Инженерите на MIT тестват нов вид батерия, съставена от цимент, вода и въглищни сажди

Инженерите на MIT създадоха суперкондензатор само от цимент, вода и остатъци от въглищната индустрия като саждите. Суперкондензаторът е направен от изобилни материали, които могат да съхраняват големи количества енергия. На практика устройството може да формира основата за евтини системи, които съхраняват периодично възобновяема енергия, като слънчева или вятърна енергия, съобщават от MIT. Според ново проучване два от най-разпространените исторически материали на човечеството, цимент и сажди (които приличат на много фин въглен), могат да формират основата за нова, евтина система за съхранение на енергия. Технологията може да улесни използването на възобновяеми енергийни източници като слънчева, вятърна и приливна енергия, като позволи на енергийните мрежи да останат стабилни въпреки колебанията в доставките на възобновяема енергия.

Изследователите откриха, че двата материала могат да се комбинират с вода, за да се направи суперкондензатор - алтернатива на батериите - който може да осигури съхранение на електрическа енергия. Като пример, изследователите от Масачузетския технологичен институт, разработили системата, казват, че техният суперкондензатор евентуално може да бъде вграден в бетонната основа на къща, където може да съхранява енергия за цял ден, като същевременно добавя малко (или никакво) към цената на фундамента и все още осигурява необходимата структурна здравина.

Изследователите също така предвиждат бетонен път за автомобили, който би могъл да осигури безконтактно зареждане на електромобилите, докато пътуват по този път.

Простата, но новаторска технология е описана в предстояща статия в списанието PNAS, в статия на професорите от Масачузетския технологичен институт Франц-Йозеф Улм, Адмир Масич и Янг-Шао Хорн и четирима други в MIT и в Института Wyss.

По принцип кондензаторите са много прости устройства, състоящи се от две електропроводими пластини, потопени в електролит и разделени от мембрана. Когато се приложи напрежение към кондензатора, положително заредените йони от електролита се натрупват върху отрицателно заредената плоча, докато положително заредената пластинка натрупва отрицателно заредени йони.

Тъй като мембраната между плочите блокира миграцията на заредени йони, това разделяне на зарядите създава електрическо поле между плочите и кондензаторът се зарежда. Двете плочи могат да поддържат тази двойка заряди за известно време и след това да ги доставят много бързо, когато е необходимо. Суперкондензаторите са просто кондензатори, които могат да съхраняват изключително големи заряди.

Количеството мощност, която кондензаторът може да съхрани, зависи от общата повърхност на проводящите плочи. Ключът към новите суперкондензатори, разработени от този екип, идва от метода за производство на материал на основата на цимент с изключително добра вътрешна повърхност, дължаща се на плътна, взаимосвързана мрежа от проводящ материал в неговия обем. Изследователите постигнаха това чрез въвеждане на въглищните сажди – които са силно проводими – в бетонова смес заедно с циментов прах и вода и ги оставиха да се втвърдят.

Водата естествено образува разклонена мрежа от отвори в структурата, докато реагира с цимента, а въглеродът мигрира в тези пространства, за да направи подобни на тел структури в рамките на втвърдения цимент. Тези структури имат система, подобна на фрактал, с по-големи разклонения, поникващи в по-малките такива. А те навлизат в още по-малко структури, завършвайки с изключително голяма повърхност в границите на относително малък обем.

След това сместа се „накисва“ в стандартен електролитен материал, като калиев хлорид, вид сол, която осигурява заредените частици, които се натрупват върху въглеродните структури. Два електрода, направени от този материал, разделени от тънко пространство или изолационен слой, образуват много мощен суперкондензатор, установиха изследователите.

Двете плочи на кондензатора функционират точно като двата полюса на акумулаторна батерия с еквивалентно напрежение: когато е свързана към източник на електричество, както при батерия, енергията се съхранява в плочите и след това, когато е свързана към товар, електрическият ток изтича обратно, за да осигури захранване.

„Полученият материалът е повече от завладяващ“, смята Масич, „защото имате най-използвания материал, произведен от човека в света - цимент, който е комбиниран със сажди, това е добре известен исторически материал. Свитъците от Мъртво море са написани с него. Имате тези материали на поне две хилядолетия, които, когато ги комбинирате по специфичен начин, получавате проводим нанокомпозит и тогава нещата стават наистина интересни“, обяснява специалистът.

Докато сместа се втвърдява и втвърдява, той казва: „Водата систематично се консумира чрез реакции на хидратация на цимента и тази хидратация засяга основно въглеродните наночастици, тъй като те са хидрофобни (водоотблъскващи).“ Докато сместа се развива, „саждите се самосглобяват в свързан проводящ проводник“, казва той. Процесът е лесно възпроизводим с материали, които са евтини и лесно достъпни навсякъде по света. И необходимото количество въглерод е много малко – само 3 процента от обема на сместа – за постигане на просмукана въглеродна мрежа, обясни Масик.

Суперкондензаторите, направени от този материал, имат голям потенциал да подпомогнат прехода на света към възобновяема енергия, обясни Улм. Основните беземисионни източници на енергия като вятърна, слънчева и приливна енергия, всички произвеждат мощността си непостоянно. А това често не съответства на пиковете в потреблението на електроенергия, така че начините за съхраняване на тази енергия са от съществено значение.

„Има огромна нужда от голямо съхранение на енергия“, каза той, а съществуващите батерии са твърде скъпи и разчитат най-вече на материали като литий, чиито доставки са ограничени, така че са крайно необходими по-евтини алтернативи. „Това е мястото, където нашата технология е изключително обещаваща, защото циментът е навсякъде“, споделя експертът.

Екипът изчисли, че блок от нанокарбонов добавен бетон с размери 45 кубични метра -  еквивалентен на куб с диаметър около 3,5 метра – ще има достатъчен капацитет да съхранява около 10 киловатчаса енергия, което е се счита за средната дневна консумация на електроенергия за едно домакинство. Тъй като бетонът ще запази здравината си, къща с основа, направена от този материал, може да съхрани енергия за един ден, произведена от слънчеви панели или вятърни мелници, и да позволи да се използва, когато е необходимо. И суперкондензаторите могат да се зареждат и разреждат много по-бързо от батериите.

След серия от тестове, използвани за определяне на най-ефективните съотношения на цимент, сажди и вода, екипът демонстрира процеса, като направи малки суперкондензатори, с размерите на някои батерии с бутонни клетки, около 1 сантиметър напречен и 1 милиметър дебел, всеки от които може да бъде зареден до 1 волт, което е сравнимо с 1-волтова батерия.

След това те свързаха три от тях, за да демонстрират способността си да запалят 3-волтов светодиод (LED). След като доказаха принципа, сега те планират да изградят серия от по-големи версии, като се започне с такива с размерите на типична 12-волтова автомобилна батерия, след което се стигне до версия с 45 кубически метра, за да се демонстрира способността тази „бетонна батерия“ да се постави в основата на къща.