Американские исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) увеличили энергоемкость нового поколения суперконденсаторов из смеси цемента, воды, ультратонкой сажи с наночастицами, и электролитов.
Этот электропроводящий углеродный бетон (EC³) создает проводную наносеть, которая позволит стенам, тротуарам и мостам накапливать и использовать электричество, превращая их в гигантские батареи. В 2023 году для обеспечения электричеством среднестатистического дома понадобилось бы 45 куб. м электролита, что примерно соответствует объему бетона, необходимому для строительства типичного подвала. Улучшенный электролит сейчас позволяет реализовать ту же задачу с использованием всего 5 куб. м, что равно одной типичной подвальной стене.
«Ключом к устойчивому развитию бетона является разработка «многофункционального бетона», который сочетает такие функции, как накопление энергии, самовосстановление и связывание углерода. Бетон уже является наиболее используемым строительным материалом в мире, так почему бы не воспользоваться этим масштабом для создания других преимуществ?» — отмечает ведущий автор исследования, содиректор Центра электроннопроводных углеродно-цементных материалов в MIT Адмир Масич.
Повышения плотности энергии удалось достичь благодаря пониманию, как функционирует сеть наноуглеродной сажи внутри EC³ и как она взаимодействует с электролитами. Используя сфокусированные ионные пучки для последовательного удаления тонких слоев материала EC³ с последующей визуализацией каждого среза с помощью сканирующего электронного микроскопа (FIB-SEM-томографии), команда исследователей из EC³ Hub и MIT Concrete Sustainability Hub реконструировала проводящую наносеть с наибольшим на данный момент разрешением.
Это позволило исследователям установить, что сеть фактически представляет подобную фракталам «паутину», окружающую поры EC³, и позволяющую электролиту попадать внутрь и проводить электрический ток. Исследователи испытывали различные электролиты и их концентрации, чтобы установить, как они влияют на плотность энергии.
По словам первого автора исследования Дамиана Стефанюка, ученые обнаружили широкий спектр электролитов, способных подойти к EC³. В частности, среди них морская вода. Ученые также оптимизировали способ добавления электролита в смесь. Вместо вулканизации электродов EC³ и их последующего замачивания в электролите, они добавляли электролит непосредственно в воду для замешивания. Поскольку проникновение электролита внутрь больше не было ограниченным, исследователи смогли создавать более толстые электроды, способные накапливать больше энергии.
Команда достигла наилучших результатов, используя органические электролиты, особенно с содержанием четвертичных аммониевых солей. Кубический метр усовершенствованной версии EC³, размером примерно с холодильник, способен хранить более 2 кВт-ч энергии. Этого примерно достаточно для обеспечения работы классического холодильника в течение дня. Этот суперконденсатор может быть непосредственно интегрирован в стены и другие архитектурные элементы и будет иметь такой же срок службы, как и сами конструкции.
«Древние римляне достигли огромных успехов в бетонном строительстве. Такие гигантские сооружения, как Пантеон, стоят до сих пор без арматуры. Если мы сохраним их стремление сочетать материаловедение с архитектурным видением, мы можем оказаться на пороге новой архитектурной революции с многофункциональными бетонами, такими как EC³», — убежден Адмир Масич.
Исследователи построили небольшую арку с использованием EC³ для демонстрации того, как структурная форма и система хранения энергии могут работать вместе. Конструкция работала от напряжения в 9 В, выдерживая собственный вес и дополнительную нагрузку, питая при этом светодиодную лампу. Вследствие увеличения нагрузки на арку свет начинал мигать. Вероятно, это было связано с тем, как напряжение влияет на электрические контакты и распределение зарядов.
«Возможно, здесь есть своеобразная способность к самоконтролю. Если представить арку EC³ в масштабе архитектуры, ее выходная мощность может колебаться под воздействием стрессора, например, сильного ветра. Мы сможем использовать это как сигнал о том, когда и в какой степени конструкция подвергается нагрузке, или отслеживать ее общее состояние в режиме реального времени», — предполагает Масич.
Сейчас исследователи работают над тем, чтобы использовать EC³ на стоянках и дорогах для зарядки электроавтомобилей, а также домов, которые бы таким образом получили полностью автономное питание.
Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS
Источник: TechXplore
