무엇을 하는가? 물병, 계란, 마그리고 시멘트 공통점이 있나요? 그들은 슈퍼커패시터라고 불리는 이상하지만 기능적인 에너지 저장 장치로 설계될 수 있습니다.
이름에서 알 수 있듯이 슈퍼커패시터는 용량이 더 큰 커패시터와 같습니다. 배터리와 마찬가지로 많은 에너지를 저장할 수 있지만 커패시터와 마찬가지로 빠르게 충전하거나 방전할 수도 있습니다. 이는 일반적으로 공장이나 데이터 센터의 거의 즉각적인 백업 전기와 같이 많은 전력이 빠르고 제한된 시간 동안 필요한 곳에서 발견됩니다.
일반적으로 슈퍼커패시터는 두 개의 활성 탄소 또는 그래핀 전극, 시스템에 이온을 도입하는 전해질, 전극을 물리적으로 분리하는 폴리머 또는 유리 섬유의 다공성 시트로 구성됩니다. 슈퍼커패시터가 완전히 충전되면 모든 양이온은 분리 시트의 한쪽에 모이고 모든 음이온은 다른 쪽에 모입니다. 방전되면 이온은 무작위로 분포되며 이러한 상태 사이를 훨씬 빠르게 전환할 수 있습니다. 배터리 할 수 있다.
일부 과학자들은 슈퍼커패시터가 다음과 같은 역할을 할 수 있다고 믿습니다. 더 감독자. 그들은 이러한 장치를 더 지속 가능하고 저렴한 비용으로 만들 수 있으며 더 나은 재료로 제작하면 더 나은 성능을 발휘할 수 있는 잠재력이 있다고 생각합니다.
그리고 아마도 그들이 옳을 수도 있습니다. 지난 달 미시간 공과대학교(Michigan Technological University)의 한 그룹은 상업용 물병보다 정전용량이 더 높은 플라스틱 물병으로 슈퍼커패시터를 만들었다고 보고했습니다.
이 발견은 재활용 플라스틱 슈퍼커패시터가 곧 모든 곳에 보급될 것임을 의미합니까? 유사한 슈퍼커패시터 지속 가능성 실험의 역사는 그렇지 않다는 것을 암시합니다.
약 15년 전쯤, 슈퍼캐패시터 수요가 많을 것 같았어요. 그러다가 리튬이온 기술에 대한 막대한 투자로 인해 배터리는 치열한 경쟁을 벌이게 되었다고 설명합니다. 유리 고고치필라델피아 드렉셀 대학교에서 에너지 저장 장치 재료를 연구하고 있습니다. “슈퍼커패시터의 에너지 전달 속도는 훨씬 더 저렴해지고 빨라졌으며, 이로 인해 슈퍼커패시터의 적용 범위가 더욱 제한되었습니다.”라고 그는 말합니다. “기본적으로 추세는 배터리를 더 저렴하고 쉽게 사용할 수 있게 만드는 것에서 리튬 이온 배터리가 할 수 없는 성능을 발휘하도록 만드는 것으로 바뀌었습니다.”
그럼에도 불구하고 일부 연구자들은 환경 친화적인 장치가 시장에 자리잡을 것이라는 희망을 여전히 갖고 있습니다. 윤항후미시간 공과 대학 팀의 재료 과학자는 “상업화를 향한 유망한 길을 본다”고 말했습니다. [for the water-bottle-derived supercapacitor] 수집 및 처리 문제가 해결되면”이라고 그는 말합니다.
과학자들이 이상하고 예상치 못한 재료로 슈퍼커패시터를 만드는 방법은 다음과 같습니다.
물병
오래된 폴란드 스프링 병이 언젠가는 물 대신 에너지를 저장할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 지난 달 일기장에 에너지 및 연료미시간 공과 대학 팀은 일회용 플라스틱 물병을 구성하는 재료인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 전극과 분리막으로 전환하는 새로운 방법을 발표했습니다.
이상하게 보일 수도 있지만 이 프로세스는 “기존 PET 공급망을 탈 수 있는 순환 에너지 저장을 위한 실용적인 청사진”이라고 Hu는 말합니다.
전극을 만들기 위해 연구진은 먼저 병을 2mm 알갱이로 잘게 자른 다음 분말 수산화칼슘을 첨가했습니다. 그들은 혼합물을 진공에서 3시간 동안 700°C로 가열하고 전기 전도성 탄소 분말을 남겼습니다. 잔류 칼슘을 제거하고 탄소를 활성화(표면적 증가)한 후 분말을 얇은 층으로 만들어 전극으로 사용할 수 있었습니다.
분리기를 생산하는 과정은 훨씬 덜 집중적이었습니다. 팀은 병을 미국 1/4 또는 1유로 동전 크기의 정사각형으로 자르고 뜨거운 바늘을 사용하여 구멍을 뚫었습니다. 그들은 특수 소프트웨어를 사용하여 전류 통과를 위한 구멍 패턴을 최적화했습니다. PET는 “뛰어난 기계적 강도, 높은 열 안정성, 뛰어난 절연성” 때문에 분리막에 적합한 재료라고 Hu는 말합니다.
전해질 용액으로 채워진 슈퍼커패시터는 환경친화적이고 금융 친화적인 재료 사용 가능성을 보여줬을 뿐만 아니라 한 가지 측정 기준에서 기존 재료보다 약간 더 뛰어난 성능을 보였습니다. PET 장치의 정전 용량은 그램당 197.2패럿인 반면, 유리 섬유 분리기가 있는 유사한 장치의 정전 용량은 그램당 190.3패럿입니다.
계란
잠깐, 아직 아침 샌드위치를 만들지 마세요! 대신 재료 중 하나로 슈퍼커패시터를 설계할 수 있습니다. 2019년에는 버지니아대학교 팀이 보여주었다 전극, 전해질, 분리막은 모두 계란이라는 단일 물체의 일부로 만들어질 수 있다는 것입니다.
먼저, 그룹은 식료품점에서 닭고기 달걀을 구입하고 그 부분을 달걀 껍질, 달걀 껍질 막, 흰자와 노른자로 분류했습니다.
그들은 껍질을 가루로 갈아서 달걀 흰자와 노른자와 섞었습니다. 슬러리를 동결 건조하고 950°C에서 한 시간 동안 가열하여 분해했습니다. 칼슘을 제거하는 세척 과정을 거친 뒤, 남은 탄소를 활성화시키기 위해 열과 칼륨 처리를 진행했다. 그런 다음 그들은 계란에서 추출한 활성탄을 전극으로 사용하기 위해 필름으로 매끄럽게 만들었습니다. 마지막으로 달걀 흰자와 노른자를 수산화칼륨과 혼합하고 몇 시간 동안 건조시켜 일종의 젤 전해질을 형성했습니다.
분리막을 만들기 위해 연구진은 달걀 껍질 막을 간단히 청소했습니다. 멤브레인에는 자연적으로 마이크로미터 크기의 섬유가 얽혀 있기 때문에 고유 구조로 인해 제조된 분리막처럼 이온이 멤브레인을 가로질러 이동할 수 있습니다.
흥미롭게도 그 결과 완전 달걀 기반 슈퍼커패시터는 유연하여 장치가 비틀리거나 구부러져도 정전 용량이 일정하게 유지되었습니다. 5,000회 주기 후에 슈퍼커패시터는 원래 용량의 80%를 유지했습니다. 이는 상업용 슈퍼커패시터에 비해 낮지만 천연 재료로 만든 다른 슈퍼커패시터와는 상당히 동등한 수준입니다.
마
어떤 사람들은 약용 목적으로 대마초를 좋아할 수도 있지만 에너지 저장 측면에서도 잠재력이 있습니다. 2024년, 터키에 있는 Ondokuz Mayıs University의 한 그룹이 사용된 석류 대마 식물 전극용 활성탄을 생산합니다.
그들은 대마 식물의 줄기를 110°C 오븐에서 하루 동안 건조시킨 다음, 줄기를 갈아서 가루로 만들었습니다. 다음으로 황산과 열을 가해 바이오 숯을 만든 뒤, 마지막으로 수산화칼륨으로 포화시킨 뒤 다시 가열해 숯을 활성화시켰다.
2,000회 주기 후에도 대마 유래 전극을 사용한 슈퍼커패시터는 여전히 원래 용량의 98%를 유지했는데, 이는 놀랍게도 비생물학적 재료로 만든 용량 범위에 속합니다. 탄소 자체의 에너지 밀도는 킬로그램당 65와트시였으며, 이는 상업용 슈퍼커패시터와도 일치합니다.
시멘트
건설 산업을 장악할 수도 있지만, 건설 산업을 위한 시멘트가 다가오고 있습니다. 에너지 부문도? 2023년에는 MIT의 한 그룹이 공유됨 물, 거의 순수한 탄소, 시멘트로 전극을 설계한 방법. 이러한 물질을 사용하면 친수성 시멘트와 소수성 탄소 사이에 “시너지”가 생성되어 슈퍼커패시터가 충전될 때 전극이 이온 층을 유지하는 능력을 높일 수 있다고 그들은 말합니다.
가설을 테스트하기 위해 팀은 세 가지 성분의 약간 다른 비율, 서로 다른 유형의 탄소 및 서로 다른 전극 두께를 사용하여 8개의 전극을 만들었습니다. 전극은 전해질인 염화칼륨으로 포화되었고 정전용량 측정이 시작되었습니다.
놀랍게도 시멘트 슈퍼커패시터는 10,000사이클 후에도 손실이 거의 없이 정전용량을 유지할 수 있었습니다. 연구진은 또한 슈퍼커패시터 중 하나가 약 10킬로와트시(평균 미국인의 일일 에너지 사용량의 약 3분의 1에 해당)를 저장할 수 있다고 계산했지만 그 수치는 단지 이론적인 수치일 뿐입니다.