セメント + カーボンブラック + 水 = スーパーキャパシタ

水やカーボンブラックなど、ありふれた豊富な材料から作られたスーパーキャパシタを想像してみてください。 可能性は無限大。

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フランツ・ヨーゼフ・ウルム教授、アドミール・マシック教授、ヤン・シャオ・ホーン教授率いるMITの研究者らは、セメント、カーボンブラック、水を特定の割合で混合すると、電気エネルギーを蓄えるスーパーキャパシタとしても機能するコンクリートが生成されることを発見した。 。 2023年7月31日にジャーナルPNASに掲載された論文で、研究者らは次のように書いている。

「再生可能エネルギー システムを大規模に導入するには、エネルギーの供給と需要の不均衡を効果的に管理するためのエネルギー貯蔵ソリューションの開発が必要です。 ここでは、地球上の事実上どこからでも局所的に調達できる容易に入手可能な材料前駆体、つまりセメント、水、カーボンブラックから構築されたスーパーキャパシタのエネルギー貯蔵のための、このようなスケーラブルな材料ソリューションを研究します。

「テクスチャ分析により、炭素の存在下でのセメントの水和反応により、耐荷重セメントベースのマトリックスに浸透するフラクタルのような電子伝導性炭素ネットワークが生成されることが明らかになりました。 電荷貯蔵に利用可能な高比表面積のこの空間充填カーボン ブラック ネットワークのエネルギー貯蔵容量は強力な量であることが示されていますが、カーボン セメント電極の高速能力は水和による自己相似性を示します。電荷輸送に利用可能な多孔性。

「エネルギー貯蔵とレート能力のこの集中的で自己相似的な性質は、電極から構造スケールまでの質量スケールの機会を表しています。 これらの炭素セメント スーパーキャパシタの可用性、多用途性、拡張性により、高エネルギー貯蔵容量、高速充放電能力、エネルギー自給自足から持続可能な住宅および産業用途に向けた構造強度を活用する多機能構造の設計の地平が開かれます。電気自動車用のシェルターや自己充電道路から、風力タービンや潮力発電所用の間欠的エネルギー貯蔵まで。」

MITはブログ投稿で、コンデンサは非常に単純なデバイスであると述べた。 これらは、電解液に浸漬され膜で分離された 2 枚の導電性プレートで構成されています。 コンデンサの両端に電圧が印加されると、電解液からの正に帯電したイオンが負に帯電したプレート上に蓄積され、正に帯電したプレートには負に帯電したイオンが蓄積されます。

プレート間の膜は荷電イオンの移動をブロックするため、この電荷の分離によりプレート間に電界が形成され、コンデンサが充電されます。 2 つのプレートはこのペアの充電を長期間維持し、必要に応じて非常に迅速に供給できます。 スーパーキャパシタは、非常に大きな電荷を蓄えることができる単なるコンデンサです。

コンデンサが蓄えることができる電力の量は、その導電板の総表面積によって決まります。 このチームが開発した新しいスーパーキャパシタの鍵は、バルク体積内の導電性材料の高密度で相互接続されたネットワークにより、非常に大きな内部表面積を備えたセメントベースの材料を製造する方法に由来します。

PNAS経由の画像

研究者らは、導電性の高いカーボンブラックをセメント粉末と水とともにコンクリート混合物に導入し、硬化させることでこれを達成した。 水はセメントと反応す​​る際に構造内に開口部の分岐ネットワークを自然に形成し、炭素がこれらの空間に移動して硬化したセメント内にワイヤー状の構造を形成します。 これらの構造はフラクタルのような構造をしており、大きな枝から小さな枝が芽生え、その枝からさらに小さな枝が芽生えるというように、比較的小さな体積の範囲内で非常に大きな表面積を持ちます。

次に、この材料は、塩の一種である塩化カリウムなどの標準的な電解質材料に浸漬され、炭素構造上に蓄積する荷電粒子が生成されます。 この材料で作られた 2 つの電極が、薄い空間または絶縁層で分離され、非常に強力なスーパーキャパシタを形成することを研究者らは発見した。