Вместо электроаккумулятора – красный кирпич

Согласно августовской публикации в журнале Nature Communications, команда из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США) нашла способ превращать красные кирпичи в накопители электроэнергии

Мы на пороге удивительных технологических новаций. Ученые разработали масштабируемый, экономичный и универсальный метод превращения обожженного красного кирпича в устройства накопления электроэнергии. Они нанесли на кирпич химическое покрытие из нановолокон, которые проникают в поры кирпича и превращают его в «ионную губку», способную проводить, накапливать и затем отдавать электричество. Кирпичи после нанесения нанофибриллярного покрытия из проводящего полимера (поли -3,4-этилендиокситиофена, PEDOT) превращаются в суперконденсаторы, способные удерживать большие объемы энергии и заряжаться в десятки раз быстрее обычных батарей.

Открытая микроструктура обожженного кирпича, механическая прочность и содержание ~ 8% по весу оксида железа α-Fe₂O₃ обеспечивают идеальную основу для электрохимических электродов PEDOT и стационарных суперконденсаторов, которые легко подключаются в модули. Обработка кирпича эпоксидной смолой служит им водонепроницаемым корпусом, позволяющим данным «электро-кирпичным» блокам работать суперконденсаторами даже под водой с длительной стабильностью характеристик заряда/разряда до 10 000 циклов и с сохранением емкости ~ 90%.

В результате, обычные кирпичи превращаются по сути в системы хранения электроэнергии. Регулируя их количество, можно создавать энергохранилища большей или меньшей емкости.

В ходе эксперимента ученые продемонстрировали, что кусок обычного кирпича можно зарядить до 3 вольт в течение 10 секунд, и этого достаточно, чтобы затем питать светодиод в течение 10 минут. Участки стен из таких «нано-кирпичей» можно подключать к ВИЭ (например, к солнечным батареям) и затем с огромным быстродействием запитывать от них системы автоматики, датчики или аварийное освещение – каждый «электро-кирпич» теперь служит суперконденсатором и может заряжаться и разряжаться сотни тысяч раз в течение часа.

Красный обожженный кирпич, обычно используемый для строительства – один из самых прочных материалов с 5000-летней историей, восходящей к эпохе неолита. Глиняный строительный кирпич обычно имеет различные оттенки красного и в основном состоит из плавленых частиц кремнезема (SiO₂), оксида алюминия (Al₂O₃) и гематита (α-Fe₂O₃) – железистого пигмента который и придает кирпичу красный цвет.

Рис. Нанофибриллярные блоки с покрытием PEDOT для суперконденсаторов

На рис. показаны В-А характеристики и сами нанофибриллярные блоки с покрытием PEDOT для суперконденсаторов.

Циклические вольтамперограммы для одиночного квазитвердотельного суперконденсатора напряжением 1 и 1,2 В; тандемное устройство (состоящее из трех последовательно соединенных суперконденсаторов) накапливает около 3,6 В. Тандемное устройство становится водонепроницаемым после покрытия эпоксидной смолой и демонстрирует стабильную циклическую вольтамперограмму заряд/разряд.
На фотографии показан суперконденсатор из кирпича с подключенным к нему светящимся зеленым светодиодом. Это тандемное устройство (4×3×1 см) содержит три суперконденсатора (4×1×1 см), соединенных последовательно; также видны контактный электрод и оболочка светодиода.

Сегодня гематит (по сути – обычная ржавчина) происходит от того же гематита, впервые использованного людьми 73 000 лет назад для рисования на стенах пещер, и он до сих пор служит недорогим неорганическим материалом для изготовления катализаторов, магнитов и сплавов. Современные материалы для хранения энергии также производятся из гематита.

Например, FeNx, FeP и Li₅FeO₄ синтезируются посредством анионного или катионного обмена для калий-ионных аккумуляторов, Zn-воздушных аккумуляторов, псевдоконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов. Трехмерная пористая микроструктура кирпича обеспечивают идеальную основу для создания механически прочного электрода.

Новая технология обработки «старого» материала позволит создавать «встроенные» в структуру здания простые и недорогие системы хранения электроэнергии, ближайшее направление использования которых – системы резервного электропитания автоматики HVAC с высоким быстродействием, систем безопасности и аварийного освещения. По мере развития данной технологии возможно прийти к созданию систем хранения энергии от ВИЭ достаточной мощности, чтобы накапливать энергию от встроенных в здание систем солнечных панелей (BIPV) в достаточном количестве и достаточной мощности, чтобы полностью решить задачу хранения энергии для всех инженерных систем и оборудования, потребляющего электроэнергию в здании.

Источник: журнал Nature Communications, США, авг. 2020 г.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!