O szczegółach swojej koncepcji piszą na łamach ACS Nano. Jak się okazuje, ich pomysł ma odpowiadać na jeden z problemów związanych z rosnącym wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe produkują energię zależnie od warunków pogodowych, dlatego potrzebne są rozwiązania pozwalające magazynować nadwyżki i wykorzystywać je wtedy, gdy produkcja spada. Obecnie funkcję tę pełnią przede wszystkim baterie, które wymagają jednak dodatkowej przestrzeni i infrastruktury.
Czytaj też: Alternatywny diament wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
Superkondensatory działają inaczej niż klasyczne akumulatory. Mogą przechowywać mniejsze ilości energii, ale za to bardzo szybko ją przyjmują i oddają. Charakteryzują się również możliwością wykonywania ogromnej liczby cykli ładowania i rozładowania. Naukowcy postanowili wykorzystać te właściwości, umieszczając element magazynujący energię bezpośrednio w materiale budowlanym.
Kluczowym elementem takiego rozwiązania jest specjalna mieszanka zawierająca cement, nanorurki węglowe oraz sadzę węglową. Powstały materiał można nanosić za pomocą drukarki 3D na betonową płytę. Elektrody są układane w charakterystyczny, zazębiający się wzór przypominający palce. Taka konstrukcja skraca drogę, którą muszą pokonać naładowane jony, zwiększając efektywność urządzenia. W trakcie hydratacji cementu w jego strukturze powstają mikroskopijne pory wypełnione wodą i jonami, które umożliwiają przepływ ładunku.
Eksperymenty wykazały, iż zastosowanie materiału nie musi oznaczać rezygnacji z jego właściwości konstrukcyjnych. Cementowy superkondensator osiągnął wytrzymałość na ściskanie porównywalną z komercyjnym betonem wykorzystywanym między innymi w płytach i schodach. Naukowcy połączyli także trzy urządzenia wydrukowane na jednej płycie. Układ był w stanie zasilić niewielki zestaw diod LED.
Według dostępnych informacji taki materiał osiąga gęstość magazynowanej energii na poziomie 22,52 μWh/cm² oraz moc 0,49 mW/cm² przy napięciu roboczym 1 V. Wytrzymałość na ściskanie wynosi około 23 MPa. Takie parametry nie oznaczają jeszcze, iż betonowe ściany czy fundamenty mogą zastąpić wielkoskalowe magazyny energii. Pokazują jednak, że funkcję konstrukcyjną i energetyczną można połączyć w jednym materiale.
Czytaj też: Naukowcy złamali materiałową zasadę. Ten izolator przeczy intuicji
Potencjalne zastosowania obejmują między innymi awaryjne oświetlenie, zasilanie czujników czy systemów monitorowania stanu konstrukcji. W dalszej perspektywie energia wytwarzana przez znajdujące się na budynku instalacje fotowoltaiczne mogłaby być magazynowana w jego elementach konstrukcyjnych i wykorzystywana podczas chwilowego zapotrzebowania. Taki model mógłby ograniczyć konieczność instalowania części dodatkowych magazynów energii. Chińska technologia ma jednak istotne ograniczenie: podczas testów działała stabilnie przy umiarkowanym ogrzewaniu i chłodzeniu, lecz w temperaturze około -18 stopni Celsjusza jej wydajność zaczynała spadać. Naukowcy przyznają więc, że dalsze prace będą koncentrować się między innymi na poprawie działania materiału w niskich temperaturach.
Źródło: ACS Nano
