Ученые придумали, как электрифицировать цемент

Исследователи придумали новый способ хранения электричества в цементе с использованием дешевых и доступных материалов. Если увеличить масштаб, цемент может удерживать достаточно энергии в бетонном фундаменте дома, чтобы удовлетворить его ежедневные потребности в энергии. В дальнейшем электрифицированные дороги могут питать электромобили во время движения. И если ученые смогут найти способ сделать все это дешево, прогресс может предложить почти безграничные возможности для хранения энергии из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер.

Цементные устройства представляют собой своего рода упрощенную батарею, называемую суперконденсаторами. Они состоят из двух электропроводящих пластин, разделенных ионопроводящим электролитом и тонкой мембраной. По мере зарядки устройства на одной пластине накапливаются положительно заряженные ионы из электролита, а на другой - отрицательно заряженные ионы.

Количество накопленной энергии зависит от общей площади поверхности проводящих пластин суперконденсатора. На протяжении десятилетий исследователи пытались включить их в конструкционные материалы, такие как бетон, используемый в дорогах и зданиях, или углеродные композиты, используемые в кузовах автомобилей и самолетов. В отличие от лучших современных аккумуляторов, в суперконденсаторах обычно используются негорючие электролиты, что делает их более безопасными.

Проблема в том, что цемент, основной ингредиент бетона, обычно является плохим проводником электричества. Итак, в последние годы несколько групп ученых изготовили структурные суперконденсаторы, добавляя в цемент высокопроводящие формы углерода, такие как графен или углеродные нанотрубки. Хотя они хорошо работают, ингредиенты дороги и их трудно производить в огромных объемах, используемых в цементной промышленности.

В поисках более дешевой альтернативы исследователи обратились к древней форме порошкообразного углерода, известной как сажа, которая с древних времен использовалась в качестве черного пигмента. Дешевая и распространенная во всем мире сажа также обладает высокой электропроводностью.

Ученые смешали небольшой процент технического углерода с цементным порошком и добавили воду. Вода легко соединяется с цементом. Но поскольку частицы сажи отталкивают воду, они имеют тенденцию слипаться, образуя длинные взаимосвязанные усики внутри затвердевающего цемента, которые действуют как сеть проводов. Далее они разрезали этот проволочный цемент на маленькие пластины, создав суперконденсаторы толщиной 1 миллиметр и шириной 1 сантиметр, размером с кнопку. После добавления мембраны, электролита, сделанного из хлорида калия — простой соли — и воды, исследователи запечатали сэндвич-структуру. Когда они затем подключили провод к пластинам и щелкнули выключателем, цементные суперконденсаторы зажгли ряд светодиодных ламп.

Если бы для изготовления 45 кубометров бетона из цемента сажи использовалось — примерно столько же, сколько используется для фундамента стандартного дома, — он мог бы хранить 10 киловатт-часов энергии, чего достаточно для питания среднестатистического домохозяйства в течение дня. Если бы тот же подход использовался для строительства дорог, парковок или проездов, электрифицированный бетон мог бы хранить возобновляемую энергию и доставлять ее в электромобили с помощью индуктивных зарядных устройств. Одним из подходов может быть подача электричества в днище автомобилей через медные катушки, встроенные в проезжую часть, что немного похоже на то, как беспроводные зарядные устройства заряжают смартфоны. Такая технология уже разрабатывается в Германии и Нидерландах.

Предлагая более дешевую альтернативу более дорогим батареям, электрифицированный цемент также может сделать хранение возобновляемой энергии более доступным для развивающихся стран.