Stefaniuk D, Weaver JC, Ulm F, Masic A (2025) High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122, 40, e2511912122 – https://doi.org/10.1073/pnas.2511912122 – free access article pdf – CC BY-NC-ND 4.0

Significance (pomen):

S prehodom sveta s fosilnih goriv na gospodarstvo, ki temelji na obnovljivih virih energije, postaja prilagodljivo, varno in trajnostno shranjevanje energije bistveno za uravnoteženje neredne ponudbe in povpraševanja. Da bi zadovoljili te potrebe, se je kot obetaven večfunkcionalni material, ki združuje strukturne lastnosti z elektrokemičnim shranjevanjem energije, pojavil elektronsko prevodni ogljikov beton (ecˆ3), vendar je njegova uporaba ostala omejena zaradi nizke napetosti in izzivov prilagodljivosti. S pomočjo 3D-nanoslikanja, optimizacije elektrolita in večceličnega zlaganja smo dokazali proizvodnjo visokonapetostnih betonskih komponent za shranjevanje energije, ki so sposobne napajati naprave in podpirati mehanske obremenitve. Naš pristop povezuje arhitekturo in energetske sisteme, s čimer spodbuja ecˆ3 kot transformativni materialni sistem za dekarbonizacijo gradbeništva in omogoča odporno infrastrukturo v dobi čiste energije.

Abstract (povzetek):

Elektronsko-prevodni ogljikov beton (ecˆ3) je večfunkcionalni kompozitni material na osnovi cementa, ki združuje mehansko trdnost z elektrokemijskim shranjevanjem energije. Da bi še bolj razširili naše razumevanje odnosov med strukturo in funkcijo v tem kompleksnem večfaznem materialnem sistemu in zagotovili načrt za prehod te tehnologije od preprostega dokaza koncepta do izvedljive alternative za shranjevanje energije v velikem obsegu, poročamo o spoznanjih v zvezi z nano povezanostjo prevodne ogljikove mreže elektrode, raziskujemo različne sestave elektrolitov in strategije integracije materialov ter poudarjamo možnosti za povečanje obsega naprav. Z uporabo FIB-SEM tomografije (angl. Focused ion beam – FIB) je bila na nano ravni vizualizirana fraktalna mreža nano-ogljikovega črnega ogljika, ki prežema elektrodo, kar nam daje vpogled v teoretično zmogljivost shranjevanja energije tega materiala. Da bi skrajšali čas, potreben za proizvodnjo funkcionalnih elektrod, predstavljamo tudi pristop z vlivanim elektrolitom, pri katerem je mogoče proizvesti elektrode debeline nekaj centimetrov brez potrebe po dodatnih korakih utrjevanja. V teh prototipih se zmogljivost naprave linearno povečuje z debelino elektrode in številom celic, zato je bil razvit preprost analitični model za pojasnitev teh pojavov povečanja zmogljivosti. Poleg tega raziskovanje alternativnih ionskih in organskih elektrolitov dodatno prispeva k izboljšanju elektrokemijskega obnašanja, pri čemer so izdelani modeli v primerjavi s prejšnjimi modeli dosegli 10-kratno povečanje energetske gostote superkondenzatorja. Nazadnje smo uspeli izdelati 12 V, 50 F superkondenzatorski modul in 9 V ločni prototip, ki vgrajujeta shranjevanje energije v nosilne arhitekturne elemente. Ti funkcionalni prototipi poudarjajo potencial za spremljanje stanja konstrukcije v realnem času, hkrati pa dokazujejo potencial naše tehnologije ecˆ3 za proizvodnjo prilagodljive, visokonapetostne betonske infrastrukture za shranjevanje energije.

URL: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2511912122