カーボンブラックとセメントで作られた、費用対効果が高く効率的な新しいスーパーキャパシタは、建物のコンクリート基礎に XNUMX 日分のエネルギーを蓄えたり、電気自動車が走行中に非接触充電を提供したりできる可能性があります。 この装置を開発した米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）とウィス研究所の研究者らによると、この装置は太陽光、風力、潮力などの再生可能エネルギー源の利用も促進する可能性があるという。

スーパーキャパシタは、技術的には電気二重層キャパシタまたは電気化学キャパシタとして知られており、その機能は電池と従来の（誘電）キャパシタの中間程度に位置します。 スーパーキャパシタは電池ほど電荷を蓄える能力は劣りますが、表面積が数平方キロメートルもの多孔質電極のおかげで、この点では従来のキャパシタよりも優れています。 電圧が印加されると、このようなデバイスの電解質と電極の界面に二重層が形成され、蓄えることができる電荷の量がさらに増加し​​ます。

スーパーキャパシタには、バッテリーに比べていくつかの利点もあります。 バッテリーの充電と放電には数時間かかる場合がありますが、スーパーキャパシタは数分で完了します。 また、寿命もはるかに長く、数千サイクルではなく数百万サイクル持続します。 また、化学反応によって機能するバッテリーとは異なり、スーパーキャパシタは、電極の表面に集合する荷電イオンの形でエネルギーを蓄えます。

非常に高い内部表面積

が率いるチームによって開発された新しいデバイス フランツ・ヨーゼフ・ウルム, アドミール・マシック & ヤン・シャオ・ホーン、非常に高い内部表面積を誇るセメントベースの材料が含まれています。 研究者らは、非常に細かい木炭に似たカーボンブラックを含む乾燥セメント混合物から始めることでこれを達成しました。 この混合物に、水と、コンクリート製造における標準的な減水剤である減水剤を加えました。 水がセメントと反応す​​ると、構造内に細孔の分岐ネットワークが自然に形成され、炭素がこれらの細孔に移動して、フラクタルのような構造を持つ針金状のフィラメントを形成します。 この高密度で相互接続されたネットワーク構造が、材料に非常に大きな表面積を提供します。

「新鮮な材料をプラスチックのチューブに充填し、少なくとも 28 日間硬化させます」とウルム氏は説明します。 「次に、サンプルを電極サイズの塊に切断し、これらの電極を標準電解質溶液（塩化カリウム）に浸し、絶縁膜で分離された XNUMX つの電極からスーパーキャパシタを構築します。」

次に研究者らは、一方の電極を正電荷に接続し、もう一方の電極を負電荷に接続して電極を分極させます。 充電中、電解質からの正に帯電したイオンは負に帯電した体積カーボン ワイヤ上に蓄積し、一方、負に帯電したイオンは正に帯電したカーボン ワイヤ上に蓄積します。

一日分のエネルギー

膜が邪魔になると、荷電イオンは電極間を移動できなくなります。 この不均衡により、超電導体を帯電させる電場が生成されます。 「体積ワイヤが利用可能な空間を埋めるという事実は、EDS-ラマン分光法で確認されたことですが、カーボン ブラックの非常に大きな表面に多くのエネルギーを蓄えることを可能にします」とウルム氏は言います。 「その後、スーパーキャパシタからエネルギー源を切り離すと、蓄えられたエネルギーが放出され、さまざまな用途に電力を供給できるようになります。」

彼らの計算によると、その詳細は PNAS、長さ45メートルの材料のブロック³ （3.55m立方体に相当）約10kWhのエネルギーを蓄えることができる。 これは一般家庭のXNUMX日あたりの平均電力消費量とほぼ同じです。 したがって、この炭素コンクリート複合材料を含む基礎で建てられた家は、たとえばソーラーパネルによって生成された XNUMX 日分のエネルギーを貯蔵し、必要なときに放出することができます。 この材料は、風力タービンなどの断続的な発電機に組み込まれる可能性もあり、その基部にエネルギーを蓄え、ダウンタイム中に放出する可能性がある。

スーパーキャパシタのもう XNUMX つの潜在的な用途は、ハイエンドではありますが、コンクリートの道路に追加することです。 これらのスーパーロードはエネルギーを蓄え（おそらく、道路沿いに設置されたソーラーパネルによって生成される）、それを電磁誘導を介して通過する電気自動車に供給することができる。 この技術は基本的に携帯電話のワイヤレス充電に使用されるものと同じであり、研究者らは、電気自動車が移動していないとき、たとえば駐車場での充電にも使用できる可能性があると述べている。

さらに短期的な用途としては、送電網から遠く離れた建物内で、スーパーキャパシターに接続されたソーラーパネルを使って電力を供給する可能性があると付け加えた。

非常に拡張性の高いシステム

エネルギー貯蔵容量は電極の体積に比例して増加するため、このシステムは非常に拡張性があるとウルム氏は述べています。 「電極の厚さを 1 ミリメートルから 1 メートルにすることができます。そうすることで、基本的に、LED を数秒間点灯することから家全体に電力を供給するまで、エネルギー貯蔵容量を拡張することができます。」と彼は説明します。 特定の用途に必要な特性に応じて、混合物を調整することでシステムを調整できると彼は付け加えた。 車の充電道路の場合は非常に速い充放電速度が必要ですが、家庭に電力を供給する場合は「充電に丸一日かかる」ため、よりゆっくりと充電できる材料を使用できます。

無毒のスーパーキャパシタは完全にリサイクル可能

「構成材料が非常に容易に入手できるという事実は、エネルギー貯蔵ソリューションを再考する新しい方法を開きます」とウルム氏は語ります。 物理学の世界。 「コンクリートは水に次いで地球上で最も消費される材料ですが、世界中の二酸化炭素の約8%を占めるため、無視できない環境コストがかかります」₂ 排出量は世界全体の年間生産量 4 ギガトンから生じます。 したがって、私たちの全体的な焦点は、追加の有用な社会的機能を提供できる多機能材料をコンクリートにすることでした。」

気候変動の影響を抑制するには、エネルギー貯蔵が今日非常に重要であると同氏は指摘し、これまでの研究では、セメントと炭素の混合物を使用して電子伝導性セメントを製造できることが示されている。 しかし、電気伝導率だけではエネルギーを蓄えるのに十分ではありません。 「私たちは、疎水性カーボンブラックの存在下で親水性セメントを水和させると、必要な他の XNUMX つの基準、つまり貯蔵気孔率と輸送気孔率が自然に得られるはずだと仮説を立てました」とウルム氏は言います。

研究者らの当面の焦点は、12V バッテリーと同じ量の電荷を蓄えることができるスーパーキャパシタを作成することです。 「私たちはこのデバイスを、より高度なデバイスに向けた基本的なブロックであると考えています」とウルム氏は言います。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/cement-based-supercapacitor-makes-a-novel-energy-storage-system/