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Aug 14, 2023

Zement

Ein neuer kostengünstiger und effizienter Superkondensator aus Ruß und Zement könnte die Energie eines Tages im Betonfundament eines Gebäudes speichern oder kontaktlos aufladen

Ein neuer kostengünstiger und effizienter Superkondensator aus Ruß und Zement könnte die Energie eines Tages im Betonfundament eines Gebäudes speichern oder Elektroautos während der Fahrt kontaktlos aufladen. Laut den Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Wyss Institute, beide in den USA, die es entwickelt haben, könnte das Gerät auch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solar-, Wind- und Gezeitenkraft erleichtern.

Superkondensatoren werden technisch als elektrische Doppelschicht- oder elektrochemische Kondensatoren bezeichnet und ihre Leistungsfähigkeit liegt irgendwo zwischen denen von Batterien und herkömmlichen (dielektrischen) Kondensatoren. Obwohl Superkondensatoren weniger gut Ladung speichern können als Batterien, sind sie in dieser Hinsicht dank ihrer porösen Elektroden, deren Oberfläche mehrere Quadratkilometer groß ist, besser als herkömmliche Kondensatoren. Die Doppelschicht, die sich an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche solcher Geräte bildet, wenn eine Spannung angelegt wird, erhöht die Ladungsmenge, die sie speichern können, zusätzlich.

Superkondensatoren haben gegenüber Batterien auch einige Vorteile. Während das Laden und Entladen von Batterien Stunden dauern kann, ist das bei Superkondensatoren in wenigen Minuten erledigt. Sie haben auch eine viel längere Lebensdauer und halten Millionen statt Tausender Zyklen. Und im Gegensatz zu Batterien, die durch chemische Reaktionen funktionieren, speichern Superkondensatoren Energie in Form elektrisch geladener Ionen, die sich auf den Oberflächen ihrer Elektroden ansammeln.

Das neue Gerät, das von einem Team um Franz-Josef Ulm, Admir Masic und Yang-Shao Horn entwickelt wurde, enthält ein Material auf Zementbasis, das über eine extrem große innere Oberfläche verfügt. Dies erreichten die Forscher, indem sie mit einer trockenen Zementmischung begannen, die Ruß enthielt, der sehr feiner Holzkohle ähnelt. Zu dieser Mischung fügten sie Wasser und Fließmittel hinzu – ein standardmäßiges wasserreduzierendes Zusatzmittel bei der Betonherstellung. Wenn das Wasser mit dem Zement reagiert, bildet es auf natürliche Weise ein verzweigtes Netzwerk von Poren innerhalb der Struktur, und der Kohlenstoff wandert in diese Poren und bildet drahtige Filamente mit einer fraktalen Struktur. Es ist diese dichte, miteinander verbundene Netzwerkstruktur, die dem Material seine extrem große Oberfläche verleiht.

„Wir füllen das frische Material in Kunststofftuben und lassen es mindestens 28 Tage aushärten“, erklärt Ulm. „Anschließend schneiden wir die Proben in elektrodengroße Stücke, tränken diese Elektroden in einer Standardelektrolytlösung (Kaliumchlorid) und bauen aus zwei durch eine Isoliermembran getrennten Elektroden einen Superkondensator.“

Anschließend polarisieren die Forscher die Elektroden, indem sie eine Elektrode mit einer positiven Ladung und die andere mit einer negativen Ladung verbinden. Beim Laden sammeln sich positiv geladene Ionen aus dem Elektrolyten auf dem negativ geladenen volumetrischen Kohlenstoffdraht an, während sich negativ geladene Ionen auf dem positiv geladenen Kohlenstoffdraht ansammeln.

Da die Membran im Weg ist, können sich die geladenen Ionen nicht zwischen den Elektroden bewegen. Dieses Ungleichgewicht erzeugt das elektrische Feld, das den Supraleiter auflädt. „Die Tatsache, dass der volumetrische Draht den ihm zur Verfügung stehenden Raum ausfüllt – was wir mit der EDS-Raman-Spektroskopie bestätigt haben – ermöglicht es uns, viel Energie auf der extrem großen Oberfläche des Rußes zu speichern“, sagt Ulm. „Wenn wir dann die Energiequelle vom Superkondensator trennen, wird die gespeicherte Energie freigesetzt und kann so den Strom für verschiedene Anwendungen bereitstellen.“

Nach ihren Berechnungen, die sie in PNAS detailliert darlegen, könnte ein Block des Materials mit einer Größe von 45 m3 (entspricht einem 3,55 m großen Würfel) etwa 10 kWh Energie speichern. Dies entspricht in etwa dem durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch eines typischen Haushalts. Ein Haus, dessen Fundamente diesen Carbon-Beton-Verbundwerkstoff enthalten, könnte daher die Energie eines Tages – beispielsweise erzeugt durch Sonnenkollektoren – speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Das Material könnte auch in intermittierende Stromerzeuger wie Windkraftanlagen eingebaut werden, die dann Energie in ihren Sockeln speichern und bei Ausfallzeiten wieder abgeben könnten.

Eine weitere mögliche Anwendung des Superkondensators – wenn auch eine High-End-Anwendung – wäre der Einbau in Betonfahrbahnen. Diese Superstraßen könnten dann Energie speichern (die möglicherweise von neben ihnen angebrachten Solarpaneelen erzeugt wird) und sie über elektromagnetische Induktion an vorbeifahrende Elektrofahrzeuge weitergeben. Diese Technologie ist im Grunde dieselbe wie die, die zum drahtlosen Aufladen von Mobiltelefonen verwendet wird, und die Forscher sagen, dass sie auch zum Aufladen von Elektrofahrzeugen verwendet werden könnte, wenn diese sich nicht bewegen – zum Beispiel auf einem Parkplatz.

Kurzfristigere Einsatzmöglichkeiten, so fügen sie hinzu, könnten in Gebäuden liegen, die weit vom Stromnetz entfernt sind und über an den Superkondensatoren angebrachte Sonnenkollektoren mit Strom versorgt werden könnten.

Das System sei sehr skalierbar, sagt Ulm, da die Energiespeicherkapazität proportional zum Volumen der Elektroden steige. „Man kann von 1-Millimeter-dicken Elektroden auf 1-Meter-dicke Elektroden umsteigen und auf diese Weise im Grunde die Energiespeicherkapazität skalieren, von der Beleuchtung einer LED für ein paar Sekunden bis hin zur Stromversorgung eines ganzen Hauses“, erklärt er. Abhängig von den für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Eigenschaften könne das System durch Anpassung der Mischung abgestimmt werden, fügt er hinzu. Für eine Ladestraße für Fahrzeuge wären sehr schnelle Lade- und Entladeraten erforderlich, während für die Stromversorgung eines Hauses „man den ganzen Tag Zeit zum Aufladen hat“, sodass langsamer aufladbares Material verwendet werden könnte.

Ungiftige Superkondensatoren sind vollständig recycelbar

„Die Tatsache, dass die Grundmaterialien so leicht verfügbar sind, eröffnet eine neue Möglichkeit, Energiespeicherlösungen zu überdenken“, sagt Ulm gegenüber Physics World. „Beton ist nach Wasser das am meisten verbrauchte Material auf der Erde, verursacht jedoch nicht zu vernachlässigende Umweltkosten, da etwa 8 % der weltweiten CO2-Emissionen auf die 4 Gigatonnen der jährlichen weltweiten Produktion zurückzuführen sind. Unser Hauptaugenmerk lag daher darauf, Beton zu einem multifunktionalen Material zu machen, das eine zusätzliche nützliche gesellschaftliche Funktion erfüllen könnte.“

Die Energiespeicherung sei heute von entscheidender Bedeutung, wenn wir die Auswirkungen des Klimawandels eindämmen wollen, stellt er fest, und frühere Studien hätten gezeigt, dass aus einer Zement-Kohlenstoff-Mischung ein elektronenleitender Zement hergestellt werden könne. Allerdings reicht die elektrische Leitfähigkeit nicht aus, um Energie zu speichern. „Wir stellten die Hypothese auf, dass die Hydratisierung des hydrophilen Zements in Gegenwart des hydrophoben Rußes auf natürliche Weise die beiden anderen erforderlichen Kriterien liefern sollte: Lagerungs- und Transportporosität“, sagt Ulm.

Der unmittelbare Fokus der Forscher liegt auf der Herstellung eines Superkondensators, der die gleiche Ladungsmenge wie eine 12-V-Batterie speichern kann. „Wir betrachten dieses Gerät als den Grundstein für fortschrittlichere Geräte“, sagt Ulm.