에너지
콘크리트 콘덴서: 에너지 저장의 미래
콘크리트 콘덴서에서 에너지 저장
에너지 저장에 관한 모든 관심은 배터리에 집중되어 있습니다. 한동안 리튬 이온 기술의 지속적인 개선에 초점이 맞춰져 있었지만, 현재는 소디움 이온, 솔리드 스테이트, 및 기타 대체 배터리 화학을 포함한 다양한 유형의 대체 배터리 화학이 개발되거나 상업적인 단계에 도달하고 있습니다.
이 모든 경우에 이러한 배터리는 일반적으로 금속 이온을 사용하여 전기 충전을 전달하는 화학 형태로 전기를 저장합니다.
출처:레츠 토크 사이언스
그러나 이것은 전기를 저장하는 유일한 방법은 아닙니다. 또 다른 옵션은 슈퍼 캐패시터를 사용하는 것입니다.
배터리가 금속 이온의 질량에 전기 충전을 저장하는 반면, 슈퍼 캐패시터와 울트라 캐패시터는 전도성 물질의 표면에 전기 충전을 보관합니다.
출처: 신볼타틱스
에너지 저장 개념의 이러한 근본적인 차이로 인해 배터리와 비교하여 캐패시터의 작동 방식이 달라집니다. 물질의 표면에 에너지가 사용 가능하기 때문에 매우 빠르게 동원할 수 있어 초고속 충전 및 방전 주기가 가능하지만 배터리는 필요한 화학 반응의 속도에 의해 느려집니다.
캐패시터는 지금까지 주로 니치 제품으로, 배터리보다 적은 충전을 보유하고 있으며 종종 더 비싼 재료가 필요하기 때문에 더 비쌉니다.
이것은 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 4명의 연구자에 의해 개발된 콘크리트 기반 캐패시터로 인해 변경될 수 있습니다. 이는 궁극적으로 건물과 도로를 거대한 배터리로 변환하는 데 사용될 수 있습니다.
그들은 자신의 최신 설계를 저명한 과학 저널 Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)에 “고 에너지 밀도 카본-시멘트 슈퍼 캐패시터를 위한 건축 에너지 저장”이라는 제목으로 발표했습니다.
캐패시터의 응용
캐패시터의 낮은 충전은 배터리와 비교하여 대규모 또는 장기 에너지 저장에 대한 사용을 방해했습니다.尽管如此, 캐패시터는 매우 빠른 전기 충전의变化를 처리하고 배터리와 비교하여 훨씬 높은 전압을 처리할 수 있습니다.
예를 들어, 슈퍼 캐패시터는 자동차, 기차, 크레인, 엘리베이터에서 短期 에너지 저장, 재생 제동, 또는 버스트 모드 전력 전달에 사용됩니다.
전력 그리드와 에너지 저장 응용에서 슈퍼 캐패시터는 몇 초에서 몇 분까지 지속되는 전력 격차를 연결하는 데 가장 효과적이며 빠르게 재충전할 수 있습니다.
콘크리트 기반 캐패시터의 개선
콘크리트를 에너지 저장소로 만드는 것
배터리의 경우 에너지 차이는 일반적으로 다른 전기화학 반응과 반응성 금속의 양으로 제한됩니다.
캐패시터의 경우 주요 제한은 물질의 총 표면입니다. 따라서 일반적으로 가장 다공성 물질이 더 많은 충전을 전달할 수 있습니다.
이 이유로 이종 물질(다중 요소로 구성됨)이 종종 가장 좋으며, 더 많은 기공과 알베올리가 내부에 있는 단순한 물질의 중합체입니다.
이미 2023년에 MIT 연구진은 복잡한 미세 구조를 가진 콘크리트의 잠재력을 탐구했습니다. 이는 이론적으로 캐패시터로 변환될 수 있습니다.
이것은 시멘트, 물, 초미세 탄소 블랙(나노 스케일 입자), 및 전해질을 사용하여 달성되었습니다. 함께 electron-conducting carbon concrete (ec³, “e-c-cubed”라고 발음함)을 생성했습니다.
ec³에는 전기를 저장하고 전도할 수 있는 “카본 나노 네트워크”가 콘크리트 내부에 포함되어 있습니다.
콘크리트의 풍부함
시멘트와 콘크리트는 지구상에서 가장 많이 생산되는 물질로, 총 부피와 질량은 1.7억 立方미터와 41억 톤으로, 모래와 강철을 포함한 기타 물질보다 더 많습니다.
출처: 비주얼 캐피탈리스트
결과적으로 이것은 세계의 콘크리트를 에너지 저장소로 변환하는 데 사용할 수 있는 작은 부분만으로도 우리의 집, 사무실, 도시에서 에너지를 저장하는 방식을 근본적으로 변경할 수 있습니다.
“콘크리트의 지속 가능성의 핵심은 에너지 저장과 같은 기능을 통합하는 ‘다기능 콘크리트’의 개발입니다. 또한 자가 수리 및 탄소 제거와 같은 기능을 통합합니다.
콘크리트는 이미 세계에서 가장 많이 사용되는 건축 재료이므로 이러한 규모를 이용하여 다른 이점을 창출하는 이유가 무엇입니까?”
Admir Masic – MIT의 CEE(Civil and Environmental Engineering) 부교수
ec³ 성능의 향상
에너지 밀도의 향상
원래 2023 프로토タイプ는 에너지 밀도가 충분하여 45 立方미터의 ec³, 즉 일반적인 지하실에 사용되는 콘크리트의 양이 평균 가정의 일일需求을 충족하는 데 충분했습니다.
그러나 흥미롭게도 비용과 실용성에 대한 질문으로 인해 이 숫자는 실제로 상업적으로 사용할 수 없었습니다.
연구진의 새로운 버전의 제품은 동일한 에너지를 1/9의 부피로 저장할 수 있습니다. 즉, 5 立方미터(176 立方피트)만으로 충분합니다.
스와이프하여 스크롤 →
| 기술 | 에너지 밀도 | 충전/방전 속도 | 수명 | 주요 재료 |
|---|---|---|---|---|
| 리튬 이온 배터리 | 150–250 Wh/kg | 분–시간 | ~2,000 사이클 | 리튬, 코발트, 니켈 |
| 슈퍼 캐패시터 | 5–10 Wh/kg | 초 | >1,000,000 사이클 | 활성화된 탄소 |
| 콘크리트 캐패시터 (ec³) | ~50 Wh/kg (예상) | 초–분 | >100,000 사이클 | 시멘트, 탄소 블랙, 전해질 |
詳細 분석
이 더 높은 성능은 초점된 이온 빔을 사용하여 ec³ 물질의 얇은 층을 순차적으로 제거함으로써 달성되었습니다. 이러한 층은 스캔 전자 현미경(FIB-SEM 톰OGRAPHY)을 사용하여 분석되었습니다.
이로 인해 연구진은 높은 해상도의 ec³의 전도성 나노 네트워크 이미지를 재구성할 수 있었습니다. 그들은 이것이 ec³ 기공을 둘러싼 “프랙탈 같은 웹”을 형성한다는 것을 발견했습니다. 이것은 전해질이 침투하고 전류가 시스템을 통해 흐르는 것을 가능하게 합니다.
이 우수한 분석 도구를 사용하여 연구진은 다양한 전해질과 그 농도를 실험하여 에너지 저장 밀도에 미치는 영향을 확인했습니다.
“우리는 ec³에 적합한 다양한 전해질이存在한다는 것을 발견했습니다.
이것은 해수도 포함되어 있으며, 이것을 해안 및 해양 응용 분야에서 사용할 수 있게 할 수 있습니다. 예를 들어, 해양 풍력 터빈의 지원 구조물로 사용할 수 있습니다.”
그들은 유기 전해질, 특히 쿼터너리 암모늄 염을 일상 제품에서 발견할 수 있는 소독제와 혼합하여 아세토니트릴, 산업에서 자주 사용되는 투명한 전도성 액체와 혼합했을 때 가장 잘 수행된 것을 측정했습니다.
콘크리트 배터리의 개선된 제조
이전에는 ec³ 전극을 건조시키고 전해질에浸漬하는 방법을 사용했습니다. 대신에 그들은 전해질을 직접 혼합 수로 추가할 수 있음을 발견했습니다.
이것은 에너지를 더 많이 저장할 수 있는 더 두꺼운 전극을 주조하는 데 필수적이었습니다.
이 기술을 시연으로, 팀은 구조 형태와 에너지 저장이 함께 작동하는 방식을 보여주기 위해 미니어처 ec³ 콘크리트 아치를 구축했습니다.
9볼트에서 작동하는 아치는 자신의 중량과 추가 부하를 지지하고 LED 램프를 구동했습니다.
구조적 무결성의 자동 모니터링
테스트 아치에 충전을 증가시키면 빛이 깜빡이기 시작하는 놀라운 현상이 발생했습니다. 이는 콘크리트가 손상되고 전기 저장이 실패하기 시작한다는 것을 반영했습니다.
이것은 보이지 않는 금이 나타나기 전에 명백한 구조적 손상을 나타냅니다. 이러한 기능은 실제 건물에서 매우 유용할 수 있습니다.
“여기에는 자가 모니터링 기능이 있을 수 있습니다. 건축 규모의 ec³ 아치를 생각해 보면, 그 출력은 강풍과 같은 스트레스 요인에 의해 영향을 받을 때 변동할 수 있습니다.
우리는 이것을 스트레스 또는 구조의 전반적인 건강 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 신호로 사용할 수 있습니다.”
Admir Masic – MIT의 CEE(Civil and Environmental Engineering) 부교수
자가 난방 콘크리트
이 콘크리트 설계는 전력뿐만 아니라 더 높은 열전도도를 가지고 있습니다. 따라서 इसस로 जम结된 얼음을 녹일 수 있으며, 일본 삿포로에서 이미 이러한 목적으로 사용되었습니다. 이는 도로, 보도, 걷기 길에 얼음을 녹이는 대체재가 될 수 있습니다.
저장된 에너지는 열 형태로 실현되어 도로, 보도, 걷기 길의 얼음을 녹이는 데 사용할 수 있습니다.
콘크리트 배터리 및 에너지 저장의 미래
지금까지 공급 규모의 배터리는 대부분 열 배터리, 수소 저장, 또는 리튬/코발트/니켈보다 더 저렴한 재료인 소디움, 철, 알루미늄을 사용하는 배터리로 상상되어 왔습니다.
그러나 태양 에너지로 산업화된 문명을 전면적으로 구동하기 위해 배터리 저장을 확대하려면 더 보편적인 물질인 콘크리트가 이상적일 수 있습니다.
첫째, 이것은 더 적은 희귀 재료를 사용합니다. 대체 화학 배터리도 여전히 많은 구리를 필요로 합니다.
둘째, 이것은 도시 풍경과 건축물에 더 무결하게 통합될 수 있습니다.
팀은 이미 주차 공간과 도로를 충전할 수 있는 전기 자동차, 및 전면 그リ드에서 작동할 수 있는 집과 같은 응용 프로그램에 대해 작업 중입니다.
결과적으로 콘크리트는 일반 콘크리트와 동일한 구조적 무결성을 가지므로 배터리 파크의 추가 공간과 건설 절차의 필요성을 완전히 우회할 수 있습니다.
“현대 나노 과학을 문명의 고대 건축 블록과 결합하여 우리의 삶을 지원하는 인프라가 아닌 그것을 구동하는 인프라를 여는 문을 열었습니다.”
Admir Masic – MIT의 CEE(Civil and Environmental Engineering) 부교수
지속 가능한 시멘트에 투자
CRH Plc
(CRH )
