Учёные из Массачусетского технологического института создают альтернативу домашнему аккумулятору из цемента • The Register

Исследователи из Массачусетского технологического института утверждают, что нашли новый способ хранения энергии, используя только цемент, немного воды и порошкообразную сажу — кристаллическую форму элемента.

Материалы можно умело комбинировать для создания суперконденсаторов, которые, в свою очередь, можно использовать для строительства фундаментов домов, накопителей энергии, дорог, которые могут заряжать транспортные средства по беспроводной сети, а также служить основой ветряных турбин и других систем возобновляемой энергии - и все это при сохранении удивительное количество энергии, утверждает команда.

Согласно статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, 45 кубических метров цемента, легированного углеродной сажей, могут иметь достаточную мощность для хранения 10 киловатт-часов энергии – примерно столько, сколько среднее домохозяйство использует в день. Блок цемента такого размера будет иметь длину около 3,5 метров с каждой стороны, и, в зависимости от размера дома, блок теоретически может хранить всю энергию, которая понадобится автономному дому, использующему возобновляемые источники энергии.

«У вас есть наиболее используемый в мире искусственный материал — цемент, который сочетается с углеродной сажей, это хорошо известный исторический материал — им были написаны свитки Мертвого моря», — сказал доцент кафедры гражданского и гражданского строительства Массачусетского технологического института. Экологическая инженерия, Адмир Масич.

«У вас есть материалы, которым по крайней мере два тысячелетия, и когда вы объединяете их определенным образом, вы получаете проводящий нанокомпозит, и именно тогда все становится действительно интересно», — добавил Масик.

Конденсаторы способны хранить энергию, но не так, как батареи.

В то время как батареи используют преобразование химической энергии в электростатический заряд для хранения и высвобождения энергии, конденсаторы хранят энергию в электрическом поле между проводящими отдельными пластинами. Чем совершеннее изолятор в зазоре между двумя проводниками, тем больший (равный, но противоположный) заряд может храниться в каждом проводнике. Суперконденсаторы, в которых используются ионопроницаемые мембраны, включая графен в качестве сепаратора, функционируют аналогичным образом.

При подключении к источнику электроэнергии энергия сохраняется в пластинах, но при подключении к нагрузке ток течет обратно, отдавая мощность.

Емкость конденсатора или суперконденсатора во многом, но не только, определяется площадью поверхности его пластин. Исследователи Массачусетского технологического института объяснили, что исследованный ими материал имеет исключительно большую площадь внутренней поверхности благодаря взаимодействию технического углерода и воды.

«Реакции гидратации цемента в присутствии углерода создают фрактальную углеродную сеть, проводящую электроны, которая пронизывает несущую матрицу на основе цемента», - отмечают авторы. По сути, через блок этого богатого углеродом цемента проходят высокопроводящие провода из технического углерода, которые значительно увеличивают площадь поверхности и, следовательно, емкость хранения.

Масик сказал, что по мере затвердевания смеси вода впитывается в цемент. Углеродная сажа, обладающая высокой гидрофобностью, не может быть диспергирована таким же образом, поэтому «углеродная сажа самособирается в соединенный проводящий провод».

Всего три процента смеси должно содержать углеродную сажу, чтобы затвердевший цемент действовал как суперконденсатор, но исследователи обнаружили, что 10-процентная смесь технического углерода кажется идеальной. За пределами этого соотношения цемент становится менее стабильным, а это не то, что вам нужно для здания или фундамента. Команда отмечает, что неструктурное использование может обеспечить более высокие концентрации технического углерода и, следовательно, более высокую емкость хранения энергии.

Команда построила лишь крошечную одновольтовую испытательную платформу, используя смесь технического углерода, но планирует масштабировать ее до суперконденсаторов того же размера, что и 12-вольтовая автомобильная батарея, а в конечном итоге — до блока емкостью 45 кубических метров.

Помимо использования для хранения энергии, смесь также можно использовать для производства тепла — путем подачи электричества к проводящей углеродной сети, заключенной в цементе, отметили в MIT.

«Существует огромная потребность в больших хранилищах энергии», — отметил профессор гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института и глава конкретного центра устойчивого развития Массачусетского технологического института Франц-Йозеф Ульм. Ульм, соавтор статьи, объяснил, что суперконденсаторы, изготовленные с использованием более дешевых и более распространенных материалов, могут оказать огромную помощь в переходе мира на возобновляемую энергию и устранить потребность в дорогих и дефицитных материалах, таких как литий.