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May 16, 2023

MITの科学者がセメントブロックを使った電力貯蔵を提案

今後数年間でスーパーキャパシタの商業化を計画 MIT の研究者は、非常に基本的な材料から作られた新しい電池の代替品を提案しました。 炭素を注入したセメントのブロック

今後数年以内にスーパーキャパシタの商品化を計画

MIT の研究者は、非常に基本的な材料から作られた新しい電池の代替品を提案しました。

すすに似た炭素を注入したセメントのブロックは、家庭全体に電力を供給するのに十分なエネルギーを蓄えることができる。 科学者らによると、3.5メートルのブロック1つで10kWhのエネルギーを蓄え、住宅に1日分の電力を供給でき、この技術は数年以内に商業化できる可能性があるという。

マサチューセッツ工科大学のフランツ・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・ホーン教授らMITとウィス生物インスピレーション工学研究所の教授らは論文の中で、道路に同様のコンデンサを組み込めば、自動車をワイヤレスで充電できる可能性があると述べている。

科学者らは、不完全燃焼した材料に含まれる元素の一種であるカーボンブラックをセメントブロックが固まるときに加えると、大きな電荷を保持できるスーパーキャパシターに変えることができることを発見した。

コンデンサは、分離された金属導体に電荷を保持します。 それらが保持するエネルギーは導電性材料の表面積に依存し、研究チームは湿式セメントにカーボン ブラックを添加することで非常に簡単に巨大な表面積を作り出すことができることを発見しました。

カーボン ブラックは非常に導電性があり、湿ったセメント内に拡散し、硬化プロセス中に水が反応して残った空洞に入ります。 これにより、最終的に固いコンクリート ブロック内に小さなワイヤー状のマイクロファイバーのネットワークが作成され、フラク​​タルな方法で構造化され、複数の枝がさらに小さな枝を支えます。

次に、材料は塩化カリウムなどの塩に浸漬され、電解質として機能し、炭素構造上に蓄積する荷電粒子が提供されます。 この材料で作られた 2 つの電極は、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、それがカーボン ブラックと組み合わされていて、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生まれ、そこから物事が本当に面白くなります。」

混合物が固まるにつれて、「カーボン ブラックは自己集合して、接続された導線になります」と彼は言います。

セメントコンデンサは世界中のどこでも生産でき、ブロックは混合物中のわずか 3% のカーボンブラックでも機能します。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーは、必要なときに同時に生産されるわけではないため、世界中でエネルギー貯蔵が必要とされており、これらのブロックはエネルギー転換に役立つ可能性がある。

「大規模なエネルギー貯蔵に対する大きなニーズがある」とウルム氏は言う。既存の電池は高価で、供給が限られているリチウムなどの材料に依存しているため、より安価な代替品が強く求められている。 「セメントは遍在しているので、この分野では私たちの技術が非常に有望です。」

研究チームは、ナノカーボン ブラックをドープしたコンクリートの 45 立方メートルの材料ブロックが、家庭の 1 日あたりの平均電力使用量と考えられる約 10kWh のエネルギーを貯蔵するのに十分な容量があることを突き止めました。基礎内のバッテリーは風車やソーラーパネルを使用して動作する可能性があります。

データセンターでは、建物の構造の一部として UPS バッテリーを設置できる場合があります。

より強力なコンデンサが必要な場合は、構造強度をある程度犠牲にして、より高濃度のカーボン ブラックを使用してコンデンサを作成できます。 これは、コンクリートが構造的な役割を果たしていない用途や、コンクリートの潜在的な強度を最大限に発揮する必要がない用途に役立つ可能性があります。 基礎や風力タービンの基部の構造要素などの用途の場合、「スイートスポット」は混合物中の約 10% のカーボン ブラックであると研究チームは述べています。

概念実証として、チームは、直径 1 センチメートル、厚さ 1 ミリメートルのボタン電池とほぼ同じサイズのスーパーキャパシタを使用する非常に小さなものから始めました。 これらのうち 3 つは 1 ボルトに充電され、3V 発光ダイオード (LED) に電力を供給するために使用されました。