고대 재료를 통한 에너지 저장 슈퍼 커패시터 개발

고대 재료를 통한 에너지 저장 슈퍼 커패시터 개발

고대 재료를 통한 에너지 저장 슈퍼 커패시터 개발? 새로운 연구에 따르면 인류에서 가장 보편화된 역사적 소재 중 하나인 시멘트와 카본 블랙이 새롭고 저렴한 에너지 저장 시스템의 기반이 될 수 있다고 합니다. 이 기술은 재생 에너지 공급의 변동에도 불구하고 에너지 네트워크를 안정적으로 유지함으로써 태양열, 풍력, 조력과 같은 재생 에너지원의 사용을 촉진할 수 있습니다. 이러한 자료를 바탕으로 연구진은 이 두 가지 물질을 물과 결합하여 배터리의 대안인 슈퍼 커패시터를 만들어 전기 에너지를 저장할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어서 해당 시스템을 개발한 MIT 연구원들은 슈퍼 커패시터를 궁극적으로 주택의 콘크리트 기초에 통합하여 기초 비용에 거의 추가하지 않으면서도 필요한 구조적 강도를 제공하면서 하루 종일 에너지를 저장할 수 있다고 말합니다. 연구진은 또한 전기 자동차가 도로를 통과할 때 비접촉식 충전을 제공할 수 있는 콘크리트 도로를 구상하고 있습니다. 간단하지만 혁신적인 이 기술은 이번 주 PNAS 저널, MIT 프란츠 요제프 울름, 아미르 마시치, 양샤오 혼 교수와 MIT 및 와이스 생물학적 영감 공학 연구소의 다른 4명의 논문에 설명되어 있습니다. 커패시터는 원칙적으로 전해질에 담그고 멤브레인으로 분리된 두 개의 전기 전도성 플레이트로 구성된 매우 간단한 장치입니다. 커패시터에 전압을 가하면 전해질에서 양전하를 띤 이온이 음전하를 띤 플레이트에 축적되는 반면에 양전하를 띤 플레이트에는 음전하를 띤 이온이 축적됩니다. 판 사이의 막은 전하를 띤 이온이 교차하는 것을 차단하기 때문에 전하가 분리되면 판 사이에 전기장이 생성되고 커패시터가 충전됩니다. 두 개의 플레이트는 이 한 쌍의 전하를 오랫동안 유지한 다음 필요할 때 매우 빠르게 전달할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터는 매우 큰 전하를 저장할 수 있는 커패시터일 뿐입니다. 커패시터가 저장할 수 있는 전력의 양은 전도성 플레이트의 총 표면적에 따라 달라집니다. 이 연구팀이 개발한 새로운 슈퍼커패시터의 핵심은 벌크 부피 내에서 전도성 물질의 밀도 높고 상호 연결된 네트워크로 인해 내부 표면적이 매우 높은 시멘트 기반 물질을 생산하는 방법에서 비롯됩니다. 연구진은 전도성이 높은 카본 블랙을 시멘트 분말 및 물과 함께 콘크리트 혼합물에 투입하고 경화시켜 이를 달성했습니다. 물은 시멘트와 반응하면서 자연스럽게 구조물 내에 분기된 구멍 네트워크를 형성하고, 탄소는 이러한 공간으로 이동하여 경화된 시멘트 내에서 와이어와 같은 구조를 만듭니다. 이러한 구조는 프랙탈과 같은 구조로, 더 큰 가지는 계속해서 더 작은 가지로 연달아 싹을 틔우는 등 상대적으로 적은 부피의 경계 내에서 매우 넓은 표면적을 갖게 됩니다. 그런 다음 재료를 소금의 일종인 염화칼륨과 같은 표준 전해질 재료에 담근 다음 탄소 구조에 축적되는 하전 입자를 제공합니다. 연구진은 이 물질로 만들어진 두 개의 전극이 얇은 공간이나 단열층으로 분리되어 매우 강력한 슈퍼커패시터를 형성한다는 사실을 발견했습니다. 커패시터의 두 판은 등가 전압의 충전식 배터리의 두 극과 동일하게 작동합니다. 배터리와 마찬가지로 전기 공급원에 연결하면 판에 에너지가 저장된 다음 부하에 연결하면 전류가 다시 흘러나와 전원을 공급합니다. 이러한 연구에 대해서 마식은 전 세계에서 가장 많이 사용되는 인공 재료인 시멘트와 카본 블랙이 결합된 역사적 소재인 사해 두루마리가 함께 쓰여져 있기 때문에 이 소재가 매력적이라고 말합니다. 덧붙여 최소 2백만 년 전의 소재를 특정 방식으로 결합하면 전도성 나노복합재가 탄생하고, 그때가 바로 정말 흥미로워지는 시기라고 강조했습니다. 혼합물이 굳어지고 치유되면서 그는 물은 시멘트 수화 반응을 통해 체계적으로 소비되며, 이 수화는 탄소 나노입자가 소수성이기 때문에 근본적으로 영향을 미친다고 말했습니다. 혼합물이 진화함에 따라 "카본 블랙은 연결된 전도성 와이어로 자가 조립된다고 그는 말합니다. 이 공정은 전 세계 어디에서나 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료로 쉽게 재현할 수 있습니다. 그리고 침투된 탄소 네트워크를 달성하기 위해 필요한 탄소의 양은 매우 적으며, 혼합물의 부피 기준으로는 3%에 불과하다고 마식은 말했습니다. 이 소재로 만든 슈퍼커패시터는 전 세계가 재생 에너지로 전환하는 데 큰 도움이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 울름은 말합니다. 무공해 에너지, 풍력, 태양광, 조력의 주요 공급원은 모두 전력 사용량의 정점에 해당하지 않는 가변 시간에 생산량을 생산하므로 전력을 저장하는 방법이 필수적입니다. 또한, 대규모 에너지 저장 장치에 대한 필요성이 매우 높다고 울름은 말했습니다. 기존 배터리는 너무 비싸고 대부분 리튬과 같은 소재에 의존하기 때문에 공급이 제한되어 있기 때문에 저렴한 대안이 절실히 필요합니다. 궁극적으로 울름은 시멘트는 어디에나 존재하기 때문에 우리 기술이 매우 유망한 분야라고 말했습니다. 이어서 연구팀은 45세제곱미터 크기의 나노카본 블랙이 도핑된 콘크리트 블록이 가정의 하루 평균 전기 사용량으로 간주되는 약 10킬로와트시의 에너지를 저장할 수 있는 충분한 용량을 확보할 수 있다고 계산했습니다. 콘크리트는 강도를 유지하기 때문에 이 재료로 기초가 된 집은 태양광 패널이나 풍차에서 생산되는 하루치 에너지를 저장하고 필요할 때마다 사용할 수 있습니다. 또한 슈퍼 커패시터는 배터리보다 훨씬 더 빠르게 충전 및 방전할 수 있습니다. 시멘트, 카본 블랙, 물의 가장 효과적인 비율을 결정하는 데 사용된 일련의 테스트 끝에 연구팀은 가로 약 1cm, 세로 약 1mm 두께의 소형 슈퍼 커패시터를 만들어 각각 1볼트 배터리에 필적하는 1볼트까지 충전할 수 있는 공정을 시연했습니다. 그런 다음 이 중 3개를 연결하여 3볼트 발광 다이오드를 밝히는 능력을 입증했습니다. 이 원리를 입증한 후, 이제 일반적인 12볼트 자동차 배터리 크기의 버전부터 시작하여 45 세제곱미터 버전까지 작업하여 집 한 채 분량의 전력을 저장할 수 있는 능력을 입증하는 일련의 대형 버전을 개발할 계획입니다. 재료의 저장 용량과 구조적 강도 사이에는 상충 관계가 있다는 것을 발견했습니다. 카본 블랙을 더 많이 첨가하면 슈퍼커패시터가 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 콘크리트가 약간 약하기 때문에 콘크리트가 구조적 역할을 하지 않거나 콘크리트의 최대 강도에 따른 잠재력이 필요하지 않은 경우에 유용할 수 있습니다. 풍력 터빈 바닥의 기초 또는 구조 요소와 같은 응용 분야의 경우에 스위트 스팟은 약 10%의 카본 블랙이 함유되어 있다는 사실을 발견했습니다. 탄소 시멘트 슈퍼 커패시터의 또 다른 잠재적 응용 분야는 태양광 패널에서 생산된 에너지를 도로 옆에 저장한 다음 무선 충전식 휴대폰에 사용되는 것과 동일한 종류의 기술을 사용하여 도로를 따라 주행하는 전기 자동차에 에너지를 전달할 수 있는 콘크리트 도로를 건설하는 것입니다. 관련 유형의 자동차 충전 시스템은 이미 독일과 네덜란드의 기업에서 개발 중이지만 표준 배터리를 사용하여 보관하고 있습니다. 연구진은 이 기술의 초기 용도는 시멘트 슈퍼커패시터에 부착된 태양광 패널로 구동될 수 있는 전력망에서 멀리 떨어진 고립된 주택이나 건물 또는 쉼터일 수 있다고 말합니다. 울름은 에너지 저장 용량이 전극 부피의 직접적인 함수이기 때문에 시스템이 매우 확장 가능하다고 말합니다. 이어서 1밀리미터 두께의 전극에서 1미터 두께의 전극으로 이동할 수 있으며, 기본적으로 몇 초 동안 LED를 켜는 것부터 집 전체에 전력을 공급하는 것까지 에너지 저장 용량을 확장할 수 있다고 그는 말했습니다. 주어진 애플리케이션에 원하는 속성에 따라 혼합물을 조정하여 시스템을 조정할 수 있습니다. 차량 충전 도로의 경우 매우 빠른 충전 및 방전 속도가 필요하며, 가정에 전력을 공급하려면 하루 종일 충전할 수 있다는 이유로 느린 충전 재료를 사용할 수 있다고 울름은 말합니다. 덧붙여 이건 정말 다기능 소재라고 그는 강조했습니다. 슈퍼 커패시터 형태로 에너지를 저장할 수 있는 능력 외에도 탄소가 함유된 콘크리트에 전기를 공급하기만 하면 동일한 종류의 콘크리트 혼합물을 난방 시스템으로 사용할 수 있습니다. 이러한 울름의 궁극적인 생각은 에너지 전환의 일환으로 콘크리트의 미래를 바라보는 새로운 방식으로 보고 있다는 것입니다.