ซูเปอร์แคปาซิเตอร์คอนกรีตมีศักยภาพเปลี่ยนอาคารให้กลายเป็นระบบจัดเก็บพลังงานสะอาดขนาดใหญ่

การเปลี่ยนอาคารคอนกรีตให้กลายเป็นระบบจัดเก็บพลังงานสะอาดขนาดใหญ่ไม่ได้เป็นเพียงแนวคิดในอนาคตอีกต่อไป ด้วยการที่เมืองต่างๆ ขับเคลื่อนการกำจัดการปล่อยคาร์บอน ซีเมนต์จัดเก็บพลังงานอาจเร็วๆ นี้จะกลายเป็นฐานมาตรฐานของสถาปัตยกรรมสมัยใหม่ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยอุตสาหกรรมฮาร์บินของจีนได้พัฒนาซูเปอร์แคปาซิเตอร์ฐานซีเมนต์ที่พิมพ์ 3D ได้ ซึ่งสามารถจัดเก็บพลังงานได้โดยไม่กระทบความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ทางเทคนิคนี้ถูกอ้างว่ามีประสิทธิภาพสูง หากนำไปใช้ในระยะกว้าง จะนิยามใหม่ให้กับสถาปัตยกรรมเมือง ผู้เขียนตรวจสอบบทความ จอง จิง กล่าวว่า "หากวัสดุก่อสร้างไม่เพียงแต่รองรับโครงสร้าง แต่ยังจัดเก็บพลังงาน รับรู้สภาพแวดล้อมรอบข้าง และแม้แต่โต้ตอบกับมนุษย์ได้ อาคารจะไม่ใช่ที่หลบภัยแบบถูกนิ่งอีกต่อไป แต่จะเป็นสภาพแวดล้อมอัจฉริยะที่แท้จริง"

ข้อได้เปรียบของซูเปอร์แคปาซิเตอร์

คอนกรีตชาร์จพลังงานหมุนเวียนเผชิญปัญหาการจัดเก็บ แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมผลิตไฟฟ้าสะอาดปริมาณมาก แต่การจัดเก็บพลังงานเหล่านี้ในพื้นที่ท้องถิ่นมักต้องใช้แบตเตอรี่ที่หนักและมีราคาสูง ซูเปอร์แคปาซิเตอร์สามารถจัดเก็บและปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ต้องพึ่งพาการตอบสนองทางเคมีที่ช้า และทนทานต่อการชาร์จ-ดิสชาร์จได้ถึงล้านรอบ การฝังอุปกรณ์เหล่านี้ลงในแผ่นฐานหรือห้องบันได ทำให้โครงสร้างสามารถจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงวันพิค และปล่อยออกมาได้ทันทีเมื่อต้องการ วิธีนี้เปลี่ยนคอนกรีตรับน้ำหนักให้กลายเป็นระบบจัดเก็บพลังงานแบบทำงานได้เอง โดยลดความต้องการในการติดตั้งแบตเตอรี่ภายนอก

อุปกรณ์ฐานซีเมนต์ในอดีตมีปัญหาเรื่องความแข็งแกร่งกลไกของพื้นผิวต่อพื้นผิวไม่เพียงพอ และการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านความหนาช้าเกินไป ทีมวิจัยแก้ปัญหานี้โดยผสมคาร์บอนนาโนทูบ คาร์บอนแบล็ก และซีเมนต์ให้กลายเป็นหมึกพิมพ์ที่นำไฟฟ้าได้ดี ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D พวกเขาทำให้สารผสมตกค้างบนแผ่นคอนกรีตในรูปแบบลวดลายนิ้วมือที่ซ้อนทับกันอย่างหนาแน่น เมื่อซีเมนต์เกิดการน้ำฮาไดรต์ รูพรุนขนาดเล็กที่เต็มไปด้วยน้ำจะก่อตัวขึ้นในเมทริกซ์ สร้างทางเดินความเร็วสูงสำหรับการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุ ทำให้เกิดความต้านทานไฟฟ้าต่ำสุด นวัตกรรมจะไร้ความหมายหากอาคารพังทลาย โชคดีที่การทดสอบที่เข้มงวดพิสูจน์ว่า แผ่นจัดเก็บพลังงานมีความแข็งแรงอัดเทียบเท่ากับคอนกรีตพาณิชย์ที่ใช้ในการก่อสร้างประจำวัน

ความท้าทายทางเทคนิคและศักยภาพ

เพื่อแสดงศักยภาพจริง นักวิจัยต่ออุปกรณ์ที่พิมพ์มา 3 ชิ้นบนแผ่นเดียว ทำให้ชุดหลอด LED สว่างขึ้นทันที ในระยะสั้น เทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้ขับเคลื่อนไฟฉุกเฉิน จ่ายไฟให้เซ็นเซอร์ความปลอดภัย หรือรักษาการทำงานของเครือข่ายตรวจสอบสุขภาพโครงสร้างในช่วงไฟฟ้าดับได้ โดยไม่ต้องใช้สายสัญญาณภายนอก

ตามการศึกษา ซูเปอร์แคปาซิเตอร์คอนกรีตชนิดนี้ให้กำลังไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง มีความหนาแน่นพลังงานจัดเก็บได้ถึง 22.52 μWh cm –2 ให้กำลังไฟฟ้าผลิตได้ 0.49 mW cm-2 ในช่วงการทำงาน 1.0V พร้อมกันนี้ เทคโนโลยีนี้ทนต่อแรงอัดได้ 23.00 MPa ตรงตามมาตรฐานความแข็งแรงของคอนกรีตโครงสร้างสำหรับการก่อสร้าง ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันว่าวัสดุก่อสร้างสามารถทำหน้าที่เป็นหน่วยไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพได้ โดยไม่ต้องเสียสละความสามารถในการรับน้ำหนัก อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ไม่ได้ปราศจากความท้าทาย แม้ซูเปอร์แคปาซิเตอร์ซีเมนต์จะทำงานได้ดีภายใต้การทำความร้อนและทำความเย็นระดับปานกลาง แต่เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 0 องศาฟาเรนไฮต์ (-18°C) ประสิทธิภาพจะลดลง

สภาพอากาศหนาวทำให้น้ำแข็งเกาะการเคลื่อนที่ของไอออนในรูพรุนน้ำฮาไดรต์ จำกัดกำลังไฟฟ้าผลิตได้ การเสริมสร้างวัสดุให้ทนทานต่อความหนาวเย็นรุนแรงยังคงเป็นความท้าทายหลักของทีมก่อนการนำไปใช้เชิงพาณิชย์

แม้กระนั้น ศักยภาพยังคงมหาศาล การชาร์จบ่อยครั้งจากพลังงานหมุนเวียนทำให้ซูเปอร์แคปาซิเตอร์คอนกรีตเหล่านี้สามารถตอบสนองความต้องการไฟฟ้าของอาคารเฉพาะได้ผ่านวัฏจักรพลังงานที่ต่อเนื่อง จอง จิง 指出 ว่ากระบวนการจัดเก็บและปล่อยพลังงานตามปกตินี้เปิดทางที่เป็นไปได้สำหรับโครงสร้างในการเติมเต็มความต้องการไฟฟ้าของตัวเอง ผลการวิจัยได้ตีพิมพ์ในวารสาร ACS Nano