Elektricky vodivý cement by mohl proměnit domy a silnice v téměř neomezené baterie, jak jsme v této myšlence prakticky pokročili?

Foto: Raul Petri/unsplash

Vědci již dříve přišli s novým způsobem, jak ukládat elektřinu do cementu, a to s využitím levných a hojně dostupných materiálů. Pokud by se tento cement rozšířil, mohl by v betonových základech domu uchovávat dostatek energie na pokrytí denní potřeby energie. Ve větším měřítku by elektrifikované silnice mohly napájet elektromobily během jízdy. A pokud vědci najdou způsob, jak to všechno levně provést, mohl by tento pokrok nabídnout téměř neomezenou kapacitu pro ukládání energie z přerušovaných obnovitelných zdrojů, jako je slunce a vítr, uvádí časopis Science.

Cementová zařízení jsou zatím malá, pouze tak velká, aby napájela několik LED žárovek. Již nyní se však pracuje na jejich rozšíření.

Cementová zařízení jsou druhem zjednodušených baterií zvaných superkapacitory. Skládají se ze dvou elektricky vodivých desek oddělených iontově vodivým elektrolytem a tenkou membránou. Při nabíjení zařízení se na jedné desce hromadí kladně nabité ionty z elektrolytu, zatímco na druhé záporně nabité ionty.

Množství akumulované energie závisí na celkové ploše vodivých desek superkapacitoru. Již několik desetiletí se vědci snaží o jejich zabudování do konstrukčních materiálů, jako je beton používaný v silnicích a budovách nebo uhlíkové kompozity používané v karoseriích automobilů a letadel. Na rozdíl od současných nejlepších baterií superkapacitory obvykle používají nehořlavé elektrolyty, takže jsou bezpečnější.

Problém spočívá v tom, že cement, který je hlavní složkou betonu, je obvykle špatným elektrickým vodičem. V posledních letech proto několik skupin vytvořilo strukturální superkapacitory pomocí cementu s vysoce vodivými formami uhlíku, jako je grafen nebo uhlíkové nanotrubičky. Ačkoli tyto látky fungují dobře, jsou drahé a těžko se vyrábějí v obrovských objemech používaných v cementářském průmyslu, poznamenává Franz-Josef Ulm, stavební inženýr z Massachusettského technologického institutu (MIT).

Při hledání levnější alternativy se Ulm a jeho kolegové obrátili na starou formu práškového uhlíku, známou jako saze, která se od starověku používá jako černý pigment. Saze jsou levné a celosvětově rozšířené a jsou také vysoce vodivé.

Ulm a jeho tým smíchali malé procento sazí s cementovým práškem a přidali vodu. Voda se snadno spojí s cementem. Protože však částice sazí vodu odpuzují, mají tendenci se shlukovat a vytvářet v tuhnoucím cementu dlouhé propojené útvary, které se chovají jako síť drátů.

Ulm a jeho kolegové rozřezali tento drátěný cement na malé destičky a vytvořili tak superkapacitor o tloušťce 1 milimetr a šířce 1 centimetr, což je přibližně velikost knoflíku. Po přidání membrány, elektrolytu vyrobeného z chloridu draselného – jednoduché soli – a vody vědci sendvičovou strukturu uzavřeli. Když pak k deskám připojili vodič a otočili vypínačem, cementové superkapacitory rozsvítily řadu LED světel.

Pokud by se z uhlíkových sazí vyrobil beton o objemu 45 metrů krychlových, což je zhruba množství, které se používá v základech běžného domu, bylo by možné v něm uložit 10 kilowatthodin energie, což by stačilo na celodenní napájení průměrné domácnosti, uvádí tým v současném vydání časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences. Pokud by se stejný přístup použil při stavbě silnic, parkovišť nebo příjezdových cest, mohl by elektrifikovaný beton uchovávat obnovitelnou energii a dodávat ji elektromobilům prostřednictvím indukčních nabíječek. Jedním z přístupů by mohlo být posílání elektřiny do podvozků automobilů prostřednictvím měděných cívek zabudovaných ve vozovce – trochu podobně jako bezdrátové nabíječky nabíjejí chytré telefony. Taková technologie se již vyvíjí v Německu a Nizozemsku.

• Arktida bude bez ledu už v létě roku 2027
• Arktida bude bez ledu už v létě roku 2027
• Jak fungují vzdušná bojová letadla řízená umělou inteligencí

Tím, že by elektrifikovaný cement nabídl levnější alternativu k dražším bateriím, by také mohl učinit skladování obnovitelné energie dostupnější pro rozvojové země, říká Admir Masic, chemik z MIT a spoluautor studie. „Tím se dostáváme do nového prostoru pro skladování energie za ceny dostupné kdekoli na světě.“

Aby výzkumníci uspěli, budou muset zvětšit velikost desek o velikosti knoflíku. Jak se superkapacitory zvětšují, jejich elektrická vodivost obvykle klesá, což ztěžuje dodávání a získávání energie z nich. Ulm poznamenává, že jedním z řešení je jednoduše přidat do směsi více sazí – ale ne tolik, aby to oslabilo strukturální integritu cementu. V případě konstrukčního betonu výzkumníci zjistili, že mohou přidat až 10 % sazí, aniž by to příliš narušilo jeho pevnost. Ulm říká, že skupina si svou technologii nechala patentovat a nyní pracuje na jejím rozšíření, aby odpovídala výkonu 12voltové autobaterie.