Cement, kimrök, elektrolyt och vatten ger en mångsidig ny superkondensator

Materialforskning kan förändra energitekniken avsevärt. I början av augusti 2023 försökte forskare upprepa påståendena om att LK-99 var supraledande vid rumstemperatur och normalt tryck; påståendena var ännu inte bekräftade. Samtidigt presenterade Massachusetts Institute of Technology (MIT) en egen intressant forskningsnyhet: en superkondensator av vanliga och billiga material.

Vad är en kondensator?

En kondensator lagrar elektrisk energi genom att separera motsatta elektriska laddningar på två ledande elektroder. I en vanlig kondensator skiljs elektroderna åt av ett isolerande, dielektriskt material, och energin lagras i det elektriska fältet.

Vad gör kondensatorn till en superkondensator?

En superkondensator, även kallad ultrakondensator, har mycket hög kapacitans. Den elektriska dubbelskiktskondensatorn är en typ av superkondensator. Nedan beskrivs några viktiga skillnader mot vanliga kondensatorer.

• Lagringskapacitet: Superkondensatorer kan lagra betydligt mer elektrisk laddning än vanliga kondensatorer. I en elektrisk dubbelskiktskondensator möjliggör elektrodernas stora inre yta och det mycket korta avståndet mellan elektrodytan och elektrolytens jonlager en hög kapacitans.
• Energi- och effekttäthet: Kondensatorer kan i regel leverera energi snabbt men lagrar mindre energi än batterier. Superkondensatorer ligger mellan dessa: energitätheten är högre än hos vanliga kondensatorer men vanligtvis lägre än hos batterier, medan effekttätheten är hög.
• Konstruktion: Elektroderna består ofta av porösa kolmaterial med stor inre yta, tillsammans med en elektrolyt som låter joner röra sig. Konstruktionen ökar kapacitansen och därmed mängden energi som kan lagras.
• Laddnings- och urladdningshastigheter: Superkondensatorer kan vanligtvis laddas och urladdas snabbare än batterier och klarar många laddningscykler. Hög kapacitans garanterar däremot inte att laddningen bevaras länge; självurladdning och läckström påverkar också detta.

Vanliga kondensatorer och dubbelskiktskondensatorer lagrar energi genom separation av elektriska laddningar. Superkondensatorer utmärks av hög kapacitans, andra elektrodmaterial och en kombination av snabb effektleverans och större energilagring än vanliga kondensatorer.

Var används superkondensatorer?

Superkondensatorer passar särskilt för snabb effektleverans och upprepad laddning. Följande är exempel på befintliga eller möjliga användningsområden:

• Elfordon (EV): De kan ge korta effektpulser vid acceleration och återvinna energi vid regenerativ bromsning, vilket kan förbättra fordonets energieffektivitet.
• Kollektivtrafik: I bussar och spårvagnar kan energi lagras snabbt under korta stopp och sedan användas för acceleration. Det kan jämna ut belastningen på den övriga strömförsörjningen.
• Förnybara energisystem: De kan jämna ut snabba variationer i sol- och vindkraftsproduktion. Vanliga superkondensatorer lämpar sig särskilt för kortvarig effektutjämning; längre energilagring kräver tillräckligt stor kapacitet.
• Avbrottsfri strömförsörjning (UPS): De kan tillfälligt upprätthålla strömförsörjningen vid korta avbrott eller tills reservgeneratorer har startat.
• Konsumentelektronik: De kan stödja korta effektpulser i elektroniska apparater och belastningstoppar i exempelvis bilars ljudsystem. Kamerablixtar använder också vanliga högspänningskondensatorer för sin energipuls.
• Medicintekniska apparater: Superkondensatorer kan stödja strömförsörjningen i medicintekniska apparater. För själva högspänningspulsen i en defibrillator används normalt särskilt avsedda pulskondensatorer, exempelvis filmkondensatorer.
• Industriell utrustning: I industrin kan de leverera hög effekt under kort tid till maskiner och verktyg.
• Nätstabilisering: De kan reagera snabbt på förändringar i efterfrågan eller produktion och hjälpa till att stabilisera elnätet.
• Trådlösa kommunikationsenheter: De kan leverera korta effektpulser för signalöverföring, exempelvis i fjärrsensorer och svårtillgängliga installationer.
• Smarta elnät och mikronät: De kan ingå i lokal energihantering som balanserar belastningar och lagrar energi för effektivare användning.
• Flyg, rymd och försvar: I lämpliga flyg-, rymd- och försvarssystem kan de stödja kritiska apparaters strömförsörjning och snabba effektbehov.

Mångsidighet, hög effekttäthet och snabb laddning och urladdning gör superkondensatorer användbara på många områden. Listan omfattar både etablerade och möjliga tillämpningar beroende på konstruktion. MIT:s forskning är särskilt intressant eftersom den kan öppna för stora energilager av välkända material.

Ett nytt recept

Forskarna vid MIT tog fram ett cementbaserat elektrodmaterial med stor inre yta genom att tillsätta kimrök, ett finfördelat kolpulver som kallas carbon black. Materialet mättas med elektrolyt, exempelvis kaliumkloridlösning. Två sådana elektroder med en separator emellan bildar en superkondensator. Kolhalten kan vara relativt låg, och råvarorna är billiga och allmänt tillgängliga.

Kapacitansen beror i hög grad på elektrodmaterialets inre yta. MIT beskrev lösningens kärna så här:

”Nyckeln till forskargruppens superkondensatorer är en metod för att skapa ett cementbaserat material med mycket stor inre yta genom ett tätt, sammanhängande nätverk av ledande material.”

Fördelen är att tekniken bygger på vanliga material som finns billigt på många håll i världen. Det ger möjlighet till tillgänglig och skalbar energilagring.

Ett tänkbart användningsområde är energilagring i husgrunder för att balansera produktion och förbrukning. Forskarna uppskattade att omkring 45 kubikmeter material skulle kunna lagra cirka 10 kilowattimmar, vilket studien använde som exempel på ett hushålls dygnsförbrukning. Det var en uppskattning utifrån laboratorieresultat, inte en färdig husgrund. Lagringsegenskaper och hållfasthet innebär en avvägning, så blandningen måste anpassas till kraven på en bärande konstruktion. Energin skulle kunna användas vid strömavbrott eller belastningstoppar.

Ett sådant lager skulle även kunna stödja hus med sol- eller vindkraft. Det laddas när produktionen överstiger förbrukningen och används när produktionen minskar. Andra möjligheter som forskarna beskrev är vägar med trådlös laddning av elfordon samt energilagring för hus och samhällen utanför det vanliga elnätet.

Avslutande ord

Cementbaserade superkondensatorer kan få stor betydelse eftersom cement används så mycket i byggandet. Forskargruppen beskriver målet så här:

”…materialutformningen av porösa kol-cementkompositer ger en skalbar lösning för energilagring som stödjer den brådskande övergången från fossila bränslen till förnybar energi.”

Tillgängliga råvaror och möjligheten att öka lagrets storlek gör lösningen intressant för både små och stora projekt. Praktiska installationer behöver visa att energilagring och strukturella egenskaper fungerar tillsammans i den avsedda skalan.