Ученые из Массачусетского технологического института разработали недорогую систему хранения энергии, которую можно интегрировать в дороги и фундаменты зданий, чтобы облегчить переход на возобновляемые источники энергии.
Исследовательская группа создала суперконденсатор — устройство, которое работает как перезаряжаемая батарея — с использованием цемента, воды и сажи, тонкого черного порошка, в основном состоящего из чистого углерода.
Прорыв может проложить путь к внедрению накопителей энергии в бетон, что создаст потенциал для дорог и зданий, заряжающих электрические устройства.
Исследователи Массачусетского технологического института создали набор суперконденсаторов размером с кнопку. Изображение предоставлено Массачусетским технологическим институтом
По словам исследователей, в отличие от батарей, которые используют материалы в ограниченном количестве, такие как литий, технология может быть дешевой с использованием легкодоступных материалов.
Они описывают цемент и сажу как «два самых распространенных материала человечества».
«У вас есть наиболее часто используемый искусственный материал в мире — цемент в сочетании с сажей, который является хорошо известным историческим материалом — с его помощью были написаны свитки Мертвого моря», — сказал профессор Массачусетского технологического института Адмир Масик.
В исследовательскую группу входили Масич и его коллеги-профессора Массачусетского технологического института Франц-Йозеф Ульм и Ян-Шао Хорн, а также исследователи с докторской степенью Николас Чанут, Дамиан Стефанюк и Юнгуан Чжу из Массачусетского технологического института и Джеймс Уивер из Гарвардского института Висса.
«Огромная потребность в больших хранилищах энергии»
Они считают, что технология может ускорить глобальный переход к возобновляемым источникам энергии.
Солнечная, ветровая и приливная энергия производится в разное время, что часто не соответствует пиковому спросу на электроэнергию. Чтобы использовать преимущества этих источников, необходимо крупномасштабное хранение энергии, но это слишком дорого для реализации с использованием традиционных батарей.
«Существует огромная потребность в больших хранилищах энергии», — сказал Ульм. «Именно здесь наша технология чрезвычайно перспективна, потому что цемент вездесущ».
Команда доказала, что концепция работает, создав набор суперконденсаторов размером с кнопку, эквивалентных одновольтовым батареям, которые использовались для питания светодиодного фонаря.
Сейчас они разрабатывают версию объемом 45 кубических метров, чтобы показать, что технологию можно масштабировать.
Расчеты показывают, что суперконденсатор такого размера может хранить около 10 киловатт-часов энергии, чего будет достаточно для ежедневного потребления электроэнергии в типичном домашнем хозяйстве.
Это означает, что суперконденсатор потенциально может быть встроен в бетонный фундамент дома практически без дополнительных затрат.
«Вы можете перейти от электродов толщиной в один миллиметр к электродам толщиной в один метр, и, таким образом, в основном вы можете масштабировать емкость накопления энергии от включения светодиода в течение нескольких секунд до питания всего дома», — сказал Ульм.
Исследователи предполагают, что встраивание этой технологии в бетонную дорогу позволит заряжать электромобили, пока они едут по ней, используя технологию, аналогичную той, что используется в зарядных устройствах для беспроводных телефонов.
Версии этой системы с батарейным питанием уже проходят испытания в Европе.
Технический углерод – ключ к «очаровательному» композиту
Суперконденсаторы работают, накапливая электрическую энергию между двумя электропроводящими пластинами. Они способны доставлять заряд намного быстрее, чем аккумуляторы, но большинство из них не обеспечивают такого большого запаса энергии.
Количество энергии, которое они могут хранить, зависит от общей площади поверхности двух пластин, разделенных тонким изоляционным слоем.
Разработанная здесь версия имеет чрезвычайно большую внутреннюю площадь поверхности, что значительно повышает ее эффективность. Это связано с химическим составом материала, образующегося при введении технического углерода в бетонную смесь и оставлении для отверждения.
«Материал увлекательный», — сказал Масик. «Технический углерод самособирается в подключенный проводящий провод».
По словам Масика, необходимое количество технического углерода очень мало — всего три процента.
Чем больше добавлено, тем больше емкость суперконденсатора. Но это также снижает структурную прочность бетона, что может стать проблемой в несущих конструкциях.
Считается, что «золотое пятно» составляет около 10 процентов.
Команда предположила, что композитный материал также можно использовать в системе отопления. Полная информация об их выводах должна быть опубликована в ближайшем выпуске научного журнала PNAS.
Другие попытки создания крупномасштабных недорогих систем хранения энергии включают «песчаную батарею» Polar Night Energy, которая уже обслуживает около 10 000 человек в финском городе Канкаанпяя.
Верхнее изображение предоставлено Shutterstock.
