Sementti, hiilen muste, elektrolyytit ja vesi muodostavat yksinkertaisen reseptin monipuoliseen uuteen superkondensaattoriin

If recent developments involving material science pan out, our world will look like a much different place in only a few years.  Over the past week, there is not only a lengthening list of scientists attempting to recreate and prove the validity of recent claims surrounding a potential room-temperature, ambient-pressure superconductor being called ‘LK-99’, but the Massachusetts Institute of Technology (MIT) also announced an interesting discovery of its own.  This would be a cost-effective supercapacitor made from non-exotic materials.

Mikä on kondensaattori?

Capacitors are devices that store electrical energy by accumulating an internal imbalance of electric charge across two conductive plates separated by an insulator or dielectric.

Mikä tekee siitä ‘super’?

A supercapacitor, also known as an ultracapacitor or double-layer capacitor, is a type of capacitor that has an exceptionally high capacitance.  Here’s how supercapacitors differ from standard capacitors:

• Varastointikapasiteetti: Superkondensaattorit voivat varastoida paljon suuremman määrän sähkövarausta verrattuna tavallisiin kondensaattoreihin. Tämä johtuu elektrodien suuresta pinta-alasta ja erittäin ohuesta etäisyydestä niiden välillä, mikä mahdollistaa enemmän varauksen varastoinnin.
• Energia- ja tehopitiö: Vaikka kondensaattoreilla on yleensä korkeampi tehopitiö (ne voivat toimittaa energiaa nopeasti), mutta alhaisempi energiapitiö (ne varastoivat vähemmän energiaa), superkondensaattorit siltaavat kuilua kondensaattorien ja akkujen välillä tarjoamalla sekä korkean tehopitiön että suhteellisen korkean energiapitiön.
• Rakenne: Superkondensaattorit käyttävät usein erilaisia materiaaleja ja rakennusmenetelmiä. Ne hyödyntävät tyypillisesti huokoisia hiilimateriaaleja elektrodeina, jotka tarjoavat suuren pinta-alan, sekä elektrolyyttiä, joka mahdollistaa ionien liikkumisen. Suuri pinta-ala ja erityinen rakenne mahdollistavat superkondensaattorin varastoida enemmän energiaa.
• Lataus- ja purkausnopeudet: Superkondensaattorit voidaan ladata ja purkaa paljon nopeammin kuin akut, ja ne kestävät huomattavasti enemmän lataus- ja purkusyklejä kuin akut ilman merkittävää heikkenemistä. Vaikka tavalliset kondensaattoritkin latautuvat ja purkautuvat nopeasti, superkondensaattorit voivat pitää varauksen pidempään niiden suuremman varastointikapasiteetin ansiosta.

Simply put, while standard capacitors and supercapacitors operate on the same basic principle of storing energy in an electric field, supercapacitors are distinguished by their much higher storage capacity, different construction materials, and their ability to combine the characteristics of both capacitors and batteries.

Missä superkondensaattoreita käytetään?

So now that you know what a supercapacitor is, where are they useful?  Supercapacitors are commonly used in applications where quick energy delivery and efficient storage are essential. Here are some of the typical areas where you might find supercapacitors:

• Sähköajoneuvot (EV:t): Superkondensaattorit voivat tarjota nopeita tehopurskeita, jotka tarvitaan kiihtyvyyteen, ja ne voivat myös kerätä energiaa regeneratiivisen jarrutuksen aikana, parantaen ajoneuvon kokonaistehokkuutta.
• Julkinen liikenne: Bussseissa ja raitiovaunuissa superkondensaattoreita voidaan käyttää energian nopeaan varastointiin lyhyiden pysähdyksien aikana ja sen jälkeen tarjoamaan kiihtymiseen tarvittavaa energiaa, vähentäen päävirran kuormitusta.
• Uusiutuvat energiajärjestelmät: Superkondensaattorit voivat varastoida energiaa uusiutuvista lähteistä, kuten aurinko- ja tuulivoimasta, vapauttaen sen tarvittaessa. Tämä auttaa tasoittamaan energian toimituksen vaihteluita, kun aurinko ja tuuli ovat vähissä.
• Katkeamaton virtalähde (UPS): Järjestelmissä, jotka vaativat jatkuvaa virtalähdettä, superkondensaattorit voivat tarjota tilapäistä virtaa lyhyiden katkoksien aikana tai kunnes varageneraattorit käynnistyvät.
• Kulutuselektroniikka: Joissakin laitteissa superkondensaattorit voivat tarjata nopeita energiapurskeita, joita tietyt toiminnot vaativat, kuten salamavalokuvaus kameroissa ja huippuluokan auton äänijärjestelmät.
• Lääketieteelliset laitteet: Superkondensaattoreita voidaan käyttää lääketieteellisissä laitteissa, kuten defibrillaattoreissa, jotka vaativat luotettavaa ja välitöntä energian toimitusta.
• Teollisuuslaitteet: Teollisuusympäristössä superkondensaattorit voivat tarjota lyhytaikaisesti tarvittavaa suurta tehoa erilaisissa koneissa ja työkaluissa.
• Verkon vakauttaminen: Superkondensaattoreita voidaan käyttää sähköverkossa tarjoamaan nopeaa reagointia kysynnän tai tarjonnan muutoksiin, auttaen vakauttamaan verkkoa ja estämään vaihteluita.
• Langattomat viestintälaitteet: Niitä voidaan käyttää energian tarjoamiseen signaalien lähettämiseen, erityisesti kaukaisissa tai vaikeasti saavutettavissa paikoissa, joissa pariston vaihtaminen on haastavaa.
• Älyverkko- ja mikroverkko-sovellukset: Superkondensaattorit voivat olla osa älykkäitä energianhallintajärjestelmiä, auttaen tasapainottamaan kuormia ja varastoimaan energiaa paikallisesti tehokkaampaa käyttöä varten.
• Avaruus- ja puolustusteollisuus: Avaruusteollisuuden sovelluksissa superkondensaattorit voivat tarjota luotettavaa virtaa kriittisille järjestelmille, jotka vaativat korkeaa luotettavuutta ja suorituskykyä.

Overall, the versatility, high power density, and rapid charge/discharge capabilities of supercapacitors make them suitable for a wide range of applications where both energy storage and quick energy release are required. As you can see from the above list, supercapacitors are already in use in a plethora of industries.  As such, the recent discovery made by MIT is particularly intriguing due to its potential to advance so many different implementations.

Uusi resepti

Per MIT, the researchers involved with this discovery developed the method to produce a cement-based material with a high internal surface area by introducing carbon black into a concrete mixture. The resulting material, when soaked in a standard electrolyte like potassium chloride, forms a powerful supercapacitor. Notably, the amount of carbon needed is minimal, which makes the process both inexpensive and easily reproducible.

When creating a supercapacitor, it is important to remember that its performance is largely based on the internal surface area of its conductive plates.  MIT states that,

“Uusien tämän tiimin kehittämien superkondensaattorien avain perustuu menetelmään, jolla tuotetaan sementtipohjaista materiaalia, jossa on äärimmäisen suuri sisäinen pinta-ala tiheän, toisiinsa kytkeytyneen johtavan materiaaliverkoston ansiosta sen massassa.”

What is key to this discovery though, is that it was achieved with such mundane materials, found cheaply around the world – making it an extremely accessible technology.

Missä tämä löytö muuttuu mielenkiintoiseksi, on sen mahdollisten tulevien sovellusten pohtiminen energian verkkojen ja kysynnän vakauttamisessa.  Tiimi kuvaa yhden toteutuksen, jossa kodin perustukset on tehty tästä materiaalista.  Materiaali voidaan valmistaa yhtä kestäväksi kuin tavallinen sementti, ja kodin perustuksilla olisi kapasitanssi, joka pystyy tarjoamaan koko päivän sähköä.  Tätä voitaisiin käyttää sähkökatkosten aikana, huippukulutuksen tunteina tai muissa vastaavissa tilanteissa.

It is also useful for homes that leverage renewable energy, where supply is not constant.  During periods of excess creation, the energy stored in the foundation could be topped-up, while in periods of energy drought, it could be drawn upon.  Other implementations include wireless charging technology, serving communities and homes disconnected from traditional power grids, and more.

Lopullinen sana

The importance of a cement-based supercapacitor is huge, given humans’ proclivity for building with the material.  Overall, the team believes that its,

“…huokoisten hiili-sementti -komposiittien materiaalisuunnittelu tarjoaa skaalautuvan materiaaliratkaisun energian varastointiin tukemaan kiireellistä siirtymää fossiilisista polttoaineista uusiutuviin energialähteisiin.”

Not only would it be easily accessible, it could see fairly easy implementation in both small and large-scale projects.