Бетон стал аккумулятором: разработка MIT увеличила ёмкость в десять раз

В Массачусетском технологическом институте (MIT) создан бетон, который может одновременно выполнять роль строительного материала и аккумулятора энергии. Разработка получила название ec³ (electron-conducting carbon concrete). По сути, это привычный бетон, в состав которого добавлены частицы углерода и электролиты, что позволяет ему накапливать электрический заряд. Новая версия материала уже сегодня демонстрирует энергоёмкость в десять раз выше по сравнению с ранними опытными образцами.

Сравнение цифр показывает разницу: если ранее для того, чтобы обеспечить электричеством средний дом на день, требовалось около 45 кубометров такого бетона, то теперь достаточно пяти кубометров. Это примерно соответствует объёму стенового блока или цокольного этажа частного дома.

Учёные объясняют, что ключевая особенность ec³ заключается в том, что он одновременно сохраняет прочность обычного бетона и способен работать как устройство для хранения энергии.

— Бетон уже является самым используемым строительным материалом в мире, так почему бы не воспользоваться этим масштабом для создания других преимуществ? — задается вопросом Адмир Масич, ведущий автор нового исследования,  соруководитель Центра электроннопроводящих углеродно-цементных материалов Массачусетского технологического института (EC³ Hub) и доцент кафедры гражданского и экологического строительства MIT.

Чтобы понять, как именно работает такой материал, исследователи применили высокоточные методы микроскопии. Сначала образцы послойно «срезали» с помощью ионных пучков, затем каждую поверхность изучали под электронным микроскопом. В результате они получили трёхмерную модель проводящей структуры. Выяснилось, что частицы углерода формируют разветвлённую сеть, напоминающую фрактальную паутину, которая распределяется по порам бетона. Через эти поры свободно проходит электролит, и это обеспечивает прохождение тока.

Интересно, что в качестве электролита можно использовать самые разные растворы, включая морскую воду. Об этом рассказал один из авторов работы Damian Stefaniuk, подчеркнув, что такая универсальность может сделать материал пригодным для прибрежных сооружений — например, опор морских ветряков.

Разработчики отмечают ещё одно удобство: в отличие от привычных аккумуляторов, где пластины нужно изготавливать и затем пропитывать электролитом, в случае с ec³ электролит добавляется сразу при замесе раствора. Таким образом отливаются более массивные элементы, которые сразу обладают аккумуляторной функцией. По расчётам, один кубометр материала способен хранить более двух киловатт-часов — этого хватает, например, чтобы холодильник работал целые сутки.

Пока литий-ионные батареи остаются более компактным решением, у бетонного аккумулятора есть другое преимущество: он может быть частью самой конструкции здания или дороги, не требуя выделенного места. Учёные уже собрали небольшой арочный образец, который одновременно выдерживал нагрузку и питал светодиод. Когда на конструкцию увеличивали давление, светодиод начинал мерцать. Исследователи предполагают, что такой эффект можно использовать как способ диагностики состояния сооружения.

Новые возможности уже нашли применение на практике: в японском городе Саппоро бетон с добавками углерода используется для обогрева тротуарных плит зимой, заменяя посыпку солью.