MIT-Ingenieure erzeugen eine Energie - Guiyang Beleuchtung Co., Ltd

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Laut einer neuen Studie könnten zwei der allgegenwärtigsten historischen Materialien der Menschheit, Zement und Ruß (der sehr feiner Holzkohle ähnelt), die Grundlage für ein neuartiges, kostengünstiges Energiespeichersystem bilden. Die Technologie könnte die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solar-, Wind- und Gezeitenenergie erleichtern, indem sie es ermöglicht, dass Energienetze trotz Schwankungen im Angebot an erneuerbaren Energien stabil bleiben.

Die Forscher fanden heraus, dass die beiden Materialien mit Wasser kombiniert werden können, um einen Superkondensator – eine Alternative zu Batterien – herzustellen, der die Speicherung elektrischer Energie ermöglichen könnte. Als Beispiel sagen die MIT-Forscher, die das System entwickelt haben, dass ihr Superkondensator schließlich in das Betonfundament eines Hauses eingebaut werden könnte, wo er die Energie eines ganzen Tages speichern könnte, während sich die Kosten des Fundaments kaum (oder gar nicht) erhöhen und dennoch die erforderliche strukturelle Festigkeit bieten. Die Forscher stellen sich auch eine Betonfahrbahn vor, die das kontaktlose Aufladen von Elektroautos ermöglichen könnte, während sie über diese Straße fahren.

Die einfache, aber innovative Technologie wird diese Woche in der Zeitschrift PNAS in einem Artikel der MIT-Professoren Franz-Josef Ulm, Admir Masic und Yang-Shao Horn sowie vier weiteren am MIT und am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering beschrieben.

Kondensatoren sind im Prinzip sehr einfache Geräte, die aus zwei elektrisch leitenden Platten bestehen, 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. Dies erreichten die Forscher, indem sie Ruß – der hochleitfähig ist – zusammen mit Zementpulver und Wasser in eine Betonmischung einbrachten und 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 genau wie die beiden Pole einer wiederaufladbaren Batterie gleicher Spannung: Wenn sie an eine Stromquelle angeschlossen werden, wie bei einer Batterie, wird Energie in den Platten gespeichert, und wenn sie an eine Last angeschlossen wird, wird die elektrische Energie gespeichert Der Strom fließt zurück, um Strom bereitzustellen.

„Das Material ist faszinierend“, sagt Masic, „weil es das am häufigsten verwendete künstliche Material der Welt gibt, Zement, das mit Ruß kombiniert wird, ein bekanntes historisches Material – die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben.“ . Es gibt diese mindestens zwei Jahrtausende alten Materialien, aus denen, wenn man sie auf eine bestimmte Weise kombiniert, ein leitfähiges Nanokomposit entsteht, und dann wird es wirklich interessant.“

Während die Mischung aushärtet und aushärtet, sagt er: „Das Wasser wird systematisch durch Hydratationsreaktionen des Zements verbraucht, und diese Hydratation wirkt sich grundsätzlich auf Kohlenstoffnanopartikel 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 leicht reproduzierbar, wobei die Materialien kostengünstig und überall auf der Welt leicht verfügbar sind. Und die benötigte Kohlenstoffmenge ist sehr gering – nur 3 Volumenprozent der Mischung –, um ein versickertes Kohlenstoffnetzwerk zu erreichen, sagt Masic.

Superkondensatoren aus diesem Material hätten großes Potenzial, den weltweiten Übergang zu erneuerbaren Energien zu unterstützen, sagt Ulm. Die wichtigsten Quellen emissionsfreier Energie, Wind-, Solar- und Gezeitenenergie, erzeugen 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“, sagt er, und bestehende Batterien seien zu teuer und basieren hauptsächlich auf Materialien wie Lithium, dessen Vorräte begrenzt sind, sodass billigere Alternativen dringend 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. Und Superkondensatoren können viel schneller geladen und entladen werden als Batterien.

Nach einer Reihe von Tests zur Bestimmung der effektivsten Verhältnisse von Zement, Ruß und Wasser demonstrierte das Team den Prozess, indem es kleine Superkondensatoren herstellte, etwa so groß wie einige Knopfzellenbatterien, etwa 1 Zentimeter breit und 1 Millimeter dick. die jeweils auf 1 Volt aufgeladen werden konnten, vergleichbar mit einer 1-Volt-Batterie. Anschließend schlossen sie drei davon zusammen, um ihre Fähigkeit zu demonstrieren, eine 3-Volt-Leuchtdiode (LED) zum Leuchten zu bringen. Nachdem das Prinzip bewiesen wurde, planen sie nun den Bau einer Reihe größerer Versionen, beginnend mit solchen in der Größe einer typischen 12-Volt-Autobatterie, bis hin zu einer 45-Kubikmeter-Version, um zu demonstrieren, dass sie ein Haus mit Strom versorgen kann -Wert der Macht.

Sie stellten fest, 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, allerdings ist der Beton etwas schwächer, was für Anwendungen nützlich sein könnte, 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 Prozent Ruß in der Mischung liegt.

Eine weitere potenzielle Anwendung für Kohlenstoffzement-Superkondensatoren ist der Bau von Betonstraßen, die die von Solarpaneelen entlang der Straße erzeugte Energie speichern und diese Energie dann an entlang der Straße fahrende Elektrofahrzeuge weitergeben könnten, wobei die gleiche Technologie zum Einsatz kommt, die auch für drahtlos wiederaufladbare Telefone verwendet wird. Ein ähnliches Autoladesystem wird bereits von Unternehmen in Deutschland und den Niederlanden entwickelt, allerdings mit Standardbatterien zur Speicherung.

Die ersten Einsatzmöglichkeiten der Technologie könnten für isolierte Häuser oder Gebäude oder Notunterkünfte fernab des Stromnetzes bestehen, die durch an den Zement-Superkondensatoren angebrachte Solarpaneele mit Strom versorgt werden könnten, sagen die Forscher.

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“, sagt er.

Abhängig von den für eine bestimmte Anwendung gewünschten Eigenschaften könnte das System durch Anpassen der Mischung abgestimmt werden. Für eine Ladestraße für Fahrzeuge wären sehr schnelle Lade- und Entladeraten erforderlich, während man für die Stromversorgung eines Hauses „den ganzen Tag Zeit zum Aufladen hat“, sodass langsamer ladendes Material verwendet werden könnte, sagt Ulm.

„Es handelt sich also wirklich um ein multifunktionales Material“, fügt er hinzu. Neben der 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.

Ulm sieht darin „einen neuen Blick auf die Zukunft des Betons im Rahmen der Energiewende“.

Zum Forschungsteam gehörten auch die Postdocs Nicolas Chanut und Damian Stefaniuk vom Department of Civil and Environmental Engineering des MIT, James Weaver vom Wyss Institute und Yunguang Zhu vom Department of Mechanical Engineering des MIT. Die Arbeit wurde vom MIT Concrete Sustainability Hub unterstützt und von der Concrete Advancement Foundation gesponsert.

MIT-Ingenieure haben einen neuen Weg zur Herstellung eines Energie-Superkondensators durch die Kombination von Zement, Ruß und Wasser entdeckt, der eines Tages zum Antrieb von Häusern oder Elektrofahrzeugen verwendet werden könnte, berichtet Jeremy Hsu für New Scientist. „Die Materialien sind überall auf der Welt für jeden verfügbar“, erklärt Prof. Franz-Josef Ulm. „Damit haben wir nicht die gleichen Einschränkungen wie bei Batterien.“

Forscher am MIT haben herausgefunden, dass Zement und Ruß mit Wasser kombiniert werden können, um eine Batteriealternative zu schaffen, berichtet Robert Service for Science. Professor Franz-Josef Ulm und seine Kollegen „vermischten einen kleinen Anteil Ruß mit Zementpulver und fügten Wasser hinzu“, erklärt Service. „Das Wasser verbindet sich leicht mit dem Zement. Da die Rußpartikel jedoch Wasser abstoßen, neigen sie dazu, zusammenzuklumpen und innerhalb des aushärtenden Zements lange, miteinander verbundene Ranken zu bilden, die wie ein Netzwerk aus Drähten wirken.“

Die Reporterin von Fast Company, Adele Peters, schreibt, dass MIT-Forscher eine neue Art von Beton entwickelt haben, der Energie speichern kann, was möglicherweise die Umwandlung von Straßen in Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und die Umwandlung von Hausfundamenten in Energiequellen ermöglicht. „Plötzlich hat man ein Material, das nicht nur Lasten tragen, sondern auch Energie speichern kann“, sagt Prof. Franz-Josef Ulm.

MIT-Forscher haben herausgefunden, dass Ruß und Zement in Kombination mit Wasser einen kostengünstigen Superkondensator erzeugen können, der Strom für die spätere Verwendung speichern kann, berichtet Andrew Paul für Popular Science. „Mit einigen weiteren Feinabstimmungen und Experimenten glaubt das Team, dass ihr angereichertes Zementmaterial eines Tages Teile von Gebäudefundamenten bilden oder sogar drahtloses Laden ermöglichen könnte“, schreibt Paul.

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