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May 02, 2024

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MITの研究者らは、セメントとカーボンブラックを水と混ぜると、得られたコンクリートが自己集合して、電力を供給するのに十分な電力を供給できるエネルギー貯蔵スーパーキャパシタになることを発見した。

MITの研究者らは、セメントとカーボンブラックを水と混ぜると、得られたコンクリートが自己集合してエネルギーを蓄えるスーパーキャパシタとなり、家庭に電力を供給したり、電気自動車を急速充電したりするのに十分な電力を供給できることを発見した。

エネルギー貯蔵にコンクリートを使用するというアイデアについては以前にも書きました。2021 年に遡ると、チャルマーズ工科大学のチームは、炭素繊維メッシュ電極の周りに流し込まれたコンクリートに有用な量の電気エネルギーを貯蔵する方法を示しました。導電性を高めるためのカーボンファイバー。

MITの発見は、コンクリートにメッシュ電極を敷設する必要がなくなり、代わりに硬化プロセスの一部としてカーボンブラックが独自の接続された電極構造を形成できるため、物事を次のレベルに引き上げたようです。

このプロセスは、水とセメントが反応する仕組みを利用しています。 コンクリートが硬化し始めると、水がコンクリート内に分岐した溝のネットワークを形成し、カーボン ブラックが自然にそれらの溝に移動します。 これらのチャネルはフラクタルのような構造を示し、大きな枝がどんどん小さな枝に分かれ、コンクリート全体に広がる非常に大きな表面積を持つ炭素電極を形成します。

これらの分岐のうち 2 つは、絶縁層または薄い空間によって分離されており、全体が塩化カリウムなどの標準的な電解質に浸されると、スーパーキャパシタのプレートとして適切に機能します。

もちろん、スーパーキャパシタはほぼ即座に充電と放電ができるため、電力密度と出力は通常、標準的なリチウム電池で得られるものよりもはるかに高くなります。

エネルギー密度は低くなり、カーボン ブラックを追加するとエネルギー貯蔵量が増加し、最終的なコンクリートが弱くなるため、容積的に貯蔵されるエネルギー量とコンクリートの強度との間にはトレードオフが必要になります。

しかし、ここでの素晴らしい点は、このエネルギー貯蔵デバイスは小さい必要はないということです。 コンクリートは大量に使用される傾向があります。 適度に標準的な厚さ 5 インチ (13 cm) のコンクリート スラブ上に建てられた平均的なアメリカの 2,000 平方フィート (185.8 m2) の住宅では、約 31 立方ヤード (約 24 m3) のコンクリートが使用されます。 私道やコンクリートのガレージがある場合はさらに追加し、家がコンクリートの壁や柱を使用して建てられている場合はさらに大幅に追加します。

MITチームによると、ナノカーボンブラックドープコンクリートの1,589立方フィート（45立方メートル）のブロックは約10kWhの電力を蓄えることができ、これはアメリカの平均的な家庭の電力消費量の約3分の1をカバーするか、電力網を削減するのに十分な量だという。適切なサイズの屋上太陽光発電アレイと組み合わせることで、電気代はほぼゼロになります。 さらに、追加コストはほとんど、あるいはまったくかかりません。

研究チームは、これらの具体的なスーパーキャパシタを小規模でテストし、一対の電極を切り取ってボタン電池ほどの大きさの小さな 1 ボルトのスーパーキャパシタを作成し、そのうちの 3 つを使用して 3 ボルトの LED を点灯しました。 現在、自動車のバッテリーと同じサイズのブロックの開発に取り組んでおり、より大規模なデモンストレーション用に1,589立方フィート、10kWhのバージョンをターゲットにしている。

昨日ジャーナル PNAS に発表された新しい研究の共著者である MIT 教授フランツ・ジョセフ・ウルム氏によると、これは非常にスケーラブルなテクノロジーです。

「厚さ 1 ミリメートルの電極から 1 メートルの電極まで増やすことができます。そうすることで基本的に、LED を数秒間点灯することから家全体に電力を供給するまで、エネルギー貯蔵容量を拡張することができます」とウルム氏は述べています。プレスリリース。

家の外に目を向けると、建物から地面、道路網に至るまで、あらゆる場所にコンクリートが使われています。 研究チームは、このエネルギー貯蔵コンクリートを道路脇のソーラーパネルや誘導充電コイルと組み合わせて、オンデマンドで大量の電力を供給するスーパーキャパシターの能力のおかげで、超高速のドライブスルーワイヤレスEV充電道路を構築できる可能性があると述べている。

また、大規模な送電網ベースのエネルギー貯蔵施設の基礎にはおそらく大量のコンクリートが使用されており、巨大なコンクリートのスーパーキャパシタが動きの遅い化学電池とうまく組み合わせて、大きな電力を供給できる可能性があるという興味深い可能性が高まっている。電力網に迅速に接続するだけでなく、低電力で長期間の貢献も可能です。