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Aug 25, 2023

이 슈퍼커패시터는 시멘트로 만들어졌습니다.

세계가 계속해서 화석 연료에서 벗어나려고 노력함에 따라 연구자들은 태양 전지판과 같은 친환경 에너지원에서 생산된 에너지를 저장하는 새로운 방법을 찾고 있습니다. 그러한 노력의 일환으로 다음 팀은

세계가 계속해서 화석 연료에서 벗어나려고 노력함에 따라 연구자들은 태양 전지판과 같은 친환경 에너지원에서 생산된 에너지를 저장하는 새로운 방법을 찾고 있습니다. 이러한 노력의 일환으로 하버드의 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering과 MIT 연구진은 시멘트, 물, 카본 블랙이라는 탄소 형태만을 사용하여 슈퍼커패시터를 개발했습니다.

재생 가능 에너지원에서 생산된 에너지는 비오는 날에 대비해 저장해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 배터리가 항상 최선의 선택은 아닙니다. 충전하는 데 시간이 걸리며, 이를 구축하려면 비용이 많이 들고 환경에 해로울 수 있는 리튬과 같은 조달하기 어려운 재료가 필요합니다.

MIT의 토목 및 환경 공학 교수인 Franz-Josef Ulm과 그의 동료들은 배터리 기술로 인해 생긴 격차를 메울 뿐만 아니라 또 다른 환경 문제인 콘크리트 문제를 해결하기 위해 시멘트와 같이 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하여 슈퍼커패시터를 개발하는 데 관심이 있었습니다. 탄소 발자국. 그들의 연구는 7월 31일 PNAS 저널에 게재되었습니다.

"한 가지 동기를 부여하는 문제는 전 세계 CO2 배출량의 약 8%에 달하는 전 세계 시멘트 및 콘크리트 생산의 막대한 환경 발자국입니다."라고 새 논문의 수석 저자인 Ulm은 말합니다. "우리는 이 에너지 저장 솔루션을 사용하여 화석 연료에서 재생 에너지로 시급히 필요한 전환을 벽돌 하나하나, 벽 하나하나, 도로 하나하나를 지원할 수 있습니다."

팀은 시멘트를 슈퍼커패시터 전극의 기반으로 사용하여 시멘트의 이미지를 되찾으려고 했습니다. 전기를 유지하고 방전하기 위해 화학 반응을 사용하는 배터리와 달리 슈퍼커패시터는 두 개의 전도성 판 사이에 전하 차이를 생성하여 작동합니다. 이 충전량은 오랫동안 유지될 수 있으며 필요할 때 신속하게 방전될 수 있습니다.

슈퍼커패시터를 만들기 위해 팀은 시멘트와 물로 만든 페이스트를 섞은 다음 소량의 카본 블랙을 도입했습니다. 카본 블랙은 수천 년 동안 안료와 필기 재료로 사용되어 온 미세한 숯과 같은 형태의 탄소입니다. . 예를 들어, 카본 블랙은 기원전 3세기에 사해 두루마리를 작성하는 데 사용되었습니다. 역사를 떠나, 카본 블랙은 전도성이 높은 물질이기도 합니다.

이 새로운 슈퍼커패시터는 카본 블랙을 사용하여 생성된 전도성 물질로 내부 표면적이 넓기 때문에 쉽게 확장할 수 있습니다. Franz-Josef Ulm, Admir Masic 및 Yang-Shao Horn/MIT

시멘트 혼합물이 경화됨에 따라 물은 흡수되어 카본 블랙이 채워진 터널의 분기 네트워크 뒤에 남았습니다. 최종 결과는 전극의 전체 부피를 확장하지 않고 시멘트 페이스트가 전도성 와이어 모양 터널의 넓은 표면적으로 채워지는 것입니다.

Ulm은 전극에서 카본 블랙의 반응이 이 슈퍼커패시터의 스케일링을 훨씬 더 간단하게 만들 수 있기 때문에 중요한 발견이라고 말했습니다.

“우리가 발견한 것은 최대 에너지 저장 용량은 카본 블랙의 특정 표면에만 의존한다는 것입니다.”라고 Ulm은 말합니다. "이 카본 블랙은 화학의 마법 덕분에 공간을 가득 채울 수 있기 때문에 간단히 부피를 늘려 대규모 벌크 에너지 솔루션을 만들 수 있습니다."

연구팀은 두 개의 전극을 전해질 용액에 담가서 시스템에 하전 입자를 제공함으로써 슈퍼커패시터를 완성했습니다. 시험에서 그들은 1V의 충전을 유지할 수 있는 버튼 크기 커패시터를 제작했으며 커패시터가 10,000회 충전-방전 주기 동안 손실을 최소화하면서 저장 용량을 유지할 수 있다고 판단했습니다. 1V 슈퍼커패시터 중 3개도 3V LED를 충전할 수 있었습니다.

또한 팀은 시멘트와 카본 블랙의 비율이 다른 버튼 크기 커패시터를 개발했지만 혼합물에 더 많은 카본 블랙(부피 기준 10% 이상)을 추가하면 저장 용량이 증가하지만 이는 시멘트의 구조적 무결성을 희생한다는 사실을 발견했습니다. 그리고 Ulm과 동료들이 염두에 두고 있는 사용 사례에서는 시멘트의 구조적 강도가 필수적입니다.

콘크리트는 이미 도로 건설에 사용되고 있으므로 팀은 스마트폰용 무선 충전 패드와 유사하게 자동차가 운전하는 동안 무선으로 충전할 수도 있는 콘크리트 도로에 대한 기회를 보고 있습니다. “이러한 자체 충전 도로는 이미 존재하지만 도로 시스템에 내장되고 (대부분) 그리드 에너지원에 연결된 코일을 사용합니다. 우리 시스템의 에너지는 청정 에너지원에서 수확되어 포장 구조물에 저장됩니다.”