Semento, Carbon Black, Electrolytes, at Tubig: Gumawa ng Simpleng Resipe para sa Maraming Gamit na Bagong Supercapacitor

Kung magtagumpay ang mga kamakailang pag-unlad sa agham ng materyales, ang ating mundo ay magmumukhang napakaiba sa loob lamang ng ilang taon. Sa nakaraang linggo, hindi lamang tumataas ang listahan ng mga siyentipiko na sinusubukang muling likhain at patunayan ang katotohanan ng mga kamakailang pahayag tungkol sa isang posibleng superkonduktor na tinatawag na ‘LK-99’ na gumagana sa temperatura ng silid at ambient na presyon, kundi inanunsyo rin ng Massachusetts Institute of Technology (MIT) ang isang kagiliw-giliw na pagtuklas nito. Ito ay magiging isang cost-effective na supercapacitor na gawa sa mga hindi eksotikong materyales.

Ano ang Capacitor?

Ang mga capacitor ay mga aparato na nag-iimbak ng enerhiyang elektrikal sa pamamagitan ng pag-akumulado ng panloob na hindi pagkabalanse ng karga sa dalawang konduktibong plato na pinaghiwalay ng isang insulator o dielectric.

Ano ang Nagpapasuper?

• Laki ng Imbakan: Ang mga supercapacitor ay maaaring mag-imbak ng mas malaking dami ng karga elektrikal kumpara sa mga karaniwang capacitor. Ito ay dahil sa mataas na lawak ng ibabaw ng mga electrode at napakakipot na distansya sa pagitan nila, na nagpapahintulot ng mas maraming karga na maimbak.
• Enerhiya at Densidad ng Kapangyarihan: Bagaman ang mga capacitor ay karaniwang may mas mataas na power density (maaaring maghatid ng enerhiya nang mabilis) ngunit mababang energy density (mas kaunting enerhiya ang naiimbak), ang mga supercapacitor ay nagbubuo ng tulay sa pagitan ng mga capacitor at baterya sa pamamagitan ng pagkakaroon ng parehong mataas na power density at medyo mataas na energy density.
• Konstruksyon: Madalas na gumagamit ang mga supercapacitor ng ibang mga materyales at pamamaraan ng konstruksyon. Karaniwan nilang ginagamit ang porous carbon na materyales para sa mga electrode, na nagbibigay ng malaking lawak ng ibabaw, at isang electrolyte na nagpapahintulot sa paggalaw ng mga ion. Ang malaking lawak ng ibabaw at espesyal na konstruksyon ay nagbibigay-daan sa supercapacitor na mag-imbak ng mas maraming enerhiya.
• Rate ng Pag-charge at Pag-discharge: Ang mga supercapacitor ay maaaring i-charge at i-discharge nang mas mabilis kumpara sa mga baterya, at maaari silang tumagal ng mas maraming cycle ng pag-charge at pag-discharge nang walang malaking pagkasira. Habang ang mga karaniwang capacitor ay mabilis din mag-charge at mag-discharge, ang mga supercapacitor ay maaaring mapanatili ang karga nang mas matagal dahil sa kanilang mas malaking kapasidad ng imbakan.

Sa madaling salita, habang ang mga karaniwang capacitor at supercapacitor ay gumagana sa parehong batayang prinsipyo ng pag-iimbak ng enerhiya sa isang electric field, ang mga supercapacitor ay naiiba dahil sa kanilang mas mataas na kapasidad ng imbakan, ibang materyales ng konstruksyon, at kakayahang pagsamahin ang katangian ng parehong capacitor at baterya.

Saan Ginagamit ang mga Supercapacitor?

Kaya ngayon na alam mo na kung ano ang supercapacitor, saan ito kapaki-pakinabang? Karaniwang ginagamit ang mga supercapacitor sa mga aplikasyon kung saan mahalaga ang mabilis na paghahatid ng enerhiya at epektibong imbakan. Narito ang ilan sa mga tipikal na larangan kung saan maaaring matagpuan ang mga supercapacitor:

• Electric Vehicles (EVs): Ang mga supercapacitor ay maaaring magbigay ng mabilis na pagputok ng kapangyarihan na kinakailangan para sa pagbilis at maaari ring mangolekta ng enerhiya sa panahon ng regenerative braking, na nagpapabuti sa kabuuang kahusayan ng sasakyan.
• Public Transportation: Sa mga bus at tram, maaaring gamitin ang mga supercapacitor upang mabilis na mag-imbak ng enerhiya sa maikling paghinto at pagkatapos ay magbigay ng enerhiya na kailangan para sa pagbilis, na nagbabawas ng pasanin sa pangunahing pinagmumulan ng kuryente.
• Renewable Energy Systems: Ang mga supercapacitor ay maaaring mag-imbak ng enerhiya mula sa mga renewable na pinagkukunan tulad ng solar at hangin, at pakawalan ito kapag kailangan. Nakakatulong ito sa pag-aayos ng mga pag-ikot ng suplay ng enerhiya kapag kulang ang araw at hangin.
• Uninterruptible Power Supplies (UPS): Sa mga sistema na nangangailangan ng tuloy-tuloy na suplay ng kuryente, maaaring magbigay ang mga supercapacitor ng pansamantalang kapangyarihan sa maikling pagputol o hanggang sa magsimulang gumana ang backup generators.
• Consumer Electronics: Sa ilang mga aparato, maaaring magbigay ang mga supercapacitor ng mabilis na pagputok ng enerhiya na kinakailangan para sa ilang gawain, tulad ng flash photography sa mga kamera at high-end na pag-install ng audio sa sasakyan.
• Medical Devices: Maaaring gamitin ang mga supercapacitor sa mga medikal na aparato tulad ng defibrillator na nangangailangan ng maaasahan at agarang paghahatid ng kapangyarihan.
• Industrial Equipment: Sa mga industriyal na kapaligiran, maaaring magbigay ang mga supercapacitor ng mataas na kapangyarihan na kailangan para sa maikling panahon sa iba’t ibang makinarya at kagamitan.
• Grid Stabilization: Maaaring gamitin ang mga supercapacitor sa electrical grid upang magbigay ng mabilis na tugon sa mga pagbabago sa demand o suplay, na tumutulong sa pagpapatatag ng grid at pag-iwas sa mga pag-ikot.
• Wireless Communication Devices: Maaari silang magbigay ng enerhiya na kailangan para sa pagpapadala ng signal, lalo na sa mga remote o mahirap maabot na lokasyon kung saan mahirap palitan ang baterya.
• Smart Grid and Microgrid Applications: Ang mga supercapacitor ay maaaring maging bahagi ng mga matalinong sistema ng pamamahala ng enerhiya, tumutulong sa pagbalanse ng mga load at pag-imbak ng enerhiya nang lokal para sa mas epektibong paggamit.
• Aerospace and Defense: Sa mga aplikasyon ng aerospace, maaaring magbigay ang mga supercapacitor ng maaasahang kapangyarihan para sa mga kritikal na sistema na nangangailangan ng mataas na pagiging maaasahan at pagganap.

Sa pangkalahatan, ang pagiging maraming gamit, mataas na power density, at mabilis na kakayahan sa pag-charge/discharge ng mga supercapacitor ay ginagawang angkop ito sa malawak na hanay ng mga aplikasyon kung saan kinakailangan ang parehong imbakan ng enerhiya at mabilis na paglabas ng enerhiya. Tulad ng makikita mo sa listahang ito, ang mga supercapacitor ay ginagamit na sa napakaraming industriya. Dahil dito, ang kamakailang pagtuklas ng MIT ay lalo pang kawili-wili dahil sa potensyal nitong mapalawak ang napakaraming iba’t ibang implementasyon.

Isang Bagong Resipe

Ayon sa MIT, ang mga mananaliksik na sangkot sa pagtuklas na ito ay nag-develop ng paraan upang makagawa ng cement-based na materyal na may mataas na internal surface area sa pamamagitan ng pagdaragdag ng carbon black sa halo ng kongkreto. Ang nagresultang materyal, kapag ibinabad sa isang karaniwang electrolyte tulad ng potassium chloride, ay bumubuo ng isang makapangyarihang supercapacitor. Kapansin-pansin, ang dami ng carbon na kailangan ay minimal, na ginagawang mura at madaling ulitin ang proseso.
Sa paglikha ng isang supercapacitor, mahalagang tandaan na ang performance nito ay pangunahing nakabatay sa internal surface area ng mga konduktibong plato nito.  Ayon sa MIT,

“Ang susi sa mga bagong supercapacitor na binuo ng koponang ito ay nagmula sa isang pamamaraan ng paggawa ng cement-based na materyal na may napakataas na internal surface area dahil sa isang dense, interconnected network ng conductive material sa loob ng bulk volume nito.”

Ang mahalaga sa pagtuklas na ito ay na ito ay naabot gamit ang mga pangkaraniwang materyales, na madaling makuha sa buong mundo – na ginagawang napaka-accessible na teknolohiya.

Ang kagiliw-giliw sa pagtuklas na ito ay ang potensyal nitong mga aplikasyon sa hinaharap sa pagpapatatag ng mga energy grid at pangangailangan. Inilarawan ng koponan ang isang implementasyon kung saan ang pundasyon ng isang bahay ay gawa sa materyal na ito. Hindi lamang maaaring gawing kasing tibay ng karaniwang semento ang materyal, kundi ang pundasyon ng bahay ay magkakaroon ng kapasidad na magbigay ng kuryente para sa buong araw. Maaaring gamitin ito sa mga brownout, sa oras ng peak-rate, o sa iba pang katulad na sitwasyon.

Kapaki-pakinabang din ito para sa mga bahay na gumagamit ng renewable energy, kung saan hindi palagi ang suplay. Sa mga panahon ng labis na paglikha, maaaring i-top-up ang enerhiya na naka-imbak sa pundasyon, habang sa mga panahon ng kakulangan ng enerhiya, maaaring gamitin ito. Kabilang sa iba pang mga implementasyon ang wireless charging technology, na nagsisilbi sa mga komunidad at tahanan na walang koneksyon sa tradisyonal na power grid, at iba pa.

Huling Salita

Ang kahalagahan ng isang cement-based na supercapacitor ay napakalaki, dahil sa likas na hilig ng tao na magtayo gamit ang materyal na ito. Sa pangkalahatan, naniniwala ang koponan na ito ay,

“…ang disenyo ng materyal ng porous carbon-cement composites ay nagbibigay ng scalable na solusyon sa materyal para sa imbakan ng enerhiya upang suportahan ang agarang paglipat mula sa fossil fuels patungo sa renewable energies.”

Hindi lamang ito magiging madaling ma-access, maaari rin itong madaling maipatupad sa parehong maliliit at malakihang proyekto.