Kapasitor Beton: Masa Depan Penyimpanan Energi

Menyimpan Energi dalam Kapasitor Beton

When it comes to energy storage, all the attention is concentrated on batteries. While for a time it was mostly on ever-improving lithium-ion technology, now sodium-ion, solid-state, and other types of alternative battery chemistries are also being developed or reaching the commercial stage.

Ketika berbicara tentang penyimpanan energi, semua perhatian terpusat pada baterai. Selama ini, fokusnya terutama pada teknologi litium-ion yang terus berkembang, kini natrium-ion, solid-state, dan jenis kimia baterai alternatif lainnya juga sedang dikembangkan atau mencapai tahap komersial.

Sumber: Let’s Talk Science

Namun, ini bukan satu-satunya cara untuk menyimpan listrik. Pilihan lain adalah menggunakan superkapasitor.

Berbeda dengan baterai yang menyimpan muatan listrik dalam massa ion logam, superkapasitor dan ultrakapasitor menahan muatan listrik pada permukaan bahan konduktif.

Sumber: Sinovoltaics

Perbedaan mendasar dalam konsep penyimpanan energi ini mengubah cara kerja kapasitor dibandingkan baterai. Karena energi tersedia di permukaan bahan, energi dapat dimobilisasi sangat cepat, memungkinkan siklus pengisian dan pengosongan ultra cepat, sementara baterai diperlambat oleh kecepatan reaksi kimia yang diperlukan.

Sejauh ini, kapasitor sebagian besar merupakan produk niche, karena mereka menyimpan muatan lebih sedikit dibandingkan baterai, dan seringkali lebih mahal, karena memerlukan bahan yang lebih mahal.

Hal ini mungkin berubah, dengan pengembangan kapasitor berbasis beton oleh empat peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT), yang pada akhirnya dapat digunakan untuk mengubah bangunan dan jalan menjadi baterai raksasa.

They published their latest design in the prestigious scientific journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) under the title “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Aplikasi Kapasitor

Capacitors’ low charge compared to batteries has so far hindered their usage for large or long-term energy storage, despite their remarkable durability.

Namun, kemampuan mereka menangani perubahan muatan listrik yang sangat cepat dan tegangan yang jauh lebih tinggi, tanpa mengalami kerusakan, membuatnya berguna untuk aplikasi di mana banyak energi dihasilkan atau dibutuhkan sekaligus.

Misalnya, superkapasitor digunakan dalam mobil, kereta api, crane, dan lift, untuk penyimpanan energi jangka pendek, pengereman regeneratif, atau penyediaan daya mode ledakan.

Meskipun total energi tidak selalu tinggi, intensitas dan kecepatannya tinggi.

For power grids and energy storage applications, supercapacitors are most effective in bridging power gaps that last from a few seconds to a few minutes and can be quickly recharged.

Meningkatkan Kapasitor Berbasis Beton

Membuat Beton Menyimpan Energi

For batteries, the energy differential between the different electrochemical reactions and the amount of reactive metal available usually limits capacity.

Untuk baterai, perbedaan energi antara reaksi elektrokimia yang berbeda dan jumlah logam reaktif yang tersedia biasanya membatasi kapasitas.

Untuk kapasitor, batas utama adalah total permukaan bahan. Jadi secara umum, bahan yang paling berpori akan menyimpan jauh lebih banyak muatan.

Untuk alasan ini, material heterogen (terbuat dari beberapa unsur) seringkali terbaik, begitu pula bahan yang merupakan hasil polimerisasi bahan yang lebih sederhana, dengan banyak pori dan alveoli di dalamnya.

Pada tahun 2023, peneliti MIT telah mengeksplorasi potensi beton, sebuah material dengan struktur mikroskopis yang kompleks yang secara teori dapat diubah menjadi kapasitor.

Ini dicapai dengan menggunakan semen, air, karbon hitam ultra halus (dengan partikel nanoskopik), dan elektrolit. Bersama-sama, mereka menciptakan apa yang disebut beton karbon konduktif elektron (ec³, diucapkan “e-c-cubed”).

ec³ contains a “carbon nanonetwork” inside the concrete that can store and conduct electricity.

Kelimpahan Beton

Cement and concrete are by far the most produced materials on Earth, reaching total volumes and mass of 1.7 billion cubic meters and 4.1 billion tons, higher than any other material, including sand and steel.

Sumber: Visual Capitalist

As a result, this means that even turning a very small fraction of the world’s concrete into energy storage could radically change how we store energy in our homes, offices, and cities.

“Kunci keberlanjutan beton adalah pengembangan ‘beton multifungsi,’ yang mengintegrasikan fungsionalitas seperti penyimpanan energi ini, self-healing, dan carbon sequestration.

Beton sudah menjadi material konstruksi yang paling banyak digunakan di dunia, jadi mengapa tidak memanfaatkan skala tersebut untuk menciptakan manfaat lain?”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

Meningkatkan Kinerja ec³

Meningkatkan Kepadatan Energi

The original 2023 prototype was energy-dense enough so that 45 cubic meters of ec³, roughly the amount of concrete used in a typical basement, was enough to meet the daily needs of the average home.

Meskipun menarik, pertanyaan tentang biaya dan kepraktisan membuat angka ini tidak benar-benar dapat digunakan secara komersial.

The researchers’ new versions of the product can store the same amount of energy in 1/9^th the volume, or only 5 cubic meters (176 cubic feet).

Geser untuk menggulir →

Analisis Mendalam

This higher performance was achieved through using a focused ion beam to remove sequentially thin layers of the ec³ material. These layers were then analyzed with a scanning electron microscope (FIB-SEM tomography).

Ini memungkinkan peneliti merekonstruksi gambar beresolusi tinggi dari jaringan nano konduktif. Mereka menemukan bahwa jaringan tersebut membentuk “jaring mirip fraktal” yang mengelilingi pori-pori ec³, yang memungkinkan elektrolit meresap dan arus mengalir melalui sistem.

With this superior analytical tool, the research team went on to experiment with different electrolytes and their concentrations to see how they impacted energy storage density.

“Kami menemukan bahwa ada berbagai elektrolit yang dapat menjadi kandidat yang layak untuk ec³.

Ini bahkan termasuk air laut, yang dapat menjadikan material ini cocok untuk aplikasi di daerah pesisir dan laut, mungkin sebagai struktur penopang untuk ladang angin lepas pantai.”

Damian Stefaniuk – EC³ Hub research scientist

They measured that organic electrolytes, especially those that combined quaternary ammonium salts found in everyday products like disinfectants, performed best when mixed with acetonitrile, a clear, conductive liquid often used in industry.

Pembuatan Baterai Beton yang Lebih Baik

Previously, the method used had to cure the ec³ electrodes and then soak them in electrolyte. Instead, they discovered they could add the electrolyte directly to the mixing water.

Ini penting dalam mencetak elektroda yang lebih tebal yang menyimpan lebih banyak energi.

Sebagai demonstrasi teknologi ini, tim membangun sebuah lengkungan beton ec³ miniatur untuk menunjukkan bagaimana bentuk struktural dan penyimpanan energi dapat bekerja bersama.

Operating at 9 volts, the arch supported its own weight and additional load while powering an LED light.

Pemantauan Otomatis Integritas Struktural

A surprising phenomenon occurred when they increased the charge on the test arch. At some point, the light started to flicker, reflecting the concrete starting to damage and the electricity storage failing.

Ini memperlihatkan kerusakan struktural meskipun tidak ada retakan yang terlihat. Kapasitas semacam ini dapat sangat berguna dalam bangunan nyata.

“Mungkin ada semacam kapasitas pemantauan mandiri di sini. Jika kita memikirkan sebuah lengkungan ec³ pada skala arsitektural, outputnya dapat berfluktuasi ketika dipengaruhi oleh stresor seperti angin kencang.

Kita mungkin dapat menggunakan ini sebagai sinyal kapan dan sejauh mana sebuah struktur mengalami stres, atau memantau kesehatan keseluruhannya secara real time.”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

Beton Pemanas Sendiri

This concrete design not only can store power, but also has higher thermal conductivity. As a result, it can help melt ice deposited on it, and has already been used for that purpose in Sapporo, Japan, representing a potential alternative to salting.

Energi yang disimpan dan kemudian dilepaskan dalam bentuk panas juga dapat digunakan untuk mencairkan es di jalan, trotoar, dan jalur pejalan kaki.

Masa Depan Baterai Beton dan Penyimpanan Energi

So far, utility-scale batteries have been mostly imagined as heat batteries, hydrogen storage, or batteries using low-cost materials like sodium, iron, or aluminum, to replace the more expensive lithium/cobalt/nickel of lithium-ion batteries.

Namun, jika kita ingin meningkatkan skala penyimpanan baterai untuk sepenuhnya memberi daya pada peradaban industri dengan energi surya, material yang lebih meluas seperti beton dapat menjadi pilihan ideal.

Pertama, beton menggunakan bahan yang bahkan lebih sedikit langka, karena bahkan baterai kimia alternatif masih memerlukan banyak tembaga, misalnya.

Kedua, beton juga dapat lebih mudah diintegrasikan ke dalam lanskap perkotaan dan konstruksi sehari-hari.

The team is already working toward applications like parking spaces and roads that could charge electric vehicles, as well as homes that can operate fully off the grid.

As the resulting concrete has the same structural integrity as normal concrete, it could make sense to just use it instead, and entirely bypass the need for extra space and construction procedure of battery parks.

“By combining modern nanoscience with an ancient building block of civilization, we’re opening a door to infrastructure that doesn’t just support our lives, it powers them.”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

Berinvestasi dalam Semen Berkelanjutan

CRH Plc