Chanut N et al. (2023) Carbon–cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, 32, e2304318120 – https://doi.org/10.1073/pnas.2304318120 – open access article pdf – CC BY-NC-ND 4.0
Significance (pomen):
Obseg in hitrost prehoda iz sedanjega gospodarstva, ki temelji na fosilnih gorivih, na gospodarstvo, ki temelji na obnovljivih virih energije, bosta močno odvisna od razpoložljivosti rešitev za shranjevanje energije v velikih količinah. V tem članku preučujemo eno takšno potencialno tehnologijo, ki uporablja poceni, bogate in široko dostopne kemijske prekurzorje, in sicer cement, vodo in saje. Sposobnost shranjevanja energije teh ogljikovih cementnih superkondenzatorjev je dokazano intenzivna, njihova visoka zmogljivost pa kaže samopodobnost. Te lastnosti kažejo na možnost uporabe teh strukturnih betonskih superkondenzatorjev za shranjevanje energije v velikih količinah v stanovanjskih in industrijskih aplikacijah, od energetsko samozadostnih zavetišč in samopolnilnih cest za električna vozila do shranjevanja energije iz vetrnih turbin.
Abstract (povzetek):
Velikopotezna uvedba sistemov obnovljive energije zahteva razvoj rešitev za shranjevanje energije, da se učinkovito upravlja z neravnovesji med ponudbo in povpraševanjem po energiji. V tem članku raziskujemo takšno prilagodljivo materialno rešitev za shranjevanje energije v superkondenzatorjih, izdelanih iz lahko dostopnih materialnih prekurzorjev, ki jih je mogoče lokalno pridobiti praktično kjerkoli na planetu, in sicer cement, voda in saje. Naše ogljično-cementne elektrode karakteriziramo s kombinacijo korelacijske EDS-Ramanove spektroskopije z merjenjem kapacitivnosti, pridobljenim iz ciklične voltametrije in galvanostatskih eksperimentov polnjenja in praznjenja, pri čemer uporabljamo celoštevilske in ulomljene derivate za popravek učinkov hitrosti in intenzivnosti toka. Analiza teksture kaže, da hidratacijske reakcije cementa v prisotnosti ogljika ustvarjajo fraktalno podobno ogljično mrežo, ki prevaja elektrone in prežema nosilno cementno matriko. Zmogljivost shranjevanja energije te prostorsko zapolnjujoče mreže ogljikovih saj, ki ima visoko specifično površino, dostopno za shranjevanje naboja, se izkaže kot intenzivna količina, medtem ko visoka zmogljivost ogljikovih-cementnih elektrod kaže samopodobnost zaradi hidratacijske poroznosti, ki je na voljo za prenos naboja. Ta intenzivna in samopodobna narava shranjevanja energije in zmogljivosti hitrosti predstavlja priložnost za masovno povečanje obsega od elektrod do strukturnih meril. Razpoložljivost, vsestranskost in prilagodljivost teh ogljikovih-cementnih superkondenzatorjev odpirajo obzorje za oblikovanje večfunkcionalnih struktur, ki izkoriščajo visoko zmogljivost shranjevanja energije, zmogljivosti visoke hitrosti polnjenja/praznjenja in strukturno trdnost za trajnostne stanovanjske in industrijske aplikacije, od energetsko samozadostnih zavetišč in samopolnilnih cest za električna vozila do prekinjenega shranjevanja energije za vetrne turbine in plimske elektrarne.