Аккумулятор нового типа состоит только из цемента, сажи и воды.

МС распространением возобновляемых источников энергии также растет потребность в эффективных и недорогих системах хранения энергии, которые могут буферизовать большие объемы производимой зеленой электроэнергии, чтобы поддерживать стабильность сетей или преодолевать периоды темноты. Здесь особенно подходят батареи и другие системы хранения химических веществ. Но они часто дорогие. Исследователи материалов из Массачусетского технологического института (г.С) в Кембридже в Трудах Американской национальной академии наук. Франц Йозеф Ульм и его коллеги разработали устройство для хранения электроэнергии, основными компонентами которого являются цемент, сажа и вода.

Накопитель представляет собой своего рода суперконденсатор, который, по мнению исследователей Массачусетского технологического института, может быть встроен в фундамент и стены дома, ветряные турбины или дороги. Суперконденсаторы относятся к двухслойным конденсаторам и состоят из двух электропроводящих пластин, разделенных мембраной и электрически соединенных друг с другом электролитом. Поскольку электрические заряды здесь смещаются и разделяются, т. е. не происходят химические реакции, суперконденсаторы, в отличие от перезаряжаемых батарей, в принципе можно перезаряжать сколько угодно раз.

В отличие от обычных аккумуляторов, суперконденсаторы можно быстро разряжать и заряжать и, таким образом, выдавать большой ток за короткое время. Количество энергии, которое может хранить такой конденсатор, зависит от общей площади поверхности его токопроводящих пластин. В то время как классические суперконденсаторы состоят в основном из металлов, углерода и пластика, исследователи Массачусетского технологического института используют вездесущие дешевые материалы для хранения энергии.

Бетонные плиты становятся электродами

Чтобы построить свою систему хранения электроэнергии, исследователи из Ульма смешали сажу, цементный порошок и воду и дали им затвердеть. Вода образует крошечные разветвленные каналы в цементе, в которые мигрирует проводящий углерод сажи. Наконец, создается сеть, которая делает бетонные плиты электропроводными. Затем материал пропитывают хлоридом калия – электролитом. Затем исследователи использовали эту смесь сажи и цемента, чтобы сформировать две параллельные пластины, которые были разделены узким пространством — сепаратором.

Две пластины работают как два полюса батареи. При подключении к источнику питания энергия сохраняется. Если присутствует потребитель электроэнергии, накопленная электроэнергия вытекает из пластин. Для демонстрации исследователи изготовили небольшие суперконденсаторы, каждый шириной около сантиметра и толщиной в миллиметр. При зарядке они выдают напряжение в один вольт. В ходе лабораторного эксперимента исследователи продемонстрировали, что светодиод может работать с тремя последовательно соединенными заряженными накопителями электроэнергии.

Мощности хватит на весь дом

Ульм и его коллеги оценивают плотность энергии своего накопителя энергии от 20 до 220 ватт-часов на кубический метр, в зависимости от содержания углерода. Куб с длиной ребра около 3,5 метров будет иметь достаточную емкость для хранения около десяти киловатт-часов энергии. Это соответствует среднесуточному энергопотреблению домохозяйства. «Нашу систему можно масштабировать почти по желанию, — говорит Ульм. Вы можете перейти от электродов толщиной от одного миллиметра до электродов толщиной в один метр. Таким образом, вы можете в основном масштабировать емкость накопителя энергии, от включения светодиода на несколько секунд до питания всего дома».

Но приходится находить компромисс между аккумулирующей способностью материала и его прочностью. Добавляя больше сажи, суперконденсатор может хранить больше энергии, но бетон становится более хрупким. Исследователи пишут, что для таких применений, как опорный фундамент дома или основание ветряной турбины, оптимальная концентрация сажи составляет около десяти процентов.

Помимо домов или ветряных турбин, дороги являются еще одним потенциальным применением суперконденсаторов из углеродного цемента. Электрическая энергия, вырабатываемая солнечными панелями, может храниться и доставляться в электромобили. Для зарядки может использоваться та же технология беспроводной индукции, которая уже используется для перезаряжаемых телефонов.