Поскольку количество солнечных панелей и ветряных турбин активно растет по всему миру, возникает серьезная проблема — как дешево сохранить всю избыточную электроэнергию, произведенную, когда светит солнце или дует ветер, чтобы ее можно было использовать в другое время. Потенциальные решения были предложены во многих формах, включая массивные аккумуляторные батареи, быстро вращающиеся маховики и подземные хранилища воздуха. Теперь группа исследователей говорит, что классический строительный материал — красный обожженный кирпич — может стать претендентом на роль накопителя энергии.
Суперконденсаторы интересны тем, что, в отличие от аккумуляторов, они могут за короткое время отдавать огромные количества энергии и быстро перезаряжаться. Обратной стороной медали является то, что они хранят относительно мало энергии на килограмм по сравнению с батареями. В электромобилях суперконденсаторы позволяют быстро разогнаться, но именно литий-ионные аккумуляторы обеспечивают питание на сотни километров езды. Тем не менее, ученые надеются, что суперконденсаторы смогут заменить обычные батареи во многих областях из-за крайне негативных экологических последствий добычи редкоземельных металлов и утилизации аккумуляторов.
По словам Д'Арси, доцента кафедры химии Вашингтонского университета, их разработка открывает «новые возможности для многих кирпичных стен и конструкций в мире». Солнечные панели на крыше, соединенные проводами с кирпичами в стенах домов, зарядят последние, которые, в свою очередь, могут обеспечивать внутреннее резервное питание для аварийного освещения или других применений.
«Если мы добьемся успеха в масштабировании нашего проекта, вам больше не понадобятся батареи в вашем доме», — говорит он. «Сам кирпич станет батареей».
Кирпичная батарея. Работает.
Новое устройство, описанное в журнале Nature Communications, максимально далеко от проектов хранения энергии мегаваттного уровня, реализуемых в таких местах, как пустыни Калифорнии или сельская местность Китая. Но Д'Арси считает, что его статья впервые показывает, как кирпичи могут хранить электрическую энергию. Он отметил, что это дает «пищу для размышлений» в секторе электроэнергетики, который ищет новые идеи.
Исследователи начали с того, что купили с сотню обычных красных кирпичей по 65 центов (около 50 рублей) за штуку в хозяйственном магазине. В лаборатории они изучили микроструктуру материала и заполнили многочисленные поры кирпичей сначала парами соляной кислоты для выделения трехвалентного железа, а затем парами EDOT (3,4-этилендиокситиофена). После этого кирпичи отправились в печь, нагретую до 160° по Цельсию. Оксид железа вызвал химическую реакцию, покрыв полости кирпичей тонкими слоями PEDOT, полимера, известного как поли(3,4-этилендиокситиофен) и обладающего крайне высокой электропроводностью. В итоге из печи выходили кирпичи с черно-синим оттенком, обладающие способностью проводить электричество.
Затем команда Д'Арси прикрепила медные провода к двум кирпичам с пленками из PEDOT. Чтобы предотвратить короткое замыкание между кирпичами, когда они сложены вместе, исследователи разделили их тонким пластиковым листом полипропилена. В качестве жидкого электролита использовался раствор на основе серной кислоты, а кирпичи подключили через медные провода к обычной ААА-батарейке примерно на одну минуту. После зарядки кирпичи смогли запитать белый светодиод на 11 минут.
По словам Д'Арси, если расширить эту систему до 50 кирпичей, то такой суперконденсатор сможет питать светодиод с мощностью в 3 Вт в течение примерно 50 минут. В таком виде установка может быть перезаряжена порядка 10 000 раз и при этом сохранит около 90 процентов своей первоначальной емкости. Исследователи продолжают улучшать используемый полимер, чтобы достичь 100 000 циклов перезарядки.
Однако исследователи из Сент-Луиса не одиноки в своем стремлении использовать повседневные (хотя и необычные) материалы для изготовления суперконденсаторов.
Схема создания суперконденсатора из кирпичей.
В Шотландии команда из Университета Глазго разработала гибкое устройство, которое может быть полностью заряжено человеческим потом. Исследователи нанесли тонкий слой PEDOT на кусок полиэфирной целлюлозной ткани, которая поглощает пот владельца, создавая электрохимическую реакцию и генерируя электричество. Идея заключается в том, что такая слоеная ткань может питать нетребовательную носимую электронику от того небольшого количества пота, который мы выделяем при обычной ходьбе.
Индийский технологический институт в Хайдарабаде изучает возможность использования кукурузной шелухи в высоковольтных суперконденсаторах. Индийские штаты-производители кукурузы создают значительное количество отходов в виде шелухи, которая, по мнению исследователей, может быть преобразованы в электроды с активированным углем. Биомасса предлагает потенциально более дешевую и простую альтернативу электродам, полученным из полимеров и аналогичных им материалов, согласно недавнему исследованию в журнале Journal of Power Sources.
Однако, чтобы действительно потеснить на рынке доминирующие там аккумуляторы, в которых химическая реакция приводит к созданию напряжения, суперконденсаторам потребуется значительно увеличить свою плотность хранения энергии. Д'Арси говорит, что его электрически заряженные кирпичи «на два порядка» отстают от литий-ионных батарей с точки зрения количества энергии, которую они могут хранить.
«Это еще одна вещь, которую мы пытаемся сделать — заставить наш полимер накапливать больше энергии», — сказал он. «Многие исследователи пытаются сделать это, но они не делали это с кирпичами».
