인류의 가장 보편적인 역사적 물질 중 두 가지인 시멘트와 카본 블랙(매우 미세한 목탄과 유사)이 새로운 저비용 에너지 저장 시스템의 기초를 형성할 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔습니다. 이 기술은 재생에너지 공급의 변동에도 불구하고 에너지 네트워크를 안정적으로 유지함으로써 태양광, 풍력, 조력과 같은 재생에너지원의 사용을 촉진할 수 있습니다.

MIT 엔지니어들은 고대의 풍부한 재료를 사용하여 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 '슈퍼커패시터'를 만들었습니다. 시멘트, 물, 카본 블랙(숯 가루와 유사)만으로 만들어진 이 장치는 태양열이나 풍력과 같은 간헐적 재생 에너지를 저장하기 위한 저렴한 시스템의 기초 역할을 할 수 있습니다. 이미지 출처: Franz-JosefUlm, AdmirMasic 및 Yang-ShaoHorn

연구자들은 두 가지 물질을 물과 결합하여 전기 에너지 저장을 제공하는 슈퍼커패시터(배터리 대체품)를 만들 수 있다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, 이 시스템을 개발한 MIT 연구원들은 슈퍼커패시터가 결국 집의 콘크리트 기초에 설치되어 기초에 추가(또는 차감) 비용이 거의 또는 전혀 없이 하루 종일 전력을 저장할 수 있으면서도 필요한 구조적 강도를 제공할 수 있다고 말합니다. 연구원들은 또한 전기 자동차가 지나갈 때 비접촉 충전을 제공할 수 있는 콘크리트 포장을 구상하고 있습니다.

MIT 교수 Franz-Josef Ulm, Admir Masic, Yang-Shao Horn은 MIT 및 Wyss Institute의 다른 교수 4명과 함께 최근 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 논문에서 이 간단하면서도 혁신적인 기술을 설명합니다.

원칙적으로 커패시터는 전해질에 담겨 있고 얇은 필름으로 분리된 두 개의 전도성 판으로 구성된 매우 간단한 장치입니다. 커패시터에 전압이 가해지면 전해질의 양전하 이온은 음전하 플레이트에 모이고, 양전하 플레이트는 음전하 이온을 수집합니다. 플레이트 사이의 막은 하전된 이온의 이동을 차단하기 때문에 전하의 분리로 인해 플레이트 사이에 전기장이 생성되고 커패시터가 충전됩니다. 두 개의 플레이트는 오랫동안 한 쌍의 전하를 보유하고 필요할 때 신속하게 방출할 수 있습니다. 슈퍼커패시터는 매우 큰 전하를 저장할 수 있는 커패시터이다.

커패시터가 저장할 수 있는 전기량은 도체판의 전체 표면적에 따라 달라집니다. 연구팀이 개발한 새로운 슈퍼커패시터의 핵심은 부피 내에 전도성 물질의 조밀하고 상호 연결된 네트워크가 존재해 내부 표면적이 매우 높은 시멘트 기반 물질을 생산하는 방법에 있다. 연구진은 시멘트 분말 및 물과 함께 콘크리트 혼합물에 전도성이 높은 카본 블랙을 도입하고 이를 응고시킴으로써 이를 달성했습니다. 물이 시멘트와 반응함에 따라 자연적으로 구조에 분기형 개구부 네트워크가 형성되고 탄소가 이러한 공간으로 이동하여 경화된 시멘트에 와이어 같은 구조를 형성합니다.

이러한 구조는 큰 가지가 작은 가지로 성장하고, 작은 가지로 성장하여 궁극적으로 상대적으로 작은 부피 내에서 극도로 큰 표면적을 생성하는 프랙탈과 같은 구조를 가지고 있습니다. 그런 다음 이 물질을 염인 염화칼륨과 같은 표준 전해질 물질에 담그면 탄소 구조에 하전 입자가 축적됩니다. 연구원들은 얇은 공간 층, 즉 절연체로 분리된 이 물질로 만들어진 두 개의 전극이 매우 강력한 슈퍼커패시터를 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.

이 새로운 "슈퍼커패시터" 콘크리트는 강도를 유지하기 때문에 이 재료를 기반으로 건축된 주택은 태양광 패널이나 풍차에서 생성된 하루 분량의 에너지를 저장하고 필요할 때마다 사용할 수 있습니다. 이미지 출처: Franz-JosefUlm, AdmirMasic 및 Yang-ShaoHorn

커패시터의 두 판은 전압이 동일한 재충전 가능한 배터리의 극과 같습니다. 배터리처럼 전원에 연결되면 에너지가 판에 저장되고, 부하에 연결되면 전류가 역류하여 전기 에너지를 제공합니다.

Masic은 "이 물질은 매혹적입니다. 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 인공 물질인 시멘트와 카본 블랙이 결합된 잘 알려진 역사적 물질인 사해 두루마리가 그 안에 기록되어 있기 때문입니다. 이 물질은 적어도 2000년은 된 것으로 특정 방식으로 결합하면 전도성 나노복합체가 생성되며 이것이 정말 흥미로운 부분입니다."라고 Masic은 말했습니다.

"혼합물이 응고되고 굳어짐에 따라 물은 시멘트 수화 반응을 통해 체계적으로 소비되며, 이 수화 반응은 탄소 나노입자가 소수성(물에 대한 반발성)이기 때문에 근본적으로 탄소 나노입자에 영향을 미칩니다. 혼합물이 진화함에 따라 카본 블랙은 연결된 전도성 실로 자가 조립됩니다. 이 과정은 저렴하고 세계 어디에서나 구할 수 있는 재료를 사용하여 쉽게 복제할 수 있습니다. 침탄 네트워크를 달성하는 데 필요한 탄소의 양은 매우 작아서 탄소 부피의 3%에 불과합니다. 혼합물."

이 소재로 만든 슈퍼커패시터는 세계가 재생 에너지로 전환하는 데 도움이 될 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 무배출 에너지의 주요 원천인 풍력, 태양광, 조력은 불규칙한 시간에 전력을 생산하고 피크 전력 수요와 일치하지 않는 경우가 많으므로 전력을 저장하는 방법이 중요합니다. "대규모 에너지 저장 장치에 대한 수요가 엄청납니다. 기존 배터리는 너무 비싸고 주로 리튬과 같은 재료에 의존하기 때문에 공급이 제한되어 있으므로 더 저렴한 대안이 절실히 필요합니다." Ulm은 "시멘트는 어디에나 있기 때문에 우리 기술이 매우 유망한 곳입니다."라고 말했습니다.

연구팀은 45입방미터(또는 야드)의 나노카본블랙 주입 콘크리트 블록(직경 약 3.5미터의 입방체에 해당)이 약 10kWh의 에너지를 저장하기에 충분할 것이라고 계산했는데, 이는 가정의 일일 평균 전기 사용량에 해당합니다. 콘크리트는 강도를 유지하기 때문에 이 재료로 기초를 만든 집은 태양광 패널이나 풍차에서 나오는 하루 분량의 전기를 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 준비할 수 있습니다. 게다가 슈퍼커패시터는 배터리보다 훨씬 빠르게 충전 및 방전됩니다.

시멘트, 카본 블랙 및 물의 가장 효과적인 비율을 결정하기 위한 일련의 테스트를 거친 후 팀은 직경 약 1cm, 두께 1mm의 버튼 배터리 크기 정도의 소형 슈퍼커패시터를 만들었습니다. 각각은 1볼트 배터리에 해당하는 1볼트로 충전할 수 있습니다. 그런 다음 이들 셀 중 3개를 연결하고 3V 발광 다이오드(LED)를 밝히는 능력을 시연했습니다. 원리를 입증한 후, 그들은 이제 일반적인 12볼트 자동차 배터리와 거의 동일한 크기로 시작하여 45입방미터 버전까지 확장하여 집의 전력을 저장할 수 있는 능력을 입증하는 일련의 더 큰 버전을 구축할 계획입니다.

그들은 재료의 저장 용량과 구조적 강도 사이에 상충 관계가 있음을 발견했습니다. 더 많은 카본 블랙을 첨가함으로써 생성된 슈퍼커패시터는 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 콘크리트는 약간 약해지기 때문에 콘크리트가 구조적 역할을 하지 않거나 콘크리트의 최대 강도 잠재력이 필요하지 않은 응용 분야에 유용할 수 있습니다. 그들은 기초 또는 풍력 터빈 베이스 구조 부재와 같은 응용 분야의 경우 "최적 지점"이 혼합물 중 약 10%의 카본 블랙이라는 사실을 발견했습니다.

탄소-시멘트 슈퍼커패시터의 또 다른 잠재적 응용 분야는 도로변의 태양광 패널에서 생성된 에너지를 저장한 다음 휴대폰을 무선 충전하는 데 사용되는 것과 동일한 기술을 사용하여 도로를 따라 주행하는 전기 자동차에 에너지를 전달할 수 있는 콘크리트 포장 도로 건설입니다. 독일과 네덜란드의 회사들은 이미 관련 자동차 충전 시스템을 개발하고 있지만 표준 배터리를 사용하고 있습니다.

연구원들은 이 기술의 초기 사용이 시멘트 슈퍼커패시터에 부착된 태양광 패널에 의해 전력을 공급받을 수 있는 고립된 집, 건물 또는 그리드 밖의 대피소에 사용될 수 있다고 말합니다.

에너지 저장 용량이 전극 부피의 직접적인 함수이기 때문에 시스템은 확장성이 뛰어납니다. Ulm은 "1밀리미터 두께의 전극에서 1미터 두께의 전극까지 확장할 수 있으며, 이를 통해 기본적으로 몇 초 동안 LED를 켜는 것부터 집 전체에 전력을 공급하는 것까지 에너지 저장 용량을 확장할 수 있습니다"라고 말했습니다.

특정 용도에 필요한 특성에 따라 혼합물을 조정하여 시스템을 조정할 수 있습니다. 자동차 충전 도로의 경우 매우 빠른 충전 및 방전 속도가 필요한 반면, 가정용 전원 공급 장치의 경우 하루 종일 충전이 가능하므로 더 느린 충전 재료를 사용할 수 있습니다.

그래서 이것은 정말 다재다능한 재료입니다. 슈퍼커패시터 형태로 에너지를 저장하는 것 외에도 탄소 함유 콘크리트에 전기를 간단히 통과시켜 동일한 콘크리트 혼합물을 난방 시스템으로 사용할 수도 있습니다.

Ulm은 이를 "에너지 전환의 일부로서 콘크리트의 미래를 보는 새로운 방법"으로 보고 있습니다.