Betongkondensatorer: Fremtiden for energilagring

Lagring av energi i betongkondensatorer

Når det gjelder energilagring, er all oppmerksomhet konsentrert om batterier. Mens fokuset en periode hovedsakelig var på stadig forbedrende litium‑ion‑teknologi, blir nå natrium‑ion, solid‑state og andre typer alternative batterikjemi også utviklet eller når kommersiell fase.

I alle tilfeller lagrer disse batteriene elektrisitet i en kjemisk form, vanligvis ved å bruke metallioner til å bære den elektriske ladningsendringen.

Kilde: Let’s Talk Science

Dette er imidlertid ikke den eneste måten du kan lagre elektrisitet på. Et annet alternativ er å bruke en superkondensator.

I motsetning til batterier som lagrer den elektriske ladningen i en masse av metallioner, holder superkondensatorer og ultrakondensatorer den elektriske ladningen på overflaten av et ledende materiale.

Kilde: Sinovoltaics

Denne grunnleggende forskjellen i energilagringskonseptet endrer hvordan kondensatorer fungerer sammenlignet med batterier. Fordi energien er tilgjengelig på materialets overflate, kan den mobiliseres svært raskt, noe som tillater ultra‑raske lade‑ og utladesykluser, mens batterier begrenses av hastigheten på de nødvendige kjemiske reaksjonene.

Kondensatorer har så langt vært et nisjeprodukt, da de holder mindre ladning enn batterier, og ofte er dyrere fordi de krever dyrere materialer.

Dette kan være i endring, med utviklingen av betongbaserte kondensatorer av fire forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), som potensielt kan brukes til å gjøre bygninger og veier om til gigantiske batterier.

De publiserte sitt nyeste design i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) under tittelen “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Kondensatorers anvendelser

Kondensatorers lave ladning sammenlignet med batterier har så langt hindret deres bruk for stor eller langsiktig energilagring, til tross for deres bemerkelsesverdige holdbarhet.

Deres evne til å håndtere svært raske endringer i elektrisk ladning og mye høyere spenning uten å ta skade, gjør dem nyttige i applikasjoner hvor mye energi produseres eller trengs på én gang.

For eksempel brukes superkondensatorer i biler, tog, kraner og heiser, for korttids energilagring, regenerativ bremsing eller burst‑modus kraftlevering.

Selv om den totale energien ikke nødvendigvis er så høy, er intensiteten og hastigheten det.

For kraftnett og energilagringsapplikasjoner er superkondensatorer mest effektive for å bygge bro over krafthull som varer fra noen sekunder til noen minutter og kan raskt lades opp.

Forbedring av betongbaserte kondensatorer

Betong lagrer energi

For batterier begrenser energidifferansen mellom de ulike elektrolytiske reaksjonene og mengden reaktivt metall vanligvis kapasiteten.

For kondensatorer er hovedbegrensningen den totale overflaten av materialet. Så generelt vil de mest porøse materialene bære mye mer ladning.

Av denne grunn er heterogene materialer (laget av flere elementer) ofte best, så vel som ethvert materiale som er resultatet av polymerisering av enklere materialer, med mange porer og alveoler inni.

Allerede i 2023 hadde MIT‑forskerne utforsket potensialet til betong, et materiale med en kompleks mikroskopisk struktur som teoretisk kunne omdannes til en kondensator.

Dette ble oppnådd ved å bruke sement, vann, ultrafint karbonsvart (med nanoskalapartikler) og elektrolytter. Sammen skapte de den såkalte elektron‑ledende karbonbetongen (ec³, uttales “e‑c‑kubed”).

ec³ inneholder et “karbonnanonettverk” inne i betongen som kan lagre og lede elektrisitet.

Betongens overflod

Sement og betong er med langt de mest produserte materialene på jorden, med totale volumer og masse på 1,7 milliarder kubikkmeter og 4,1 milliarder tonn, høyere enn noe annet materiale, inkludert sand og stål.

Kilde: Visual Capitalist

Som et resultat betyr dette at selv om en svært liten brøkdel av verdens betong ble omgjort til energilagring, kunne det radikalt endre hvordan vi lagrer energi i hjem, kontorer og byer.

«En nøkkel til betongs bærekraft er utviklingen av ‘multifunksjonell betong’, som integrerer funksjonaliteter som denne energilagringen, selvhelbredende, og karbonfangst.

Betong er allerede verdens mest brukte byggemateriale, så hvorfor ikke utnytte den skalaen for å skape andre fordeler?»

Admir Masic – førsteamanuensis i sivil- og miljøteknikk (CEE) ved MIT.

Forbedring av ec³-ytelser

Øke energitettheten

Den opprinnelige prototypen fra 2023 var energitett nok til at 45 kubikkmeter ec³, omtrent mengden betong som brukes i en typisk kjeller, var nok til å dekke de daglige behovene til et gjennomsnittlig hjem.

Selv om dette er interessant, gjorde kostnads‑ og praktisitetsspørsmål dette tallet lite kommersielt brukbart.

Forskerens nye versjoner av produktet kan lagre samme mengde energi i 1/9^th volumet, eller kun 5 kubikkmeter (176 kubikkfot).

Sveip for å rulle →

Dyptgående analyse

Denne høyere ytelsen ble oppnådd ved å bruke en fokuserte ionebein for sekvensielt å fjerne tynne lag av ec³‑materialet. Disse lagene ble deretter analysert med et skannende elektronmikroskop (FIB‑SEM‑tomografi).

Dette gjorde det mulig for forskerne å rekonstruere et høyoppløselig bilde av det ledende nanonettverket. De oppdaget at det danner et “fraktallignende nett” som omgir ec³‑porene, noe som gjør at elektrolytten kan trenge inn og at strøm kan flyte gjennom systemet.

Med dette overlegne analytiske verktøyet fortsatte forskerteamet med å eksperimentere med ulike elektrolytter og deres konsentrasjoner for å se hvordan de påvirket energilagringstettheten.

«Vi fant at det finnes et bredt spekter av elektrolytter som kan være levedyktige kandidater for ec³.

Dette inkluderer til og med sjøvann, som kan gjøre dette til et godt materiale for bruk i kyst‑ og marine applikasjoner, kanskje som støttestrukturer for offshore vindparker.»

Damian Stefaniuk – forsker ved EC³ Hub

De målte at organiske elektrolytter, spesielt de som kombinerte kvartære ammoniumsalter funnet i hverdagsprodukter som desinfeksjonsmidler, presterte best når de ble blandet med acetonitril, en klar, ledende væske som ofte brukes i industrien.

Bedre produksjon av betongbatterier

Tidligere måtte metoden som ble brukt herde ec³‑elektrodene og deretter suge dem i elektrolytt. I stedet oppdaget de at de kunne tilsette elektrolytten direkte i blandevannet.

Dette var avgjørende for å støpe tykkere elektroder som lagret mer energi.

Som en demonstrasjon av denne teknologien bygde teamet en miniatyr ec³‑betongbue for å vise hvordan strukturell form og energilagring kan fungere sammen.

Den opererte på 9 volt, og buen støttet sin egen vekt og ekstra last mens den drev en LED‑lyspære.

Automatisk overvåking av strukturell integritet

Et overraskende fenomen oppstod da de økte ladningen på testbuen. På et tidspunkt begynte lyset å flimre, noe som reflekterte at betongen begynte å bli skadet og energilagringen sviktet.

Dette gjør strukturell skade tydelig selv uten synlige sprekker. En slik kapasitet kan være svært nyttig i virkelige bygninger.

«Det kan finnes en form for selv‑overvåkingskapasitet her. Hvis vi tenker på en ec³‑bue i arkitektonisk skala, kan dens output variere når den påvirkes av en stressfaktor som kraftig vind.

Vi kan kanskje bruke dette som et signal på når og i hvilken grad en struktur er stresset, eller overvåke dens generelle helse i sanntid.»

Admir Masic – førsteamanuensis i sivil- og miljøteknikk (CEE) ved MIT.

Selvoppvarmende betong

Dette betongdesignet kan ikke bare lagre kraft, men har også høyere termisk ledningsevne. Som et resultat kan det hjelpe til med å smelte is som har lagt seg på overflaten, og har allerede blitt brukt til dette formålet i Sapporo, Japan, og representerer et potensielt alternativ til salting.

Energi som lagres og deretter frigjøres i form av varme kan også brukes til å smelte is på veier, fortau og gangstier.

Fremtiden for betongbatterier og energilagring

Så langt har verktøy‑skala batterier hovedsakelig blitt forestilt som varmbatterier, hydrogenlagring eller batterier som bruker lavkostmaterialer som natrium, jern eller aluminium, for å erstatte de dyrere litium/kobolt/nikkel‑materialene i litium‑ion‑batterier.

Men hvis vi skal skalere opp batterilagring for å fullt ut kunne drive en industrialisert sivilisasjon med solenergi, kan et mer allestedsnærværende materiale som betong være ideelt.

Først bruker det enda færre sjeldne materialer, ettersom selv alternative kjemibatterier fortsatt krever store mengder kobber, for eksempel.

For det andre kan det også integreres mer sømløst i hverdagslige urbane landskap og konstruksjoner.

Teamet jobber allerede med applikasjoner som parkeringsplasser og veier som kan lade elektriske kjøretøy, samt hjem som kan operere fullt avkoblet fra nettet.

Ettersom den resulterende betongen har samme strukturelle integritet som vanlig betong, kan det være fornuftig å bruke den i stedet, og fullstendig omgå behovet for ekstra plass og byggeprosedyre for batteriparker.

«Ved å kombinere moderne nanovitenskap med en eldgammel byggestein i sivilisasjonen, åpner vi en dør til infrastruktur som ikke bare støtter livene våre, men også driver dem.»

Admir Masic – førsteamanuensis i sivil- og miljøteknikk (CEE) ved MIT.

Investering i bærekraftig sement

CRH Plc