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Jun 09, 2023

MIT-Wissenschaftler schlagen Stromspeicherung mithilfe von Zementblöcken vor

Plan zur Kommerzialisierung von Superkondensatoren in den nächsten Jahren Forscher am MIT haben eine neue Batteriealternative vorgeschlagen, die aus sehr einfachen Materialien besteht. Mit einer Form von Kohlenstoff angereicherte Zementblöcke

Planen Sie die Kommerzialisierung von Superkondensatoren in den nächsten Jahren

Forscher am MIT haben eine neue Batteriealternative vorgeschlagen, die aus sehr einfachen Materialien besteht.

Mit einer rußähnlichen Kohlenstoffform angereicherte Zementblöcke könnten genug Energie speichern, um ganze Haushalte mit Strom zu versorgen. Ein einzelner 3,5-Meter-Block könnte 10 kWh Energie speichern und ein Haus einen Tag lang mit Strom versorgen, und die Technologie könnte innerhalb weniger Jahre kommerzialisiert werden, sagen die Wissenschaftler.

Ähnliche in Straßen eingebaute Kondensatoren könnten Autos drahtlos aufladen, sagen die MIT-Professoren Franz-Josef Ulm, Admir Masic und Yang-Shao Horn sowie andere am MIT und am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in einem Artikel.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Ruß, eine Form des Elements, das in unvollständig verbranntem Material vorkommt, Zementblöcken beim Aushärten zugesetzt werden kann, wodurch sie in Superkondensatoren umgewandelt werden, die große elektrische Ladungen speichern können.

Kondensatoren halten elektrische Ladung auf getrennten Metallleitern. Die Energie, die sie enthalten, hängt von der Oberfläche des leitfähigen Materials ab, und das Team entdeckte, dass sie ganz einfach eine riesige Oberfläche erzeugen konnten, indem sie dem nassen Zement Ruß hinzufügten.

Ruß ist sehr leitfähig und diffundiert im nassen Zement und dringt in Hohlräume ein, die das Wasser bei der Reaktion während des Aushärtungsprozesses hinterlassen hat. Dadurch entsteht innerhalb des letztendlichen massiven Betonblocks ein Netzwerk aus winzigen drahtähnlichen Mikrofasern, das fraktal strukturiert ist und über mehrere Äste verfügt, die immer kleinere Äste tragen.

Das Material wird dann in Salz wie Kaliumchlorid getränkt, das als Elektrolyt fungiert und die geladenen Partikel bereitstellt, die sich auf den Kohlenstoffstrukturen ansammeln. Zwei Elektroden aus diesem Material, getrennt durch einen dünnen Zwischenraum oder eine Isolierschicht, bilden einen sehr leistungsstarken Superkondensator.

„Das Material ist faszinierend“, sagt Masic, „weil es das am häufigsten verwendete künstliche Material der Welt gibt, Zement, das mit Ruß kombiniert wird, ein bekanntes historisches Material – die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben.“ . Es gibt diese mindestens zwei Jahrtausende alten Materialien, aus denen, wenn man sie auf eine bestimmte Weise kombiniert, ein leitfähiges Nanokomposit entsteht, und dann wird es wirklich interessant.“

Während die Mischung aushärtet, „organisiert sich der Ruß selbst zu einem verbundenen leitenden Draht“, sagt er.

Zementkondensatoren können überall auf der Welt hergestellt werden, und die Blöcke kommen mit nur drei Prozent Ruß in der Mischung aus.

Die Blöcke könnten bei der Energiewende helfen, denn weltweit werden Energiespeicher benötigt, um erneuerbare Energien wie Solar- und Windkraft auszugleichen, die nicht gleichzeitig produziert werden, wenn sie benötigt werden.

„Es besteht ein enormer Bedarf an großen Energiespeichern“, sagt Ulm, und bestehende Batterien sind teuer und basieren auf Materialien wie Lithium, dessen Vorräte begrenzt sind, sodass billigere Alternativen dringend benötigt werden. „Hier ist unsere Technologie äußerst vielversprechend, denn Zement ist allgegenwärtig.“

Das Team hat herausgefunden, dass ein 45 Kubikmeter großer Materialblock aus mit Nanoruß dotiertem Beton über eine ausreichende Kapazität verfügen würde, um etwa 10 kWh Energie zu speichern, was schätzungsweise dem durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch eines Haushalts entspricht, also abgelegenen, netzunabhängigen Häusern Batterien in den Fundamenten könnten mit Windrädern oder Sonnenkollektoren betrieben werden.

In Rechenzentren könnte es möglich sein, USV-Batterien zu verwenden, die Teil der Gebäudestruktur sind.

Wenn leistungsstärkere Kondensatoren benötigt werden, können diese mit einer höheren Rußkonzentration hergestellt werden, allerdings auf Kosten einer gewissen strukturellen Festigkeit. Dies könnte für Anwendungen nützlich sein, bei denen der Beton keine strukturelle Rolle spielt oder bei denen nicht das volle Festigkeitspotenzial von Beton erforderlich ist. Für Anwendungen wie ein Fundament oder Strukturelemente der Basis einer Windkraftanlage liegt der „Sweet Spot“ bei etwa 10 Prozent Ruß in der Mischung, sagt das Team.

Als Proof of Concept begann das Team ganz klein, mit Superkondensatoren von der Größe einer Knopfzellenbatterie, einem Zentimeter Durchmesser und einem Millimeter Dicke. Drei davon wurden auf ein Volt aufgeladen und zur Stromversorgung einer 3-V-Leuchtdiode (LED) verwendet.

Der nächste Schritt besteht darin, Blöcke in der Größe einer typischen 12-Volt-Autobatterie herzustellen und diese dann zu einer 45-Kubikmeter-Version zu entwickeln, um zu demonstrieren, dass sie Strom für ein ganzes Haus speichern kann.

Darüber hinaus könnten Zementkondensatoren in Betonfahrbahnen eingebaut werden, wo sie die von Sonnenkollektoren am Straßenrand erzeugte Energie speichern und diese drahtlos zum Aufladen von entlang der Straße fahrenden Fahrzeugen liefern würden. In Deutschland und anderswo wird kabelloses Laden für Autos eingesetzt.

Laut Ulm ist das System sehr skalierbar, da die Energiespeicherkapazität direkt vom Volumen der Elektroden abhängt. „Man kann von Elektroden mit einer Dicke von einem Millimeter auf Elektroden mit einer Dicke von einem Meter umsteigen und auf diese Weise grundsätzlich die Energiespeicherkapazität skalieren, von der Beleuchtung einer LED für ein paar Sekunden bis hin zur Stromversorgung eines ganzen Hauses“, sagt er. Es ist außerdem einstellbar und ermöglicht je nach verwendeter Mischung ein schnelleres oder langsameres Laden.

Die Emissionen von Beton in der Bauindustrie sind enorm und machen acht Prozent der weltweiten Emissionen aus, mehr als die Emissionen der Luftfahrtindustrie. Ulm sagt, dass die Umwandlung von Beton in einen Energiespeicher „Teil der Energiewende“ werden könnte.

Zum Forschungsteam gehörten außerdem die Postdoktoranden Nicolas Chanut und Damian Stefaniuk vom Department of Civil and Environmental Engineering des MIT, James Weaver vom Wyss Institute und Yunguang Zhu vom Department of Mechanical Engineering des MIT. Die Arbeit wurde vom MIT Concrete Sustainability Hub unterstützt und von der Concrete Advancement Foundation gesponsert.