Дом-батарея: «электроцемент» может глобально изменить нашу жизнь
Провода постепенно уходят в прошлое. Интернет почти повсеместно раздают по вайфаю, а телефон можно зарядить, просто положив его на специальную мини-станцию. Но что если аккумулировать энергию и отдавать ее смогут окружающие нас поверхности? Когда-то это было фантастикой, а сегодня подобные разработки уже активно и небезуспешно ведутся. Расскажем, какими станут дома и дороги будущего.
Представьте дорогу, по которой мчатся электромобили, заряжаясь прямо во время езды. Или дом, которому не требуется центральное энергоснабжение, а электричество он накапливает от энергии солнца в своем фундаменте. Возможно, это уже скоро станет частью повседневности благодаря изобретению инженеров из знаменитого MIT — Massachusetts Institute of Technology.
В основе их разработки — суперконденсатор, или двухслойный электрохимический конденсатор. Его еще называют ионистором. Грубо говоря, это батарея, состоящая из двух электропроводящих пластин, разделенных электролитом и тонкой мембраной. Во время зарядки положительно заряженные ионы электролита накапливаются на одной пластине, в то время как отрицательные ионы аккумулируются на другой.
Кольцо вокруг Земли и электричество без проводов: о чем мечтал Тесла?
ЧитатьИменно от размера пластин зависит емкость батареи. Десятилетиями инженеры пытались внедрить такие в строительные материалы, например в бетон и углеродные композиты, из которых строят корпуса машин и воздушных судов. Но они всегда сталкивались с проблемой основного ингредиента бетона — цемента. Дело в том, что он плохо проводит электричество. Поэтому в последние годы ученые пытались изменить свойства этого материала, добавляя в него высокопроводящие углеродные нанотрубки, а также графен. Такой подход принес нужный результат, но он высокозатратен.
Требовалось более экономичное решение, и его нашли. Инженеры MIT обратились к старому проверенному средству — техническому углероду. Его массово производят для усиления резины и пластмассы. Большая часть техуглерода находит применение в производстве шин. У этого материала очень высокая электропроводность, а главное, он дешев в изготовлении и доступен по всему миру.
Инженеры соединили техуглерод, цемент и воду. Последние два ингредиента хорошо смешиваются, а вот углерод, попадая в жидкость, слипается. Так внутри затвердевающего цемента формируются длинные взаимосвязанные нити, которые действуют как сеть проводов. Потом исследователи разделили то, что получилось, на несколько пластинок размером с пуговицу (ширина — 1 см, толщина — 1 мм). Совместив их с мембраной и электролитом (вода с солью), они получили суперконденсатор. А подключив к пластинам провод, удалось зажечь светодиод.
Конденсатор с двойным электрическим слоем (EDLC), состоящий из (2) двух полированных, пропитанных электролитом углеродно-цементных электродов, разделенных (3) мембраной из стекловолокна, пропитанной электролитом и покрытой (4) проводящей графитовой бумагой. Электроды (5) в (6) закрытой ячейке для улучшения контакта
Изображение: © Nicolas Chanut, Damian Stefaniuk / Carbon–cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution/ National Academy of Science
Если изготовить по такой технологии около 50 кубометров бетона — столько в среднем уходит на фундамент частного жилого дома, — то можно накопить 10 киловатт-часов электроэнергии — этого должно хватить на обеспечение всех потребностей в течение дня.
То же самое применимо к другим конструкциям из бетона, например к дорожному полотну. Оно могло бы накапливать энергию и отдавать ее машинам с помощью беспроводных индукционных устройств. Разработки в этом направлении уже есть в Голландии и Германии.
В отличие от современных батарей, суперконденсаторы безопаснее, ведь в них используются негорючие электролиты. Если производить их будет дешевле, нас ждет технологический переворот. Но здесь все упирается в ограничение ионисторов: чтобы сделать их мощнее, нужно увеличивать размер (одна «пуговка» может зажечь только одну-две лампочки). А чем больше размер суперконденсатора, тем хуже у него становится электропроводимость. Выход из этого — добавлять в цемент больше технического углерода, но немного, чтобы не нарушить прочность материала. Такие эксперименты уже ведутся.
