エネルギー貯蔵における画期的な進歩:新しいスーパーキャパシタ

マサチューセッツ工科大学 (MIT) による新しい研究によると、人類史上最も一般的な 2 つの材料、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ます) が、新しい低コストのエネルギー貯蔵の基本原料となる可能性があります。システム。

MITの研究者らは、これら2つの材料が水と結合して、電気エネルギーを蓄えることが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の利用が促進されるという。
 

たとえば研究者らは、同社の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、非常に低コスト（または無料）で丸一日エネルギーを蓄え、なおかつ住宅に必要な構造強度を提供できると述べている。 研究者らはまた、この道路を走行する電気自動車に非接触充電を提供できるコンクリート道路を建設することも構想している。

最新の研究結果は最近、米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に掲載されました。

コンデンサは原理的には非常に単純なデバイスであり、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。 コンデンサに電圧が印加されると、電解質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し、正に帯電したプレートは負に帯電したイオンを蓄積します。

プレート間の膜が荷電イオンの移動を妨げているため、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。 これら 2 つのボードは、このペアの充電を長期間維持し、必要なときに非常に迅速に充電を提供できます。 スーパーキャパシタは、非常に大量の電荷を蓄えることができるコンデンサです。
コンデンサが蓄えることができる電気の量は、その導電板の総表面積によって決まります。 同チームが開発した新しいスーパーキャパシタの鍵は、セメントベースの材料の製造方法にある。セメントベースの材料は、その体積内で高密度で相互接続された導電性材料ネットワークにより、非常に大きな内部表面積を有する。

具体的には、研究者らは、導電性の高いカーボンブラック、セメント粉末、水をコンクリート混合物に入れて固めることでこの目標を達成しました。 水がセメントと反応す​​ると、構造内に自然に分岐ネットワークが形成され、炭素がこれらの空間に移動して、硬化したセメント内に線状構造が形成されます。

これらの構造は分岐構造を持ち、大きな枝から小さな枝が生じるなど、最終的には比較的小さな体積範囲内に非常に大きな表面積を形成します。
次に、この材料を塩化カリウム (塩) などの標準的な電解質材料に浸し、炭素構造上に蓄積する荷電粒子を提供します。 研究者らは、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によって分離され、非常に強力なスーパーキャパシタを形成していることを発見しました。

研究者らは、セメントとカーボンブラックは少なくとも2000年の歴史を持つ2つの材料であると指摘しています。 「これらを特定の方法で組み合わせると、導電性のナノ複合材料が得られます。このとき、物事は本当に興味深いものになります。さらに、必要な炭素含有量は非常に少なく、混合物体積のわずか 3 パーセントを占め、浸透性の物質を形成することができます。」カーボンネットワーク。
研究者らは、この材料で作られたスーパーキャパシタには、世界の再生可能エネルギーへの移行を助ける大きな可能性があると述べている。 風力エネルギー、太陽エネルギー、潮力エネルギーなどの主な非排出エネルギー源はすべて、電力使用量のピークと一致しないことが多い変動時間に出力を生成します。 したがって、電気を蓄える方法が不可欠です。

大規模なエネルギー貯蔵システムの需要は非常に高く、既存の電池は高価すぎて主にリチウムなどの材料に依存しています。 リチウムの供給には限りがあるため、より安価な代替品が急務となっています。 セメントはどこにでもあるため、この分野では私たちの技術が非常に有望です」と彼らは言いました。
研究チームは、45立方メートルのサイズのナノカーボンブラックをドープしたコンクリート（直径約3.5メートルの立方体に相当）は、約10-キロワット時のエネルギーを貯蔵するのに十分な容量があると計算しました。家庭の1日あたりの平均的な電力消費量。 コンクリートには強度を維持する能力があるため、この材料で建てられた家は、ソーラーパネルや風車によって生成されたエネルギーを1日蓄え、必要なときに使用することができます。 さらに、スーパーキャパシタの充電および放電速度は、バッテリーの充電および放電速度よりもはるかに高速です。
研究者らはまた、この技術の最初の使用は、送電網から遠く離れた孤立した住宅、建物、または避難所で行われる可能性があり、セメントのスーパーキャパシタに接続された太陽電池パネルから電力を供給される可能性があるとも述べている。
彼らは、エネルギー貯蔵容量が電極体積の直接的な関数であるため、このシステムは非常に拡張性があると述べました。 厚さ1mmの電極を厚さ1mの電極に変えることができ、これにより、LEDの数秒間の点灯から家全体への電力供給まで、基本的にエネルギー貯蔵容量を拡大できます。

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