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Aug 14, 2023

セメント

カーボンブラックとセメントで作られた、費用対効果が高く効率的な新しいスーパーキャパシタは、建物のコンクリート基礎に 1 日分のエネルギーを蓄えたり、非接触充電を提供したりできる可能性があります。

カーボンブラックとセメントで作られた、費用対効果が高く効率的な新しいスーパーキャパシタは、建物のコンクリート基礎に 1 日分のエネルギーを蓄えたり、電気自動車が走行中に非接触充電を提供したりできる可能性があります。 この装置を開発した米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）とウィス研究所の研究者らによると、この装置は太陽光、風力、潮力などの再生可能エネルギー源の利用も促進する可能性があるという。

スーパーキャパシタは、技術的には電気二重層キャパシタまたは電気化学キャパシタとして知られており、その機能は電池と従来の（誘電）キャパシタの中間程度に位置します。 スーパーキャパシタは電池ほど電荷を蓄える能力は劣りますが、表面積が数平方キロメートルもの多孔質電極のおかげで、この点では従来のキャパシタよりも優れています。 電圧が印加されると、このようなデバイスの電解質と電極の界面に二重層が形成され、蓄えることができる電荷の量がさらに増加し​​ます。

スーパーキャパシタには、バッテリーに比べていくつかの利点もあります。 バッテリーの充電と放電には数時間かかる場合がありますが、スーパーキャパシタは数分で完了します。 また、寿命もはるかに長く、数千サイクルではなく数百万サイクル持続します。 また、化学反応によって機能するバッテリーとは異なり、スーパーキャパシタは、電極の表面に集合する荷電イオンの形でエネルギーを蓄えます。

Franz-Josef Ulm、Admir Masic、Yang-Shao Horn が率いるチームによって開発されたこの新しいデバイスには、非常に高い内部表面積を誇るセメントベースの材料が含まれています。 研究者らは、非常に細かい木炭に似たカーボンブラックを含む乾燥セメント混合物から始めることでこれを達成しました。 この混合物に、水と、コンクリート製造における標準的な減水剤である減水剤を加えました。 水がセメントと反応す​​ると、構造内に細孔の分岐ネットワークが自然に形成され、炭素がこれらの細孔に移動して、フラクタルのような構造を持つ針金状のフィラメントを形成します。 この高密度で相互接続されたネットワーク構造が、材料に非常に大きな表面積を提供します。

「新鮮な材料をプラスチックのチューブに詰め、少なくとも 28 日間硬化させます」とウルム氏は説明します。 「次に、サンプルを電極サイズの塊に切断し、これらの電極を標準電解質溶液（塩化カリウム）に浸し、絶縁膜で分離された 2 つの電極からスーパーキャパシタを構築します。」

次に研究者らは、一方の電極を正電荷に接続し、もう一方の電極を負電荷に接続して電極を分極させます。 充電中、電解質からの正に帯電したイオンは負に帯電した体積カーボン ワイヤ上に蓄積し、一方、負に帯電したイオンは正に帯電したカーボン ワイヤ上に蓄積します。

膜が邪魔になると、荷電イオンは電極間を移動できなくなります。 この不均衡により、超電導体を帯電させる電場が生成されます。 「体積ワイヤが利用可能な空間を埋めるという事実は、EDS-ラマン分光法で確認されたことですが、カーボン ブラックの非常に大きな表面に多くのエネルギーを蓄えることを可能にします」とウルム氏は言います。 「その後、スーパーキャパシタからエネルギー源を切り離すと、蓄えられたエネルギーが放出され、さまざまな用途に電力を供給できるようになります。」

彼らがPNASで詳述している計算によれば、45立方メートル（3.55メートルの立方体に相当）の材料のブロックは、約10kWhのエネルギーを貯蔵できることになる。 これは一般家庭の1日あたりの平均電力消費量とほぼ同じです。 したがって、この炭素コンクリート複合材料を含む基礎で建てられた家は、たとえばソーラーパネルによって生成された 1 日分のエネルギーを貯蔵し、必要なときに放出することができます。 この材料は、風力タービンなどの断続的な発電機に組み込まれる可能性もあり、その基部にエネルギーを蓄え、ダウンタイム中に放出する可能性がある。