MIT エンジニアがエネルギーをクラフト

Nov 08, 2023

マサチューセッツ州ケンブリッジ -- 人類の最も遍在する歴史的物質の 2 つであるセメントとカーボンブラック (非常に細かい木炭に似ている) が、斬新で低コストのエネルギー貯蔵システムの基礎を形成する可能性があることが、新たな研究で明らかになりました。 この技術により、再生可能エネルギーの供給量が変動してもエネルギーネットワークの安定性を維持できるため、太陽光、風力、潮力などの再生可能エネルギー源の利用が促進される可能性がある。

研究者らは、この 2 つの材料を水と組み合わせると、電気エネルギーを貯蔵できるスーパーキャパシタ (電池の代替品) を作ることができることを発見しました。 一例として、このシステムを開発したマサチューセッツ工科大学の研究者らは、スーパーキャパシタは最終的には住宅のコンクリート基礎に組み込むことができ、基礎の費用をほとんど（またはまったく）追加せずに、丸1日分のエネルギーを蓄えることができると述べている。必要な構造強度も提供します。 研究者らはまた、電気自動車が走行する際に非接触充電を提供できるコンクリート道路を構想している。

このシンプルだが革新的なテクノロジーについては、PNAS 誌に今後掲載される論文、MIT 教授の Franz-Josef Ulm、Admir Masic、Yang-Shao Horn、および MIT と Wyss Institute の他の 4 名による論文で説明されています。

コンデンサは原理的に非常に単純なデバイスで、電解液に浸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。 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。

コンデンサの 2 つのプレートは、同じ電圧の充電式バッテリーの 2 つの極と同じように機能します。バッテリーと同様に、電源に接続すると、エネルギーがプレートに蓄えられ、負荷に接続すると、電気が蓄えられます。電流が逆流して電力を供給します。

「この材料は魅力的です」とマシックは言う。「なぜなら、世界で最も使用されている人工材料であるセメントがあり、それをカーボンブラックと組み合わせたものであり、それは有名な歴史的材料であり、死海文書はそれを使って書かれたのです」少なくとも 2,000 年前の材料があり、それらを特定の方法で組み合わせると、導電性ナノ複合材料が得られ、それが本当に興味深いことになります。」