Superkondensor beton berpotensi mengubah bangunan menjadi sistem penyimpanan energi bersih skala besar

Mengubah bangunan beton menjadi sistem penyimpanan energi bersih skala besar tidak lagi hanya konsep masa depan. Seiring kota mendorong eliminasi emisi karbon, semen penyimpanan energi mungkin segera menjadi fondasi standar arsitektur modern. Tim dari Universitas Teknologi Harbin, China, telah mengembangkan superkondensor berbasis semen yang dapat dicetak 3D, mampu menyimpan energi tanpa mengorbankan integritas struktural. Diklaim teknologi ini kuat dan efisien, dan jika diterapkan secara massal, akan mendefinisikan ulang arsitektur perkotaan. Penulis korespondensi penelitian, Zhong Jing, menyatakan: "Jika material bangunan tidak hanya mendukung struktur, tetapi juga menyimpan energi, memindai lingkungan sekitar, bahkan berinteraksi dengan manusia, maka bangunan tidak lagi akan menjadi tempat perlindungan pasif, melainkan lingkungan yang benar-benar cerdas."

Keunggulan Superkondensor

Beton pengisian daya energi terbarukan menghadapi masalah penyimpanan. Panel surya dan turbin angin menghasilkan jumlah besar listrik bersih, namun menyimpan energi tersebut secara lokal biasanya memerlukan paket baterai yang berat dan mahal. Superkondensor dapat menyimpan dan melepaskan energi dengan cepat, tanpa bergantung pada reaksi kimia yang lambat, dan mampu menahan jutaan siklus pengisian daya. Menanamkan perangkat ini ke dalam pelat fondasi atau tangga memungkinkan struktur menyimpan energi surya puncak siang dan melepaskannya secara instan saat dibutuhkan. Pendekatan ini mengubah beton penahan beban menjadi sistem penyimpanan energi aktif, sehingga mengurangi kebutuhan akan pengaturan baterai eksternal.

Perangkat berbasis semen konvensional menghadapi kekuatan mekanik antarmuka yang tidak memadai dan pergerakan ion melalui ketebalan yang lambat. Tim memecahkan masalah ini dengan mencampurkan nanotube karbon, hitam karbon, dan semen menjadi tinta cetak berkonduktivitas tinggi. Menggunakan pencetak 3D, mereka mengendapkan campuran tersebut ke atas pelat beton dalam pola interlocking berbentuk jari yang rapat. Saat semen mengalami hidrasi, rongga mikro berisi air terbentuk dalam matriks, menciptakan jalur cepat untuk pergerakan bermuatan ion, sehingga mencapai resistansi minimal. Inovasi tidak bermakna jika bangunan runtuh. Untungnya, pengujian ketat membuktikan kekuatan tekan pelat penyimpanan energi setara dengan beton komersial yang digunakan dalam konstruksi sehari-hari.

Tantangan Teknis dan Potensi

Untuk mendemonstrasikan potensi nyatanya, peneliti menghubungkan tiga perangkat tercetak pada satu pelat, segera menyalakan sekelompok lampu LED. Jangka pendek, teknologi ini dapat digunakan untuk menjalankan pencahayaan darurat, memasok daya sensor keamanan, atau menjaga operasi jaringan pemantauan kesehatan struktur selama pemadaman listrik, tanpa kabel eksternal.

Berdasarkan penelitian, superkondensor beton ini memberikan output listrik yang kuat, dengan densitas energi penyimpanan mencapai 22.52 μWh cm –2. Ia memberikan output 0.49 mW cm-2 pada rentang operasi 1.0V. Di sisi lain, teknologi ini mampu menahan tekanan 23.00 MPa, memenuhi standar kekuatan beton struktural untuk bangunan. Hasil ini mengonfirmasi material bangunan dapat berfungsi sebagai unit daya efektif tanpa mengorbankan kemampuan menahan beban berat. Namun, teknologi ini tidak bebas tantangan. Meskipun superkondensor semen beroperasi lancar di bawah pemanasan dan pendinginan sedang, performanya menurun ketika suhu turun ke nol derajat Fahrenheit (-18°C).

Cuaca dingin membekukan pergerakan ion dalam rongga hidrasi, membatasi output daya. Meningkatkan ketahanan material terhadap dingin ekstrem tetap menjadi tantangan utama tim sebelum aplikasi komersial.

Meskipun demikian, potensinya sangat besar. Pengisian daya berulang dari energi terbarukan memungkinkan superkondensor beton ini memenuhi kebutuhan daya bangunan spesifik melalui siklus energi berkelanjutan. Zhong Jing menegaskan bahwa proses penyimpanan dan pelepasan rutin ini memberikan jalur yang layak bagi struktur untuk memenuhi kebutuhan daya sendiri. Hasil penelitian telah diterbitkan di jurnal ACS Nano.