طفرة في تخزين الطاقة: المكثفات الفائقة الجديدة

وفقا لدراسة جديدة أجراها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، فإن المادتين الأكثر شيوعا في تاريخ البشرية، الأسمنت وأسود الكربون (على غرار الفحم الناعم جدا)، قد تصبح المواد الخام الأساسية لتخزين الطاقة الجديدة منخفضة التكلفة نظام.

وقد وجد باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن هاتين المادتين يمكن أن تتحدا مع الماء لتكوين مكثفات فائقة (بدائل للبطاريات)، والتي يمكنها تخزين الطاقة الكهربائية. ويقال إن هذه التكنولوجيا يمكن أن تحافظ على استقرار شبكة الطاقة على الرغم من التقلبات في إمدادات الطاقة المتجددة، وبالتالي تعزيز استخدام الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر.
 

على سبيل المثال، يقول الباحثون إن مكثفاتهم الفائقة يمكن دمجها في الأساس الخرساني للمنزل، حيث يمكنهم تخزين الطاقة ليوم كامل بتكلفة قليلة جدًا (أو بدون تكلفة)، مع الاستمرار في توفير القوة الهيكلية المطلوبة للمنزل. ويتصور الباحثون أيضًا بناء طريق خرساني يمكن أن يوفر شحنًا غير متصل للسيارات الكهربائية التي تسير على هذا الطريق.

تم نشر أحدث نتائج الأبحاث مؤخرًا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).

المكثف هو جهاز بسيط للغاية من حيث المبدأ، ويتكون من لوحين موصلين مغمورين في المنحل بالكهرباء ويفصل بينهما غشاء. عندما يتم تطبيق الجهد على مكثف، تتراكم الأيونات الموجبة الشحنة من المنحل بالكهرباء على اللوحة السالبة، بينما تتراكم الصفائح الموجبة الشحنة الأيونات السالبة.

نظرًا لوجود غشاء بين الألواح يمنع هجرة الأيونات المشحونة، فإن هذا الفصل للشحنات يخلق مجالًا كهربائيًا بين الألواح، ويصبح المكثف مشحونًا. يمكن لهاتين اللوحتين الحفاظ على هذا الزوج من الشحنات لفترة طويلة ومن ثم توفيرهما بسرعة كبيرة عند الحاجة. المكثف الفائق هو مكثف يمكنه تخزين كميات كبيرة جدًا من الشحنة.
تعتمد كمية الكهرباء التي يمكن للمكثف تخزينها على المساحة السطحية الإجمالية للوحة الموصلة. يكمن مفتاح المكثف الفائق الجديد الذي طوره الفريق في طريقة إنتاج المواد القائمة على الأسمنت، والتي تتمتع بمساحة سطح داخلية عالية للغاية بسبب شبكة المواد الموصلة الكثيفة والمترابطة داخل حجمها.

على وجه التحديد، حقق الباحثون هذا الهدف عن طريق وضع أسود الكربون عالي التوصيل ومسحوق الأسمنت والماء في خليط خرساني والسماح له بالتصلب. عندما يتفاعل الماء مع الأسمنت، فإنه يشكل بشكل طبيعي شبكة متفرعة في الهيكل، ويهاجر الكربون إلى هذه الفراغات، مشكلاً بنية خطية في الأسمنت المتصلب.

تحتوي هذه الهياكل على هيكل متشعب، حيث تؤدي الفروع الأكبر إلى ظهور فروع أصغر، وهكذا، وتشكل في النهاية مساحة سطحية كبيرة جدًا ضمن نطاق حجم صغير نسبيًا.
ثم قم بغمر هذه المادة في مادة إلكتروليتية قياسية، مثل كلوريد البوتاسيوم (الملح)، الذي يوفر جزيئات مشحونة تتراكم على بنية الكربون. وقد وجد الباحثون أن قطبين كهربائيين مصنوعين من هذه المادة يفصل بينهما مساحة رقيقة أو طبقة عازلة، مما يشكل مكثفًا فائقًا قويًا للغاية.

ويشير الباحثون إلى أن الأسمنت وأسود الكربون مادتان لهما تاريخ لا يقل عن ألفي سنة. "عندما تجمعهم بطريقة معينة، تحصل على مادة مركبة نانوية موصلة، وعندها تصبح الأمور مثيرة للاهتمام حقًا. علاوة على ذلك، فإن محتوى الكربون المطلوب صغير جدًا، حيث يمثل 3 بالمائة فقط من حجم الخليط، والذي يمكن أن يشكل طبقة نفاذية شبكة الكربون.
ويقول الباحثون إن المكثفات الفائقة المصنوعة من هذه المادة لها إمكانات كبيرة في مساعدة العالم على التحول إلى الطاقة المتجددة. المصادر الرئيسية للطاقة عديمة الانبعاثات، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية وطاقة المد والجزر، جميعها تولد إنتاجها في أوقات متفاوتة، والتي غالبا ما تكون غير متسقة مع ذروة استخدام الكهرباء. ولذلك، فإن طرق تخزين الكهرباء ضرورية.

إن الطلب على أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق مرتفع للغاية، والبطاريات الحالية باهظة الثمن وتعتمد بشكل أساسي على مواد مثل الليثيوم. إن إمدادات الليثيوم محدودة، لذلك هناك حاجة ملحة لبدائل أرخص. وقالوا "هذا هو المكان الذي تعتبر فيه تقنيتنا واعدة للغاية لأن الأسمنت موجود في كل مكان".
توصل فريق البحث إلى أن الخرسانة المطلية بأسود الكربون النانوي بحجم 45 مترًا مكعبًا (أي ما يعادل مكعب يبلغ قطره حوالي 3.5 متر) سيكون لها قدرة كافية لتخزين ما يقرب من 10- كيلووات ساعة من الطاقة، وهو ما يعتبر متوسط ​​استهلاك الكهرباء اليومي للأسرة. ونظراً لقدرة الخرسانة على الحفاظ على قوتها، فإن المنازل المبنية على هذه المادة يمكنها تخزين الطاقة المولدة من الألواح الشمسية أو طواحين الهواء لمدة يوم واحد واستخدامها عند الحاجة. علاوة على ذلك، فإن سرعة الشحن والتفريغ للمكثفات الفائقة أسرع بكثير من البطاريات.
ويقول الباحثون أيضًا إن الاستخدام الأولي لهذه التقنية قد يكون في المنازل أو المباني أو الملاجئ المعزولة البعيدة عن شبكة الكهرباء، والتي قد يتم تشغيلها بواسطة الألواح الشمسية المتصلة بالمكثفات الفائقة الأسمنتية.
قالوا إن النظام قابل للتطوير بشكل كبير لأن سعة تخزين الطاقة هي وظيفة مباشرة لحجم القطب. يمكنك تحويل قطب كهربائي بسمك 1 ملم إلى قطب كهربائي بسمك 1 متر، ومن خلال القيام بذلك، يمكنك توسيع سعة تخزين الطاقة لديك، من إضاءة LED لبضع ثوان إلى توفير الطاقة للمنزل بأكمله.

تركز شركتنا على غطاء نهاية النحاس عالي الجودة، وصلات طرفية الصمامات، (المركبات الكهربائية) شريط ناقل مكثف فيلم EV، (الطاقة الشمسية) شريط ناقل الطاقة الكهروضوئية، قضيب توصيل مصفح، علب ألومنيوم لبطاريات الطاقة الجديدة، النحاس/النحاس/الألومنيوم/الفولاذ المقاوم للصدأ أجزاء الختم والمنتجات الكهربائية الأخرى مجموعة ختم ولحام المعادن لأكثر من 18 عامًا في الصين. لقد بدأنا كعملية صغيرة، ولكننا أصبحنا الآن أحد الموردين الرائدين في صناعة المركبات الكهربائية والكهروضوئية في الصين.

إذا كان لديك أي احتياجات، فلا تتردد في الاتصال بنا وسوف نقوم بالرد في أقرب وقت ممكن!