麻省理工學院的工程師用水泥、水和炭黑或黑碳製造了一種超級電容器。超級電容器由豐富且低成本的材料製成，能夠存儲大量能量。該設備可以構成存儲間歇性可再生能源（例如太陽能或風能）的具有成本效益的系統的基礎。
一項新的研究表明，人類最常見的兩種歷史材料，混凝土和炭黑（看起來像非常細的煤），可以構成新的低成本能源存儲系統的基礎。該技術可以促進太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的使用，使電網在可再生能源供應出現波動的情況下保持穩定。
研究人員發現，這兩種材料可以與水結合形成超級電容器——電池的替代品——可以提供電能存儲。舉例來說，開發該系統的麻省理工學院研究人員表示，他們的超級電容器可以嵌入房屋的混凝土地基中，在那裡它可以存儲一整天的能量，幾乎不會增加（或沒有）電力成本。必要的結構強度。研究人員還設想了一條混凝土道路，可以為沿其行駛的電動汽車提供非接觸式充電。
電容器原則上是非常簡單的設備，由浸入電解質中並由膜隔開的兩個導電板組成。當向電容器施加電壓時，電解質的帶正電的離子積聚在帶負電的板上，而帶正電的板則積聚帶負電的離子。由於極板之間的膜阻止帶電離子的遷移，因此電荷的分離在極板之間產生電場，並且電容器被充電。兩塊板可以將這對電荷保持一定的時間，然後在需要時非常迅速地釋放它們。超級電容器只是能夠存儲大量電荷的電容器。
電容器可以存儲的能量取決於其導電板的總表面積。該團隊開發的新型超級電容器的關鍵在於一種生產具有極高內表面積的水泥基材料的方法，這要歸功於其體積內密集的互連導電材料網絡。
研究人員通過將具有高導電性的炭黑與水泥粉和水一起引入水泥混合物中並使其硬化來實現這一目標。
水與混凝土發生反應，自然地在結構內形成開口的分支網絡，碳遷移到這些空間中，在硬化混凝土內形成線狀結構。這些結構具有分形結構，較大的分支會長出較小的分支，而後者會長出更小的分支，依此類推，從而在相對較小的體積範圍內產生極大的表面積。
然後將材料浸入標準電解質中，例如氯化鉀，這是一種非常常見的鹽，可以從海鹽中獲得，它提供了積聚在碳結構上的帶電粒子。研究人員發現，由這種材料製成的兩個電極，由薄薄的間隙或絕緣層隔開，形成了一個非常強大的超級電容器。
兩個電容器極板的功能就像等效電壓的可充電電池的兩個極：當連接到電源（例如電池）時，能量存儲在極板中，然後當連接到負載時，電流產生再次出來提供電源。
“這種材料很有趣，”研究員阿德米爾·馬西奇說，“因為它是世界上人類使用最多的材料，混凝土與炭黑相結合，而炭黑是一種眾所周知的歷史材料——死海古卷是用它寫成的。”它。這些材料至少有兩千年的歷史，當它們以特定的方式組合時，賦予導電納米複合材料生命，這就是事情變得真正有趣的地方。”
研究人員解釋說，當混合物凝固和硬化時，“水通過水泥的水合反應被系統地消耗，這種水合從根本上影響碳納米顆粒，因為它們是疏水性的（排斥水）。”隨著混合物的發展，“炭黑會自組裝成一條連接的線。”該過程很容易重複，所用材料便宜且在世界各地都很容易獲得。此外，獲得滲濾液碳網絡所需的碳量非常低，僅佔混合物體積的 3%，Masic 解釋道。
研究小組計算出，一塊45 立方米的納米碳摻雜混凝土塊（相當於邊長約3.5 米的立方體）將有足夠的容量來存儲約10 千瓦時的能量，這被認為是10 千瓦時的平均用電量。一個家庭。由於混凝土能夠保持其強度，因此具有混凝土基礎的房屋可以存儲太陽能電池板或風力渦輪機提供的一天的能量，並在需要時使用。此外，超級電容器的充電和放電速度比電池快得多，事實上，問題可能在於減緩放電。
經過一系列測試以確定水泥、炭黑和水的最有效比例後，該團隊通過製作小型超級電容器演示了這一過程，其大小與一些鈕扣電池相當，直徑約 1 厘米，厚度約 1 毫米。以1 伏電壓充電，就像1 伏電池一樣。然後，他們將其中的三個連接起來，以展示其點亮 3 伏發光二極管 (LED) 的能力。演示了原理後，他們現在計劃構建一系列更大的版本，從典型 12 伏汽車電池大小的版本開始，最終構建到 45 立方米的版本，以展示存儲大量電力的能力。能量相當於一座房子的能量。
他們發現材料的存儲容量和結構強度之間存在權衡。通過添加更多的炭黑，所得的超級電容器能夠存儲更多的能量，但混凝土的強度稍弱，這對於混凝土不發揮結構作用或不需要混凝土的全部潛在強度的應用非常有用。具體的。對於風力渦輪機底座的地基或結構元件等應用，“優點”是混合物中含有約 10% 的炭黑。
碳水泥超級電容器的另一個潛在應用是建造混凝土道路，可以存儲沿路太陽能電池板產生的能量，然後將其提供給沿途行駛的電動汽車，使用的技術與無線充電手機相同。德國和荷蘭的公司已經在開發類似類型的汽車充電系統，但他們使用標準電池進行存儲。
研究人員表示，這項技術的早期用途可能是用於遠離電網的孤立住宅、建築物或避難所，這些住宅、建築物或避難所可以通過連接到混凝土超級電容器的太陽能電池板供電。
烏爾姆表示，該系統具有高度可擴展性，因為存儲能量的能力是電極體積的直接函數。 “你可以從毫米厚的電極變成米厚的電極，這樣你就可以將能量存儲容量從打開 LED 幾秒鐘擴展到為整個房子供電，”他說。
根據給定應用所需的性能，可以通過調整混合物來微調系統。烏爾姆說，對於車輛充電街來說，需要非常快的充電和放電速率，而對於房屋供電，“你有一整天的時間來充電”，因此可以使用充電速度較慢的材料。 “所以，它確實是一種多功能材料，”他補充道。除了能夠以超級電容器的形式存儲能量外，只需向含碳混凝土通電，相同類型的混凝土混合物還可用作加熱系統。
這種混凝土將實現大規模積累和能源轉換的新願景，而不會損壞其所安裝的結構。
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麻省理工學院的技術人員創造了一種水泥，可以兼作超級電容器來儲存能量，這篇文章來自《經濟情景》 。
這是在 Sun, 06 Aug 2023 07:28:41 +0000 在 https://scenarieconomici.it/i-tecnici-del-mit-hanno-reato-un-cemento-che-funge-anche-da-supercondensatore-elettrico-per-accumulare-energia/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。