Supercondensator van cement, carbon black en water

MIT-ingenieurs hebben een supercondensator gemaakt van overvloedig aanwezige materialen die grote hoeveelheden energie kan opslaan: cement, water en carbon black (zwartsel).

Volgens de onderzoekers kan hun supercapacitator worden opgenomen in bijvoorbeeld een fundering, zonder dat deze aan constructieve sterkte inboet. Ze denken ook aan een rijbaan die auto’s contactloos oplaadt.

De eenvoudige maar innovatieve technologie wordt beschreven in het tijdschrift PNAS.

Condensatoren bestaan uit twee elektrisch geleidende platen ondergedompeld in een elektrolyt en gescheiden door een membraan. Wanneer er een spanning over de condensator loopt, hopen positief geladen ionen van de elektrolyt zich op op de negatief geladen plaat, terwijl de positief geladen plaat negatief geladen ionen verzamelt. Omdat het membraan de migratie van ionen blokkeert, ontstaat een elektrisch veld. Dit kan lange tijd in stand blijven en heel snel ontladen wanneer de energie nodig is. Supercondensatoren zijn condensatoren die uitzonderlijk grote ladingen kunnen opslaan.

De hoeveelheid stroom die een condensator kan opslaan, hangt af van het oppervlak van zijn geleidende platen. De sleutel tot de nieuwe supercondensatoren ligt in een methode om een ​​materiaal te produceren met een extreem groot intern oppervlak. De onderzoekers bereikten dit door carbon black – dat zeer geleidend is – samen met cementpoeder en water in een betonmengsel te brengen en het te laten uitharden. Het water vormt van nature een vertakkend netwerk van openingen in de structuur terwijl het reageert met cement, en de koolstof migreert naar deze ruimtes om draadachtige structuren in het verharde cement te maken. Deze structuren zijn fractal-achtig, met hoofdtakken waaraan kleinere takken ontspruiten, en daaraan weer twijgen, enzovoort, eindigend met een extreem groot oppervlak binnen een relatief klein volume. Het materiaal wordt vervolgens gedrenkt in een standaard elektrolytmateriaal, zoals kaliumchloride, dat zorgt voor de geladen deeltjes die zich ophopen op de koolstofstructuren. Twee elektroden van dit materiaal, gescheiden door een dunne ruimte of een isolerende laag, vormen een zeer krachtige supercondensator, ontdekten de onderzoekers.

Professor Admir Masic: “Terwijl het mengsel stolt en uithardt, wordt het water verbruikt door cementhydratatiereacties, en deze hydratatie heeft een fundamentele invloed op nanodeeltjes van koolstof omdat ze hydrofoob zijn. Naarmate het mengsel evolueert, is het zwartsel zelf-assemblerend in een aangesloten geleidende draad.”

45 kuub per huishouden

Het team berekende dat een blok met nanokoolstofzwart gedoteerd beton van 45 kubieke meter groot genoeg zou zijn om ongeveer 10 kilowattuur energie op te slaan, wat wordt beschouwd als het gemiddelde dagelijkse elektriciteitsverbruik van een huishouden. Omdat het beton zijn sterkte zou behouden, zou een huis met een fundering van dit materiaal een dag aan energie kunnen opslaan die wordt geproduceerd door zonnepanelen of windmolens en kan deze worden gebruikt wanneer dat nodig is.

Na een reeks tests om de meest effectieve verhoudingen van cement, roet en water te bepalen, demonstreerde het team het proces door kleine supercondensatoren te maken, ongeveer zo groot als sommige knoopcelbatterijen, ongeveer 1 centimeter breed en 1 millimeter dik. die elk konden worden opgeladen tot 1 volt, vergelijkbaar met een batterij van 1 volt. Vervolgens hebben ze er drie aangesloten om te demonstreren dat ze een 3-volt light-emitting diode (LED) kunnen laten oplichten. Nadat ze het principe hebben bewezen, zijn ze nu van plan om een ​​reeks grotere versies te bouwen, te beginnen met versies ter grootte van een typische 12-volt auto-accu, en vervolgens door te werken naar een versie van 45 kubieke meter om aan te tonen dat er een huiswaardige hoeveelheid energie in kan worden opgeslagen.

Minder sterk

Er is een evenwicht tussen de opslagcapaciteit van het materiaal en de constructieve sterkte ervan, ontdekten ze. Met meer zwartsel kan de supercondensator meer energie opslaan, maar het beton is iets zwakker. Voor toepassingen zoals een fundering of structurele elementen van de basis van een windturbine, is de ‘sweet spot’ ongeveer 10 procent roet in de mix, vonden ze.

Draadloos laden

Een andere mogelijke toepassing voor supercondensatoren van koolstofcement is het bouwen van betonnen wegen die energie kunnen opslaan die wordt geproduceerd door zonnepanelen langs de weg en die energie vervolgens leveren aan elektrische voertuigen die over de weg rijden met behulp van dezelfde soort technologie die wordt gebruikt voor draadloos oplaadbare telefoons. Een verwant type auto-oplaadsysteem wordt al ontwikkeld door bedrijven in Duitsland en Nederland, maar met standaardbatterijen voor opslag.