Три таких блока активировали светодиоды, а прочность на сжатие составила 23 мегапаскаля — этого достаточно для лестниц и перекрытий
Учёные из Харбинского политехнического университета и Китайской академии наук преобразовали бетон из обычного строительного материала в энергонакопитель. Они изготовили на 3D-принтере цементную плиту с интегрированным суперконденсатором, который заряжается и разряжается, пока бетон продолжает выдерживать механическую нагрузку. Три последовательно соединённых блока обеспечили необходимое напряжение для питания цепочки светодиодов.
Ключевым аспектом разработки является форма электродов и состав чернил для печати. Авторы смешали цемент с углеродной сажей и углеродными нанотрубками, создав электропроводную пасту. Её напечатали на бетонной плите в форме двух гребёнок, вложенных друг в друга без соприкосновения: электроды располагаются бок о бок, а их разделяет тот же цемент. При затвердевании в нём формируется сеть микроскопических пор — по этим каналам ионы перемещаются между электродами. Такая архитектура значительно сокращает путь ионов по сравнению с традиционной слоистой конструкцией, где заряженным частицам приходится преодолевать всю толщину материала.
Прототип продемонстрировал ёмкость 162,14 миллифарада на квадратный сантиметр и плотность энергии 22,52 микроватт-часа на квадратный сантиметр. Однако не менее важен механический показатель: бетон выдержал сжатие в 23 мегапаскаля — это уровень коммерческого бетона, используемого для плит перекрытий и лестничных маршей. Эти данные лабораторные и скромные по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, но для материала, который одновременно поддерживает здание, это серьёзное достижение.
Концепция энергонакопительного бетона не является новой. В 2023 году группа из MIT продемонстрировала в PNAS простой углерод-цементный суперконденсатор, составленный из цемента, воды и сажи. К 2025 году та же команда увеличила плотность энергии в 10 раз и собрала 12-вольтовый модуль ёмкостью около 50 фарад — он обеспечил питание для компьютерного кулера и портативной игровой консоли. Другие группы проводили эксперименты с 3D-печатью и полимер-модифицированными цементными электролитами. Уникальность данной работы заключается в сочетании печати углерод-цементных электродов с интегрированной встречно-пальцевой геометрией в единой цементной структуре, что решает проблему отслоения.
Однако до создания реальных зданий-батарей ещё далеко. Масштабирование от лабораторной плитки до фундамента в десятки тонн наталкивается на вопросы проводки, долговечности, влагозащиты и стоимости. Кроме того, суперконденсатор сильно терял производительность при -18 градусах Цельсия: вода в порах замерзала, что блокировало движение ионов. Низкая плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями также ограничивает область применения: суперконденсатор выигрывает не в килограммах на килограмм, а своей способностью превращать уже присутствующий в конструкции материал в накопитель, который также выдерживает сотни тысяч циклов зарядки и разрядки.
«Если строительные материалы смогут не только поддерживать структуру, но и хранить энергию, реагировать на окружение и взаимодействовать с людьми, то здания перестанут быть пассивными укрытиями. Они станут по-настоящему умной средой», — подытожил соавтор разработки Цзин Чжун. Первоначальными применениями могут стать аварийное освещение и встроенные датчики, а в будущем — стены, аккумулирующие солнечную энергию.
Источники:ACS Nano03D-печатьСуперконденсаторыВозобновляемая энергия21:55
Источник