Yakın zamanda yapılan bir çalışma, çimento ve karbon siyahının, çok ince odun kömürüne benzeyen bir maddenin, yenilikçi, uygun fiyatlı bir enerji depolama teknolojisinin temelini oluşturabileceğini öne sürüyor. Bu teknoloji, yenilenebilir enerji arzındaki dalgalanmalara rağmen enerji ağlarının sabit kalmasını sağlayarak güneş, rüzgar ve gelgit enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını kolaylaştırabilir.
Araştırmacılara göre, iki bileşen suyla karıştırılarak elektrik enerjisini depolayabilecek pillere alternatif bir süper kapasitör oluşturulabilir.
Örneğin, sistemi yaratan MIT araştırmacıları, süper kapasitörlerinin eninde sonunda bir evin beton temeline dahil edilebileceğini, burada temelin maliyetine çok az katkıda bulunurken (ya da hiç bulunmazken) ve temele gerekli yapısal gücü sağlarken tam bir günlük enerji depolayabileceğini iddia ediyorlar. Araştırmacılar ayrıca, üzerinden geçerken elektrikli arabalara temassız şarj imkanı sunabilecek beton bir yol hayal ediyorlar.
PNAS dergisinde bu hafta yayınlanan bir makalede, MIT profesörleri Franz-Josef Ulm, Admir Masic ve Yang-Shao Horn, MIT ve Wyss Biyolojik Esinli Mühendislik Enstitüsü’nden diğer dört araştırmacı ile birlikte, basit ama çığır açan yaklaşımı anlatıyor.
En temel haliyle kondansatörler, bir elektrolit içine daldırılmış ve bir zarla ayrılmış, elektrik ileten iki plakadan ibarettir. Kondansatörün karşısına bir voltaj yerleştirildiğinde negatif yüklü plaka elektrolitten pozitif yüklü iyonlar alırken, pozitif yüklü plaka negatif yüklü iyonları biriktirir. Yüklerin bu şekilde ayrılması plakalar arasında bir elektrik alanı oluşturur ve plakaları ayıran membran yüklü iyonların karşıya geçmesini engellediğinden kondansatörü şarj eder. Gerektiğinde, iki plaka bu yük çiftini uzun bir süre koruduktan sonra anında iletebilir. Süper kapasitörler, inanılmaz derecede büyük şarj depolama kapasitelerine sahip basit kapasitörlerdir.
Bir kapasitörün iletken plakalarının toplam yüzey alanı, ne kadar güç depolayabileceğini belirler. Bu ekip tarafından yaratılan yeni süper kapasitörlerin anahtarı, yığın hacmi içinde yoğun, bağlantılı bir iletken malzeme ağı nedeniyle inanılmaz derecede geniş bir iç yüzey alanına sahip çimento bazlı malzemeler yaratma tekniğindedir. Araştırmacıların çimento tozu, su ve diğer bileşenlerden oluşan bir beton kombinasyonuna ekledikleri yüksek iletkenliğe sahip karbon siyahı, bunu başarmalarına yardımcı oldu. Su çimento ile reaksiyona girerek yapının içinde doğal olarak dallanan bir açıklık ağı oluştururken, karbon da bu açıklıklara göç ederek kürlenmiş çimento içinde tel benzeri yapılar oluşturuyor.
Bu yapılar fraktal benzeri bir yapıya sahiptir; daha büyük dallar daha küçük dalları filizlendirir, onlar da daha küçük dalları filizlendirir ve bu böyle devam eder. Bu süreç, çok küçük bir hacim içinde bulunan son derece yüksek bir yüzey alanı ile sonuçlanır. Bundan sonra madde, karbon yapılar üzerinde biriken yüklü parçacıkları sağlayan tuz veya potasyum klorür gibi yaygın bir elektrolite daldırılır. Araştırmacılar, bu malzemeden oluşan ve küçük bir boşluk ya da yalıtkan bir tabaka ile ayrılmış iki elektrot kullanılarak çok güçlü bir süper kapasitör oluşturulabileceğini keşfetti.
Kondansatörün iki plakası tıpkı eşdeğer voltajlı şarj edilebilir bir pilin iki kutbu gibi çalışır: pil gibi bir elektrik kaynağına bağlandığında enerji plakalarda depolanır ve bir yüke bağlandığında elektrik akımı güç sağlamak için geri akar.
Masic’e göre bu madde, Ölü Deniz Parşömenlerini yazmak için kullanılan ve iyi bilinen tarihi bir malzeme olan karbon siyahı ile dünyada en yaygın kullanılan insan yapımı malzeme olan çimentoyu birleştirdiği için dikkat çekicidir. Bu en az iki bin yıllık malzemeleri belirli bir şekilde birleştirdiğinizde, iletken bir nanokompozit oluşturursunuz ve işte o zaman işler gerçekten ilginçleşmeye başlar.
Karışım sertleştikçe ve kürlendikçe, “suyun çimento hidrasyon reaksiyonları yoluyla sistematik olarak tüketildiğini ve bu hidrasyonun hidrofobik (su itici) oldukları için karbon nanoparçacıklarını temelden etkilediğini” iddia ediyor. “Kombinasyon geliştikçe karbon siyahı kendi kendine birleşerek bağlı iletken bir tel haline geliyor” diyor. Prosedürün çoğaltılması basittir ve bileşenler uygun fiyatlıdır ve dünyanın her yerinde kolayca erişilebilir. Masic’e göre, süzülmüş bir karbon ağı oluşturmak için sadece çok az miktarda karbon gerekiyor; karışımın hacminin %3’ü kadar.
Ulm, bu malzemenin süperkapasitörlerinin dünyanın yenilenebilir enerjiye geçişine yardımcı olmak için önemli bir umut vaat ettiğini iddia ediyor. Emisyonsuz enerjinin ana kaynakları olan rüzgâr, güneş ve gelgit enerjisinin tümü, elektrik talebindeki zirvelere sıklıkla denk gelmeyen düzensiz dönemlerde çıktılarını ürettiğinden, enerjiyi depolamanın yollarını bulmak çok önemlidir. Ona göre, büyük ölçekli enerji depolamaya kritik bir ihtiyaç var. Ancak mevcut bataryalar son derece pahalı ve büyük ölçüde lityum gibi bulunabilirliği kısıtlı olan elementlere dayanıyor. Ulm’a göre çimento yaygın olarak kullanılıyor, dolayısıyla tekniğimiz en çok bu alanda umut vaat ediyor.
Ekibin hesaplamalarına göre, nanokarbon-siyah katkılı 45 metreküp (veya yarda) büyüklüğünde veya kabaca 3,5 metre eninde bir küp büyüklüğünde bir beton blok, bir ev için tipik günlük elektrik kullanımı olarak kabul edilen yaklaşık 10 kilovat-saat enerjiyi depolamak için yeterli kapasiteye sahip olacaktır. Bu malzemeden oluşan bir temele sahip bir ev, güneş veya rüzgar türbinleri tarafından üretilen bir günlük enerjiyi depolayabilir ve beton gücünü koruyacağı için gerektiğinde kullanılmasına izin verebilir. Ayrıca, süper kapasitörler bataryalardan çok daha hızlı bir şarj ve deşarj oranına sahiptir.
Ekip, en etkili çimento, karbon siyahı ve su oranlarını belirlemek için kullanılan bir dizi testten sonra, her biri 1 voltluk bir pille karşılaştırılabilir şekilde 1 volta kadar şarj edilebilen, yaklaşık 1 santimetre genişliğinde ve 1 milimetre kalınlığında, bazı düğme hücreli pillerin boyutunda küçük süper kapasitörler oluşturarak prosedürü gösterdi. Daha sonra bu düzenekle 3 voltluk bir ışık yayan diyota (LED) güç verebileceklerini göstermek için bunlardan üçünü birbirine bağladılar. Konsepti gösterdikten sonra, şimdi kabaca 12 voltluk bir araç aküsü büyüklüğünde olanlardan başlayarak ve tüm bir eve güç sağlayacak kadar enerji depolama kapasitesini göstermek için 45 metreküplük bir modele kadar ilerleyerek bir dizi daha büyük model inşa etmeyi planlıyorlar.
Malzemenin yapısal gücü ile depolama kapasitesi arasında bir denge olduğunu keşfettiler. İlave karbon siyahı eklenmesi sonucunda beton biraz daha zayıflasa da, bu durum betonun tüm mukavemet potansiyelinin gerekli olmadığı veya betonun yapısal bir rol oynamadığı uygulamalarda avantajlı olabilir. Temeller veya bir rüzgar türbininin tabanının yapısal bileşenleri gibi uygulamalar için “tatlı noktanın” karışımda yaklaşık %10 karbon siyahı olduğunu keşfettiler.
Yol boyunca güneş panelleri tarafından üretilen enerjiyi depolayabilecek ve daha sonra bu enerjiyi kablosuz olarak şarj edilebilen telefonlar için kullanılana benzer bir teknoloji kullanarak yol boyunca seyahat eden elektrikli araçlara verebilecek beton yollar inşa etmek, karbon-çimento süper kapasitörler için bir başka potansiyel kullanım alanıdır. Almanya ve Hollanda’daki şirketler halihazırda benzer türde bir araç şarj sistemi üzerinde çalışıyor, ancak bu sistemde depolama mekanizması olarak normal piller kullanılıyor.
Araştırmacılara göre, teknolojinin ilk uygulamaları arasında şebekeye bağlı olmayan ve çimento süper kapasitörlere takılan güneş panelleriyle çalıştırılabilecek uzak konutlar, yapılar veya barınaklar yer alabilir.
Ulm’a göre sistem özellikle ölçeklendirilebilir çünkü elektrotların hacmi enerji depolama kapasitesini doğrudan etkiliyor. “Enerji depolama kapasitesini bir LED’i birkaç saniyeliğine yakmaktan bütün bir eve güç vermeye kadar ölçeklendirebilirsiniz” diyor. “1 milimetre kalınlığındaki elektrotlardan 1 metre kalınlığındaki elektrotlara geçebilirsiniz.”
Sistem, belirli bir uygulama için istenen nitelikleri elde etmek üzere karışım değiştirilerek modifiye edilebilir. Ulm’a göre, bir araç şarj rotası için çok yüksek şarj ve deşarj oranları gerekirken, bir eve güç sağlamak için daha yavaş şarj olan malzeme kullanılabilir çünkü “şarj etmek için tüm gününüz var”.
“Yani gerçekten çok işlevli bir malzeme” diye devam ediyor. Aynı tür beton karışımı, süper kapasitörler şeklinde enerji depolama kapasitesine ek olarak, karbon bağlayıcılı betona sadece elektrik uygulayarak bir ısıtma sistemi olarak da kullanılabilir.
Ulm’a göre bu, “enerji dönüşümünün bir parçası olarak betonun geleceğine bakmanın yeni bir yoludur.”
Kaynak: news.mit.edu/2023/mit-engineers-create-supercapacitor-ancient-materials-0731
