Ingenieurs hebben nu een materiaal ontwikkeld dat in de toekomst je auto oplaadt terwijl je rijdt of je huis van stroom kan voorzien zonder aansluiting op het elektriciteitsnet.
De technologie bestaat uit een aantal eeuwenoude materialen die mensen al duizenden jaren gebruiken: cement, zout, water en ‘zwartsel’ – het roet waar ook de Dode Zee-rollen mee zijn geschreven.
Het supermateriaal is een vondst van wetenschappers en ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Harvard University in de VS.
In een artikel in het blad Proceedings of the National Academy of Sciences laten de teams zien hoe hun ‘supercondensator’ bergen energie kan opslaan uit de direct beschikbare materialen.
Energieopslag in cement
Supercondensatoren lijken op batterijen, maar ze zijn supersnel op te laden. Aan de andere kant kunnen ze minder energie kwijt in een bepaald volume.
Ze werken als oplaadbare batterijen, maar slaan energie sneller op en staan die ook sneller af – in een elektrisch veld tussen twee elektroden vlak bij elkaar.
Hoeveel energie een condensator kwijt kan, hangt af van het oppervlak van de twee geleidende platen waartussen de stroom wordt opgeslagen. Hoe groter de platen, hoe meer energie.
Het onderzoeksteam heeft een manier gevonden om dit concept uit te breiden. Deze supercondensator bestaat uit een materiaal op cementbasis met roet met een zeer groot intern oppervlak.
Zwartsel, ook bekend als carbon black, lijkt op fijne houtskool en ontstaat door verbranding met te weinig zuurstof, ofwel een onvolledig verbrandingsproces – en het materiaal is elektrisch geleidend.
Een vroege versie van de cement-supercondensator. Cement met roet zorgt voor vertakkingen die meer ruimte bieden voor energieopslag.
Door roet aan een cementmengsel toe te voegen en dit te laten uitharden, krijg je een netwerk van geleidend materiaal in een bepaald volume – zoals tussen de platen van een gewone supercondensator.
Als het cement reageert met water, ontstaat er een vertakt netwerk van gaatjes, waar koolstof ingebracht wordt en dan draadachtige, ingewikkelde structuren vormt. Dit resulteert in een groot oppervlak binnen een klein volume.
Met andere woorden, het creëert een grotere ruimte voor energieopslag dan een gewone supercondensator – zonder dat de ruimte groter hoeft te worden.
Stroom voor een hele dag
Om het materiaal geladen deeltjes mee te geven, ging de nieuwe supercondensator enkele weken in een standaard elektrolyt van gezouten kaliumchloride, dat werd ingesloten in de koolstofstructuren.
Als het materiaal wordt aangesloten op een stroombron, zoals zonnepanelen of windenergie, slaat het de energie op en komt deze vrij als er stroom nodig is – en omdat de stroom wordt opgeslagen, is de stroomvoorziening stabiel.
In een ander experiment brandde een ledlamp van 3 volt dankzij drie kleine cement-supercondensatoren.
Want nu hebben de onderzoekers een supercondensator gemaakt van ruim 1 centimeter in doorsnee en 1 millimeter dik, die kan worden opgeladen tot een spanning van 1 volt. In een experiment lieten de onderzoekers een ledlamp van 3 volt branden met drie van zulke condensatoren.
Het team berekende dat een betonblok van 45 m3 genoeg capaciteit heeft om zeker 10 kilowattuur energie op te kunnen slaan, wat gelijkstaat aan het gemiddelde dagelijkse elektriciteitsverbruik van een huishouden.
Volgens het team kan het materiaal worden opgeschaald en geïntegreerd in gebouwen die energie kunnen opslaan in hun beton en cement met toevoeging van deze supercondensator. Het beton zelf kan ook fungeren als verwarming.
Verder is het materiaal bruikbaar voor betonnen rijbanen, die elektrische auto’s kunnen opladen terwijl deze rijden.