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Aug 14, 2023

시멘트

카본 블랙과 시멘트로 만든 새로운 비용 효율적이고 효율적인 슈퍼커패시터는 건물의 콘크리트 기초에 하루 분량의 에너지를 저장하거나 비접촉식 재충전을 제공할 수 있습니다.

카본 블랙과 시멘트로 만든 새로운 비용 효율적이고 효율적인 슈퍼커패시터는 건물의 콘크리트 기초에 하루 분량의 에너지를 저장하거나 전기 자동차가 건물 위를 이동할 때 비접촉 충전을 제공할 수 있습니다. 이 장치를 개발한 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)과 Wyss 연구소의 연구원에 따르면 이 장치는 태양광, 풍력, 조력과 같은 재생 에너지원의 사용을 촉진할 수도 있다고 합니다.

슈퍼커패시터는 기술적으로 전기 이중층 또는 전기화학적 커패시터로 알려져 있으며 그 성능은 배터리와 기존(유전체) 커패시터의 성능 사이에 속합니다. 슈퍼커패시터는 배터리보다 전하를 저장하는 능력은 떨어지지만 표면적이 수 평방 킬로미터에 달하는 다공성 전극 덕분에 기존 커패시터보다 우수합니다. 전압이 가해질 때 이러한 장치의 전해질-전극 경계면에 형성되는 이중층은 저장할 수 있는 전하량을 더욱 증가시킵니다.

슈퍼커패시터는 배터리에 비해 몇 가지 장점도 있습니다. 배터리는 충전하고 방전하는 데 몇 시간이 걸리는 반면, 슈퍼커패시터는 몇 분 안에 완료합니다. 또한 수명이 훨씬 길어 수천 주기가 아닌 수백만 주기 동안 지속됩니다. 화학 반응을 통해 작동하는 배터리와 달리 슈퍼커패시터는 전극 표면에 조립되는 전하를 띤 이온 형태로 에너지를 저장합니다.

Franz-Josef Ulm, Admir Masic 및 Yang-Shao Horn이 이끄는 팀이 개발한 새로운 장치에는 매우 높은 내부 표면적을 자랑하는 시멘트 기반 재료가 포함되어 있습니다. 연구진은 매우 미세한 숯과 유사한 카본 블랙을 함유한 건조 시멘트 혼합물로 시작하여 이를 달성했습니다. 이 혼합물에 그들은 물과 콘크리트 생산의 표준 감수제인 고성능감수제를 첨가했습니다. 물이 시멘트와 반응하면 자연적으로 구조 내에서 기공의 분기 네트워크가 형성되고, 탄소는 이러한 기공으로 이동하여 프랙탈과 같은 구조를 가진 철사 같은 필라멘트를 형성합니다. 매우 큰 표면적을 가진 재료를 제공하는 것은 조밀하고 상호 연결된 네트워크 구조입니다.

“우리는 새로운 재료를 플라스틱 튜브에 채우고 최소 28일 동안 굳힙니다.”라고 Ulm은 설명합니다. 그런 다음 샘플을 전극 크기의 덩어리로 자르고 이 전극을 표준 전해질 용액(염화칼륨)에 담근 다음 절연막으로 분리된 두 개의 전극으로 슈퍼커패시터를 만듭니다."

그런 다음 연구원들은 한 전극을 양전하에 연결하고 다른 전극을 음전하에 연결하여 전극을 분극화합니다. 충전하는 동안 전해질의 양전하 이온은 음전하를 띤 체적 탄소 와이어에 축적되고, 음전하 이온은 양전하를 띤 탄소 와이어에 축적됩니다.

막이 방해가 되면 하전된 이온이 전극 사이를 이동할 수 없습니다. 이러한 불균형은 초전도체를 충전하는 전기장을 생성합니다. Ulm은 “용적 와이어가 사용 가능한 공간을 채우고 있다는 사실(EDS-Raman 분광학을 통해 확인한 사실)은 카본 블랙의 매우 넓은 표면에 많은 에너지를 저장할 수 있게 해준다”고 말했습니다. “슈퍼커패시터에서 에너지원을 분리하면 저장된 에너지가 방출되어 다양한 응용 분야에 전력을 공급할 수 있습니다.”

PNAS에 자세히 설명된 계산에 따르면 45m3(3.55m 큐브에 해당)를 측정하는 재료 블록은 약 10kWh의 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 일반 가정의 일일 평균 전력 소비량과 거의 같습니다. 따라서 이 탄소-콘크리트 복합재를 포함하는 기초로 지어진 집은 예를 들어 태양광 패널에서 생성된 하루 분량의 에너지를 저장하고 필요할 때 방출할 수 있습니다. 또한 이 물질은 풍력 터빈과 같은 간헐적 발전기에 통합되어 에너지를 베이스에 저장했다가 정지 기간 동안 방출할 수 있습니다.