ابرخازن ذخیره انرژی

این دستگاه که از سیمان، کربن سیاه و آب ساخته شده است، می تواند ذخیره انرژی ارزان و مقیاس پذیر را برای منابع انرژی تجدید پذیر فراهم کند.

بر اساس یک مطالعه جدید، دو مورد از رایج ترین مواد تاریخی بشریت، سیمان و کربن سیاه (که شبیه زغال بسیار ریز است) ممکن است مبنایی برای یک سیستم ذخیره انرژی جدید و کم هزینه باشد.

محققان دریافتند این دو ماده را می‌توان با آب ترکیب کرد تا ابرخازنی بسازد - جایگزینی برای باتری‌ها - که می‌تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند.

به عنوان مثال، محققان MIT که این سیستم را توسعه داده اند می گویند که ابرخازن آنها در نهایت می تواند در شالوده بتنی یک خانه گنجانده شود، جایی که می تواند انرژی یک روز کامل را ذخیره کند و در عین حال مقدار کمی (یا بدون) به هزینه فونداسیون اضافه کند و همچنان استحکام سازه ای مورد نیاز را تامین می کند.

محققان همچنین یک جاده بتنی را تصور می کنند که می تواند شارژ مجدد بدون تماس را برای خودروهای الکتریکی در حین حرکت در آن جاده فراهم کند.

این فناوری ساده اما نوآورانه این هفته در مجله PNAS، در مقاله ای توسط استادان MIT، فرانتس جوزف اولم، ادمیر ماسیچ، و یانگ شائو هورن، و چهار نفر دیگر در MIT و در موسسه مهندسی بیولوژیکی Wyss توضیح داده شده است.

خازن ها در اصل دستگاه های بسیار ساده ای هستند که شامل دو صفحه رسانای الکتریکی هستند که در یک الکترولیت غوطه ور شده و توسط یک غشاء از هم جدا شده اند. هنگامی که یک ولتاژ در خازن اعمال می شود، یون های دارای بار مثبت از الکترولیت در صفحه دارای بار منفی جمع می شوند، در حالی که صفحه دارای بار مثبت یون های دارای بار منفی را جمع می کند.

از آنجایی که غشای بین صفحات مانع از مهاجرت یون های باردار می شود، این جداسازی بارها یک میدان الکتریکی بین صفحات ایجاد می کند و خازن شارژ می شود. این دو صفحه می توانند این جفت شارژ را برای مدت طولانی حفظ کنند و سپس در صورت نیاز خیلی سریع آنها را تحویل دهند.

ابرخازن ها صرفاً خازن هایی هستند که می توانند بارهای فوق العاده زیادی را ذخیره کنند.

مقدار توانی که یک خازن می تواند ذخیره کند به سطح کل صفحات رسانای آن بستگی دارد، کلید ابرخازن‌های جدید توسعه‌یافته توسط این تیم از روش تولید ماده‌ای مبتنی بر سیمان با سطح داخلی بسیار بالا به دلیل شبکه‌ای متراکم و به هم پیوسته از مواد رسانا در حجم حجیم آن می‌آید.

محققان این کار را با وارد کردن کربن سیاه - که بسیار رسانا است - به همراه پودر سیمان و آب به مخلوط بتن وارد کردند و اجازه دادند آن را درمان کند. آب به طور طبیعی در اثر واکنش با سیمان یک شبکه انشعاب از منافذ را در سازه تشکیل می دهد و کربن به این فضاها مهاجرت می کند تا ساختارهای سیم مانندی را در داخل سیمان سخت شده ایجاد کند.

این ساختارها ساختاری فراکتال مانند دارند که شاخه‌های بزرگ‌تر شاخه‌های کوچک‌تر را جوانه می‌زنند، و آنهایی که شاخه‌های کوچک‌تری را جوانه می‌زنند، و به همین ترتیب، به سطح بسیار بزرگی در محدوده حجم نسبتاً کوچک ختم می‌شوند.

سپس این ماده در یک ماده الکترولیت استاندارد، مانند کلرید پتاسیم، نوعی نمک، خیسانده می‌شود که ذرات باردار تجمع یافته روی ساختارهای کربن را فراهم می‌کند. محققان دریافتند دو الکترود ساخته شده از این ماده که توسط یک فضای نازک یا یک لایه عایق از هم جدا شده اند، ابرخازن بسیار قدرتمندی را تشکیل می دهند.

دو صفحه خازن درست مانند دو قطب یک باتری قابل شارژ با ولتاژ معادل عمل می کنند: هنگامی که به منبع برق متصل می شود، مانند باتری، انرژی در صفحات ذخیره می شود و پس از اتصال به یک بار، جریان الکتریکی جریان برای تامین برق به بیرون برمی گردد.

ماسیچ می‌گوید: مواد شگفت‌انگیز است، زیرا شما پرمصرف‌ترین مواد ساخت بشر در جهان، سیمان را دارید که با کربن سیاه ترکیب شده است، که یک ماده تاریخی شناخته شده است - طومارهای دریای مرده با آن نوشته شده است.

شما این مواد حداقل دو هزار ساله را دارید که وقتی آنها را به روشی خاص ترکیب می‌کنید، به یک نانوکامپوزیت رسانا می‌رسید، و آن وقت است که چیزها واقعاً جالب می‌شوند.

او می‌گوید همانطور که این مخلوط سفت می‌شود و بهبود می‌یابد، آب به طور سیستماتیک از طریق واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان مصرف می‌شود و این هیدراتاسیون اساساً بر نانوذرات کربن تأثیر می‌گذارد زیرا آبگریز (آب گریز) هستند.

او می‌گوید با تکامل این مخلوط، "کربن سیاه خود به خود به یک سیم رسانا متصل می‌شود.

این فرآیند به راحتی قابل تکرار است، با موادی که ارزان هستند و به راحتی در هر نقطه از جهان در دسترس هستند.

Masic می گوید و مقدار کربن مورد نیاز بسیار ناچیز است - به اندازه 3 درصد حجم مخلوط - برای دستیابی به یک شبکه کربن نفوذی.

اولم می گوید که ابرخازن های ساخته شده از این ماده پتانسیل زیادی برای کمک به انتقال جهان به انرژی های تجدیدپذیر دارند. منابع اصلی انرژی بدون انتشار، باد، خورشید و نیروی جزر و مدی، همگی خروجی خود را در زمان‌های متغیری تولید می‌کنند که اغلب با پیک‌های مصرف برق مطابقت ندارد، بنابراین راه‌های ذخیره این نیرو ضروری است.

او می‌گوید: نیاز زیادی به ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ وجود دارد، و باتری‌های موجود بسیار گران هستند و بیشتر به موادی مانند لیتیوم متکی هستند که عرضه آن محدود است، بنابراین جایگزین‌های ارزان‌تری به شدت مورد نیاز است.

اولم می‌گوید: این جایی است که فناوری ما بسیار امیدوار کننده است، زیرا سیمان در همه جا وجود دارد.

این تیم محاسبه کرد که یک بلوک از بتن دوپ شده با نانوکربن سیاه که اندازه آن 45 متر مکعب (یا یارد) است - معادل یک مکعب به وسعت حدود 3.5 متر - ظرفیت کافی برای ذخیره حدود 10 کیلووات ساعت انرژی را دارد.

از آنجایی که بتن استحکام خود را حفظ می‌کند، خانه‌ای با پایه‌ای ساخته شده از این ماده می‌تواند انرژی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی یا آسیاب‌های بادی را در یک روز ذخیره کند و امکان استفاده از آن را در هر زمان که نیاز باشد فراهم کند. و ابرخازن‌ها را می‌توان خیلی سریع‌تر از باتری‌ها شارژ و دشارژ کرد.

پس از یک سری آزمایشات مورد استفاده برای تعیین موثرترین نسبت سیمان، کربن سیاه و آب، تیم این فرآیند را با ساخت ابرخازن‌های کوچک، به اندازه برخی باتری‌های سلول دکمه‌ای، حدود 1 سانتی‌متر و ضخامت 1 میلی‌متر، نشان دادند.

که هر کدام می توانند تا 1 ولت شارژ شوند، قابل مقایسه با یک باتری 1 ولتی. آنها سپس سه مورد از آنها را به هم متصل کردند تا توانایی خود را در روشن کردن یک دیود ساطع نور 3 ولتی (LED) نشان دهند.

پس از اثبات این اصل، آنها اکنون قصد دارند مجموعه ای از نسخه های بزرگتر بسازند، که با نسخه هایی به اندازه یک باتری معمولی 12 ولتی ماشین شروع می شود، سپس تا نسخه 45 متر مکعبی کار می کنند تا توانایی خود را در ذخیره سازی خانه نشان دهند. -ارزش قدرت

آنها دریافتند که بین ظرفیت ذخیره سازی مواد و استحکام ساختاری آن، تعادلی وجود دارد. با افزودن کربن سیاه بیشتر، ابرخازن حاصل می‌تواند انرژی بیشتری را ذخیره کند، اما بتن کمی ضعیف‌تر است و این می‌تواند برای کاربردهایی که بتن نقش ساختاری ایفا نمی‌کند یا جایی که به پتانسیل مقاومت کامل بتن نیاز نیست، مفید باشد.

آنها دریافتند که برای کاربردهایی مانند فونداسیون یا عناصر ساختاری پایه یک توربین بادی، نقطه شیرین حدود 10 درصد کربن سیاه در مخلوط است.

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه ابرخازن‌های کربنی سیمان، ساخت راه‌های بتنی است که می‌توانند انرژی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را در کنار جاده ذخیره کنند و سپس آن انرژی را به خودروهای الکتریکی که در امتداد جاده حرکت می‌کنند با استفاده از همان فناوری مورد استفاده برای تلفن‌های قابل شارژ بی‌سیم تحویل دهند.

نوعی سیستم شارژ مجدد خودرو در حال حاضر توسط شرکت هایی در آلمان و هلند در حال توسعه است، اما از باتری های استاندارد برای ذخیره سازی استفاده می کند.

به گفته محققان، استفاده اولیه از این فناوری ممکن است برای خانه‌ها یا ساختمان‌ها یا پناهگاه‌های دور از برق شبکه باشد که می‌تواند توسط پنل‌های خورشیدی متصل به ابرخازن‌های سیمانی تامین شود.

اولم می گوید که این سیستم بسیار مقیاس پذیر است، زیرا ظرفیت ذخیره انرژی تابعی مستقیم از حجم الکترودها است.

او می‌گوید: شما می‌توانید از الکترودهایی با ضخامت ۱ میلی‌متر به الکترودهایی با ضخامت ۱ متر بروید، و با انجام این کار اساساً می‌توانید ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی را از روشن کردن یک LED برای چند ثانیه تا تأمین انرژی یک خانه کامل کنید.

بسته به ویژگی های مورد نظر برای یک برنامه خاص، سیستم را می توان با تنظیم مخلوط تنظیم کرد.

اولم می‌گوید: برای جاده‌ای که وسیله نقلیه شارژ می‌شود، نرخ‌های شارژ و دشارژ بسیار سریع مورد نیاز است، در حالی که برای تامین انرژی خانه تمام روز فرصت دارید تا آن را شارژ کنید، بنابراین می‌توان از موادی با سرعت شارژ کندتر استفاده کرد.

او می افزاید: بنابراین، این واقعا یک ماده چند منظوره است. علاوه بر توانایی آن در ذخیره انرژی به شکل ابرخازن، از همین نوع مخلوط بتن می توان به عنوان یک سیستم گرمایشی استفاده کرد، به سادگی با اعمال الکتریسیته به بتن حاوی کربن.

اولم این را روشی جدید برای نگاه کردن به آینده بتن به عنوان بخشی از انتقال انرژی می داند.

این تیم تحقیقاتی همچنین شامل فوق دکترای نیکلاس شانوت و دامیان استفانیوک در دپارتمان مهندسی عمران و محیط زیست MIT، جیمز ویور در موسسه Wyss و یونگوانگ ژو در گروه مهندسی مکانیک MIT بود. این کار توسط مرکز پایداری بتن MIT، با حمایت بنیاد Concrete Advancement پشتیبانی شد.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.