Een nieuwe kosteneffectieve en efficiënte supercondensator, gemaakt van carbon black en cement, zou de energie van een dag kunnen opslaan in de betonnen fundering van een gebouw of elektrische auto's contactloos kunnen opladen terwijl ze er doorheen rijden. Het apparaat zou ook het gebruik van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-, wind- en getijdenenergie kunnen vergemakkelijken, volgens de onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Wyss Institute, beide in de VS, die het ontwikkelden.

Supercondensatoren staan ​​technisch bekend als elektrische dubbellaagse of elektrochemische condensatoren, en hun capaciteiten liggen ergens tussen die van batterijen en conventionele (diëlektrische) condensatoren. Hoewel ze minder goed zijn in het opslaan van lading dan batterijen, zijn supercondensatoren in dit opzicht beter dan conventionele condensatoren dankzij hun poreuze elektroden, die een oppervlakte hebben van wel enkele vierkante kilometers. De dubbele laag die zich vormt op het elektrolyt-elektrode-grensvlak van dergelijke apparaten wanneer er spanning wordt aangelegd, vergroot de hoeveelheid lading die ze kunnen opslaan nog verder.

Supercondensatoren hebben ook enkele voordelen ten opzichte van batterijen. Terwijl het opladen en ontladen van batterijen uren kan duren, doen supercondensatoren dit in minuten. Ze hebben ook een veel langere levensduur: ze duren miljoenen cycli in plaats van duizenden. En in tegenstelling tot batterijen, die werken via chemische reacties, slaan supercondensatoren energie op in de vorm van elektrisch geladen ionen die zich op de oppervlakken van hun elektroden verzamelen.

Extreem hoog intern oppervlak

Het nieuwe apparaat, ontwikkeld door een team onder leiding van Franz Josef Ulm, Bewonder Masic en Yang-Shao Hoorn, bevat een materiaal op cementbasis met een extreem hoog intern oppervlak. De onderzoekers bereikten dit door te beginnen met een droog cementmengsel dat carbon black bevat, dat lijkt op zeer fijne houtskool. Aan dit mengsel voegden ze water en superweekmakers toe – een standaard waterreducerend mengsel bij de betonproductie. Terwijl het water reageert met het cement, vormt het op natuurlijke wijze een vertakkend netwerk van poriën binnen de structuur, en de koolstof migreert naar deze poriën en vormt draadachtige filamenten met een fractaalachtige structuur. Het is deze dichte, onderling verbonden netwerkstructuur die het materiaal zijn extreem grote oppervlak geeft.

“We vullen het verse materiaal in plastic buizen en laten deze minimaal 28 dagen uitharden”, legt Ulm uit. "Vervolgens snijden we de monsters in brokken ter grootte van een elektrode, weken deze elektroden in een standaard elektrolytoplossing (kaliumchloride) en bouwen een supercondensator uit twee elektroden gescheiden door een isolatiemembraan."

Vervolgens polariseren de onderzoekers de elektroden door de ene elektrode met een positieve lading en de andere met een negatieve lading te verbinden. Tijdens het opladen hopen positief geladen ionen uit de elektrolyt zich op op de negatief geladen volumetrische koolstofdraad, terwijl negatief geladen ionen zich ophopen op de positief geladen koolstofdraad.

Een dag energie

Als het membraan in de weg zit, kunnen de geladen ionen niet tussen de elektroden bewegen. Deze onbalans produceert het elektrische veld dat de supergeleider oplaadt. “Het feit dat de volumetrische draad de beschikbare ruimte vult – iets wat we hebben bevestigd met EDS-Raman-spectroscopie – stelt ons in staat veel energie op te slaan op het extreem grote oppervlak van het roet”, zegt Ulm. “Als we vervolgens de energiebron loskoppelen van de supercondensator, komt de opgeslagen energie vrij en kan zo de stroom leveren voor allerlei toepassingen.”

Volgens hun berekeningen, waar ze gedetailleerd in zijn PNAS, een blok materiaal van 45 m³ (equivalent aan een kubus van 3.55 m), zou ongeveer 10 kWh aan energie kunnen opslaan. Dit is ongeveer hetzelfde als het gemiddelde dagelijkse elektriciteitsverbruik van een gemiddeld huishouden. Een huis gebouwd met een fundering waarin dit koolstof-betoncomposiet is verwerkt, zou dus een dag aan energie kunnen opslaan – bijvoorbeeld geproduceerd door zonnepanelen – en deze kunnen vrijgeven wanneer dat nodig is. Het materiaal kan ook worden verwerkt in intermitterende elektriciteitsgeneratoren zoals windturbines, die vervolgens energie op hun basis kunnen opslaan en deze tijdens perioden van stilstand kunnen vrijgeven.

Een andere mogelijke toepassing van de supercondensator – zij het een high-end toepassing – zou zijn om deze toe te voegen aan betonnen wegen. Deze superwegen kunnen vervolgens energie opslaan (misschien geproduceerd door zonnepanelen die ernaast liggen) en deze via elektromagnetische inductie aan passerende elektrische voertuigen leveren. Deze technologie is in wezen dezelfde als die wordt gebruikt om mobiele telefoons draadloos op te laden, en de onderzoekers zeggen dat deze ook kan worden gebruikt om elektrische voertuigen op te laden wanneer ze niet rijden, bijvoorbeeld op een parkeerplaats.

Meer toepassingen op de korte termijn, zo voegen ze eraan toe, zouden kunnen plaatsvinden in gebouwen ver van het elektriciteitsnet, die van stroom zouden kunnen worden voorzien met behulp van zonnepanelen die op de supercondensatoren zijn aangesloten.

Zeer schaalbaar systeem

Het systeem is zeer schaalbaar, zegt Ulm, omdat de energieopslagcapaciteit toeneemt naarmate het volume van de elektroden toeneemt. “Je kunt van 1 millimeter dikke elektroden naar 1 meter dikke elektroden gaan, en door dit te doen kun je in principe de energieopslagcapaciteit opschalen van het een paar seconden laten branden van een LED tot het voeden van een heel huis”, legt hij uit. Afhankelijk van de eigenschappen die nodig zijn voor een bepaalde toepassing, kan het systeem worden afgesteld door het mengsel aan te passen, voegt hij eraan toe. Voor een oplaadstraat voor voertuigen zouden zeer hoge laad- en ontlaadsnelheden nodig zijn, terwijl je voor het van stroom voorzien van een huis “de hele dag hebt om het op te laden”, dus langzamer laadmateriaal zou kunnen worden gebruikt.

Niet-giftige supercondensatoren zijn volledig recyclebaar

“Het feit dat de materialen waaruit het bestaat zo gemakkelijk verkrijgbaar zijn, opent een nieuwe manier om oplossingen voor energieopslag te heroverwegen”, vertelt Ulm Natuurkunde wereld. “Beton is, na water, het meest geconsumeerde materiaal op aarde, maar het brengt niet te verwaarlozen milieukosten met zich mee, aangezien grofweg 8% van de wereldwijde COXNUMX-uitstoot₂ -emissies zijn het gevolg van de 4 gigaton van de jaarlijkse mondiale productie. Onze algemene focus was daarom om een ​​multifunctioneel materiaal concreet te maken dat een extra nuttige maatschappelijke functie zou kunnen bieden.”

Energieopslag is tegenwoordig van cruciaal belang als we de impact van de klimaatverandering willen beteugelen, merkt hij op, en eerdere studies hebben aangetoond dat een cement-koolstofmengsel kan worden gebruikt om een ​​elektronengeleidend cement te maken. Elektrische geleidbaarheid is echter niet voldoende om energie op te slaan. “Onze hypothese was dat het hydrateren van het hydrofiele cement in de aanwezigheid van het hydrofobe carbon black natuurlijk zou moeten zorgen voor de twee andere criteria die nodig zijn: opslag- en transportporositeit”, zegt Ulm.

De directe focus van de onderzoekers is het maken van een supercondensator die dezelfde hoeveelheid lading kan opslaan als een 12V-batterij. “Wij beschouwen dit apparaat als de basissteen voor meer geavanceerde apparaten”, zegt Ulm.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/cement-based-supercapacitor-makes-a-novel-energy-storage-system/