超级电容器水泥可以增强可再生能源储存

2023-08-08 07:46来源:大智报

美国研究人员发现,将炭黑纳米颗粒掺入湿水泥中,一旦水泥固化,就能将其转化为超级电容器电极。该团队表示,这种材料可以用来储存可再生能源,并找到更多奇特的应用,比如可以为电动汽车无线充电的道路。

如今,水泥和混凝土的生产约占全球二氧化碳排放量的8%。例如,一些通过使用替代水泥配方来减少这种情况的想法尚未取得广泛成功。与此同时,对间歇性可再生能源的投资不断增加,导致对储能技术的需求不断上升。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的弗朗茨-约瑟夫•乌尔姆(Franz-Josef Ulm)说:“电池是基于稀有材料的,不是每个人都能得到,所以它无法扩展。”乌尔姆和他的同事们设计了一个两方面的解决方案,他们在混凝土中添加了新的功能,使其成为“结构电容器”。

研究人员简单地将炭黑纳米颗粒添加到水泥浆中。由于疏水,它们最初在富含水的环境中是孤立的。然而,随着水泥的固化,亲水性硅酸钙形成水化硅酸钙和氢氧化钙,从体系中除去游离水。然后,碳纳米颗粒自组织成一个极长的导电网络,渗透到水泥中。通过将水泥浸泡在氢氧化钾中,研究人员允许离子在孔隙中扩散进出。将电极连接到正电荷上会使导电网络吸引负离子并排斥正离子,当连接到负电荷时则相反。因此,用电介质膜将两个饱和水泥板分开,可以产生电位差并储存能量。

研究人员使用小型带电水泥超级电容器为3V LED供电,现在希望将其大规模应用于现实世界。充放电速率受到水泥孔隙率的限制,但这在建筑基础上不应该是一个问题,例如,可以存储太阳能。乌尔姆说:“你有一整天的时间给超级电容器充电,然后在晚上……你可以用它来运行你需要的任何类型的家庭能源负载。”

研究人员表示,他们还可以通过在生产过程中添加额外的水来增加固化水泥的孔隙度。这允许更快的充电/放电循环,这可以开辟应用,例如通过电磁感应为过往电动车辆充电的道路,尽管它确实会损害混凝土的强度。“对于每个应用程序,我们需要满足不同的要求,”合著者Admir Masic说。“我们论文的核心观点是,我们的材料在世界任何地方都能被所有人获取。”我真心希望这种材料能以前所未有的方式渗透到我们的社会中,因为这是两种我们知道如何加工的廉价材料。”

然而,纽约布法罗大学的黛博拉·钟对此表示怀疑。她说:“在摘要中,他们声称强度很高,但在论文中没有对强度进行测量。”研究人员依靠纳米鉴定的硬度测量,乌尔姆说他已经“建立了一个显示硬度和强度之间联系的职业”,但是Chung仍然不相信,他说这“不是一个在混凝土领域得到充分认可的机械性能指标”。她总结道:“高孔隙率必然会导致脆性……我很肯定,他们称之为结构电极的材料实际上是一种脆性材料。”

然而,奥地利维也纳理工大学的伯恩哈德·皮切勒(Bernhard Pichler)并没有对强度测量提出异议,他说:“作者使用了0.42的初始水灰质量比。”这样就可以生产出常规强度的混凝土。在许多实际应用中,甚至使用更大的比例……生产超高性能混凝土需要更低的比例,但它们只用于相当特殊的应用。总的来说,我认为这篇论文非常有趣,它肯定会对我的科学界产生影响。”

蒂姆·沃根报道

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