Bateria cementowa: materiał konstrukcyjny i magazyn energii w jednym

Przekształcenie otaczających nas budynków i mostów w baterie potencjalnie może rozwiązać problemy z magazynowaniem energii. Niemożliwe? Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego Chalmersa w Szwecji opracowali sprytny sposób na magazynowanie energii w cemencie. Prototyp ogniwa baterii cementowej już istnieje i działa w laboratorium.

Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej budynki z całego świata zużywają olbrzymie ilości energii i pod tym względem wykazują tendencję rosnącą. Szacunki wskazują, że ponad 1/3 wykorzystywanej energii zużywana jest przez budynki. To odpowiada około 40% emisji dwutlenku węgla. Ponadto trzeba zauważyć, że ilość betonowych obiektów nieustannie rośnie a produkcja cementu nie sprzyja dbałości o klimat.

Dlatego naukowcy z Uniwersytetu Chalmersa w Szwecji postanowili poszukać materiałów budowlanych przyszłości, które sprawią, że uczynienie budynków samowystarczalnymi i zrównoważonymi stanie się możliwe. W ten sposób powstała koncepcja akumulatora cementowego wielokrotnego ładowania. Doktor Emma Qingnan Zhang i profesor Luping Tang z Wydziału Architektury i Inżynierii Lądowej opublikowali swoje badania w czasopiśmie „Buildings„.

Założenia i cele związane z baterią cementową

Naukowcy chcą, aby nowa bateria cementowa stała się sposobem na magazynowanie energii słonecznej do późniejszego wykorzystania. Energia ma być gromadzona w materiale konstrukcyjnym ścian i dachów budynków. Ponadto jedną z najważniejszych zalet tej koncepcji jest możliwość wielokrotnego ładowania i rozładowywania baterii i niezajmowanie przez nią osobnego miejsca w przestrzeni miasta.

Potencjalnych zastosowań na wykorzystanie energii przechowywanej w baterii cementowej jest wiele. Najważniejsze dotyczą budynku i jego otoczenia – zapewnią oświetlenie i działanie innych niezbędnych urządzeń generujących potrzeby energetyczne. Dodatkowe zastosowania baterii cementowych mogą obejmować magazynowanie energii, zasilanie diod LED, czujników lub zapewnianie połączeń 4G w odległych lokalizacjach. Potencjalnie mogą być też używane do zasilania systemów monitoringu na mostach i autostradach.

Prototyp baterii cement-ion już istnieje

Prototyp ogniwa baterii cementowej już działa w laboratorium. Ogniwa bazują na cemencie z dodatkiem niewielkich ilości krótkich włókien węglowych. W tej mieszaninie osadzono metalowe siatki z włókna węglowego. Jedna to anoda a druga to katoda. Widać to na załączonej grafice.

Jako anody początkowo wybrano żelazo i cynk, a jako katody tlenki niklu. Elektrody na bazie cementu wyprodukowano dwoma metodami: mieszaniem proszkowym i powlekaniem metalicznym. W czasie badania przetestowano różne kombinacje. Jednak zgodnie z uzyskanymi wynikami, najlepszą sprawnością odznaczył się akumulator z dodatkiem niklu i żelaza, wyprodukowany metodą metalicznego powlekania. I taki jest prototyp, który obecnie przedstawiają naukowcy.

Wcześniejsze próby stworzenia baterii cementowej

Nie jest to pierwsza w historii próba stworzenia baterii na bazie cementu. Jednak wcześniejsze próby nie były satysfakcjonujące. Osiągi były zbyt niskie. Pojemność obecnie testowanej baterii wypada lepiej. Jest ponad dziesięciokrotnie większa niż pojemność jakiejkolwiek wcześniejszej koncepcji baterii opartej na cemencie. Ponadto nowa bateria cementowa jest ładowalna.

Wyniki wcześniejszych badań nad technologią akumulatorów cementowych wykazały bardzo niską wydajność, więc zdaliśmy sobie sprawę, że musimy wymyślić inny sposób produkcji elektrody. Ten konkretny pomysł, który opracowaliśmy – który jest również ładowalny – nigdy wcześniej nie był badany. Teraz dowiedliśmy słuszności koncepcji w laboratorium.

Warto wiedzieć, że kilka lat temu naukowcy z Uniwersytetu Chalmers przedstawili podobną koncepcję baterii, ale wtedy badania dotyczyły konstrukcji pojazdów. Teraz pomysł dopasowano do realiów branży budowlanej.

Nadzieja na przyszłość

Zespół kierowany przez doktor Emmę Zhang i profesora Lupinga ma nadzieję, że w przyszłości ​​nowa technologia sprawi, że wielopiętrowe budynki będą w stanie magazynować energię w swoich ścianach. Takie przekształcenie otaczających nas obiektów w akumulatory pomogłoby rozwiązać problemy z magazynowaniem energii.

Póki co badania naukowców pozwoliły na stworzenie ładowalnej baterii cementowej o średniej gęstości energii 7 Wh/m2 (lub 0,8 Wh/l). Gęstość ta jest większa niż w przypadku wcześniejszych prób baterii cementowych, ale wciąż niska w porównaniu z komercyjnymi akumulatorami. Akumulatory z ogniwami litowo-jonowymi mogą mieć nawet kilkaset Wh/l. Wstępnie wydaje się jednak, że to ograniczenie można przezwyciężyć dzięki ogromnej objętości, z jakiej można zbudować akumulator używany w budynkach. Betonowe bloki to konstrukcje mające setki metrów sześciennych.

Wyzwania związane z bateriami cementowymi

Ponieważ infrastruktura betonowa jest zwykle budowana na pięćdziesiąt, a nawet sto lat, baterie musiałyby zostać dopracowane, aby pasowały do tego lub aby były łatwiejsze do wymiany i recyklingu po zakończeniu ich żywotności. Na razie stanowi to duże wyzwanie z technicznego punktu widzenia.

Nawet jeśli badania wyglądają obiecująco, to na razie znajdują się na wczesnym etapie. Zanim dojdzie do komercjalizacji projektu, zespół badawczy musi sprostać kilku kluczowym problemom technicznym. Ich rozwiązanie nie jest proste, ale jest konieczne, aby baterie cementowe można było stosować w praktyce.

Jednym z najważniejszych wyzwań jest żywotność baterii cementowych. Ogniwa powinny wytrzymać tyle, ile betonowe obiekty. Gdyby to się jednak nie udało to następnym krokiem jest wyzwanie związane z recyklingiem. Wymiana zużytych elementów konstrukcji i ich recykling muszą być łatwe i realne.

Źródła:

https://www.mdpi.com/2075-5309/11/3/103/htm

https://www.anthropocenemagazine.org/2021/05/74784/

https://archinect.com/news/article/150264702/cement-based-batteries-could-turn-concrete-buildings-into-giant-energy-stores

https://www.autoevolution.com/news/buildings-in-the-future-could-act-like-giant-rechargeable-batteries-161400.html

https://money.yahoo.com/cement-based-batteries-could-solve-200000825.html

https://techxplore.com/news/2021-05-world-concept-rechargeable-cement-based-batteries.html

Justyna Mazur
Author: Justyna Mazur

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE