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Aug 25, 2023

Dieser Superkondensator besteht aus Zement

Während die Welt weiterhin versucht, sich von fossilen Brennstoffen zu verabschieden, suchen Forscher nach neuen Möglichkeiten, Energie aus umweltfreundlicheren Quellen wie Sonnenkollektoren zu speichern. Im Rahmen dieser Bemühungen wurde ein Team von

Während die Welt weiterhin versucht, sich von fossilen Brennstoffen zu verabschieden, suchen Forscher nach neuen Möglichkeiten, Energie aus umweltfreundlicheren Quellen wie Sonnenkollektoren zu speichern. Im Rahmen dieser Bemühungen hat ein Forscherteam des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Harvard und des MIT einen Superkondensator entwickelt, der nur Zement, Wasser und eine Form von Kohlenstoff namens Carbon Black verwendet.

Aus erneuerbaren Quellen erzeugte Energie muss oft für einen Regentag gespeichert werden. Doch nicht immer sind Batterien die beste Option. Das Aufladen nimmt Zeit in Anspruch und für deren Herstellung werden schwer zu beschaffende Materialien wie Lithium benötigt, die kostspielig und umweltschädlich sein können.

Franz-Josef Ulm, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT, und seine Kollegen waren daran interessiert, Superkondensatoren mit leicht verfügbaren Materialien wie Zement zu entwickeln, um nicht nur eine Lücke zu schließen, die die Batterietechnologie hinterlassen hat, sondern auch ein anderes Umweltproblem anzugehen: Beton CO2-Fußabdruck. Ihre Arbeit wurde am 31. Juli in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.

„Ein [motivierendes Thema] ist der enorme ökologische Fußabdruck der weltweiten Zement- und Betonproduktion, der etwa 8 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen ausmacht“, sagt Ulm, der leitende Autor des neuen Papiers. „Wir können diese Energiespeicherlösung nutzen, um den dringend notwendigen Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien zu unterstützen – Stein für Stein, Wand für Wand, Straße für Straße.“

Das Team versuchte, das Image von Zement zu verbessern, indem es ihn als Basis für die Elektroden seines Superkondensators verwendete. Im Gegensatz zu Batterien, die chemische Reaktionen zum Halten und Entladen von Elektrizität nutzen, erzeugen Superkondensatoren einen Ladungsunterschied zwischen zwei leitenden Platten. Diese Ladung kann über einen langen Zeitraum aufrechterhalten und bei Bedarf schnell entladen werden.

Um ihren Superkondensator zu bauen, mischte das Team eine Paste aus Zement und Wasser und fügte dann eine kleine Menge Ruß hinzu – eine feine, kohleartige Form von Kohlenstoff, die seit Tausenden von Jahren als Pigment und Schreibmaterial verwendet wird . Beispielsweise wurde im 3. Jahrhundert v. Chr. Ruß zum Schreiben der Schriftrollen vom Toten Meer verwendet. Abgesehen von der Geschichte ist Ruß auch ein hochleitfähiges Material.

Dieser neue Superkondensator lässt sich dank seiner großen inneren Oberfläche aus leitfähigem Material, das durch die Verwendung von Ruß entsteht, leicht skalieren.Franz-Josef Ulm, Admir Masic und Yang-Shao Horn/MIT

Als die Zementmischung aushärtete, wurde das Wasser absorbiert und hinterließ ein verzweigtes Netzwerk von Tunneln, die der Ruß füllte. Das Endergebnis ist, dass die Zementpaste mit einer großen Oberfläche leitfähiger, drahtartiger Tunnel gefüllt ist, ohne dass sich das Gesamtvolumen der Elektrode vergrößert.

Ulm sagt, dass die Reaktion von Ruß in der Elektrode eine entscheidende Entdeckung sei, weil sie die Skalierung dieses Superkondensators viel einfacher machen könnte.

„Wir haben herausgefunden, dass die maximale Energiespeicherkapazität nur von der spezifischen Oberfläche des Rußes abhängt“, sagt Ulm. „Da dieser Ruß raumfüllend ist – dank der Magie der Chemie! – können wir einfach das Volumen erhöhen, um groß angelegte Massenenergielösungen zu schaffen.“

Das Team vervollständigte den Superkondensator, indem es zwei Elektroden in eine Elektrolytlösung eintauchte, um dem System geladene Teilchen zuzuführen. In ihren Versuchen stellten sie knopfgroße Kondensatoren her, die eine Ladung von 1 Volt halten konnten, und stellten fest, dass der Kondensator seine Speicherkapazität mit minimalem Verlust über 10.000 Lade-Entlade-Zyklen aufrechterhalten konnte. Drei der 1-V-Superkondensatoren konnten auch eine 3-V-LED laden.

Das Team entwickelte auch knopfgroße Kondensatoren mit unterschiedlichen Verhältnissen von Zement zu Ruß, stellte jedoch fest, dass die Zugabe von mehr Ruß (über 10 Volumenprozent) zur Mischung zwar die Speicherkapazität erhöhte, dies jedoch auf Kosten der strukturellen Integrität des Zements ging. Und für die Anwendungsfälle, die Ulm und Kollegen im Auge haben, ist die strukturelle Festigkeit des Zements entscheidend.

Beton wird bereits zum Bau von Straßen verwendet, und daher sieht das Team eine Chance für Betonstraßen, die auch Autos während der Fahrt drahtlos aufladen könnten, ähnlich wie kabellose Ladepads für Smartphones. „Solche selbstladenden Straßen gibt es bereits, aber sie nutzen Spulen, die in das Straßensystem eingebettet und (meistens) an eine Energiequelle aus dem Stromnetz angeschlossen sind. Die Energie in unserem System würde aus sauberen Energiequellen gewonnen und in der Fahrbahnstruktur gespeichert.“

Das Team plant außerdem, diese Superkondensatoren in die Fundamente von Wohnhäusern zu integrieren. Sie schätzen, dass eine 45 Kubikmeter große Probe ihres Superkondensators 10 Kilowattstunden Energie speichern könnte – das entspricht etwa einem Drittel des täglichen Stromverbrauchs eines durchschnittlichen US-Haushalts.

Als nächsten Schritt konzentriert sich das Team laut Ulm nun auf die Entwicklung eines 12-V-Superkondensators unter Verwendung dieser Materialien. „[Wir werden] weiterhin Spaß daran haben, diese Technologie an ihre Grenzen zu bringen“, sagt er.

Diese Geschichte wurde am 4. August 2023 aktualisiert, um mehrere Unterschiede zwischen Beton und Zement zu korrigieren und zu verdeutlichen.