Что, если бы энергию, питающую дом или офис, можно было вырабатывать, хранить и использовать в одном и том же месте? Это можно будет реализовать в отношении зданий следующего поколения, которые будут получать энергию из возобновляемых источников и хранить ее поблизости — возможно, даже в бетоне, из которого построено само здание. В статье, опубликованной в ACS Nano, исследователи рассказывают о разработке эффективного цементного суперконденсатора, который в ходе испытаний показал себя не хуже обычного бетона.
Суперконденсаторы накапливают относительно небольшое количество энергии, но они быстро принимают и отдают эту энергию, а в некоторых случаях могут работать миллионами циклов. Поэтому, внедряя эти устройства непосредственно в строительные материалы, такие как цемент, исследователи надеются, что энергия, вырабатываемая рядом со зданием (например, солнечными панелями), будет накапливаться внутри конструкции, а не в громоздких батареях на крыше или в подсобном помещении. «Если возобновляемые источники энергии будут доступны для достаточно частой подзарядки [суперконденсаторов], они смогут удовлетворять некоторые потребности в энергии за счет многократной зарядки и разрядки», — говорит Цзин Чжун, автор исследования.
Исследователи сначала смешали углеродные нанотрубки, технический углерод и цемент, чтобы получить чернила для печати электродов. Затем с помощью 3D-принтера они нанесли чернила на небольшую бетонную плиту в виде узора, напоминающего переплетенные пальцы. По мере гидратации цемента в плите его поры заполнялись водой и ионами, которые легко перемещались между электродами. Поскольку такая конструкция сокращала расстояние, которое должны были преодолеть заряженные ионы, суперконденсатор в целом был более эффективным, чем предыдущие версии.
Тесты показали, что суперконденсатор на основе цемента обладает прочностью на сжатие, сравнимой с прочностью коммерческого бетона, используемого для изготовления перекрытий и лестниц. Три устройства, напечатанные на одной плите и соединенные между собой, также питали небольшую группу светодиодов. В будущем суперконденсаторы смогут питать все что угодно — от аварийного освещения до датчиков с автономным питанием. Наконец, команда обнаружила, что новый суперконденсатор стабильно работает при умеренном нагреве и охлаждении, но при температуре около нуля градусов по Фаренгейту (минус 18 градусов по Цельсию) его эффективность начинает снижаться. Будущие исследования будут направлены на повышение эффективности суперконденсаторов в условиях низких температур.