Sement, karbon svart, elektrolytter og vann utgjør en enkel oppskrift for allsidig ny superkondensator

Hvis de siste utviklingene innen materialvitenskap viser seg å lykkes, vil verden vår se helt annerledes ut om bare noen få år.  I løpet av den siste uken er det ikke bare en stadig lengre liste med forskere som prøver å gjenskape og bevise gyldigheten av de nylige påstandene om en potensiell romtemperatur, atmosfærisk trykk superleder kalt ‘LK-99’, men Massachusetts Institute of Technology (MIT) kunngjorde også en interessant oppdagelse av seg selv.  Dette ville være en kostnadseffektiv superkondensator laget av ikke-eksotiske materialer.

Hva er en kondensator?

Kondensatorer er enheter som lagrer elektrisk energi ved å akkumulere en intern ubalanse av elektrisk ladning over to ledende plater adskilt av en isolator eller dielektrikum.

Hva gjør en ‘super’?

• Lagringskapasitet: Superkondensatorer kan lagre en mye større mengde elektrisk ladning sammenlignet med standardkondensatorer. Dette skyldes den høye overflatearealet på elektrodene og den svært tynne avstanden mellom dem, som gjør at mer ladning kan lagres.
• Energitetthet og effektitet: Mens kondensatorer vanligvis har høyere effektitet (de kan levere energi raskt) men lavere energitetthet (de lagrer mindre energi), bygger superkondensatorer broen mellom kondensatorer og batterier ved å ha både høy effektitet og relativt høy energitetthet.
• Konstruksjon: Superkondensatorer bruker ofte andre materialer og konstruksjonsmetoder. De benytter typisk porøse karbonmaterialer til elektrodene, som gir et stort overflateareal, og en elektrolytt som tillater ionbevegelse. Det store overflatearealet og den spesielle konstruksjonen gjør at superkondensatoren kan lagre mer energi.
• Lade- og utladeshastigheter: Superkondensatorer kan lades og utlades mye raskere enn batterier, og de kan tåle mange flere lade- og utladesykluser enn batterier uten betydelig degradering. Mens standardkondensatorer også lades og utlades raskt, kan superkondensatorer holde ladningen lenger på grunn av deres større lagringskapasitet.

Kort sagt, selv om standardkondensatorer og superkondensatorer fungerer på samme grunnleggende prinsipp om å lagre energi i et elektrisk felt, skiller superkondensatorer seg ut ved sin mye høyere lagringskapasitet, andre konstruksjonsmaterialer og evnen til å kombinere egenskapene til både kondensatorer og batterier.

Hvor brukes superkondensatorer?

Så nå som du vet hva en superkondensator er, hvor er den nyttig?  Superkondensatorer brukes ofte i applikasjoner hvor rask energilevering og effektiv lagring er avgjørende. Her er noen av de typiske områdene hvor du kan finne superkondensatorer:

• Elektriske kjøretøy (EV): Superkondensatorer kan levere raske kraftutbrudd som kreves for akselerasjon og kan også fange energi under regenerativ bremsing, noe som forbedrer kjøretøyets totale effektivitet.
• Offentlig transport: I busser og trikker kan superkondensatorer brukes til å lagre energi raskt under korte stopp, og deretter levere energien som trengs for akselerasjon, noe som reduserer belastningen på hovedstrømkilden.
• Fornybare energisystemer: Superkondensatorer kan lagre energi fra fornybare kilder som sol og vind, og frigjøre den når den trengs. Dette bidrar til å jevne ut svingninger i energiforsyningen når sol og vind er i kortfall.
• Uavbrutt strømforsyning (UPS): I systemer som krever kontinuerlig strømforsyning, kan superkondensatorer gi midlertidig strøm under korte strømbrudd eller inntil reservegeneratorer kommer i drift.
• Forbrukerelektronikk: I noen enheter kan superkondensatorer levere raske energibølger som kreves for visse funksjoner, som blitzfotografering i kameraer og høykvalitets billydinstallasjoner.
• Medisinsk utstyr: Superkondensatorer kan brukes i medisinsk utstyr som defibrillatorer som krever pålitelig og umiddelbar kraftlevering.
• Industrielt utstyr: I industrielle miljøer kan superkondensatorer levere høy kraft som trengs i korte perioder i ulike maskiner og verktøy.
• Gitterstabilisering: Superkondensatorer kan brukes i strømnettet for å gi rask respons på endringer i etterspørsel eller tilbud, og bidra til å stabilisere nettet og forhindre svingninger.
• Trådløse kommunikasjonsenheter: De kan brukes til å levere energien som trengs for å sende signaler, spesielt i avsidesliggende eller vanskelig tilgjengelige områder hvor batteribytte er utfordrende.
• Smart grid- og mikronettapplikasjoner: Superkondensatorer kan være en del av intelligente energistyringssystemer, og hjelpe til med å balansere belastninger og lagre energi lokalt for mer effektiv bruk.
• Luftfart og forsvar: I luftfartsapplikasjoner kan superkondensatorer levere pålitelig strøm til kritiske systemer som krever høy pålitelighet og ytelse.

Alt i alt gjør allsidigheten, den høye effektiteten og de raske lade-/utladningskapasitetene til superkondensatorer dem egnet for et bredt spekter av applikasjoner hvor både energilagring og rask energifrigjøring er nødvendig. Som du kan se fra listen ovenfor, er superkondensatorer allerede i bruk i en mengde industrier.  Dermed er den nylige oppdagelsen gjort av MIT spesielt interessant på grunn av dens potensial til å fremme så mange ulike implementeringer.

En ny oppskrift

Ifølge MIT utviklet forskerne som er involvert i denne oppdagelsen metoden for å produsere et sementbasert materiale med høy intern overflateareal ved å introdusere karbon svart i en betongblanding. Det resulterende materialet, når det suges i en standard elektrolytt som kaliumklorid, danner en kraftig superkondensator. Merk at mengden karbon som trengs er minimal, noe som gjør prosessen både billig og lett reproduserbar.
Når man lager en superkondensator, er det viktig å huske at ytelsen i stor grad avhenger av den interne overflatearealet til de ledende platene.  MIT uttaler at,

“Nøkkelen til de nye superkondensatorene utviklet av dette teamet kommer fra en metode for å produsere et sementbasert materiale med et ekstremt høyt internt overflateareal på grunn av et tett, sammenkoblet nettverk av ledende materiale innenfor volumet.”

Det som er nøkkelen til denne oppdagelsen, er imidlertid at den ble oppnådd med så hverdagslige materialer, som er billig tilgjengelige over hele verden – noe som gjør teknologien ekstremt tilgjengelig.

Hvor denne oppdagelsen blir interessant er når man tenker på dens potensielle fremtidige anvendelser i stabilisering av energigrider og etterspørsel.  Teamet beskriver en implementering der fundamentet til et hus er laget av materialet.  Ikke bare kan materialet gjøres like robust som vanlig sement, men husets fundament ville ha kapasiteten til å levere en hel dags strøm.  Dette kan benyttes ved strømbrudd, i perioder med høye takster eller andre lignende situasjoner.

Det er også nyttig for hjem som utnytter fornybar energi, hvor tilførselen ikke er konstant.  I perioder med overskudd kan energien lagret i fundamentet fylles opp, mens i perioder med energitørke kan den brukes.  Andre implementeringer inkluderer trådløs ladeteknologi, som betjener samfunn og hjem som er frakoblet tradisjonelle strømnett, og mer.

Avsluttende ord

Betydningen av en sementbasert superkondensator er enorm, gitt menneskets tilbøyelighet til å bygge med dette materialet.  Alt i alt tror teamet at dens,

“…materialdesignen av porøse karbon-sementkompositter gir en skalerbar materialløsning for energilagring som støtter den presserende overgangen fra fossile brensler til fornybar energi.”

Den vil ikke bare være lett tilgjengelig, men kan også se relativt enkel implementering i både små og store prosjekter.