시멘트 + 카본블랙 + 물 = 슈퍼커패시터

물, 카본블랙과 같은 평범하고 풍부한 물질로 만들어진 슈퍼커패시터를 상상해 보세요. 가능성은 무한합니다.

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Franz-Josef Ulm 교수, Admir Masic 교수, Yang-Shao Horn 교수가 이끄는 MIT 연구원들은 시멘트, 카본 블랙 및 물을 특정 비율로 혼합하면 전기 에너지를 저장할 수 있는 슈퍼커패시터 역할을 하는 콘크리트가 생성된다는 사실을 발견했습니다. . 2023년 7월 31일 PNAS 저널에 발표된 논문에서 연구원들은 다음과 같이 썼습니다.

“재생에너지 시스템의 대규모 구현에는 에너지 공급과 수요 간의 불균형을 효과적으로 관리하기 위한 에너지 저장 솔루션의 개발이 필요합니다. 여기서 우리는 지구상 거의 모든 곳, 즉 시멘트, 물 및 카본 블랙에서 로컬로 공급할 수 있는 쉽게 사용할 수 있는 재료 전구체로 구성된 슈퍼커패시터의 에너지 저장을 위한 확장 가능한 재료 솔루션을 조사합니다.

“질감 분석에 따르면 탄소가 존재할 때 시멘트의 수화 반응이 하중을 견디는 시멘트 기반 매트릭스에 스며드는 프랙탈과 같은 전자 전도성 탄소 네트워크를 생성하는 것으로 나타났습니다. 전하 저장이 가능한 높은 비표면적의 공간을 채우는 카본 블랙 네트워크의 에너지 저장 용량은 집중적인 양으로 나타나는 반면, 탄소-시멘트 전극의 고속 성능은 수화로 인해 자기 유사성을 나타냅니다. 전하 수송에 이용 가능한 다공성.

“에너지 저장 및 속도 성능의 이러한 집약적이고 자기유사한 특성은 전극에서 구조적 규모로 대량 확장할 수 있는 기회를 나타냅니다. 이러한 탄소-시멘트 슈퍼커패시터의 가용성, 다양성 및 확장성은 높은 에너지 저장 용량, 고속 충전/방전 기능 및 에너지 자급자족에서 지속 가능한 주거 및 산업 응용 분야를 위한 구조적 강도를 활용하는 다기능 구조 설계의 지평을 열어줍니다. 전기 자동차를 위한 대피소와 자가 충전 도로, 풍력 터빈과 조력 발전소를 위한 간헐적 에너지 저장 장치까지.”

블로그 게시물에서 MIT는 커패시터가 매우 간단한 장치라고 말했습니다. 이는 전해질에 담겨 있고 멤브레인으로 분리된 두 개의 전기 전도성 판으로 구성됩니다. 커패시터 양단에 전압이 가해지면 전해질의 양전하 이온은 음전하 판에 축적되고, 양전하 판에는 음전하 이온이 축적됩니다.

플레이트 사이의 막은 전하를 띤 이온이 이동하는 것을 차단하기 때문에 이러한 전하 분리는 플레이트 사이에 전기장을 생성하고 커패시터는 충전됩니다. 두 개의 플레이트는 오랫동안 이 한 쌍의 전하를 유지할 수 있으며 필요할 때 매우 빠르게 전달할 수 있습니다. 슈퍼커패시터는 단순히 매우 큰 전하를 저장할 수 있는 커패시터입니다.

커패시터가 저장할 수 있는 전력량은 전도성 플레이트의 전체 표면적에 따라 달라집니다. 이 팀이 개발한 새로운 슈퍼커패시터의 핵심은 벌크 부피 내에서 전도성 재료의 조밀하고 상호 연결된 네트워크로 인해 내부 표면적이 매우 높은 시멘트 기반 재료를 생산하는 방법에서 비롯됩니다.

PNAS를 통한 이미지

연구진은 전도성이 높은 카본 블랙을 시멘트 가루 및 물과 함께 콘크리트 혼합물에 넣은 다음 경화시킴으로써 이를 달성했습니다. 물은 시멘트와 반응하면서 자연적으로 구조물 내에서 분기형 개구부 네트워크를 형성하고, 탄소는 경화된 시멘트 내에서 와이어 같은 구조물을 만들기 위해 이러한 공간으로 이동합니다. 이러한 구조는 큰 가지에서 작은 가지가 돋아나고, 더 작은 가지가 돋아나는 프랙탈 같은 구조를 가지고 있으며, 상대적으로 작은 부피의 범위 내에서 매우 큰 표면적을 갖게 됩니다.

그런 다음 재료를 소금의 일종인 염화칼륨과 같은 표준 전해질 재료에 담가서 탄소 구조에 축적되는 하전 입자를 제공합니다. 연구원들은 얇은 공간이나 절연층으로 분리된 이 물질로 만들어진 두 개의 전극이 매우 강력한 슈퍼커패시터를 형성한다는 것을 발견했습니다.