Werden Zementbatterien die nächste Energierevolution sein?

Geschrieben von Wang Yuesheng (PhD in Festkörperphysik)

Ich glaube, jeder kennt Batterien, aber haben Sie schon einmal von „Zementbatterien“ gehört? Zement wird in unserem täglichen Leben allgemein als Baumaterial verwendet. Können die Gebäude, in denen wir leben, auch Strom speichern? Was ist eine Zementbatterie? Was ist der Unterschied zu den üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Akkus? Heute lernen wir etwas über Zementbatterien.

Die Zementbatterie wurde 2021 von Dr. Emma Zhang erfunden, die an der Technischen Universität Chalmers in Schweden arbeitet und nach Baumaterialien der Zukunft sucht. Sein Arbeitsprinzip ist wie folgt (Bildschirmanzeige):

Das Konzept der Zementbatterie ist eigentlich ganz einfach.

Zunächst wird dem Zement eine kleine Menge kurzer Kohlenstofffasern hinzugefügt, um eine zementbasierte Mischung mit elektrischer Leitfähigkeit und Biegezähigkeit zu bilden. Anschließend wurde ein metallbeschichtetes Kohlenstofffasernetz als Elektrode in die Mischung eingebettet – Eisen als Anode und Nickel als Kathode. Dies ist der Prototyp einer zementbasierten Batterie.

Berichten zufolge hat die von den Forschern hergestellte wiederaufladbare Zementbatterie eine durchschnittliche Energiedichte von 7 Wattstunden pro Quadratmeter, was zwei AA-Alkalibatterien entspricht (Alkalibatterien haben eine Energiedichte von 3,27 Wh). Im Vergleich zu handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien ist die Energiedichte von Zementbatterien zwar noch gering, doch kann diese Einschränkung aufgrund der enormen Fläche beim Einsatz der Batterien in Gebäuden überwunden werden, d. h. die Fläche kann genutzt werden, um den Nachteil der geringen Energiedichte auszugleichen.

Im Jahr 2023 optimierten Forscher des Massachusetts Institute of Technology in den USA die Zementbatterie weiter. Für ihre Forschung ist es nicht mehr erforderlich, Netzelektroden in Beton zu verlegen und auch die Leistung ist höher als die des Geräts des schwedischen Teams. Die Forscher verwendeten eine Mischung aus Wasser, Zement und Ruß, wobei der hinzugefügte Ruß als leitfähiger Draht fungierte. Nachdem der Zement mit Wasser reagiert hatte, wirkten diese linearen Strukturen wie eine Brücke, die die beiden Platten verband und die gesamte Mischung leitfähig machte. Dadurch könnte ein Superkondensator-Energiespeicher entstehen, der möglicherweise Haushalte mit Strom versorgen könnte.

Zuvor wurde von Zementbatterien gesprochen, jetzt sind Superkondensatoren die Rede. Tatsächlich ist das Grundprinzip einer Zementbatterie ein Kondensator. Was also ist ein Kondensator, wie funktioniert ein Superkondensator und worin besteht der Unterschied zu einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie?

Der sogenannte Superkondensator ist ein Energiespeichersystem, das in den letzten Jahren immer beliebter geworden ist.

Wie Batterien haben Superkondensatoren positive und negative Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Das Funktionsprinzip von Superkondensatoren besteht darin, dass sich beim Laden das Material der positiven Elektrode allmählich positiv und das Material der negativen Elektrode allmählich negativ auflädt. Unter der Einwirkung der elektrostatischen Anziehung der angesammelten Ladung auf der Elektrode adsorbiert die Oberfläche des positiven Elektrodenmaterials negative Ionen im Elektrolyten und die Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials adsorbiert positive Ionen im Elektrolyten. Diese Energiespeichermethode wird als „Doppelschicht-Energiespeichermechanismus“ bezeichnet und ähnelt dem zwischen zwei geladenen Platten gebildeten elektrischen Feld. Das Funktionsprinzip herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien ähnelt ein wenig einem Schaukelstuhl. Beim Laden steigt das Potenzial der positiven Elektrode allmählich an und das Potenzial der negativen Elektrode sinkt allmählich. Unter der Einwirkung der Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode unterliegen die Materialien der positiven und der negativen Elektrode Redoxreaktionen. Da diese Methode der Energiespeicherung Energie durch chemische Reaktionen speichert und freisetzt, wird sie als „chemischer Energiespeichermechanismus“ bezeichnet.

Da das Laden und Entladen von Superkondensatoren ein rein physikalischer Vorgang ist, ist ihr Lade- und Entladevorgang im Vergleich zu Lithiumbatterien sehr schnell. Darüber hinaus haben Superkondensatoren den Vorteil, dass sie eine große Menge Elektrizität in einem sehr kleinen Volumen speichern können. eine lange Zyklenlebensdauer haben und Hunderttausende Male geladen und entladen werden können; mit guten Ultratieftemperatureigenschaften; und verfügt über eine starke Hochstromentladefähigkeit.

Allerdings hat alles seine Vor- und Nachteile. Ein flächendeckender Ersatz von Lithiumbatterien durch Superkondensatoren ist derzeit nicht möglich, da die aktuelle Produktion von Superkondensatoren technisch noch nicht abgeschlossen ist und die Produktionskosten hoch sind.

Darüber hinaus ist seine Energiedichte gering und er kann nicht mehr Energie pro Volumeneinheit speichern. Es wird im Allgemeinen in Situationen verwendet, in denen ein schnelles Entladen und Laden erforderlich ist, beispielsweise bei Blitzlichtern, beim Filtern und Koppeln in elektronischen Schaltkreisen usw. Wenn reine Elektrofahrzeuge stattdessen Superkondensatoren verwenden, muss das gesamte Fahrzeug mit größeren Superkondensatoren ausgestattet werden.

Ein weiterer Punkt ist, dass Superkondensatoren nicht beständig gegen hohe Temperaturen sind und nicht in einer feuchten Umgebung platziert werden dürfen, da sonst der normale Betrieb beeinträchtigt oder sogar Schäden verursacht werden.

Superkondensatoren können viel schneller aufgeladen werden als Lithium-Ionen-Batterien und sind zudem sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Superkondensatoren haben nun das Stadium erreicht, in dem ihr Anwendungsbereich erweitert wird und sie eine Industrialisierung durchlaufen. Superkondensatoren können mit ihren hervorragenden Eigenschaften herkömmliche chemische Batterien für die Antriebs- und Startenergie von Fahrzeugen teilweise oder vollständig ersetzen und haben ein breiteres Anwendungsspektrum als herkömmliche chemische Batterien.

Aufgrund ihrer extrem niedrigen Kosten haben zementbasierte Batterien auf Kondensatorbasis ein sehr breites Anwendungsspektrum.

Beim Hausbau werden beispielsweise Solarmodule auf dem Dach durch Kabel miteinander verbunden und das Fundament aus diesem Material kann zur Speicherung von Sonnenenergie genutzt werden, die der Menge entspricht, die das Haus an einem Tag verbraucht. Das Haus wird in eine riesige Energiebank verwandelt, die Strom speichert, wann immer Sie ihn brauchen. Obwohl sich die Technologie noch in der Anfangsphase befindet und über eine Speicherkapazität verfügt, die ausreicht, um eine 10-Watt-LED-Glühbirne 30 Stunden lang mit Strom zu versorgen, sind die Auswirkungen auf die künftige Skalierbarkeit und Integration in die gebaute Umwelt erheblich. Die Forschung des MIT-Teams ergab außerdem, dass der Superkondensator umso mehr Energie speichern kann, je mehr Ruß hinzugefügt wird, allerdings nimmt auch die Festigkeit der Betonstruktur ab. Daher können durch Zugabe unterschiedlicher Rußanteile je nach erforderlicher Festigkeit der Betonkonstruktion unterschiedliche Beton-„Batterien“ hergestellt werden. Darüber hinaus kann er in Windparks für die Fundamente von Windturbinen verwendet werden. Außerdem kann dieser Beton auch zum Bau von Straßen verwendet werden, die ein kontaktloses Laden von Elektrofahrzeugen während der Fahrt ermöglichen.

Allerdings weisen Zementbatterien auch einige inhärente Nachteile von Superkondensatoren auf, wie etwa unzureichende Energiespeicherung und niedrige Betriebsspannung. Sofern diese Schwierigkeiten überwunden werden, besteht die Hoffnung auf eine Umsetzung der „Betonbatterie“. Auch das „Zuhause“ vieler Menschen lässt sich in ein kleines Kraftwerk verwandeln. Ehrlich gesagt freue ich mich schon sehr auf diesen Tag.

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