石墨水泥超级电容器:一种低成本储能系统的新思路
文摘
军事
2024-11-19 09:40
湖南
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麻省理工学院的工程师发明了一种新型的储能系统，它利用了人类最常用的两种古老材料：水泥和炭黑。这种系统可以储存和释放大量的电能，促进可再生能源的利用，使能源网络更加稳定。他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上。水泥和炭黑都是有着悠久历史的材料，水泥是世界上使用最多的人造材料，炭黑是类似于非常细的木炭的物质，曾用于制作死海古卷。研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器，这是一种电池的替代品，可以提供电能的存储。超级电容器的原理很简单，它由两块浸入电解质中的导电板组成，当施加电压时，电解质中的离子会在两块板上分别积聚，形成电场，储存能量。当连接到负载时，电流就会流回，释放能量。超级电容器的优点是，它可以储存异常大的电荷，而且充电和放电的速度比电池快得多。研究人员通过将高导电性炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并使其固化来实现这一目标。当水与水泥发生反应时，水自然会在结构内形成一个分支的开口网络，碳迁移到这些空间中，在硬化的水泥内形成金属丝状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会长出较小的树枝，而那些长出更小的树枝会长出更小的树枝，依此类推，最终在相对较小的体积范围内具有非常大的表面积。然后将材料浸泡在标准电解质材料中，例如氯化钾，一种盐，它提供积聚在碳结构上的带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极，由薄空间或绝缘层隔开，形成一个非常强大的超级电容器。电容器的两块极板的功能就像等效电压的可充电电池的两极一样：当连接到电源时，就像电池一样，能量存储在极板中，然后当连接到负载时，电流流回以提供电力。“这种材料很吸引人，”马西奇说，“因为你拥有世界上使用最多的人造材料，水泥，它与炭黑结合在一起，这是一种众所周知的历史材料——死海古卷就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们组合在一起时，你就会想出一种导电纳米复合材料，这就是事情变得非常有趣的时候。他说，随着混合物的凝固和固化，“水通过水泥水化反应被系统地消耗掉，这种水化从根本上影响了碳的纳米颗粒，因为它们是疏水的（排斥水）。随着混合物的演变，“炭黑会自组装成一根相连的导线，”他说。该过程易于复制，材料价格低廉，在世界任何地方都很容易获得。Masic说，实现渗流碳网络所需的碳量非常小 - 仅占混合物体积的3%。乌尔姆说，由这种材料制成的超级电容器具有巨大的潜力，可以帮助世界向可再生能源过渡。无排放能源、风能、太阳能和潮汐能的主要来源都在可变时间产生输出，而这些时间通常与用电高峰不对应，因此储存电力的方法至关重要。“对大型储能有巨大的需求，”他说，现有的电池太贵了，而且主要依赖锂等材料，锂的供应有限，因此迫切需要更便宜的替代品。“这就是我们的技术非常有前途的地方，因为水泥无处不在，”乌尔姆说。该团队计算出，一块尺寸为45立方米（或码）的纳米碳黑掺杂混凝土 - 相当于一个约3.5米宽的立方体 - 将有足够的容量来存储约10千瓦时的能量，这被认为是一个家庭的平均每日用电量。由于混凝土将保持其强度，因此由这种材料制成的地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并在需要时使用。而且，超级电容器的充电和放电速度比电池快得多。在进行了一系列用于确定水泥、炭黑和水最有效比例的测试后，该团队通过制造小型超级电容器来演示这一过程，这些超级电容器的大小与一些纽扣电池差不多，直径约1厘米，厚度约1毫米，每个超级电容器可以充电到1伏特，相当于1伏特电池。然后，他们连接了其中三个，以展示它们点亮 3 伏发光二极管 （LED） 的能力。在证明了这一原理之后，他们现在计划建造一系列更大的版本，从大约一个典型的12伏汽车电池大小的版本开始，然后增加到45立方米的版本，以证明其存储房屋价值的能力。他们发现，材料的存储容量与其结构强度之间存在权衡。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以储存更多的能量，但混凝土略弱，这对于混凝土不起结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能很有用。此外,研究还展示出其它潜在应用,像加热系统。这为水泥等混凝土材料在能源转型中奠定新基础。随着技术不断优化,碳水泥超级电容器有望成为一种重要的低成本储能解决方案,助推可再生能源广泛利用。但其性能和成本还需进一步研究验证。
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