Durchbruch in der Energiespeicherung: Neue Superkondensatoren

Laut einer neuen Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) könnten die beiden häufigsten Materialien der Menschheitsgeschichte, Zement und Ruß (ähnlich sehr feiner Holzkohle), die Grundrohstoffe für einen neuen kostengünstigen Energiespeicher werden System.

MIT-Forscher haben herausgefunden, dass sich diese beiden Materialien mit Wasser verbinden können, um Superkondensatoren (Ersatz für Batterien) herzustellen, die elektrische Energie speichern können. Es heißt, dass diese Technologie trotz Schwankungen im Angebot an erneuerbaren Energien die Stabilität des Energienetzes aufrechterhalten und so die Nutzung erneuerbarer Energien wie Solar-, Wind- und Gezeitenenergie fördern kann.
 

Forscher sagen beispielsweise, dass ihre Superkondensatoren letztendlich in das Betonfundament eines Hauses integriert werden können, wo sie zu sehr geringen (oder gar keinen) Kosten Energie für einen ganzen Tag speichern können und dennoch die für das Haus erforderliche strukturelle Festigkeit bieten. Die Forscher stellen sich außerdem den Bau einer Betonstraße vor, die das berührungslose Laden von Elektrofahrzeugen ermöglichen könnte, die auf dieser Straße fahren.

Die neuesten Forschungsergebnisse wurden kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Ein Kondensator ist im Prinzip ein sehr einfaches Gerät, das aus zwei leitenden Platten besteht, die in den Elektrolyten eingetaucht und durch eine Membran getrennt sind. Wenn an einen Kondensator eine Spannung angelegt wird, sammeln sich positiv geladene Ionen aus dem Elektrolyten auf der negativ geladenen Platte an, während positiv geladene Platten negativ geladene Ionen ansammeln.

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. Diese beiden Platinen können dieses Ladungspaar über einen langen Zeitraum aufrechterhalten und es dann bei Bedarf sehr schnell bereitstellen. Ein Superkondensator ist ein Kondensator, der extrem große Ladungsmengen speichern kann.
Die Menge an Elektrizität, die ein Kondensator speichern kann, hängt von der Gesamtoberfläche seiner leitenden Platte ab. Der Schlüssel zu dem neuen Superkondensator, den das Team entwickelt hat, liegt in einer Methode zur Herstellung zementbasierter Materialien, die aufgrund ihres dichten und miteinander verbundenen leitfähigen Materialnetzwerks innerhalb ihres Volumens eine extrem große innere Oberfläche aufweisen.

Konkret erreichten die Forscher dieses Ziel, indem sie hochleitfähigen Ruß, Zementpulver und Wasser in eine Betonmischung gaben und diese verfestigen ließen. Wenn Wasser mit Zement reagiert, bildet es auf natürliche Weise ein verzweigtes Netzwerk in der Struktur, und Kohlenstoff wandert in diese Räume und bildet im ausgehärteten Zement eine lineare Struktur.

Diese Strukturen haben eine gegabelte Struktur, wobei aus größeren Ästen kleinere Äste entstehen usw., die letztendlich eine sehr große Oberfläche in einem relativ kleinen Volumenbereich bilden.
Tauchen Sie dieses Material dann in ein Standardelektrolytmaterial wie Kaliumchlorid (ein Salz), das geladene Partikel liefert, die sich auf der Kohlenstoffstruktur ansammeln. Forscher haben herausgefunden, dass zwei Elektroden aus diesem Material durch einen dünnen Abstand oder eine Isolationsschicht getrennt sind und so einen sehr leistungsstarken Superkondensator bilden.

Forscher weisen darauf hin, dass es sich bei Zement und Ruß um zwei Materialien mit einer mindestens zweitausendjährigen Geschichte handelt. „Wenn man sie auf eine bestimmte Weise kombiniert, erhält man ein leitfähiges Nanokompositmaterial, und dann wird es wirklich interessant. Darüber hinaus ist der erforderliche Kohlenstoffgehalt sehr gering und macht nur 3 Prozent des Mischungsvolumens aus, wodurch ein durchlässiges Material entstehen kann.“ Kohlenstoffnetzwerk.
Forscher sagen, dass Superkondensatoren aus diesem Material ein großes Potenzial haben, den weltweiten Übergang zu erneuerbaren Energien zu unterstützen. Die wichtigsten emissionsfreien Energiequellen wie Windenergie, Solarenergie und Gezeitenenergie erzeugen ihre Leistung alle zu unterschiedlichen Zeiten, die oft nicht mit dem Spitzenwert des Stromverbrauchs vereinbar sind. Daher sind Methoden zur Speicherung von Strom unerlässlich.

Der Bedarf an großen Energiespeichersystemen ist sehr hoch, bestehende Batterien sind zu teuer und basieren hauptsächlich auf Materialien wie Lithium. Da das Angebot an Lithium begrenzt ist, besteht ein dringender Bedarf an günstigeren Alternativen. Hier ist unsere Technologie sehr vielversprechend, weil Zement überall ist“, sagten sie.
Das Forschungsteam errechnete, dass ein 45 Kubikmeter großer Nanoruß-dotierter Beton (entspricht einem Würfel mit einem Durchmesser von etwa 3,5 Metern) eine ausreichende Kapazität hätte, um etwa 10-Kilowattstunden Energie zu speichern durchschnittlicher täglicher Stromverbrauch eines Haushalts. Aufgrund der Fähigkeit von Beton, seine Festigkeit beizubehalten, können aus diesem Material gebaute Häuser die von Sonnenkollektoren oder Windmühlen erzeugte Energie einen Tag lang speichern und bei Bedarf nutzen. Darüber hinaus ist die Lade- und Entladegeschwindigkeit von Superkondensatoren viel schneller als die von Batterien.
Forscher sagen auch, dass der anfängliche Einsatz dieser Technologie möglicherweise in isolierten Häusern, Gebäuden oder Notunterkünften fernab des Stromnetzes erfolgen könnte, die möglicherweise von Sonnenkollektoren gespeist werden, die an Zement-Superkondensatoren angeschlossen sind.
Sie sagten, dass das System sehr skalierbar sei, da die Energiespeicherkapazität eine direkte Funktion des Elektrodenvolumens sei. Sie können eine 1 mm dicke Elektrode in eine 1 m dicke Elektrode verwandeln und dadurch Ihre Energiespeicherkapazität im Grunde erweitern, vom Aufleuchten einer LED für ein paar Sekunden bis hin zur Stromversorgung des gesamten Hauses.

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