Betonska baterija sada ima 10 puta veću snagu

Beton već gradi naš svijet, a sada je korak bliže tome da ga i napaja. Napravljen kombiniranjem cementa, vode, ultrafinog ugljičnog crnila (s nanočesticama) i elektrolita, ugljični beton koji provodi elektrone (ec³) stvara vodljivu "nanomrežu" unutar betona koja bi mogla omogućiti svakodnevnim strukturama poput zidova, pločnika i mostova pohranjivanje i oslobađanje električne energije. Drugim riječima, beton oko nas jednog bi dana mogao poslužiti i kao divovske "baterije".

Kako istraživači američkog tehnološkog instituta MIT izvještavaju u novom radu u časopisu PNAS, optimizirani elektroliti i proizvodni procesi povećali su kapacitet pohrane energije najnovijih ec³ superkondenzatora za red veličine. Prije dvije godine pohrana dovoljno energije za zadovoljavanje dnevnih potreba prosječnog doma zahtijevala bi oko 45 kubičnih metara ec³, a sada se, s poboljšanim elektrolitom, isti zadatak može postići s oko 5 kubičnih metara.

„Ključ održivosti betona je razvoj 'multifunkcionalnog betona' koji integrira funkcionalnosti poput skladištenja energije,  samoobnavljanja i  vezivanja ugljika. Beton je već najkorišteniji građevinski materijal na svijetu, pa zašto ne iskoristiti tu veličinu za stvaranje drugih prednosti?“, pita Admir Mašić, glavni autor nove studije, sudirektor MIT-ovog centra za elektron-vodljive ugljiko-cementne materijale (EC³ Hub) i izvanredni profesor građevinskog i okolišnog inženjerstva (CEE) na MIT-u.

Poboljšana gustoća energije omogućena je dubljim razumijevanjem načina na koji mreža nanougljičnog crnila unutar ec³ materijala funkcionira i interagira s elektrolitima.

Koristeći fokusirane ionske snopove za sekvencijalno uklanjanje tankih slojeva ec³ materijala, nakon čega slijedi snimanje visoke rezolucije svake kriške skenirajućim elektronskim mikroskopom (tehnika nazvana FIB-SEM tomografija), tim iz EC³ Huba i  MIT Concrete Sustainability Huba uspio je rekonstruirati vodljivu nanomrežu u dosad najvećoj rezoluciji. Ovaj pristup omogućio je timu da otkrije da je mreža u biti fraktalna "mreža" koja okružuje pore ec³ materijala , što omogućuje infiltraciju elektrolita i protok struje kroz sustav.

Tim je eksperimentirao s različitim elektrolitima i njihovim koncentracijama kako bi vidio na koji način utječu na gustoću pohrane energije. Kako ističe Damian Stefaniuk, prvi autor i znanstveni istraživač EC³ Huba, „otkrili smo da postoji širok raspon elektrolita koji bi mogli biti održivi kandidati za ec³. To čak uključuje i morsku vodu, što bi ga moglo učiniti dobrim materijalom za upotrebu u obalnim i morskim primjenama, možda kao potporne strukture za vjetroelektrane na moru.“

Istovremeno, tim je pojednostavio način dodavanja elektrolita u smjesu. Umjesto sušenja ec³ elektroda, a zatim namakanja u elektrolitu, dodali su elektrolit izravno u vodu za miješanje. Budući da prodiranje elektrolita više nije bilo ograničenje, tim je mogao lijevati deblje elektrode koje su pohranjivale više energije.

Tim je postigao najbolje rezultate kada je prešao na organske elektrolite, posebno one koji su kombinirali kvaternarne amonijeve soli - koje se nalaze u svakodnevnim proizvodima poput dezinficijensa - s acetonitrilom, bistrom, vodljivom tekućinom koja se često koristi u industriji. Kubični metar ove verzije ec 3 - otprilike veličine hladnjaka - može pohraniti preko 2 kilovat-sata energije. To je otprilike dovoljno za napajanje pravog hladnjaka tijekom jednog dana.

Iako baterije održavaju veću gustoću energije, ec³ se  u principu može izravno ugraditi u širok raspon arhitektonskih elemenata - od ploča i zidova do kupola i svodova, i trajati koliko i sama konstrukcija.

Inspiriran rimskom arhitekturom, tim je izgradio minijaturni ec³ luk kako bi pokazao kako strukturni oblik i skladištenje energije mogu funkcionirati zajedno. Radeći na 9 volti, luk je podupirao vlastitu težinu i dodatno opterećenje, a istovremeno je napajao LED svjetlo.

Najnoviji razvoj ec³ tehnologije približava je skalabilnosti u stvarnom svijetu. Već se koristi za  grijanje pločnika u Sapporu u Japanu zbog svojih toplinski vodljivih svojstava, što predstavlja potencijalnu alternativu posipanju soli.

„S ovim većim gustoćama energije i dokazanom vrijednošću u širem području primjene, sada imamo snažan i fleksibilan alat koji nam može pomoći u rješavanju širokog raspona trajnih energetskih izazova“, objašnjava Stefaniuk. „Jedna od naših najvećih motivacija bila je pomoći u omogućavanju prijelaza na obnovljive izvore energije. Solarna energija, na primjer, znatno je napredovala u smislu učinkovitosti. Međutim, može generirati energiju samo kada ima dovoljno sunčeve svjetlosti. Dakle, pitanje je: Kako zadovoljiti svoje energetske potrebe noću ili za oblačnih dana?“ 

Franz-Josef Ulm, sudirektor EC³ Huba i profesor CEE-a, nastavlja temu: „Odgovor je da vam je potreban način za pohranu i oslobađanje energije. To je obično značilo bateriju, koja se često oslanja na rijetke ili štetne materijale. Vjerujemo da je ec³  održiva zamjena, koja omogućuje našim zgradama i infrastrukturi da zadovolje naše potrebe za pohranom energije.“ Tim radi na primjenama poput parkirnih mjesta i cesta koje bi mogle puniti električna vozila, kao i domova koji mogu raditi u potpunosti izvan mreže.