтернативных видов энергии.
Исследователи утверждают, что созданный ими суперконденсатор в конечном итоге можно встроить в бетонный фундамент здания. Он сможет хранить энергию целый день. При этом конструкция практически ничего не будет добавлять к стоимости строительства. Они также говорят, что структурная прочность будет обеспечена без проблем. Кроме того, ученые считают, что можно построить бетонную дорогу из этого материала. Она будет обеспечивать бесконтактную зарядку электромобилей, проезжающих по ней.
Это довольно простая инновационная технология была описана профессорами Массачусетского технологического института Францем-Йозефом Ульма, Адмир Масичом и Ян-Шао Хорном, а также четырьмя другими учеными из Массачусетского технологического института и Института Висса. Конденсаторы являются довольно простыми устройствами. В их состав входят две электропроводящие пластины, разделённые мембраной. Если на конденсатор подать напряжение, то положительно заряженные ионы из электролита собираются на отрицательно заряженной пластине. Отрицательно заряженные ионы, наоборот, накапливаются на положительный пластине. Мембрана предназначена для блокирования миграции заряженных ионов. Такое разделение обеспечивает электрическое поле между пластинами. В результате происходит заряд конденсатора. Этот заряд может поддерживаться в течение длительного времени и отдаётся очень быстро при необходимости. Суперконденсатор представляет собой конденсатор, который может накапливать исключительно большой заряд.
Количество энергии, которое может накапливать конденсатор, зависит от площади поверхности пластин. В проведённом исследовании команды учёных использовали новый метод производства материала на основе цемента. Он обеспечивает чрезвычайно большую площадь внутренней поверхности благодаря плотной взаимосвязанной сети проводящего материала в объёме. Учёным удалось добиться этого введением сажи, имеющей высокую электропроводность. Они добавляли сажу вместе с водой и цементом.
Вода обеспечивает разветвлённую сеть пор внутри полученной структуры. В эти полости мигрирует углерод, в результате чего образуются проволочные структуры. В них крупные ответвления вырастают из более мелких. Всё это обеспечивает чрезвычайно большую площадь внутренней поверхности при небольшом объёме.
После этого материал пропитывают электролитом стандартного состава. Используется хлорид калия. Эта соль обеспечивает заряженные частицы, скапливающиеся в углеродных структурах. Электроды из этого материала, разделённые изолирующим слоем, образуют очень мощные суперконденсаторы.
Две пластины конденсатора работают аналогично двум полюсам аккумулятора с эквивалентным напряжением. То есть, при подключении к источнику электричества энергия накапливается, а при подключении нагрузки заряд отдаётся обратно.
Исследователи говорят, что полученный материал впечатляет своими характеристиками. Они считают, что комбинируя определённым образом состав, можно получить проводящий нанокомпозит, который будет востребован в аккумуляторной отрасли и альтернативной энергетике.
Когда полученная смесь схватывается, вода потребляется в ходе реакции гидратации цемента. Частицы углерода гидрофобны и собираются в электропроводящий провод. Важно, что процесс легко воспроизвести в любой точке мира с использованием этих недорогих материалов. При этом углерода требуется около 3% от всего объёма смеси.
Как утверждает Ульм, суперконденсаторы из нового материала способны помочь при переходе к возобновляемым источникам энергии. Они позволят компенсировать перепады подачи энергии солнца, ветра, приливов и отливов. Для дальнейшего развития альтернативной энергетики сейчас существует огромная потребность в таких аккумуляторах энергии. Важно, что здесь не используются такие дорогие материалы, как никель, литий, кобальт.
Команда исследователей подсчитала, что блок бетона размером 45 м³ обеспечит достаточную ёмкость для накапливания 10 киловатт-часов электроэнергии. Это значение можно назвать среднесуточным потреблением одного домохозяйства. При этом бетон сохраняет свою прочность и может отдавать накопленную энергию в любое время. Преимуществом также является то, что суперконденсаторы имеют высокую скорость заряда.
При проведении исследований учёные изготовили небольшие суперконденсаторы размером с «таблеточную» батарейку (толщина 1 мм, диаметр 1 см). Они заряжали их до 1 вольта. Затем соединили три штуки и продемонстрировали возможность питания трёхвольтового светодиода (LED). Принцип суперконденсатора был продемонстрирован, и теперь исследователи собираются построить более крупные образцы. Начнут они с моделей, имеющих габариты стандартного 12-вольтового автомобильного аккумулятора. В дальнейшем они собираются довести образцы до размера 45 м3.
Учёные обнаружили определённый компромисс между структурной прочностью и ёмкостью полученного материала. Если добавить больше сажи, он будет хранить больше энергии. Но при этом ослабляется бетон. Это может пригодиться в тех ситуациях, где бетон не выступает в качестве конструкционного материала, или не требуется его полный потенциал прочности. В качестве оптимального соотношения для строительства основания ветряной турбины учёные называют 10% сажи в бетонной смеси.
Другим потенциальным применением таких суперконденсаторов может стать строительство бетонных дорожных покрытий. Они могли бы накапливать энергию, вырабатываемую солнечными батареями. А затем они могут передавать накопленный заряд электромобилям, которые передвигаются по этой дороге. Технологию здесь предлагается использовать аналогичную той, что применяется при беспроводной зарядке аккумуляторов телефонов. В некоторых европейских странах уже разрабатывается аналогичный тип системы подзарядки для электромобилей.
По словам исследователей, первоначально технология может быть использована для строительства изолированных зданий, питание которых будет обеспечиваться от солнечных панелей, связанных с цементными суперконденсаторами. Ульм утверждает, что предложенная система чрезвычайно масштабируема. Ведь ёмкость в данном случае напрямую зависит от объёма электродов.
В зависимости от свойств, которые требуются от суперконденсатора, можно регулировать смесь. Ульм считает, что для бетонных дорог потребуется очень высокая скорость заряда и разряда. А для суперконденсатора в виде фундамента дома скорость заряда не так критична. По словам исследователей, они разработали многофункциональный материал, который можно также использовать в качестве системы отопления. Для этого будет достаточно просто подавать электричество на углеродосодержащий бетон.
В исследовательскую группу также входили специалисты из других факультетов Массачусетского технологического института, а также из Института биологического проектирования Висса. Исследовательская работа была проведена при поддержке MIT Concrete Sustainability Hub и Concrete Advancement Foundation.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
