Суперконденсатор встроили прямо в цементную плиту: китайские инженеры напечатали на 3D-принтере бетон, который накапливает электричество
iXBT.com ·
Исследователи из Харбинского политехнического университета и Китайской академии наук превратили бетон из пассивного стройматериала в накопитель энергии. Они напечатали на 3D-принтере цементную плиту со встроенным суперконденсатором, который заряжается и разряжается, пока бетон продолжает нести механическую нагрузку. Три последовательно соединённых блока дали достаточно напряжения для питания цепочки светодиодов.
Исследователи из Харбинского политехнического университета и Китайской академии наук превратили бетон из пассивного стройматериала в накопитель энергии. Они напечатали на 3D-принтере цементную плиту со встроенным суперконденсатором, который заряжается и разряжается, пока бетон продолжает нести механическую нагрузку. Три последовательно соединённых блока дали достаточно напряжения для питания цепочки светодиодов.
Ключ к разработке — геометрия электродов и состав чернил для печати. Авторы разработки замешали цемент с углеродной сажей и углеродными нанотрубками, получив электропроводную пасту. Её напечатали на бетонной плите в виде двух гребёнок, вложенных друг в друга без соприкосновения: электроды расположены бок о бок, а разделяет их тот же цемент. При твердении в нём образуется сеть микроскопических пор — по этим каналам ионы перемещаются между электродами. Такая архитектура резко сокращает путь ионов по сравнению с классической слоёной конструкцией, где заряженным частицам приходится пробиваться сквозь всю толщину материала.
Прототип достиг ёмкости 162,14 миллифарада на квадратный сантиметр и плотности энергии 22,52 микроватт-часа на квадратный сантиметр. Но не менее важен механический показатель: бетон выдержал сжатие в 23 мегапаскаля — это уровень коммерческого бетона, применяемого для плит перекрытий и лестничных маршей. Цифры лабораторные и скромные по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, но для материала, который одновременно держит здание, это серьёзная заявка.
Идея энергонакапливающего бетона не нова. В 2023 году группа из MIT показала в PNAS простой углерод-цементный суперконденсатор из цемента, воды и сажи. К 2025 году та же команда улучшила плотность энергии в 10 раз и собрала 12-вольтовый модуль ёмкостью около 50 фарад — он запитал компьютерный кулер и портативную игровую консоль. Другие группы экспериментировали с 3D-печатью и полимер-модифицированными цементными электролитами. Новизна работы — в соединении печати углерод-цементных электродов с интегрированной встречно-пальцевой геометрией в единой цементной структуре, что решает проблему отслоения.
До реальных зданий-батарей пока что далеко. Масштабирование от лабораторной плитки до фундамента в десятки тонн упирается в вопросы проводки, долговечности, влагозащиты и себестоимости. Кроме того, суперконденсатор резко терял производительность при -18 градусах Цельсия: вода в порах замерзала, блокируя движение ионов. Низкая плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями тоже ограничивает нишу: суперконденсатор выигрывает не килограмм на килограмм, а способностью превратить и без того присутствующий в конструкции материал в накопитель, который к тому же выдерживает сотни тысяч циклов заряда-разряда.
«Если стройматериалы смогут не только поддерживать конструкцию, но и хранить энергию, чувствовать окружение и взаимодействовать с людьми, то здания перестанут быть пассивными убежищами. Они станут по-настоящему умной средой», — резюмировал соавтор разработки Цзин Чжун. Первыми применениями могут оказаться аварийное освещение и встроенные датчики, а в перспективе — стены, аккумулирующие солнечную энергию.