ساخت یک ابرخازن جدید از قدیمی ترین مواد در تاریخ

پژوهشگران دریافتند این دو ماده را می‌توان با آب ترکیب کرد و نوعی ابرخازن را به عنوان جایگزین برای باتری‌ها ساخت که می‌تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند. به عنوان مثال، مهندسانی که این سیستم را ابداع کرده‌اند، می‌گویند که ابرخازن آنها را در نهایت می‌توان در شالوده بتنی یک خانه گنجاند تا انرژی یک روز کامل را ذخیره کند، استحکام سازه مورد نیاز را تامین کند و در عین حال، هزینه کمی داشته باشد. همچنین، این گروه پژوهشی از یک جاده بتنی صحبت کردند که می‌تواند شارژ مجدد را برای خودروهای الکتریکی هنگام حرکت در آن جاده فراهم کند.

این فناوری ساده اما نوآورانه توسط «فرانتس جوزف اولم»(Franz-Josef Ulm)، «ادمیر ماسیچ»(Admir Masic) و «یانگ شائو هورن»(Yang-Shao Horn) استادان دانشگاه ام‌آی‌تی و با همکاری چهار پژوهشگر دیگر ام‌آی‌تی و «موسسه مهندسی بیولوژیکی ویس»(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) ابداع شده است.

خازن‌ها در اصل دستگاه‌های بسیار ساده‌ای شامل دو صفحه رسانای الکتریکی هستند که در یک الکترولیت غوطه‌ور شده و توسط یک غشا از هم جدا شده‌اند. هنگامی که ولتاژ در خازن اعمال می‌شود، یون‌های دارای بار مثبت الکترولیت در صفحه دارای بار منفی جمع می‌شوند و صفحه دارای بار مثبت، یون‌های دارای بار منفی را جمع می‌کند. از آنجا که غشای بین صفحات مانع انتقال یون‌های باردار می‌شود، این جداسازی بارها یک میدان الکتریکی را بین صفحات ایجاد می‌کند و خازن شارژ می‌شود. این دو صفحه می‌توانند شارژ را برای بلندمدت حفظ کنند و سپس در صورت نیاز، آنها را خیلی سریع تحویل دهند. ابرخازن‌ها صرفا خازن‌هایی هستند که می‌توانند بارهای فوق‌العاده زیادی را ذخیره کنند.

مقدار نیرویی که یک خازن می‌تواند ذخیره کند، به سطح کل صفحه‌های رسانای آن بستگی دارد. کلید ابرخازن‌های جدید این گروه پژوهشی، از روش تولید ماده‌ای مبتنی بر سیمان الهام گرفته شده که شبکه‌ای متراکم و به هم پیوسته از مواد رسانا را در خود جای داده است. پژوهشگران برای این کار، کربن سیاه را که بسیار رسانا است، به همراه پودر سیمان و آب به مخلوط بتن افزودند.

آب به طور طبیعی در اثر واکنش با سیمان، یک شبکه از منافذ را در سازه تشکیل می‌دهد و کربن به این فضا انتقال می‌یابد تا ساختارهای سیم‌مانندی را در سیمان سفت‌شده ایجاد کند. سپس، این ماده در یک ماده الکترولیت استاندارد مانند کلرید پتاسیم خیس می‌شود تا امکان حضور ذرات باردار تجمع‌یافته روی ساختارهای کربن را فراهم ‌کند. پژوهشگران دریافتند دو الکترود ساخته‌شده از این ماده که توسط یک فضای باریک یا یک لایه عایق از هم جدا شده‌اند، یک ابرخازن بسیار قوی را تشکیل می‌دهند. دو صفحه خازن، درست مانند دو قطب یک باتری قابل شارژ با ولتاژ استاندارد عمل می‌کنند. هنگامی که آنها به یک منبع برق متصل می‌شوند، انرژی آنها در صفحات ذخیره می‌شود و سپس، جریان الکتریکی برای تامین برق به بیرون برمی‌گردد.

ماسیچ گفت: این ماده جذاب است زیرا پرمصرف‌ترین مواد جهان در آن به کار رفته‌اند. سیمان با کربن سیاه ترکیب شده که یک ماده شناخته‌شده از نظر تاریخی است و «طومارهای دریای مرده»(Dead Sea Scrolls) با آن نوشته شده‌اند. شما این مواد حداقل دو هزار ساله را در اختیار دارید که وقتی آنها را به شیوه‌ای خاص ترکیب می‌کنید، به یک نانوکامپوزیت رسانا می‌رسید و آن وقت است که همه چیز واقعا جالب می‌شود.

ماسیچ ادامه داد: همان طور که مخلوط سفت می‌شود، آب به طور سیستماتیک از طریق واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان مصرف می‌شود و این هیدراتاسیون اساسا بر نانوذرات کربن تأثیر می‌گذارد زیرا آنها آب‌گریز هستند. با تکامل یافتن مخلوط، کربن سیاه به یک سیم رسانا متصل می‌شود. این فرآیند با موادی که ارزان هستند و به راحتی در هر نقطه از جهان در دسترس قرار دارند، به راحتی قابل تکرار است. مقدار کربن مورد نیاز برای دستیابی به یک شبکه کربن، بسیار کم و به اندازه سه درصد حجم مخلوط است.

اولم گفت: ابرخازن‌های ساخته‌شده از این ماده، پتانسیل زیادی را برای کمک کردن در روند انتقال جهان به سوی مصرف انرژی‌های تجدیدپذیر دارند. همه منابع اصلی انرژی شامل باد، خورشید و نیروی جزرومدی، خروجی خود را در زمان‌های متغیری تولید می‌کنند که اغلب با نقاط اوج مصرف برق مطابقت ندارد. بنابراین، در اختیار داشتن راه‌هایی برای ذخیره این انرژی ضروری است. نیاز زیادی به ذخیره‌سازی انرژی‌های بزرگ وجود دارد اما باتری‌های موجود، هزینه بسیار بالایی دارند و عمدتا به موادی مانند لیتیوم متکی هستند که عرضه آنها محدود است. بنابراین، ارائه جایگزین‌های ارزان‌تر به شدت مورد نیاز است. اینجاست که فناوری ما بسیار امیدوارکننده می‌شود زیرا سیمان در همه جا وجود دارد.

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه ابرخازن‌های کربن-سیمان، ساخت بتن‌هایی است که می‌توانند انرژی تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی را در کنار جاده ذخیره کنند و سپس با استفاده از فناوری مورد استفاده برای تلفن‌های قابل شارژ بی‌سیم، آن انرژی را به خودروهای الکتریکی که در امتداد جاده حرکت می‌کنند تحویل دهند. نوعی سیستم شارژ مجدد خودرو در حال حاضر توسط برخی شرکت‌ها در آلمان و هلند در حال توسعه است اما از باتری‌های استاندارد برای ذخیره‌سازی استفاده می‌کند.

به گفته پژوهشگران، کاربرد اولیه این فناوری ممکن است برای خانه‌ها، ساختمان‌ها یا پناهگاه‌های دور از شبکه برق باشد و برق آنها توسط پنل‌های خورشیدی متصل به ابرخازن‌های سیمانی تامین شود.

اولم خاطرنشان کرد که این سیستم بسیار مقیاس‌پذیر خواهد بود زیرا ظرفیت ذخیره انرژی، یک تابع مستقیم از حجم الکترودها است. وی افزود: بسته به ویژگی‌های مورد نظر برای یک برنامه ویژه، سیستم را می‌توان با تغییر دادن مخلوط تنظیم کرد. برای جاده‌ای که وسیله نقلیه در آن شارژ می‌شود، به شارژ و دشارژ بسیار سریع نیاز است اما برای برق‌رسانی به یک خانه، همه روز فرصت دارید تا آن را شارژ کنید. بنابراین، برای خانه می‌توان از موادی با شارژ کندتر استفاده کرد.

اولم ادامه داد: این در واقع یک ماده چندمنظوره است. علاوه بر توانایی آن در ذخیره انرژی به شکل ابرخازن، از همین نوع مخلوط بتن می‌توان به عنوان یک سیستم گرمایشی استفاده کرد. این کار به سادگی و با اعمال الکتریسیته به بتن حاوی کربن صورت می‌گیرد.

اولم خاطرنشان کرد که این ایده را راهی جدید برای نگاه کردن به آینده بتن به عنوان بخشی از فرآیند انتقال انرژی می‌داند.

این پژوهش، در مجله «PNAS» به چاپ رسید.