世界錬金術時代が始まった？ MIT、住宅や道路を無制限のバッテリーに変える「カーボンセメント」スーパーキャパシタを開発

おそらく今回、私たちは本当に人類の歴史における特異点に立っているのかもしれない。

最近、MIT のカーボンセメントスーパーキャパシタが再び輝かしいデビューを果たしました。

MIT News and Scienceがこの研究について報道した。

発表された論文によると、このスーパーキャパシタの製造は非常に簡単であることがわかります。

論文の宛先:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304318120

私たちの生活で最も一般的な材料のみが使用されています。

水、セメント、カーボンブラック（非常に細かい木炭に似ています）。

準備工程は、水とセメントを混合し、比較的低濃度のカーボンブラックを加えることです。

固まるまで待つと、エネルギー貯蔵量が高く、損失がほとんどない導電性ナノ複合材料が得られます。

テープでグラフェンを剥がし、炉で超伝導体を精製した後、今度はおそらくブレンダーだけが必要になるでしょう。

カーボンセメントスーパーキャパシタは、高い蓄電容量と高率充放電能力を備えており、風力エネルギー、太陽エネルギー、潮力エネルギーなどの再生可能エネルギーを蓄えることができます。

同時に、準備材料は容易に入手可能であり、プロセスフローは単純であるため、人間界で大規模に生産することが可能です。

一方、カーボンセメントスーパーキャパシタは構造強度に優れ、建設に使用されるコンクリートに組み込むことができるため、非常に汎用性があります。

信じられないほどシンプルに見えるこのカーボンセメントスーパーキャパシタは、新しいタイプの低コストのエネルギー貯蔵システムの基礎となることが期待されています。

炭素セメント製スーパーキャパシタ基礎を備えた住宅は、太陽光パネルや風力発電で生産された1日分のエネルギーを蓄え、必要なときにいつでも取り出すことができる。

原則の解釈

- コンデンサとバッテリーの違い:

コンデンサの動作原理は、2 つの導電板の間に電荷を蓄積し、電界を通じて電気エネルギーを蓄えることです。

コンデンサに電圧が加えられると、2 つの導電板に正電荷と負電荷が蓄積され、電界が形成されてコンデンサが充電されます。

コンデンサのエネルギー貯蔵と放電のプロセスには化学反応が関与しないため、サイクル寿命は非常に長くなります。ただし、コンデンサのエネルギー密度が低く、放電速度が速いため、コンデンサの適用シナリオは制限されます。

バッテリーは化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。化学反応で化学エネルギーを電子の形に変換することで電気エネルギーを蓄えます。寿命には限りがあり、エネルギー変換プロセス中に失われます。

- カーボンセメントスーパーキャパシタの動作原理

スーパーキャパシタは、異常に大量の電荷を蓄えることができるコンデンサです。

カーボンセメントスーパーキャパシタは、疎水性カーボンブラックの存在下での親水性セメントの水和の相乗効果を利用することで、3 つの特性を自然に組み合わせます。

1) 電極を充電するための電子伝導ネットワーク。

2) 反対に帯電した表面層を吸着するための高表面積の貯蔵細孔。

3) 飽和電解質を介して表面層からまたは表面層へのイオン拡散のための細孔を確保する。

研究者らは、カーボンセメントスーパーキャパシタでは、水和反応によってカーボンブラック粒子の脱凝集と電子伝導ネットワークの形成が促進され、スーパーキャパシタに高レート能力が与えられると指摘した。

その結果、炭素スラリー水スーパーキャパシタは、住宅や産業用途における大容量エネルギー貯蔵の理想的な選択肢となりました。

- 炭素セメント材料の構造分析：

研究者らはまず、炭素粒子がネットワークの構造にどの程度適合するかを定量的に評価した。

炭素セメント材料の構造をより深く理解するために、研究者らは EDS-ラマン技術を使用してさまざまな炭素相を区別しました。

これらの観察結果は、電解質からの電荷がマイクロメートル規模のテクスチャパターン内のサブナノメートルサイズの炭素粒子の貯蔵孔に移動できることを示唆しています。

一方、炭素相の独特なテクスチャ特性は、混合比やカーボンブラックの種類に関係なく、カーボンブラック粒子が特徴的なテンプレートを形成するという強力な証拠を提供します。

低密度および高密度炭素ネットワークのテクスチャ固有の表面積は、炭素セメント複合材料の固有の特性です。

研究者らは、この固有の質感の起源を完全に説明するには、より高度な研究方法が必要になるかもしれないと指摘している。

考えられる説明としては、高 pH 環境でのセメントの水和中に、カルシウムイオンと水の消費によってカーボンブラック粒子が解重合されるということが挙げられます。

- カーボンセメント材料の静電容量測定

研究者たちは電極を準備するためにさまざまな条件を設定し、その性能の違いを比較しました。

セメント水 (W/C) 比が高い場合、電極の水和細孔が大きくなり、高いスキャン速度で速度に依存しない静電容量性能を発揮し、最短時間で最大のエネルギー貯蔵を実現します。

しかし、電極の厚さが厚くなると、電極の速度能力は弱まり、電極材料のエネルギー貯蔵能力を最大限に引き出すには、より長い充電時間が必要になります。

さらに、構造電極におけるカーボンセメント材料の可能性は、特に高レートのエネルギー貯蔵能力を必要とし、機械的負荷に耐える一部の用途では、正規化された静電容量の指標に基づいて決定できます。

具体的には、W/C 比の高い電極は、高い速度能力を備えていますが、同時に材料の凝集強度が低下します。

これは、水和多孔度の増加により、ミクロンサイズの細孔の周囲に応力が集中し、高 W/C 材料の強度特性が低下するためです。

したがって、構造化電極の適用においては、エネルギー貯蔵性能と強度性能の間にトレードオフが存在します。

- 炭素セメント材料のエネルギー貯蔵容量の拡大

実験的に導き出された比例関係は、体積容量の強度特性と炭素ネットワークの独特な組織が、エネルギー貯蔵容量を構造規模まで大規模に拡大する上で非常に重要であることを示しています。

多孔質炭素セメント複合材料の特性とエネルギー貯蔵のための拡張性も実証されました。

全体として、炭素セメント複合材は、拡張可能なエネルギー貯蔵ソリューションとして、化石燃料から再生可能エネルギーへの将来のエネルギー移行を促進するでしょう。

その他の用途としては、カーボンセメント製スーパーキャパシタをコンクリートと組み合わせることで、エネルギー自給自足のシェルター、電気自動車用の自己充電道路、風力タービンや潮力発電所用の断続的なエネルギー貯蔵などに活用できる可能性がある。

将来、さまざまな充電ケーブルやインターフェースが不要になり、常に電気に囲まれた世界に住むようになることを想像してみてください。

これは、電気の発見から100年以上経って、人類が真に電気社会に参入する最初の機会となるかもしれません。

材料と方法

まず、ポルトランドセメントとナノカーボンブラックを乾式混合して作ったカーボンセメントペーストを準備しました。

次に水と高性能減水剤を加えます。水和プロセス中に密封した後、電極サンプルを切断し、相関 EDS-ラマンおよび相関分析のために準備しました。

次に、電極サンプルを電解液（1 M KCl）に浸し、静電容量の測定と分析の準備を整えました。

最後に、比例関係を得るために次元解析が行われます。