Wissenschaftler des MIT haben herausgefunden, dass sich Beton, der aus Zement, Ruß und Wasser gemischt wird, selbst zu einem Energie speichernden Superkondensator zusammensetzt, der genug Energie erzeugen kann, um ein Haus zu versorgen oder Elektroautos schnell aufzuladen.
Zuvor haben wir bereits über den Gedanken berichtet, Beton zur Energiespeicherung zu verwenden – im Jahr 2021 zeigte ein Team der Technischen Universität Chalmers, wie nützliche Mengen an elektrischer Energie in Beton gespeichert werden können, der um Kohlefaser-Meshelektroden herum gegossen wurde, wobei eingemischte Kohlefasern zur Erhöhung der Leitfähigkeit beitrugen.
Die Entdeckung des MIT scheint den nächsten Schritt zu ermöglichen, da sie das Einlegen von Maschenelektroden in den Beton überflüssig macht und stattdessen dem Ruß erlaubt, im Rahmen des Aushärtungsprozesses seine eigenen verknüpften Elektrodenstrukturen zu bilden.
Dieser Prozess nutzt die Art und Weise, wie Wasser und Zement miteinander reagieren; das Wasser bildet ein verzweigtes Netzwerk von Kanälen im Beton, wenn er zu härten beginnt, und der Ruß wandert auf natürliche Weise in diese Kanäle. Diese Kanäle zeigen eine fraktalähnliche Struktur, bei der größere Äste sich in immer kleinere aufspalten – und das schafft Kohlenstoffelektroden mit einer extrem großen Oberfläche, die durch den gesamten Beton verlaufen.
Zwei dieser Äste, getrennt durch eine isolierende Schicht oder einen dünnen Raum, funktionieren einmal getränkt in einem Standard-Elektrolyt, wie Kaliumchlorid, problemlos als die Platten eines Superkondensators.
Superkondensatoren können natürlich fast sofort auf- und entladen werden, so dass Leistungsdichte und Ausgabe in der Regel viel höher sind als bei einer herkömmlichen Lithiumbatterie.
Die Energiedichte ist geringer, und es besteht eine Abwägung zwischen der Menge an volumenmäßig gespeicherter Energie und der notwendigen Stärke des Betons, da die Zugabe von mehr Ruß sowohl die Energiekapazität erhöht als auch den Endbeton schwächt.
Der große Vorteil hierbei ist jedoch, dass dieses Energiespeichersystem nicht klein sein muss; Beton wird in der Regel in großen Mengen verwendet. Ein durchschnittliches amerikanisches Haus von 185,8 m2, das auf einer recht standardmäßigen 13 cm dicken Betonplatte errichtet wird, benötigt etwa 24 m3 Beton. Fügen Sie mehr hinzu, wenn Sie eine Einfahrt oder eine Betongarage haben, und noch erheblich mehr, wenn das Haus mit Betonwänden oder -säulen gebaut ist.
Das MIT-Team gibt an, dass ein 45 m3 großer Block aus mit Nanoruß getränktem Beton rund 10 kWh Strom speichert – genug, um etwa ein Drittel des Stromverbrauchs eines durchschnittlichen amerikanischen Hauses zu decken oder in Kombination mit einer anständig großen Solar-Dachanlage die Stromkosten aus dem Netz nahezu auf null zu reduzieren. Darüber hinaus würde dies kaum zusätzliche Kosten verursachen.
Das Team hat diese Beton-Superkondensatoren in kleinem Maßstab getestet, Elektrodenpaaren herausgeschnitten, um winzige 1-Volt-Superkondensatoren in etwa der Größe von Knopfzellenbatterien zu erzeugen, und drei davon verwendet, um eine 3-Volt-LED zum Leuchten zu bringen. Nun arbeitet es an Blöcken in der Größe von Autobatterien und zielt auf eine 45 m3, 10 kWh-Version für eine Demonstration in größerem Maßstab ab.
MIT
Es handelt sich um eine sehr skalierbare Technologie, so Professor Franz-Josef Ulm vom MIT, Co-Autor einer gestern in der Zeitschrift PNAS veröffentlichten neuen Studie.
„Sie können von 1 Millimeter dicken Elektroden auf 1 Meter dicke Elektroden umsteigen und so die Speicherkapazität von der Beleuchtung einer LED für einige Sekunden bis hin zur Stromversorgung eines ganzen Hauses skalieren“, sagt Ulm in einer Pressemitteilung.
Abgesehen vom Wohnbereich ist Beton absolut allgegenwärtig, von Gebäuden bis zu Bodenbelägen und dem Straßennetzwerk. Das Team sagt, dass dieser energie-speichernde Beton in Kombination mit Straßenrand-Solarzellen und induktiven Ladespulen verwendet werden könnte, um super-schnelle, durchfahrbare kabellose EV-Ladestraßen zu schaffen, dank der Fähigkeit der Superkondensatoren, bei Bedarf große Mengen an Energie zu pumpen.
Es besteht auch die interessante Möglichkeit, dass ein riesiger Beton-Superkondensator gut mit einer langsameren chemischen Batterie zusammenarbeiten könnte, um schnelle Stromstöße für das Netz sowie länger anhaltende Beiträge bei geringerer Leistung zu liefern, da in den Fundamenten von Großspeicheranlagen vermutlich viel Beton verwendet wird.
Andererseits ist es unklar, ob dieser Art von Beton für den Außeneinsatz geeignet ist, wo er nass wird. Ebenso unklar ist, ob diese Beton-Superkondensatoren praktisch vor Ort gegossen und vor Ort selbst montiert werden können. Oder ob jedes Elektrodenpaar versiegelt werden muss, oder wie und wo genau man diese Betonblöcke verdrahten würde, um sein Haus mit Strom zu versorgen, oder ob solche Beton-Superkondensatoren sicher zu berühren sind.
Auf jeden Fall ein faszinierendes Projekt, und wir sind gespannt, wie es weitergeht.
Die Forschung ist Open-Access in der Zeitschrift PNAS.
Quelle: MIT News
