Инновационный материал содержит метакаолин — синтетический алюмосиликат, полученный из каолинитовой глины, обеспечивающий как прочность, так и ионную проводимость.
Исследователи из Франции и Испании разработали новаторский материал, похожий на цемент, который не только выдерживает структурные нагрузки, но и выполняет функцию перезаряжаемой батареи. Группа ученых из Университета Бордо и Университета Страны Басков считает, что это инновационное устройство может проложить путь к новому поколению энергоаккумулирующих зданий, в которых сами стены помогают хранить и передавать энергию. Под руководством Вадима Михайловича Ковругина, кандидата наук, доцента, специализирующегося на хранении энергии, исследование было сосредоточено на преобразовании метакаолина — аморфного синтетического алюмосиликата, получаемого путем нагревания каолинитовой глины, — в функциональный материал для хранения энергии. При смешивании с тщательно разработанным активирующим раствором это высокореакционноспособное вещество образует прочную геополимерную пасту, которая после внедрения в нее электродов из цинка (Zn) и диоксида марганца (MnO₂) превращается в высокопроизводительную твердотельную батарею.
Потенциал встроенной энергии
Система продемонстрировала впечатляющую емкость хранения энергии — около 3,3 Вт·ч на литр, что стало значительным шагом вперед в интеграции систем электропитания непосредственно в строительные материалы. Ковругин подчеркнул, что инновация выходит за рамки обычного дизайна аккумулятора . «Это больше, чем аккумулятор», — сказал он. «Это новая материальная концепция, где инфраструктура не просто стоит на месте, но может активно вносить вклад в энергетическую экосистему». В отличие от традиционного портландцемента — основного компонента бетона — который был исследован для аккумулирования тепла и приводит к высоким выбросам углерода во время производства, геополимерный подход более устойчив. Он также позволяет электрохимическое, а не тепловое аккумулирование энергии, что делает его значительно более эффективным.
видео: https://www.youtube.com/embed/39F5ZgY54tQ?feature=oembed
Между тем, матрица на основе метакаолина, которая имеет слабокислую среду, преодолевает ключевое ограничение более ранних аккумуляторов на основе цемента, предотвращая нежелательные химические реакции, препятствующие перезарядке. В то время как традиционные щелочные системы образуют нерастворимые соединения, такие как цинкат кальция, что снижает возможность перезарядки, новая конструкция сохраняет цинк в ионном состоянии, в конечном итоге повышая эффективность за счет обратимого покрытия и снятия. Это именно то, что позволяет системе быть полностью перезарядной. Однако, по словам исследователей, выделение водорода по-прежнему остается серьезной проблемой, поскольку оно приводит к образованию гексагидратированного сульфата цинка, повреждающего поверхность раздела электрод-электролит и в конечном итоге вызывающего растрескивание геополимера, что ставит под угрозу долгосрочную производительность.
Архитектура встречается с энергией
Для решения этой проблемы исследователи предложили модульную конструкцию, в которой компоненты батареи размещаются в многослойных или разделенных на отсеки секциях, что упрощает обслуживание и замену без ущерба для структурной целостности материала. Между тем, значительная потеря воды, наблюдаемая после 40 дней отверждения, подчеркнула важность управления гидратацией и поведением высыхания, факторами, имеющими решающее значение для долговечности геополимерного материала . Эта дегидратация привела к заметному снижению электрохимической стабильности, что свидетельствует о том, что уровни гидратации крайне важны для поддержания достаточной проводимости.
видео: https://www.youtube.com/embed/9Q71Kf3CXPE?feature=oembed
Однако, поскольку повышение содержания воды может потенциально снизить механическую прочность материала , как состав геополимера, так и процесс отверждения потребуют дальнейшей оптимизации, чтобы сделать материал более пригодным для реальных применений.
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СТАТЬИ
«Несмотря на трудности, наши результаты подчеркивают потенциал интеграции накопления энергии в строительные материалы, что открывает путь к устойчивому развитию инфраструктуры», — заключила исследовательская группа.
Исследование опубликовано в журнале Materials Horizons .