Cement, Kulsort, Elektrolytter og Vand Udgør En Simpel Opskrift på Alsidig Ny Superkondensator

Hvis de seneste udviklinger inden for materialvidenskab viser sig at holde, vil vores verden se meget anderledes ud allerede om få år.  I løbet af den seneste uge er der ikke kun en voksende liste af forskere, der forsøger at genskabe og bevise gyldigheden af de seneste påstande om en potentiel rumtemperatur, atmosfærisk tryk superleder kaldet ‘LK-99’, men Massachusetts Institute of Technology (MIT) har også annonceret en interessant opdagelse af sin egen.  Dette ville være en omkostningseffektiv superkondensator lavet af ikke-eksotiske materialer.

Hvad er en Kondensator?

Kondensatorer er enheder, der lagrer elektrisk energi ved at akkumulere en intern ubalance af elektrisk ladning over to ledende plader adskilt af en isolator eller dielektrikum.

Hvad Gør En ‘Super’?

En superkondensator, også kendt som en ultrakondensator eller dobbeltlagkondensator, er en type kondensator, der har en usædvanligt høj kapacitans.  Sådan adskiller superkondensatorer sig fra standardkondensatorer:

• Lagringskapacitet: Superkondensatorer kan lagre en meget større mængde elektrisk ladning sammenlignet med standardkondensatorer. Dette skyldes den høje overfladeareal af elektroderne og den meget tynde afstand mellem dem, hvilket tillader mere ladning at blive lagret.
• Energ- og effekt-tæthed: Mens kondensatorer generelt har en højere effekt-tæthed (de kan levere energi hurtigt) men lavere energitæthed (de lagrer mindre energi), bygger superkondensatorer broen mellem kondensatorer og batterier ved at have både høj effekt-tæthed og en relativt høj energitæthed.
• Konstruktion: Superkondensatorer bruger ofte forskellige materialer og fremstillingsmetoder. De anvender typisk porøse kulmaterialer til elektroderne, som giver en stor overfladeareal, samt en elektrolyt der tillader ionernes bevægelse. Den store overfladeareal og specielle konstruktion gør det muligt for superkondensatoren at lagre mere energi.
• Lade- og afladningshastigheder: Superkondensatorer kan oplades og aflades meget hurtigere end batterier, og de kan tåle mange flere lade- og afladecyklusser uden væsentlig nedbrydning. Mens standardkondensatorer også oplader og aflader hurtigt, kan superkondensatorer holde ladningen længere på grund af deres større lagringskapacitet.

Simpelt sagt, mens standardkondensatorer og superkondensatorer fungerer på samme grundlæggende princip om at lagre energi i et elektrisk felt, skiller superkondensatorer sig ud ved deres meget højere lagringskapacitet, forskellige konstruktionsmaterialer og deres evne til at kombinere egenskaberne fra både kondensatorer og batterier.

Hvor Bruges Superkondensatorer?

Så nu hvor du ved, hvad en superkondensator er, hvor er de nyttige?  Superkondensatorer anvendes almindeligt i applikationer, hvor hurtig energilevering og effektiv lagring er afgørende. Her er nogle af de typiske områder, hvor du kan finde superkondensatorer:

• Elbiler (EV’er): Superkondensatorer kan levere de hurtige kraftudbrud, der kræves til acceleration, og kan også opsamle energi under regenerativ bremsning, hvilket forbedrer køretøjets samlede effektivitet.
• Offentlig transport: I busser og sporvogne kan superkondensatorer bruges til hurtigt at lagre energi under korte stop og derefter levere den nødvendige energi til acceleration, hvilket reducerer belastningen på hovedstrømkilden.
• Vedvarende energisystemer: Superkondensatorer kan lagre energi fra vedvarende kilder som sol og vind og frigive den efter behov. Dette hjælper med at udjævne udsving i energiforsyningen, når solen og vinden er i kortere perioder.
• Uafbrydelige strømforsyninger (UPS): I systemer, der kræver en kontinuerlig strømforsyning, kan superkondensatorer levere midlertidig strøm under korte strømafbrydelser eller indtil backup-generatorer er i drift.
• Forbrugerelektronik: I nogle enheder kan superkondensatorer levere de hurtige energibid, der kræves til visse funktioner, såsom blitzfotografering i kameraer og high-end billydinstallationer.
• Medicinsk udstyr: Superkondensatorer kan bruges i medicinsk udstyr som defibrillatorer, der kræver pålidelig og øjeblikkelig strømlevering.
• Industrielt udstyr: I industrielle miljøer kan superkondensatorer levere den høje effekt, der er nødvendig i korte perioder i forskellige maskiner og værktøjer.
• Netstabilisering: Superkondensatorer kan anvendes i elnettet for at give hurtig respons på ændringer i efterspørgsel eller udbud, hvilket hjælper med at stabilisere nettet og forhindre udsving.
• Trådløse kommunikationsenheder: De kan bruges til at levere den nødvendige energi til at transmittere signaler, især i fjerntliggende eller svært tilgængelige områder, hvor batteriskift er udfordrende.
• Smart grid- og mikrogrid-applikationer: Superkondensatorer kan være en del af intelligente energistyringssystemer, der hjælper med at balancere belastninger og lagre energi lokalt for mere effektiv brug.
• Luft- og rumfart samt forsvar: I luft- og rumfartsapplikationer kan superkondensatorer levere pålidelig strøm til kritiske systemer, der kræver høj pålidelighed og ydeevne.

Alt i alt gør alsidigheden, den høje effekt-tæthed og de hurtige lade-/afladningskapaciteter superkondensatorer velegnede til et bredt udvalg af anvendelser, hvor både energilagring og hurtig energifrigivelse er påkrævet. Som du kan se fra listen ovenfor, er superkondensatorer allerede i brug i en række industrier.  Derfor er den seneste opdagelse fra MIT særligt interessant på grund af dens potentiale til at fremme så mange forskellige implementeringer.

En Ny Opskrift

Ifølge MIT udviklede forskerne bag denne opdagelse metoden til at fremstille et cementbaseret materiale med et højt internt overfladeareal ved at tilsætte kulsort i en betonblanding. Det resulterende materiale, når det gennemblødes i en standard elektrolyt som kaliumchlorid, danner en kraftfuld superkondensator. Bemærkelsesværdigt er, at den nødvendige mængde kul er minimal, hvilket gør processen både billig og let reproducerbar.
Når man skaber en superkondensator, er det vigtigt at huske, at dens ydeevne i høj grad afhænger af den interne overfladeareal af de ledende plader.  MIT udtaler, at,

“Nøglen til de nye superkondensatorer udviklet af dette team kommer fra en metode til at fremstille et cementbaseret materiale med et ekstremt højt internt overfladeareal på grund af et tæt, sammenkoblet netværk af ledende materiale inden for dets samlede volumen.”

Hvad der er centralt for denne opdagelse, er dog, at den blev opnået med så almindelige materialer, som findes billigt over hele verden – hvilket gør teknologien ekstremt tilgængelig.

Hvor denne opdagelse bliver interessant er, når man tænker på dens potentielle fremtidige anvendelser i stabilisering af energinet og -efterspørgsel.  Teamet beskriver en implementering, hvor fundamentet i et hus er lavet af materialet.  Ikke kun kan materialet laves lige så robust som almindeligt cement, men husets fundament ville have kapacitansen til at levere en hel dags elektricitet.   Dette kunne udnyttes under strømafbrydelser, i spidsbelastningsperioder eller andre lignende omstændigheder.

Det er også nyttigt for huse, der udnytter vedvarende energi, hvor forsyningen ikke er konstant.  I perioder med overskydende produktion kan den energi, der er lagret i fundamentet, genopfyldes, mens den i perioder med energimangel kan udnyttes.  Andre implementeringer omfatter trådløs opladningsteknologi, der betjener samfund og huse, der er frakoblet traditionelle elnet, og mere.

Afsluttende Ord

Vigtigheden af en cementbaseret superkondensator er enorm, givet menneskets tilbøjelighed til at bygge med materialet.  Alt i alt tror teamet på, at dens,

“…materialedesign af porøse kul-cementkompositter giver en skalerbar materialeløsning til energilagring, som understøtter den hastige overgang fra fossile brændstoffer til vedvarende energikilder.”

Den ville ikke kun være let tilgængelig, men kunne også se en forholdsvis nem implementering i både små og store projekter.