Cement, koolstofzwart, elektrolyten en water vormen een eenvoudig recept voor een veelzijdige nieuwe supercondensator

Als de recente ontwikkelingen op het gebied van materiaalkunde slagen, zal onze wereld er over slechts een paar jaar heel anders uitzien.  In de afgelopen week is er niet alleen een steeds langer wordende lijst van wetenschappers die proberen de recent geclaimde mogelijke kamertemperatuur‑, omgevingsdruk‑supergeleider genaamd ‘LK-99’ te reproduceren en de geldigheid ervan te bewijzen, maar heeft het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ook een interessante ontdekking van eigen bodem aangekondigd.  Dit zou een kosteneffectieve supercondensator zijn gemaakt van niet‑exotische materialen.

Wat is een condensator?

Condensatoren zijn apparaten die elektrische energie opslaan door een interne onevenwichtigheid van elektrische lading op te bouwen tussen twee geleidend platen die gescheiden zijn door een isolator of diëlektricum.

Wat maakt er een ‘Super’?

• Opslagcapaciteit: Supercondensatoren kunnen een veel grotere hoeveelheid elektrische lading opslaan vergeleken met standaardcondensatoren. Dit komt door het grote oppervlak van de elektroden en de zeer dunne afstand ertussen, waardoor meer lading kan worden opgeslagen.
• Energie‑ en vermogensdichtheid: Terwijl condensatoren over het algemeen een hogere vermogensdichtheid hebben (ze kunnen energie snel leveren) maar een lagere energiedichtheid (ze slaan minder energie op), overbruggen supercondensatoren de kloof tussen condensatoren en batterijen door zowel een hoge vermogensdichtheid als een relatief hoge energiedichtheid te bieden.
• Constructie: Supercondensatoren gebruiken vaak andere materialen en constructiemethoden. Ze maken doorgaans gebruik van poreuze koolstofmaterialen voor de elektroden, die een groot oppervlak bieden, en een elektrolyt die de beweging van ionen mogelijk maakt. Het grote oppervlak en de speciale constructie stellen de supercondensator in staat meer energie op te slaan.
• Laad‑ en ontlaadsnelheden: Supercondensatoren kunnen veel sneller worden opgeladen en ontladen dan batterijen, en ze kunnen veel meer laad‑ en ontlaadcycli doorstaan zonder significante degradatie. Terwijl standaardcondensatoren ook snel laden en ontladen, kunnen supercondensatoren de lading langer vasthouden dankzij hun grotere opslagcapaciteit.

Kort gezegd, hoewel standaardcondensatoren en supercondensatoren op hetzelfde basisprincipe van energieopslag in een elektrisch veld werken, onderscheiden supercondensatoren zich door hun veel hogere opslagcapaciteit, andere constructiematerialen en hun vermogen om de kenmerken van zowel condensatoren als batterijen te combineren.

Waar worden supercondensatoren gebruikt?

• Elektrische voertuigen (EV’s): Supercondensatoren kunnen de snelle vermogenspieken leveren die nodig zijn voor acceleratie en kunnen ook energie opvangen tijdens regeneratief remmen, waardoor de algehele efficiëntie van het voertuig verbetert.
• Openbaar vervoer: In bussen en trams kunnen supercondensatoren snel energie opslaan tijdens korte stops en vervolgens de energie leveren die nodig is voor acceleratie, waardoor de belasting van de hoofdvoedingsbron wordt verminderd.
• Systemen voor hernieuwbare energie: Supercondensatoren kunnen energie opslaan van hernieuwbare bronnen zoals zon en wind, en deze vrijgeven wanneer nodig. Dit helpt bij het gladstrijken van schommelingen in de energievoorziening wanneer zon en wind schaars zijn.
• Ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS): In systemen die een continue stroomvoorziening vereisen, kunnen supercondensatoren tijdelijke stroom leveren tijdens korte onderbrekingen of totdat back‑upgeneratoren online komen.
• Consumentenelektronica: In sommige apparaten kunnen supercondensatoren de snelle energiepieken leveren die nodig zijn voor bepaalde functies, zoals flitsfotografie in camera’s en hoogwaardige autoradio‑installaties.
• Medische apparaten: Supercondensatoren kunnen worden gebruikt in medische apparaten zoals defibrillatoren die betrouwbare en onmiddellijke stroomlevering vereisen.
• Industriële apparatuur: In industriële omgevingen kunnen supercondensatoren de hoge stroom leveren die nodig is voor korte periodes in diverse machines en gereedschappen.
• Netstabilisatie: Supercondensatoren kunnen in het elektriciteitsnet worden gebruikt om snel te reageren op veranderingen in vraag of aanbod, waardoor het net wordt gestabiliseerd en fluctuaties worden voorkomen.
• Draadloze communicatieapparaten: Ze kunnen worden gebruikt om de energie te leveren die nodig is voor het verzenden van signalen, vooral op afgelegen of moeilijk bereikbare locaties waar batterijvervanging een uitdaging is.
• Smart‑grid‑ en microgrid‑toepassingen: Supercondensatoren kunnen deel uitmaken van intelligente energiebeheersystemen, die helpen de belasting te balanceren en energie lokaal op te slaan voor efficiënter gebruik.
• Lucht- en ruimtevaart en defensie: In lucht- en ruimtevaarttoepassingen kunnen supercondensatoren betrouwbare stroom leveren voor kritieke systemen die hoge betrouwbaarheid en prestaties vereisen.

Over het algemeen maken de veelzijdigheid, hoge vermogensdichtheid en snelle laad‑/ontlaadcapaciteiten van supercondensatoren ze geschikt voor een breed scala aan toepassingen waarbij zowel energieopslag als snelle energieafgifte vereist zijn. Zoals u kunt zien aan de bovenstaande lijst, worden supercondensatoren al in een overvloed aan industrieën gebruikt. Daarom is de recente ontdekking van MIT bijzonder intrigerend vanwege het potentieel om zoveel verschillende implementaties vooruit te helpen.

Een nieuw recept

Volgens MIT hebben de onderzoekers die bij deze ontdekking betrokken zijn, een methode ontwikkeld om een cementgebaseerd materiaal met een groot intern oppervlak te produceren door koolstofzwart toe te voegen aan een betonsamenstelling. Het resulterende materiaal vormt, wanneer het wordt ondergedompeld in een standaard elektrolyt zoals kaliumchloride, een krachtige supercondensator. Opmerkelijk is dat de benodigde hoeveelheid koolstof minimaal is, waardoor het proces zowel goedkoop als gemakkelijk reproduceerbaar is.
Wanneer het maken van een supercondensator is het belangrijk te onthouden dat de prestaties grotendeels afhankelijk zijn van het interne oppervlak van de geleidend platen.  MIT stelt dat,

“De sleutel tot de nieuwe supercondensatoren ontwikkeld door dit team komt voort uit een methode om een cementgebaseerd materiaal te produceren met een extreem hoog intern oppervlak, dankzij een dicht, onderling verbonden netwerk van geleidend materiaal binnen het bulkvolume.”

Wat echter cruciaal is aan deze ontdekking, is dat deze werd bereikt met zulke alledaagse materialen, die wereldwijd goedkoop verkrijgbaar zijn – waardoor het een uiterst toegankelijke technologie is.

Waar deze ontdekking interessant wordt, is bij het nadenken over de potentiële toekomstige toepassingen in het stabiliseren van energienetten en -vraag.  Het team beschrijft een implementatie waarbij de fundering van een huis wordt gemaakt van dit materiaal.  Niet alleen kan het materiaal net zo robuust worden als normaal cement, de fundering van een huis zou een capaciteit hebben om een volledige dag aan elektriciteit te leveren.  Dit kan worden benut tijdens stroomuitval, piekuren of andere soortgelijke omstandigheden.

Het is ook nuttig voor huizen die gebruikmaken van hernieuwbare energie, waar de toevoer niet constant is.  Tijdens periodes van overproductie kan de energie die in de fundering is opgeslagen worden aangevuld, terwijl tijdens periodes van energietekort ervan kan worden gebruikgemaakt.  Andere implementaties omvatten draadloze oplaadtechnologie, die gemeenschappen en huizen bedient die niet zijn aangesloten op traditionele elektriciteitsnetten, en meer.

Slotwoord

Het belang van een cementgebaseerde supercondensator is enorm, gezien de neiging van de mens om met dit materiaal te bouwen.  Over het algemeen gelooft het team dat het,

“…materiaalontwerp van poreuze koolstof‑cementcomposieten biedt een schaalbare materiaalloplossing voor energieopslag om de dringende overgang van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energieën te ondersteunen.”

Het zou niet alleen gemakkelijk toegankelijk zijn, maar zou ook een relatief eenvoudige implementatie kunnen zien in zowel kleine als grootschalige projecten.