Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) в США обнаружили, что два широко распространенных материала – цемент и сажу – можно соединить с водой и создать суперконденсатор со свойствами экологичной альтернативы аккумулирующих батарей для эффективного хранения электроэнергии. Об этом сообщает официальный сайт MIT. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
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, а положительно заряженная пластина накапливает отрицательно заряженные ионы.
Две пластины могут поддерживать эту пару зарядов в течение длительного времени и очень быстро задействовать их, когда это необходимо. Суперконденсаторы – это устройства, которые могут накапливать исключительно большие заряды. Количество энергии, которую может хранить конденсатор, зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин.
Ключом к новым суперконденсаторам, разработанным MIT, стал метод производства материала на основе цемента с чрезвычайно большой площадью внутренней поверхности и плотной взаимосвязанной сети проводящего материала в его объеме.
Исследователи добились этого, всего лишь добавив сажу, обладающую высокой электропроводностью, в бетонную смесь вместе с цементным порошком и водой, и дав ей высохнуть. Вода естественным образом образует разветвленную сеть отверстий внутри структуры, когда она реагирует с цементом, и углерод мигрирует в эти пространства, образуя разветвленные проводящие структуры внутри затвердевшего цемента.
Затем материал пропитывают стандартным электролитом, таким как хлорид калия, что обеспечивает заряженные частицы, которые накапливаются на углеродных структурах. Исследователи обнаружили, что два электрода из этого материала, разделенные тонким пространством или изолирующим слоем, образуют очень мощный суперконденсатор.
Две пластины конденсатора функционируют так же, как два полюса перезаряжаемой батареи эквивалентного напряжения. При подключении к источнику электроэнергии, как в случае с батареей, энергия накапливается в пластинах, а затем при подключении к нагрузке электрический ток течет обратно для обеспечения питания.
Процесс легко воспроизводим с использованием недорогих материалов, которые легко доступны в любой точке мира. По словам разработчиков, количество углерода, необходимого для получения перколяционной углеродной сети, очень мало – всего 3% от объема смеси.
Исследователями выявлен компромисс между емкостью материала и его структурной прочностью. При добавлении большего количества сажи полученный суперконденсатор может хранить больше энергии, но бетон будет немного слабее, что может быть полезно для вариантов, где бетон не играет ключевую конструкционную роль или не требуется его полный потенциал прочности. Для таких применений, как фундамент или конструктивные элементы основания ветряной турбины, «золотая пропорция» составляет около 10% сажи в смеси.
«Сегодня существует огромная потребность в больших хранилищах энергии, а существующие батареи слишком дороги и в основном основаны на таких материалах, как литий, запасы которого ограничены. Поэтому остро необходимы более дешевые альтернативы. Именно в этом аспекте наша технология чрезвычайно перспективна, потому что цемент используется повсеместно», – отметил профессор MIT Франц-Йозеф Ульм.
Его исследовательская группа подсчитала, что блок бетона, легированного наноуглеродной сажей, объемом в 45 кубических метров (что примерно эквивалентно кубу с гранью около 3,5 метров), будет представлять собой достаточную емкость для хранения около 10 киловатт-часов энергии – то есть величины среднесуточного потребления электроэнергии современным домохозяйством.
Дом с фундаментом из такого материала может хранить дневную энергию, вырабатываемую солнечными панелями или ветряными генераторами, и использовать ее в любое время. А суперконденсаторы можно заряжать и разряжать гораздо быстрее, чем батареи.
После серии тестов, используемых для определения наиболее эффективных соотношений цемента, сажи и воды, исследователи MIT продемонстрировала процесс, изготовив небольшие суперконденсаторы размером примерно с «таблеточную» батарейку диаметром около 1 см и толщиной 1 мм, каждый из которых мог заряжаться до 1 вольта. Затем они соединили три из них, чтобы продемонстрировать их способность зажигать 3-вольтовый светодиод.
Доказав принцип действия концепции, инженеры планируют построить серию более крупных версий – начиная с аналога типичного 12-вольтового автомобильного аккумулятора, а затем доведя до версии на 45 кубических метров, чтобы продемонстрировать способность хранить запас энергии для целого домохозяйства.
Исследователи говорят, что первоначальное использование технологии может быть реализовано для изолированных домов, зданий или укрытий, удаленных от сети, которые могут питаться от солнечных панелей, прикрепленных к цементным суперконденсаторам.
Другое потенциальное применение углеродно-цементных суперконденсаторов – строительство бетонных дорог, которые могли бы накапливать энергию, вырабатываемую солнечными батареями вдоль дороги, а затем передавать эту энергию проезжающим электромобилям с использованием той же технологии, которая применяется для беспроводных перезаряжаемых телефонов.