Kapasitor Beton: Masa Depan Penyimpanan Energi

Menyimpan Energi di Kapasitor Beton

Ketika berbicara tentang penyimpanan energi, semua perhatian terfokus pada baterai. Sementara untuk beberapa waktu sebagian besar perhatian terfokus pada teknologi lithium-ion yang terus ditingkatkan, sekarang sodium-ion, solid-state, dan jenis kimia baterai alternatif lainnya juga sedang dikembangkan atau mencapai tahap komersial.

Dalam semua kasus, baterai-baterai ini menyimpan listrik dalam bentuk kimia, biasanya menggunakan ion logam untuk membawa perubahan muatan listrik.

Sumber: Let’s Talk Science

Namun, ini bukan satu-satunya cara Anda dapat menyimpan listrik. Opsi lainnya adalah menggunakan superkapasitor.

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

Sumber: Sinovoltaics

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

Kapasitor sejauh ini sebagian besar merupakan produk khusus, karena mereka menyimpan muatan yang lebih sedikit daripada baterai, dan seringkali lebih mahal, karena mereka 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.

Mereka menerbitkan desain terbaru mereka dalam jurnal ilmiah bergengsi Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dengan judul “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Aplikasi Kapasitor

Muatan rendah kapasitor dibandingkan dengan baterai telah menghambat penggunaannya untuk penyimpanan energi besar atau jangka panjang, meskipun ketahanannya yang luar biasa.

Namun, kemampuan mereka untuk 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 diperlukan sekaligus.

Misalnya, superkapasitor digunakan di kendaraan, kereta, crane, dan lift, untuk penyimpanan energi jangka pendek, pengereman regeneratif, atau pengiriman daya burst.

Sementara total energi tidak harus tinggi, intensitas dan kecepatannya.

Untuk jaringan listrik dan aplikasi penyimpanan energi, superkapasitor paling efektif dalam menjembatani celah daya yang berlangsung dari beberapa detik hingga beberapa menit dan dapat diisi ulang dengan cepat.

Meningkatkan Kapasitor Berbasis Beton

Membuat Beton Menyimpan Energi

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

Untuk kapasitor, keterbatasan utama adalah total permukaan bahan. Jadi, secara umum, bahan yang paling berpori akan membawa lebih banyak muatan.

Untuk alasan ini, bahan heterogen (terbuat dari beberapa elemen) seringkali yang terbaik, serta bahan apa pun yang merupakan hasil polimerisasi bahan yang lebih sederhana, dengan banyak pori dan alveoli di dalamnya.

Sudah di tahun 2023, peneliti MIT telah mengeksplorasi potensi beton, bahan dengan struktur mikroskopik yang kompleks yang dapat, secara teori, diubah menjadi kapasitor.

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

ec³ mengandung “jaringan nano karbon” di dalam beton yang dapat menyimpan dan menghantarkan listrik.

Keberlimpahan Beton

Semen dan beton adalah bahan yang paling banyak diproduksi di Bumi, mencapai volume dan massa total 1,7 miliar meter kubik dan 4,1 miliar ton, lebih tinggi dari bahan lain, termasuk pasir dan baja.

Sumber: Visual Capitalist

Sebagai hasilnya, ini berarti bahwa bahkan mengubah sebagian kecil beton dunia menjadi penyimpanan energi bisa secara radikal mengubah cara kita menyimpan energi di rumah, kantor, dan kota kita.

“Kunci keberlanjutan beton adalah pengembangan ‘beton multifungsi,’ yang mengintegrasikan fungsionalitas seperti penyimpanan energi ini, perbaikan sendiri, dan penyerapan karbon.

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

Admir Masic –Asisten profesor teknik sipil dan lingkungan (CEE) di MIT.

Meningkatkan Kinerja ec³

Meningkatkan Kepadatan Energi

Prototipe asli 2023 cukup padat energi sehingga 45 meter kubik ec³, sekitar jumlah beton yang digunakan dalam basement yang khas, cukup untuk memenuhi kebutuhan harian rumah rata-rata.

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

Versi baru produk peneliti dapat menyimpan jumlah energi yang sama dalam 1/9 volume, atau hanya 5 meter kubik (176 kaki kubik).
Swipe to scroll →

Analisis Mendalam

Kinerja yang lebih tinggi ini dicapai melalui penggunaan berkas ion yang terfokus untuk menghilangkan lapisan tipis bahan ec³ secara berurutan. Lapisan-lapisan ini kemudian dianalisis dengan mikroskop elektron pemindaian (FIB-SEM tomografi).

Hal ini memungkinkan peneliti untuk merekonstruksi gambar resolusi tinggi dari jaringan nano konduktif. Mereka menemukan bahwa itu membentuk “jaring laba-laba seperti fraktal” yang mengelilingi pori-pori ec³, yang memungkinkan elektrolit untuk meresap dan arus mengalir melalui sistem.

Dengan alat analitik yang unggul ini, tim peneliti melanjutkan untuk bereksperimen dengan elektrolit yang berbeda dan konsentrasi mereka untuk melihat bagaimana mereka mempengaruhi kepadatan penyimpanan energi.

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

Ini bahkan termasuk air laut, yang dapat membuat bahan ini baik untuk digunakan dalam aplikasi pesisir dan laut, mungkin sebagai struktur pendukung untuk ladang angin lepas pantai.”

Damian Stefaniuk –Ilmuwan peneliti EC³ Hub

Mereka mengukur bahwa elektrolit organik, terutama yang menggabungkan garam amonium kuarterner yang ditemukan dalam produk sehari-hari seperti disinfektan, berkinerja terbaik ketika dicampur dengan asetonitril, cairan jernih yang konduktif sering digunakan dalam industri.

Pembuatan Kapasitor Beton yang Lebih Baik

Sebelumnya, metode yang digunakan harus mengeringkan elektroda ec³ dan kemudian merendamnya dalam elektrolit. Sebagai gantinya, mereka menemukan bahwa mereka bisa menambahkan elektrolit langsung ke air pencampuran.

Hal ini penting dalam mencetak elektroda yang lebih tebal yang menyimpan lebih banyak energi.

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

Beroperasi pada 9 volt, busur itu mendukung beratnya sendiri dan beban tambahan sambil memberi daya pada lampu LED.

Pemantauan Otomatis Integritas Struktural

Fenomena yang menarik terjadi ketika mereka meningkatkan muatan pada busur uji. Pada suatu titik, lampu mulai berkedip, mencerminkan beton mulai rusak dan penyimpanan listrik gagal.

Hal ini membuat kerusakan struktural yang jelas meskipun tidak ada retakan yang terlihat. Kemampuan seperti ini bisa sangat berguna dalam bangunan nyata.

“Mungkin ada kemampuan pemantauan diri di sini. Jika kita memikirkan busur ec³ pada skala arsitektur, outputnya mungkin berfluktuasi ketika terkena stresor seperti angin kencang.

Kita mungkin dapat menggunakan ini sebagai sinyal kapan dan seberapa besar struktur yang tertekan, atau memantau kesehatan keseluruhannya secara real-time.”

Admir Masic –Asisten profesor teknik sipil dan lingkungan (CEE) di MIT.

Beton yang Dapat Memanaskan Diri

Desain beton ini tidak hanya dapat menyimpan daya, tetapi juga memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi. Sebagai hasilnya, dapat membantu mencairkan es yang disimpan di atasnya, dan telah digunakan untuk tujuan itu di Sapporo, Jepang, mewakili alternatif potensial untuk penggunaan garam.

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

Masa Depan Kapasitor Beton dan Penyimpanan Energi

Sejauh ini, baterai skala utilitas sebagian besar dibayangkan sebagai baterai panas, penyimpanan hidrogen, atau baterai yang menggunakan bahan murah seperti natrium, besi, atau aluminium, untuk menggantikan lithium/kobalt/nikel yang lebih mahal dari baterai lithium-ion.

Namun, jika kita ingin meningkatkan penyimpanan baterai untuk sepenuhnya memberdayakan peradaban yang terindustrialisasi dengan energi surya, bahan yang lebih umum seperti beton bisa ideal.

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

Kedua, bisa juga lebih mudah terintegrasi ke dalam lanskap perkotaan dan konstruksi sehari-hari.

Tim sudah bekerja menuju aplikasi seperti tempat parkir dan jalan yang dapat mengisi kendaraan listrik, serta rumah yang dapat beroperasi sepenuhnya tanpa grid.

Karena beton yang dihasilkan memiliki integritas struktural yang sama dengan beton normal, maka bisa masuk akal untuk hanya menggunakannya, dan sepenuhnya menghindari kebutuhan akan ruang dan prosedur konstruksi tambahan dari taman baterai.

“Dengan menggabungkan nanosains modern dengan balok bangunan kuno peradaban, kita membuka pintu ke infrastruktur yang tidak hanya mendukung kehidupan kita, tetapi juga memberdayakannya.”

Admir Masic –Asisten profesor teknik sipil dan lingkungan (CEE) di MIT.

Investasi di Semen Berkelanjutan

CRH Plc