Forscher am MIT unter der Leitung der Professoren Franz-Josef Ulm, Admir Masic und Yang-Shao Horn haben herausgefunden, dass das Mischen von Zement, Ruß und Wasser in bestimmten Anteilen zu Beton führt, der gleichzeitig als Superkondensator fungiert, der elektrische Energie speichern kann . In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel PNAS Am 31. Juli 2023 schrieben die Forscher:
„Die groß angelegte Implementierung erneuerbarer Energiesysteme erfordert die Entwicklung von Energiespeicherlösungen, um Ungleichgewichte zwischen Energieangebot und -nachfrage wirksam zu bewältigen. Hier untersuchen wir eine solche skalierbare Materiallösung für die Energiespeicherung in Superkondensatoren, die aus leicht verfügbaren Materialvorläufern hergestellt werden, die praktisch überall auf der Welt lokal bezogen werden können, nämlich Zement, Wasser und Ruß.
„Die Texturanalyse zeigt, dass die Hydratationsreaktionen von Zement in Gegenwart von Kohlenstoff ein fraktalartiges elektronenleitendes Kohlenstoffnetzwerk erzeugen, das die tragende zementbasierte Matrix durchdringt. Die Energiespeicherkapazität dieses raumfüllenden Rußnetzwerks mit der für die Ladungsspeicherung zugänglichen hohen spezifischen Oberfläche erweist sich als eine intensive Größe, wohingegen die Hochgeschwindigkeitsfähigkeit der Kohlenstoff-Zement-Elektroden aufgrund der Hydratation Selbstähnlichkeit aufweist Porosität für den Ladungstransport verfügbar.
„Diese intensive und selbstähnliche Natur der Energiespeicherung und Geschwindigkeitsfähigkeit stellt eine Chance für die Massenskalierung von der Elektroden- zur Strukturskala dar.“ Die Verfügbarkeit, Vielseitigkeit und Skalierbarkeit dieser Kohlenstoff-Zement-Superkondensatoren eröffnet einen Horizont für den Entwurf multifunktionaler Strukturen, die eine hohe Energiespeicherkapazität, schnelle Lade-/Entladefähigkeiten und strukturelle Festigkeit für nachhaltige Wohn- und Industrieanwendungen bis hin zur Energieautarkie nutzen Unterstände und selbstaufladende Straßen für Elektrofahrzeuge bis hin zur intermittierenden Energiespeicherung für Windkraftanlagen und Gezeitenkraftwerke.“
In einem Blogeintrag, Das MIT sagte, dass Kondensatoren sehr einfache Geräte seien. Sie bestehen aus zwei elektrisch leitenden Platten, die in einen Elektrolyten getaucht und durch eine Membran getrennt sind. Wenn am Kondensator eine Spannung angelegt wird, sammeln sich positiv geladene Ionen aus dem Elektrolyten auf der negativ geladenen Platte an, während die positiv geladene Platte negativ geladene Ionen ansammelt.
Da die Membran zwischen den Platten die Wanderung geladener Ionen verhindert, erzeugt diese Ladungstrennung ein elektrisches Feld zwischen den Platten und der Kondensator wird aufgeladen. Die beiden Platten können dieses Ladungspaar über einen langen Zeitraum aufrechterhalten und bei Bedarf sehr schnell abgeben. Superkondensatoren sind einfach Kondensatoren, die außergewöhnlich große Ladungen speichern können.
Die Energiemenge, die ein Kondensator speichern kann, hängt von der Gesamtoberfläche seiner leitenden Platten ab. Der Schlüssel zu den von diesem Team entwickelten neuen Superkondensatoren liegt in einer Methode zur Herstellung eines zementbasierten Materials mit einer extrem großen inneren Oberfläche aufgrund eines dichten, miteinander verbundenen Netzwerks aus leitfähigem Material innerhalb seines Volumens.
Der Durchbruch beim Superkondensator
Bild über PNAS
Dies erreichten die Forscher, indem sie Ruß – der hochleitfähig ist – zusammen mit Zementpulver und Wasser in eine Betonmischung einbrachten und diese dann aushärten ließen. Das Wasser bildet auf natürliche Weise ein verzweigtes Netzwerk von Öffnungen innerhalb der Struktur, wenn es mit Zement reagiert, und der Kohlenstoff wandert in diese Räume und bildet drahtartige Strukturen im ausgehärteten Zement. Diese Strukturen haben eine fraktalartige Struktur, wobei aus größeren Zweigen kleinere Zweige hervorgehen und aus solchen noch kleinere Zweige und so weiter, was letztendlich zu einer extrem großen Oberfläche innerhalb der Grenzen eines relativ kleinen Volumens führt.
Das Material wird dann in einem Standardelektrolytmaterial wie Kaliumchlorid – einer Art Salz – getränkt, das die geladenen Partikel liefert, die sich auf den Kohlenstoffstrukturen ansammeln. Zwei Elektroden aus diesem Material, getrennt durch einen dünnen Zwischenraum oder eine Isolierschicht, bilden einen sehr leistungsstarken Superkondensator, fanden die Forscher heraus.
Die beiden Platten des Kondensators funktionieren genauso wie die beiden Pole einer wiederaufladbaren Batterie gleicher Spannung. Bei Anschluss an eine Stromquelle wird die Energie wie in einer Batterie in den Platten gespeichert. Beim Anschluss an eine Last fließt der elektrische Strom zurück, um Strom bereitzustellen.
„Das Material ist faszinierend“, sagte Professor Masic, „weil es das am häufigsten verwendete künstliche Material der Welt gibt – Zement –, das mit Ruß kombiniert wird, einem bekannten historischen Material.“ Die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben. Es gibt diese mindestens zwei Jahrtausende alten Materialien, aus denen man, wenn man sie auf eine bestimmte Weise kombiniert, ein leitfähiges Nanokomposit erhält, und dann wird es wirklich interessant.“
Während die Mischung aushärtet und aushärtet, sagte er: „Das Wasser wird systematisch durch Hydratationsreaktionen des Zements verbraucht, und diese Hydratation wirkt sich grundsätzlich auf Kohlenstoff-Nanopartikel aus, da sie hydrophob (wasserabweisend) sind.“ Während sich die Mischung entwickelt, „assembliert sich der Ruß selbst zu einem verbundenen leitenden Draht“, sagt er. Der Prozess ist mit Materialien, die kostengünstig und überall auf der Welt leicht verfügbar sind, leicht reproduzierbar. Und die benötigte Kohlenstoffmenge ist sehr gering – nur 3 Volumenprozent der Mischung – um ein versickertes Kohlenstoffnetzwerk zu erreichen, sagte Masic.
Der Superkondensator und die Energierevolution
Superkondensatoren aus diesem Material hätten großes Potenzial, den weltweiten Übergang zu erneuerbaren Energien zu unterstützen, schrieb Ulm. Die wichtigsten Quellen emissionsfreier Energie – Wind-, Solar- und Gezeitenenergie – produzieren ihre Leistung alle zu unterschiedlichen Zeiten, die oft nicht den Spitzen des Stromverbrauchs entsprechen. Daher sind Möglichkeiten zur Speicherung dieser Energie unerlässlich.
„Es besteht ein enormer Bedarf an großen Energiespeichern“, sagte Ulm, und bestehende Batterien seien zu teuer und basieren hauptsächlich auf Materialien wie Lithium, deren Vorräte begrenzt sind. Das bedeutet, dass dringend günstigere Alternativen benötigt werden. „Hier ist unsere Technologie äußerst vielversprechend, denn Zement ist allgegenwärtig“, sagt Ulm.
Das Team berechnete, dass ein mit Nanoruß dotierter Betonblock mit einer Größe von 45 Kubikmetern (oder Yards) – das entspricht einem Würfel von etwa 3,5 Metern Durchmesser – genug Kapazität hätte, um etwa 10 Kilowattstunden Energie zu speichern betrachtet den durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch eines Haushalts. Da der Beton seine Festigkeit behält, könnte ein Haus mit einem Fundament aus diesem Material die von Sonnenkollektoren oder Windmühlen erzeugte Energie eines Tages speichern und bei Bedarf nutzen. Als zusätzlicher Vorteil können Superkondensatoren viel schneller geladen und entladen werden als Batterien.
Die Forscher fanden heraus, dass es einen Kompromiss zwischen der Speicherkapazität des Materials und seiner strukturellen Festigkeit gibt. Durch die Zugabe von mehr Ruß kann der resultierende Superkondensator mehr Energie speichern, der Beton ist jedoch etwas schwächer. Dies könnte sich bei Anwendungen als nützlich erweisen, bei denen der Beton keine strukturelle Rolle spielt oder bei denen nicht das volle Festigkeitspotenzial von Beton erforderlich ist. Sie fanden heraus, dass für Anwendungen wie ein Fundament oder Strukturelemente der Basis einer Windkraftanlage der „Sweet Spot“ bei etwa 10 % Ruß in der Mischung liegt.
Straßen, die Strom speichern
Eine weitere potenzielle Anwendung für Kohlenstoffzement-Superkondensatoren ist der Bau von Betonstraßen, die die von Sonnenkollektoren entlang der Straße erzeugte Energie speichern und diese Energie dann an entlang der Straße fahrende Elektrofahrzeuge weitergeben könnten, wobei die gleiche Technologie verwendet wird, die auch für drahtlos wiederaufladbare Telefone verwendet wird.
Erste Einsatzmöglichkeiten der Technologie könnten für abgelegene Häuser oder Gebäude oder Notunterkünfte fernab des Stromnetzes bestehen, die über an Zement-Superkondensatoren angebrachte Solarpaneele mit Strom versorgt werden könnten. Laut Ulm ist das System sehr skalierbar, da die Energiespeicherkapazität direkt vom Volumen der Elektroden abhängt. „Man kann von 1-Millimeter-dicken Elektroden auf 1-Meter-dicke Elektroden umsteigen und auf diese Weise im Grunde die Energiespeicherkapazität skalieren, von der Beleuchtung einer LED für ein paar Sekunden bis hin zur Stromversorgung eines ganzen Hauses.“
Abhängig von den gewünschten Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung kann das System durch Anpassen der Mischung abgestimmt werden. Für eine Straße, die Elektroautos lädt, wären sehr schnelle Lade- und Entladeraten erforderlich. Um ein Haus mit Strom zu versorgen, „hat man den ganzen Tag Zeit, es aufzuladen“, sodass langsamer aufladbares Material verwendet werden könnte, sagte Ulm. „Es ist also wirklich ein multifunktionales Material.“
Zusätzlich zu ihrer Fähigkeit, Energie in Form von Superkondensatoren zu speichern, kann dieselbe Art von Betonmischung auch als Heizsystem verwendet werden, indem einfach Strom auf den kohlenstoffhaltigen Beton aufgebracht wird. Für Ulm ist dies „ein neuer Blick in die Zukunft des Betons im Rahmen der Energiewende“.
Das wegnehmen
Das sind sehr aufregende Neuigkeiten. Stellen Sie sich vor, jedes neue Betonfundament oder Gebäude würde zu einer Speicherbatterie. Das könnte den Übergang zu erneuerbaren Energien vorantreiben. Die Technologie könnte verteilte Energiesysteme wie Mikronetze aufgrund der geringeren Kosten für die Stromspeicherung praktikabler machen, da keine separaten Speicherbatterien erforderlich wären.
Natürlich muss diese Forschung mit neuen Technologien kombiniert werden, die den CO2-Fußabdruck von Zement reduzieren. Wenn Sie kohlenstoffarmen Beton mit Energiespeichertechnologie kombinieren, eröffnet sich eine ganze Welt neuer Möglichkeiten.
Die obige Beschreibung richtet sich an diejenigen, die keine Forscher sind. Diejenigen, die alle Details, einschließlich Grafiken, Diagramme und die in der Forschung verwendete Methodik, wünschen, werden gebeten, die zu besuchen PNAS Grundstückwo alles, was Sie über diese Technologie wissen möchten, detailliert dargelegt wird.
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