벽돌에서 전기를 얻는다
- 기술 / 편집국 기자 / 2020-08-12 16:46:06
(읽기 2분 30초)
전도성 폴리머는 일반 벽돌을 슈퍼 축전지로 바꾼다.
축전지는 노트북, 디지털 카메라, 휴대 전화뿐만 아니라 풍력 터빈이나 제세동기에도 장착돼 있다.
슈퍼 커패시터는 단시간에 많은 전기를 공급할 수 있기 때문에 기존 배터리와 함께 자주 사용된다. 이러한 방식으로 전력수요가 최고치에 이를 때 부족한 전력을 보상할 수 있다.
이러한 "슈퍼 캡"은 배터리보다는 훨씬 적은 에너지를 저장할 수 있지만 빠르고 거의 무한 반복으로 재충전 할 수 있다.
이것이 가능한 것은 두 극 사이의 전하 수송 외에도 산화 환원 반응이 슈퍼 커패시터에서도 발생하여 전기 화학적 충전 또는 방전을 보장하기 때문이다.
왜 모든 곳의 벽돌인가?
최근 한 실험에서 유비쿼터스(어디에나 상존하는) 건축 자재조차도 슈퍼 커패시터인 벽돌로 변할 수 있음을 보여주고 있다. 5천 년 전에 중국에서 제조된 이 소성 점토석은 오늘날에도 많은 집에서 사용되고 있다. 일반적으로 규산염, 산화알루미늄 및 적철광 (Fe2O3)을 포함한다. 산화철은 벽돌에 붉은색을 띠게 한다.
St. Louis에있는 Washington University의 왕홍민(Hongmin Wang)과 그의 동료들은 최근 이 적철광을 사용해 벽돌을 슈퍼 커패시터로 변환했다. 산화철은 재료의 전도도에 필요한 철 이온을 공급하고 벽돌의 다공성 구조는 전기화학 벽돌 커패시터의 새로운 ‘내부 작업’을 위한 공간을 제공한다.
오븐에서 쉽게 변환
변환은 놀랍도록 간단하다.
벽돌을 오븐에 넣고 염산이 있는 상태에서 160도까지 가열한다.
이것은 벽돌 재료에서 철 이온을 방출하게 한다. 또한 오븐에는 3,4- 에틸렌 디옥 시티 오펜 (EDOT) 용액이 담긴 용기가 있다. 이 물질은 전도성 고분자 (PEDOT)의 시작 물질을 형성한다. 이것은 EDOT가 증발하고 철 이온과 반응하여 사슬 분자를 형성할 때 발생한다.
이 후 처리의 결과는 이전에 거친 미세 구조가 이제 작은 스파게티의 엉킴과 비슷한 벽돌이다. 내부에는 PEDOT으로 만든 전도성 나노 섬유가 스며 들어 벽돌을 전극으로 만든다.
“폴리머는 전기를 저장하고 전달하는 이온 스펀지처럼 작용한다”고 Wang의 동료 Julio d' Arcy는 설명했다. 이 벽돌 중 두 개를 젤과 같은 전해질과 결합하면 슈퍼 커패시터가 생성된다.
"이 방법은 일반 벽돌과 사용된 벽돌에도 적용된다"라고 d'Arcy는 말했다.
"사실 우리는 모퉁이에 있는 철물점에서 작업용 벽돌을 각각 65센트에 구입했다."
실외 조명 또는 센서를 위한 충분한 전력
벽돌 슈퍼 커패시터는 무엇을 할 수 있을까?
두 개의 벽돌과 겔 전해질로 이루어진 초기 테스트에서 연구원들은 15초 동안 4.5볼트로 시스템을 충전했다. 슈퍼 커패시터는 2.68V의 출력 전압에 도달했으며 11분 동안 LED를 켤 수있었다. 따라서 개별 벽돌은 그다지 효율적이지 않다.
그러나 벽 전체 또는 일부를 사용하는 경우 적어도 일부 일상적인 응용 분야에는 충분할 수 있다. "예를 들어, 태양 전지를 벽돌과 연결할 수 있다"라고 d'Arcy는 말했다.
약 50개의 돌이 태양광 모듈에서 전기를 흡수하고 예를 들어 이 전하를 사용하여 건물의 외부 조명을 5시간 동안 비추거나 센서를 작동할 수 있다.
“큰 장점은 슈퍼 커패시터로서의 벽돌 벽을 한 시간 동안 수천 번 충전 할 수 있다는 것이다”라고 연구원은 말했다.
빠른 충전 및 방전 덕분에 이러한 전력 저장 시스템은 일반 배터리보다 훨씬 더 유연하다. “우리의 슈퍼 커패시터 기술은 값싼 건축 자재에 가치를 더하고 임베디드 전자 장치를 위한 에너지 저장 장치를 아키텍처에 통합할 수 있는 확장 가능한 프로세스를 보여준다”고 연구원은 말했다.
(Nature Communications, 2020; doi : 10.1038 / s41467-020-17708-1)
출처 : Washington University in St. Louis
전도성 폴리머는 일반 벽돌을 슈퍼 축전지로 바꾼다.
벽돌에서 전기를 얻는다.
전도성 폴리머는 일반 벽돌을 슈퍼 축전지로 바꾼다.
전기 공급 장치로서의 붉은 벽돌 :
일반 벽돌은 집의 외부 조명에 전기를 공급하는 에너지 저장 장치로 변환될 수 있다.
이것은 벽돌을 전도성 고분자로 코팅함으로써 가능하다. 건축재로 사용되는 벽돌은 벽돌에 포함된 산화철과 결합해 빠르게 충전 및 방전되는 전기 화학에너지 저장장치인 슈퍼 커패시터(축전지)로 변환될 수 있다.
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▲ 이 벽돌은 슈퍼 축전지로 변환되어 LED에 전원을 제공할 수 있다. © D'Arcy Lab/ Washington University in St. Louis |
축전지는 노트북, 디지털 카메라, 휴대 전화뿐만 아니라 풍력 터빈이나 제세동기에도 장착돼 있다.
슈퍼 커패시터는 단시간에 많은 전기를 공급할 수 있기 때문에 기존 배터리와 함께 자주 사용된다. 이러한 방식으로 전력수요가 최고치에 이를 때 부족한 전력을 보상할 수 있다.
이러한 "슈퍼 캡"은 배터리보다는 훨씬 적은 에너지를 저장할 수 있지만 빠르고 거의 무한 반복으로 재충전 할 수 있다.
이것이 가능한 것은 두 극 사이의 전하 수송 외에도 산화 환원 반응이 슈퍼 커패시터에서도 발생하여 전기 화학적 충전 또는 방전을 보장하기 때문이다.
왜 모든 곳의 벽돌인가?
최근 한 실험에서 유비쿼터스(어디에나 상존하는) 건축 자재조차도 슈퍼 커패시터인 벽돌로 변할 수 있음을 보여주고 있다. 5천 년 전에 중국에서 제조된 이 소성 점토석은 오늘날에도 많은 집에서 사용되고 있다. 일반적으로 규산염, 산화알루미늄 및 적철광 (Fe2O3)을 포함한다. 산화철은 벽돌에 붉은색을 띠게 한다.
St. Louis에있는 Washington University의 왕홍민(Hongmin Wang)과 그의 동료들은 최근 이 적철광을 사용해 벽돌을 슈퍼 커패시터로 변환했다. 산화철은 재료의 전도도에 필요한 철 이온을 공급하고 벽돌의 다공성 구조는 전기화학 벽돌 커패시터의 새로운 ‘내부 작업’을 위한 공간을 제공한다.
오븐에서 쉽게 변환
변환은 놀랍도록 간단하다.
벽돌을 오븐에 넣고 염산이 있는 상태에서 160도까지 가열한다.
이것은 벽돌 재료에서 철 이온을 방출하게 한다. 또한 오븐에는 3,4- 에틸렌 디옥 시티 오펜 (EDOT) 용액이 담긴 용기가 있다. 이 물질은 전도성 고분자 (PEDOT)의 시작 물질을 형성한다. 이것은 EDOT가 증발하고 철 이온과 반응하여 사슬 분자를 형성할 때 발생한다.
이 후 처리의 결과는 이전에 거친 미세 구조가 이제 작은 스파게티의 엉킴과 비슷한 벽돌이다. 내부에는 PEDOT으로 만든 전도성 나노 섬유가 스며 들어 벽돌을 전극으로 만든다.
“폴리머는 전기를 저장하고 전달하는 이온 스펀지처럼 작용한다”고 Wang의 동료 Julio d' Arcy는 설명했다. 이 벽돌 중 두 개를 젤과 같은 전해질과 결합하면 슈퍼 커패시터가 생성된다.
"이 방법은 일반 벽돌과 사용된 벽돌에도 적용된다"라고 d'Arcy는 말했다.
"사실 우리는 모퉁이에 있는 철물점에서 작업용 벽돌을 각각 65센트에 구입했다."
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▲ 벽돌공장에 적재된 벽돌 |
실외 조명 또는 센서를 위한 충분한 전력
벽돌 슈퍼 커패시터는 무엇을 할 수 있을까?
두 개의 벽돌과 겔 전해질로 이루어진 초기 테스트에서 연구원들은 15초 동안 4.5볼트로 시스템을 충전했다. 슈퍼 커패시터는 2.68V의 출력 전압에 도달했으며 11분 동안 LED를 켤 수있었다. 따라서 개별 벽돌은 그다지 효율적이지 않다.
그러나 벽 전체 또는 일부를 사용하는 경우 적어도 일부 일상적인 응용 분야에는 충분할 수 있다. "예를 들어, 태양 전지를 벽돌과 연결할 수 있다"라고 d'Arcy는 말했다.
약 50개의 돌이 태양광 모듈에서 전기를 흡수하고 예를 들어 이 전하를 사용하여 건물의 외부 조명을 5시간 동안 비추거나 센서를 작동할 수 있다.
“큰 장점은 슈퍼 커패시터로서의 벽돌 벽을 한 시간 동안 수천 번 충전 할 수 있다는 것이다”라고 연구원은 말했다.
빠른 충전 및 방전 덕분에 이러한 전력 저장 시스템은 일반 배터리보다 훨씬 더 유연하다. “우리의 슈퍼 커패시터 기술은 값싼 건축 자재에 가치를 더하고 임베디드 전자 장치를 위한 에너지 저장 장치를 아키텍처에 통합할 수 있는 확장 가능한 프로세스를 보여준다”고 연구원은 말했다.
(Nature Communications, 2020; doi : 10.1038 / s41467-020-17708-1)
출처 : Washington University in St. Louis
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