このスーパーキャパシタはセメントから作られています

世界が化石燃料からの脱却を目指し続けている中、研究者たちは、ソーラーパネルなどのより環境に優しい資源から生成されるエネルギーを貯蔵する新しい方法を模索しています。 その取り組みの一環として、ハーバード大学ウィス生物インスピレーション工学研究所とマサチューセッツ工科大学の研究チームは、セメント、水、およびカーボンブラックと呼ばれる炭素の一種のみを使用してスーパーキャパシタを開発しました。

再生可能資源から生成されたエネルギーは、多くの場合、雨の日に備えて保管する必要があります。 しかし、バッテリーが常に最良の選択肢であるとは限りません。 充電には時間がかかり、その構築にはリチウムなどの入手困難な材料が必要であり、高価で環境に有害となる可能性があります。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の土木・環境工学教授フランツ・ヨーゼフ・ウルム氏とその同僚は、電池技術によって残されたギャップを埋めるだけでなく、コンクリートの別の環境問題にも対処するために、セメントなどの容易に入手できる材料を使ったスーパーキャパシタの開発に興味を持っていた。カーボンフットプリント。 彼らの研究は、7 月 31 日にジャーナル PNAS に掲載されました。

「（動機となる問題の）1つは、世界のセメントとコンクリートの生産による膨大な環境負荷であり、これは世界のCO2排出量のおよそ8パーセントに相当します」と、新しい論文の上級著者であるウルム氏は言う。 「このエネルギー貯蔵ソリューションを使用することで、化石燃料から再生可能エネルギーへの緊急に必要な移行を、レンガごと、壁ごと、道路ごとにサポートできます。」

研究チームは、スーパーキャパシタの電極のベースとしてセメントを使用することで、セメントのイメージを取り戻そうとしました。 化学反応を利用して電気を保持したり放電したりするバッテリーとは異なり、スーパーキャパシタは 2 つの導電性プレート間に電荷差を生み出すことで機能します。 この充電は長期間維持でき、必要なときにすぐに放電できます。

スーパーキャパシタを構築するために、研究チームはセメントと水を混ぜ合わせたペーストを混合し、次に少量のカーボン ブラックを導入しました。これは、何千年もの間顔料や筆記用具として使用されてきた、微細な木炭のような炭素です。 。 たとえば、カーボン ブラックは紀元前 3 世紀に死海文書を書くために使用されました。 歴史はさておき、カーボン ブラックは導電性の高い材料でもあります。

この新しいスーパーキャパシタは、カーボン ブラックを使用して作成された導電性材料の内部表面積が大きいため、簡単にスケール変更できます。Franz-Josef Ulm、Admir Masic、Yang-Shao Horn/MIT

セメント混合物が硬化するにつれて、水は吸収され、カーボン ブラックで満たされたトンネルの分岐ネットワークの後に残りました。 最終結果として、電極全体の体積を拡張することなく、セメントペーストが導電性のワイヤー状トンネルの広い表面積で充填されます。

ウルム氏は、電極内でのカーボンブラックの反応は、このスーパーキャパシタのスケールをより簡単にできる可能性があるため、重要な発見であると述べている。

「私たちが発見したのは、最大エネルギー貯蔵容量はカーボン ブラックの比表面積にのみ依存するということです」とウルム氏は言います。 「このカーボン ブラックは化学の魔法のおかげで空間を埋めることができるため、単純に体積を増やして大規模なバルク エネルギー ソリューションを作成することができます。」

研究チームは、2つの電極を電解質溶液に浸し、荷電粒子をシステムに供給することでスーパーキャパシタを完成させた。 試験では、1 ボルトの電荷を保持できるボタンサイズのコンデンサを製造し、そのコンデンサが 10,000 回の充放電サイクルにわたって最小限の損失で蓄電容量を維持できることが確認されました。 1 V スーパーキャパシタのうち 3 つは 3 V LED を充電することもできました。

研究チームはまた、セメントとカーボン ブラックの比率が異なるボタンサイズのコンデンサも開発しましたが、混合物にカーボン ブラックをより多く (体積で 10 パーセント以上) 追加すると貯蔵容量は増加しますが、セメントの構造的完全性が犠牲になることがわかりました。 そして、ウルム氏らが念頭に置いているユースケースでは、セメントの構造強度が不可欠です。

コンクリートはすでに道路の建設に使用されているため、研究チームは、スマートフォンのワイヤレス充電パッドと同様に、走行中に自動車をワイヤレス充電できるコンクリート道路の可能性があると考えています。 「このような自己充電道路はすでに存在しますが、道路システムに埋め込まれ、（ほとんどの場合）送電網のエネルギー源に接続されたコイルが使用されています。 私たちのシステムのエネルギーはクリーン エネルギー源から収集され、舗装構造に蓄えられます。」