Concrete Capacitors: Ang Hinaharap ng Imbakan ng Enerhiya

Pag-imbak ng Enerhiya sa mga Concrete Capacitor

Pagdating sa pag-imbak ng enerhiya, nakatuon ang lahat ng pansin sa mga baterya. Habang sa isang panahon ay karamihan ay nakatuon sa patuloy na pinapabuting teknolohiyang lithium-ion, ngayon ay umuunlad na rin ang mga sodium-ion, solid-state, at iba pang uri ng alternatibong kimika ng baterya na papunta na rin sa komersyal na yugto.

Sa lahat ng kaso, iniimbak ng mga bateryang ito ang kuryente sa anyong kemikal, karaniwang gamit ang mga metalikong ion upang dalhin ang pagbabago ng karga ng kuryente.

Pinagmulan: Let’s Talk Science

Gayunpaman, hindi ito ang tanging paraan upang mag-imbak ng kuryente. Isa pang opsyon ay ang paggamit ng supercapacitor.

Sa kabaligtaran ng mga baterya na nag-iimbak ng karga ng kuryente sa isang masa ng mga metalikong ion, ang mga supercapacitor at ultracapacitor ay humahawak ng karga ng kuryente sa ibabaw ng isang konduktibong materyal.

Pinagmulan: Sinovoltaics

Ang pangunahing pagkakaibang ito sa konsepto ng pag-imbak ng enerhiya ay nagbabago kung paano gumagana ang mga capacitor kumpara sa mga baterya. Dahil ang enerhiya ay nasa ibabaw ng materyal, maaari itong mailipat nang napakabilis, na nagbibigay-daan sa ultra-mabilis na pag-charge at pag-discharge na mga siklo, samantalang ang mga baterya ay pinapabagal ng bilis ng kinakailangang mga kemikal na reaksyon.

Sa ngayon, ang mga capacitor ay karamihan ay isang niche na produkto, dahil mas kaunti ang kanilang kayang i-imbak kumpara sa mga baterya, at madalas na mas mahal, dahil nangangailangan ito ng mas mamahaling materyales.

Maaaring nagbabago ito, sa pag-unlad ng mga concrete-based capacitor ng apat na mananaliksik sa Massachusetts Institute of Technology (MIT), na maaaring magamit sa huli upang gawing higanteng baterya ang mga gusali at kalsada.

Sila ay naglathala ng kanilang pinakabagong disenyo sa prestihiyosong siyentipikong journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) sa pamagat na “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Mga Aplikasyon ng mga Capacitor

Ang mababang karga ng mga capacitor kumpara sa mga baterya ay naging hadlang sa kanilang paggamit para sa malaki o pangmatagalang pag-imbak ng enerhiya, sa kabila ng kanilang kahanga-hangang tibay.

Gayunpaman, ang kanilang kakayahang harapin ang napakabilis na pagbabago sa karga ng kuryente at mas mataas na boltahe, nang hindi nasisira, ay ginagawang kapaki-pakinabang sila para sa mga aplikasyon kung saan maraming enerhiya ang nalilikha o kailangan nang sabay-sabay.

Halimbawa, ang mga supercapacitor ay ginagamit sa mga sasakyan, tren, kran, at elevator, para sa panandaliang pag-imbak ng enerhiya, regenerative braking, o burst-mode na paghahatid ng kapangyarihan.

Bagaman ang kabuuang enerhiya ay hindi naman ganoon kataas, ang intensidad at bilis ay mataas.

Para sa mga grid ng kuryente at aplikasyon ng pag-imbak ng enerhiya, ang mga supercapacitor ay pinakamabisang magpuno ng puwang sa enerhiya na tumatagal mula ilang segundo hanggang ilang minuto at maaaring mabilis na ma-recharge.

Pagpapabuti ng mga Concrete-Based Capacitor

Paggawa ng Concrete na Nag-iimbak ng Enerhiya

Para sa mga baterya, ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng iba’t ibang electrochemical na reaksyon at ang dami ng reaktibong metal na magagamit ay karaniwang naglilimita sa kapasidad.

Para sa mga capacitor, ang pangunahing limitasyon ay ang kabuuang ibabaw ng materyal. Kaya sa pangkalahatan, ang mga pinaka-porosong materyales ay magdadala ng mas maraming karga.

Dahil dito, ang mga heterogenous na materyales (gawa ng maraming elemento) ay kadalasang pinakamahusay, pati na rin anumang materyal na resulta ng polymerisasyon ng mas simpleng mga materyales, na may maraming butas at alveoli sa loob.

Noong 2023, sinuri na ng mga mananaliksik ng MIT ang potensyal ng concrete, isang materyal na may kumplikadong mikroskopikong estruktura na, sa teorya, maaaring gawing capacitor.

Ito ay nakamit gamit ang semento, tubig, ultra-fine carbon black (na may nanoscale na mga particle), at mga electrolyte. Sama-sama, nilikha nila ang tinatawag na electron-conducting carbon concrete (ec³, binibigkas na “e-c-cubed”).

ec³ ay naglalaman ng isang “carbon nanonetwork” sa loob ng concrete na maaaring mag-imbak at mag-conduct ng kuryente.

Kasaganaan ng Concrete

Ang semento at concrete ay higit sa lahat ang pinaka-maraming nalilikha na materyales sa mundo, na umaabot sa kabuuang dami at bigat na 1.7 bilyong metro kubiko at 4.1 bilyong tonelada, mas mataas kaysa sa anumang iba pang materyal, kabilang ang buhangin at bakal.

Pinagmulan: Visual Capitalist

Bilang resulta, nangangahulugan ito na kahit ang pag-convert ng napakaliit na bahagi ng concrete sa mundo tungo sa pag-imbak ng enerhiya ay maaaring radikal na baguhin kung paano natin iniimbak ang enerhiya sa ating mga tahanan, opisina, at lungsod.

“Isang susi sa pagpapanatili ng concrete ay ang pag-develop ng ‘multifunctional concrete,’ na nag-iintegrate ng mga functionality tulad ng pag-imbak ng enerhiya, self-healing, at carbon sequestration.

Ang concrete ay isa na sa pinaka-ginagamit na materyal sa konstruksyon sa buong mundo, kaya bakit hindi samantalahin ang saklaw na ito upang lumikha ng iba pang benepisyo?”

Admir Masic – Associate professor ng civil at environmental engineering (CEE) sa MIT.

Pagpapabuti ng Performans ng ec³

Pagpapataas ng Densidad ng Enerhiya

Ang orihinal na prototype noong 2023 ay may sapat na densidad ng enerhiya kaya ang 45 metro kubiko ng ec³, na halos katumbas ng dami ng concrete na ginagamit sa isang tipikal na basement, ay sapat upang matugunan ang pang-araw-araw na pangangailangan ng karaniwang tahanan.

Bagaman kawili-wili, ang mga tanong tungkol sa gastos at praktikalidad ay nagpadama na ang bilang na ito ay hindi talaga magagamit sa komersyal na antas.

Ang mga bagong bersyon ng produkto ng mga mananaliksik ay maaaring mag-imbak ng parehong dami ng enerhiya sa 1/9^th ng dami, o lamang 5 metro kubiko (176 cubic feet).

Mag-swipe para mag-scroll →

Masusing Pagsusuri

Ang mas mataas na performance na ito ay nakamit sa pamamagitan ng paggamit ng focused ion beam upang alisin nang sunud-sunod ang manipis na mga patong ng materyal na ec³. Ang mga patong na ito ay sinuri gamit ang scanning electron microscope (FIB-SEM tomography).

Pinahintulutan nito ang mga mananaliksik na muling buuin ang isang high-resolution na imahe ng conductive nanonetwork. Natuklasan nila na ito ay bumubuo ng isang “fractal-like web” na pumapalibot sa mga pores ng ec³, na siyang nagbibigay-daan sa electrolyte na makapasok at sa kuryente na dumaloy sa sistema.

Sa gamit ng napakahusay na analytical tool na ito, nag-eksperimento ang research team sa iba’t ibang electrolyte at kanilang konsentrasyon upang makita kung paano ito nakakaapekto sa densidad ng pag-imbak ng enerhiya.

“Natuklasan namin na may malawak na hanay ng mga electrolyte na maaaring maging angkop na kandidato para sa ec³.

Kasama pa rito ang tubig-dagat, na maaaring gawing magandang materyal ito para sa mga aplikasyon sa baybayin at dagat, marahil bilang mga suporta para sa offshore wind farms.”

Damian Stefaniuk – EC³ Hub research scientist

Sinukat nila na ang mga organic electrolyte, lalo na yaong pinagsama ang quaternary ammonium salts na matatagpuan sa pang-araw-araw na produkto tulad ng disinfectants, ay pinakamahusay na gumagana kapag hinaluan ng acetonitrile, isang malinaw at konduktibong likido na madalas ginagamit sa industriya.

Mas Mabuting Paggawa ng mga Concrete Battery

Dati, ang ginamit na pamamaraan ay kailangang i-cure ang mga ec³ electrode at pagkatapos ay ibabad ito sa electrolyte. Sa halip, natuklasan nila na maaari nilang idagdag ang electrolyte direkta sa tubig ng paghahalo.

Ito ay mahalaga sa paggawa ng mas makapal na mga electrode na nag-iimbak ng mas maraming enerhiya.

Bilang demonstrasyon ng teknolohiyang ito, gumawa ang koponan ng isang maliit na ec³ concrete arch upang ipakita kung paano maaaring magsabay ang anyong estruktural at pag-imbak ng enerhiya.

Sa pag-andar na 9 volts, sinusuportahan ng arko ang sariling bigat at karagdagang load habang pinapagana ang isang LED na ilaw.

Awtomatikong Pagsubaybay sa Integridad ng Estruktura

Isang nakakagulat na pangyayari ang naganap nang tumaas nila ang karga sa test arch. Sa isang punto, nagsimulang mag-flicker ang ilaw, na naglalarawan ng simula ng pinsala sa concrete at pagkabigo ng pag-imbak ng kuryente.

Ito ay nagpapakita ng malinaw na pinsala sa estruktura kahit walang nakikitang bitak. Ang ganitong kakayahan ay maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang sa mga totoong gusali.

“Maaari mayroong ganitong uri ng kakayahang self-monitoring dito. Kung iisipin natin ang isang ec³ arch sa sukat ng arkitektura, maaaring magbago ang output nito kapag naapektuhan ng stressor tulad ng malalakas na hangin.

Maaaring magamit natin ito bilang senyas kung kailan at hanggang saan na-stress ang isang estruktura, o subaybayan ang kabuuang kalusugan nito sa real time.”

Admir Masic – Associate professor ng civil at environmental engineering (CEE) sa MIT.

Self-Warming Concrete

Ang disenyo ng concrete na ito ay hindi lamang makapag-imbak ng enerhiya, kundi may mas mataas na thermal conductivity. Bilang resulta, makakatulong ito na tunawin ang yelo na naipon dito, at nagamit na ito para sa layuning iyon sa Sapporo, Japan, na kumakatawan sa potensyal na alternatibo sa pag-salting.

Ang enerhiyang iniimbak at pagkatapos ay na-convert sa anyo ng init ay maaari ring magamit upang tunawin ang yelo sa mga kalsada, bangketa, at mga landas.

Ang Hinaharap ng mga Concrete Battery at Imbakan ng Enerhiya

Sa ngayon, ang mga utility-scale na baterya ay karamihan ay iniisip bilang heat battery, hydrogen storage, o mga baterya na gumagamit ng murang materyales tulad ng sodium, bakal, o aluminyo, upang palitan ang mas mamahaling lithium/cobalt/nickel ng lithium-ion na baterya.

Gayunpaman, kung nais nating palakihin ang pag-imbak ng baterya upang ganap na mapatakbo ang industriyalisadong sibilisasyon gamit ang solar na enerhiya, ang mas laganap na materyal tulad ng concrete ay maaaring perpekto.

Una, gumagamit ito ng mas kaunting bihirang materyales, dahil kahit ang mga alternatibong kimika ng baterya ay nangangailangan pa rin ng maraming tanso, halimbawa.

Pangalawa, maaari rin itong mas madaling maisama sa pang-araw-araw na tanawin ng lungsod at mga konstruksyon.

Ang koponan ay kasalukuyang nagtatrabaho patungo sa mga aplikasyon tulad ng mga paradahan at kalsada na maaaring mag-charge ng mga electric vehicle, pati na rin mga tahanan na maaaring ganap na tumakbo nang off-grid.

Dahil ang nagresultang concrete ay may parehong structural integrity tulad ng normal na concrete, maaaring makatwiran na gamitin ito na lamang, at ganap na iwasan ang pangangailangan ng karagdagang espasyo at proseso ng konstruksyon ng mga battery park.

“Sa pagsasama ng modernong nanoscience sa isang sinaunang bloke ng sibilisasyon, binubuksan natin ang pinto sa imprastruktura na hindi lamang sumusuporta sa ating buhay, ito ay nagbibigay ng enerhiya dito.”

Admir Masic – Associate professor ng civil at environmental engineering (CEE) sa MIT.

Pag-iinvest sa Sustainable na Semento

CRH Plc