Согласно новому исследованию, цемент и технический углерод (похожий на очень мелкий древесный уголь), два самых распространенных исторических материала человечества, могут составить основу новой, недорогой системы хранения энергии. Эта технология может позволить энергетическим сетям оставаться стабильными, несмотря на колебания поставок возобновляемой энергии, тем самым способствуя использованию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, ветровая и приливная энергия.
Инженеры MIT использовали древний и распространенный материал для создания «суперконденсатора», способного хранить большое количество энергии. Изготовленное только из цемента, воды и технического углерода (похожего на порошок древесного угля), устройство может послужить основой для недорогой системы для прерывистого хранения возобновляемой энергии, такой как солнечная или ветровая. Источник изображения: Франц-Йозеф Ульм, AdmirMasic и Ян-ШаоХорн
Исследователи обнаружили, что эти два материала можно объединить с водой для создания суперконденсаторов (альтернативы батареям), которые обеспечивают хранение электрической энергии. Исследователи Массачусетского технологического института, разработавшие систему, говорят, например, что их суперконденсаторы в конечном итоге могут быть установлены в бетонных фундаментах домов, что позволит им хранить весь дневной запас электроэнергии практически без дополнительных (или вычтенных) затрат на фундамент и при этом обеспечивать необходимую структурную прочность. Исследователи также предполагают создание бетонного покрытия, которое могло бы обеспечить бесконтактную зарядку электромобилей, когда они проезжают по нему.
Профессора Массачусетского технологического института Франц-Йозеф Ульм, Адмир Масич и Ян-Шао Хорн, а также четыре других профессора из Массачусетского технологического института и Института Висса описывают этот простой, но инновационный метод в статье, недавно опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В принципе, конденсатор — это очень простое устройство, состоящее из двух токопроводящих пластин, погруженных в электролит, разделенных тонкой пленкой. Когда на конденсатор подается напряжение, положительно заряженные ионы электролита собираются на отрицательно заряженных пластинах, а положительно заряженные пластины собирают отрицательно заряженные ионы. Поскольку пленка между пластинами блокирует миграцию заряженных ионов, в результате разделения зарядов между пластинами возникает электрическое поле, и конденсатор становится заряженным. Две пластины могут удерживать пару зарядов в течение длительного времени и быстро освобождать их при необходимости. Суперконденсатор — это конденсатор, способный накапливать чрезвычайно большие электрические заряды.
Количество электричества, которое может хранить конденсатор, зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин. Ключ к новому суперконденсатору, разработанному исследовательской группой, лежит в методе производства материала на основе цемента, который имеет чрезвычайно большую площадь внутренней поверхности из-за присутствия плотной, взаимосвязанной сети проводящих материалов в его объеме. Исследователи добились этого, введя высокопроводящую углеродную сажу в бетонную смесь вместе с цементным порошком и водой и позволив ей затвердеть. Когда вода вступает в реакцию с цементом, она естественным образом образует разветвленную сеть отверстий в структуре, и углерод мигрирует в эти пространства, образуя проволочную структуру в затвердевшем цементе.
Эти структуры имеют фрактальную структуру: более крупные ветви перерастают в более мелкие, которые перерастают в более мелкие и так далее, в конечном итоге создавая чрезвычайно большую площадь поверхности в относительно небольшом объеме. Затем этот материал пропитывают стандартным электролитом, таким как хлорид калия, соль, которая накапливает заряженные частицы на углеродной структуре. Исследователи обнаружили, что два электрода из этого материала, разделенные тонким слоем изоляции, могут создать очень мощный суперконденсатор.
Поскольку этот новый «суперконденсаторный» бетон сохраняет свою прочность, дом с фундаментом, построенным на этом материале, может хранить дневной запас энергии, вырабатываемой солнечными панелями или ветряными мельницами, и использовать ее при необходимости. Источник изображения: Франц-Йозеф Ульм, AdmirMasic и Ян-ШаоХорн
Две обкладки конденсатора подобны полюсам аккумуляторной батареи одинакового напряжения: как и в батарее, энергия накапливается в обкладках при подключении к источнику питания, а затем при подключении к нагрузке ток течет обратно, обеспечивая электрическую энергию.
«Этот материал потрясающий, — сказал Мэсик, — потому что у вас есть наиболее часто используемый искусственный материал в мире — цемент в сочетании с углеродной сажей, который является хорошо известным историческим материалом — на нем были написаны свитки Мертвого моря. У вас есть эти материалы, которым по крайней мере две тысячи лет, и когда вы объединяете их определенным образом, вы создаете проводящий нанокомпозит, и именно здесь все становится действительно интересным».
«По мере того, как смесь схватывается и затвердевает, вода систематически потребляется в ходе реакций гидратации цемента, и эта реакция гидратации фундаментально влияет на углеродные наночастицы, потому что они гидрофобны (отталкивают воду). По мере того, как смесь развивается, углеродная сажа самоорганизуется в связанную проводящую нить. Этот процесс легко воспроизвести, используя недорогие и доступные в любой точке мира материалы. Количество углерода, необходимое для образования науглероженной сетки, очень мало, составляя всего 3% от объема смеси».
Суперконденсаторы, изготовленные из этого материала, обладают огромным потенциалом, чтобы помочь миру перейти на возобновляемые источники энергии. Основные источники энергии без выбросов – энергия ветра, солнца и приливов – вырабатываются нерегулярно, часто не в соответствии с пиковым спросом на электроэнергию, поэтому способы хранения электроэнергии имеют решающее значение. «Существует огромная потребность в крупномасштабных устройствах хранения энергии. Существующие батареи слишком дороги и основаны в основном на таких материалах, как литий, запасы которого ограничены, поэтому существует острая потребность в более дешевых альтернативах». Ульм сказал: «Именно здесь наша технология очень перспективна, потому что цемент есть повсюду».
Команда подсчитала, что блока бетона, наполненного наноуглеродной сажей, объемом 45 кубических метров (или ярдов) (что эквивалентно кубу диаметром около 3,5 метров) будет достаточно для хранения около 10 киловатт-часов энергии, что эквивалентно среднему ежедневному потреблению электроэнергии домохозяйством. Поскольку бетон сохраняет свою прочность, дом с фундаментом из этого материала может хранить дневной запас электроэнергии от солнечных батарей или ветряных мельниц и быть готовым к использованию при необходимости. Более того, суперконденсаторы заряжаются и разряжаются гораздо быстрее, чем аккумуляторы.
После серии испытаний по определению наиболее эффективного соотношения цемента, сажи и воды команда создала небольшие суперконденсаторы размером с некоторые батарейки, диаметром около 1 сантиметра и толщиной 1 миллиметр. Каждый из них можно заряжать до напряжения 1 В, что эквивалентно 1-вольтовой батарее. Затем они соединили три таких элемента и продемонстрировали их способность зажигать 3-вольтовый светодиод (LED). Доказав этот принцип, они теперь планируют построить серию более крупных версий, начиная с одной примерно такого же размера, как типичная автомобильная батарея на 12 В, а затем масштабируя ее до версии объемом 45 кубических метров, чтобы продемонстрировать ее способность хранить электроэнергию, достаточную для дома.
Они обнаружили, что существует компромисс между емкостью материала и его структурной прочностью. Добавляя больше технического углерода, полученный суперконденсатор может хранить больше энергии, но бетон будет немного слабее, что может быть полезно в тех случаях, когда бетон не выполняет структурную роль или где не требуется полный потенциал прочности бетона. Они обнаружили, что для таких применений, как фундаменты или элементы конструкции оснований ветряных турбин, «оптимальным вариантом» является содержание около 10% технического углерода в смеси.
Еще одним потенциальным применением углеродно-цементных суперконденсаторов является строительство бетонных тротуаров, которые могут хранить энергию, генерируемую солнечными панелями на обочине дороги, а затем передавать ее электромобилям, едущим по дороге, используя ту же технологию, которая используется для беспроводной зарядки мобильных телефонов. Компании в Германии и Нидерландах уже разрабатывают аналогичную систему зарядки автомобилей, но с использованием стандартных аккумуляторов.
Исследователи говорят, что первоначально эта технология может быть использована в изолированных домах, зданиях или убежищах, не подключенных к сети, которые могут питаться от солнечных батарей, прикрепленных к цементным суперконденсаторам.
Система имеет широкие возможности масштабирования, поскольку емкость аккумулируемой энергии напрямую зависит от объема электрода. «Вы можете масштабировать электрод толщиной 1 миллиметр до электрода толщиной 1 метр, и, сделав это, вы можете в основном масштабировать возможности хранения энергии от включения светодиода на несколько секунд до питания всего дома», — сказал Ульм.
В зависимости от свойств, необходимых для конкретного применения, систему можно настроить путем регулировки смеси. Для автомобильных дорог для зарядки требуются очень быстрые скорости зарядки и разрядки, тогда как для домашнего источника питания требуется целый день для зарядки, поэтому можно использовать более медленные зарядные материалы.
Так что это действительно универсальный материал. Помимо хранения энергии в виде суперконденсаторов, ту же бетонную смесь можно также использовать в качестве системы отопления, просто пропуская электричество через углеродсодержащий бетон.
Ульм видит в этом «новый взгляд на будущее бетона как часть энергетического перехода».