Американські дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) збільшили енергоємність нового покоління суперконденсаторів з суміші цементу, води, ультратонкої сажі з наночастинками, та електролітів.
Цей електропровідний вуглецевий бетон (EC³) створює провідну наномережу, яка дозволить стінам, тротуарам та мостам накопичувати та використовувати електрику, перетворюючи їх на гігантські батареї. У 2023 році для забезпечення електрикою середньостатистичного будинку знадобилося б 45 куб. м електроліту, що приблизно відповідає об’єму бетона, необхідному для будівництва типового підвалу. Покращений електроліт наразі дозволяє реалізувати те саме завдання із використанням усього 5 куб. м, що дорівнює одній типові підвальній стіні.
“Ключем до сталого розвитку бетону є розробка “багатофункціонального бетону”, який поєднує такі функції, як накопичення енергії, самовідновлення та зв’язування вуглецю. Бетон вже є найбільш використовуваним будівельним матеріалом у світі, то чому б не скористатися цим масштабом для створення інших переваг?” — зазначає провідний автор дослідження, співдиректор Центру електроннопровідних вуглецево-цементних матеріалів у MIT Адмір Масич.
Підвищення щільності енергії вдалось досягти завдяки розумінню, як функціонує мережа нановуглецевої сажі всередині EC³ та як вона взаємодіє з електролітами. Використовуючи сфокусовані іонні пучки для послідовного видалення тонких шарів матеріалу EC³ з подальшою візуалізацією кожного зрізу за допомогою сканувального електронного мікроскопа (FIB-SEM-томографії), команда дослідників з EC³ Hub та MIT Concrete Sustainability Hub реконструювала провідну наномережу із найбільшою наразі роздільною здатністю.
Це дозволило дослідникам встановити, що мережа фактично являє подібну до фракталів “павутину”, яка оточує пори EC³ та дозволяє електроліту потрапляти всередину і проводити електричний струм. Дослідники випробовували різні електроліти та їхні концентрації, щоб встановити, як вони впливають на щільність енергії.
За словами першого автора дослідження Даміана Стефанюка, науковці виявили широкий спектр електролітів, здатних підійти до EC³. Зокрема, серед них морська вода. Науковці також оптимізували спосіб додавання електроліту у суміш. Замість вулканізації електродів EC³ та їхнього подальшого замочування в електроліті, вони додавали електроліт безпосередньо у воду для замішування. Оскільки проникнення електроліту всередину більше не було обмеженим, дослідники змогли створювати товстіші електроди, здатні накопичувати більше енергії.
Команда досягла найкращих результатів, використовуючи органічні електроліти, особливо з вмістом четвертинних амонієвих солей. Кубічний метр вдосконаленої версії EC³, розміром приблизно з холодильник, здатен зберігати понад 2 кВт-год енергії. Цього приблизно достатньо для забезпечення роботи класичного холодильника упродовж дня. Цей суперконденсатор може бути безпосередньо інтегрований у стіни та інші архітектурні елементи та матиме такий самий термін роботи, як і самі конструкції.
“Стародавні римляни досягли величезних успіхів у бетонному будівництві. Такі гігантські споруди, як Пантеон, стоять досі без арматури. Якщо ми збережемо їхнє прагнення поєднувати матеріалознавство з архітектурним баченням, ми можемо опинитися на порозі нової архітектурної революції з багатофункціональними бетонами, такими як EC³”, — переконаний Адмір Масич.
Дослідники побудували невелику арку з використанням EC³ для демонстрації того, як структурна форма та система зберігання енергії можуть працювати разом. Конструкція працювала від напруги у 9 В, витримуючи власну вагу та додаткове навантаження, живлячи при цьому світлодіодну лампу. Внаслідок збільшення навантаження на арку світло починало блимати. Ймовірно, це було пов’язано з тим, як напруга впливає на електричні контакти та розподіл зарядів.
“Можливо, тут є своєрідна здатність до самоконтролю. Якщо уявити арку EC³ в масштабі архітектури, її вихідна потужність може коливатися під впливом стресора, наприклад, сильного вітру. Ми зможемо використовувати це як сигнал про те, коли і якою мірою конструкція піддається навантаженню, або відстежувати її загальний стан у режимі реального часу”, — припускає Масич.
Наразі дослідники працюють над тим, щоб використовувати EC³ на стоянках та дорогах для заряджання електроавтівок, а також будинків, які б таким чином отримали повністю автономне живлення.
Результати дослідження опубліковані у журналі PNAS
Джерело: TechXplore
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: