Uuden energianlähteiden, jotka ovat usein epäsäännöllisiä, voimistumisen myötä kiinteiden varastointiratkaisujen tarve on kriittinen. Vaikka ajatus energian varastoimisesta betoniin ei ole uusi, se on pitkään jäänyt marginaaliseksi tyydyttävien suorituskykyjen puutteen vuoksi, rajoittuen useimmiten lämpövarastointiin.
Sähkökemiallinen Zn-MnO2-järjestelmä on integroitu metakaolinitekniikkaan perustuvaan kiinteään geopolymeerimatriisiin. Tämä arkkitehtuuri mahdollistaa energian varastoinnin ja palauttamisen suoraan rakennusmateriaalista, avaten tien rakennuksille, jotka pystyvät varastoimaan sähköä seiniinsä.
© Kovrugin et al.
Inspiroitumalla geopolymereista, joita on jo käytetty vaihtoehtona perinteiselle sementille ympäristöystävällisissä betoneissa, tutkijat ehdottavat uutta elektrokemiallista järjestelmää, joka on huomattavasti tehokkaampi kemiallisen energian suoran muuntamisen ansiosta sähköksi. Tämä laite mahdollistaisi esimerkiksi sen, että rakennusten seinissä voitaisiin varastoida aurinkopaneelien tai tuuliturbiinien tuottamaa sähköä myöhempää käyttöä varten.
Bordeaux'n tiivistetyn aineen kemian instituutin (CNRS/Bordeaux'n yliopisto/Bordeaux INP) tutkijat yhteistyössä espanjalaisen materiaalifysiikan keskuksen kanssa ovat näin ollen saavuttaneet merkittävän virstanpylvään suunnittelemalla kiinteän akun, jonka elektrolyytti on metakaolinin perusteella valmistettu geopolymeri, eli epäorgaaninen alumiinisilikaattipolymeeri, joka saadaan savien calcinoimisella. Tätä geopolymereita, joka tunnetaan erinomaisista mekaanisista ominaisuuksistaan, pidetään ekologisena vaihtoehtona tavalliselle Portland-sementille betonin sideaineena, koska sen tuotanto tuottaa huomattavasti vähemmän CO₂.
Tiimin suunnittelema ladattava akku on Zn-ion-akku, joka käyttää tätä geopolymereista valmistettua matriisia elektrolyyttinä erottamaan perinteiset elektrodityypit, jotka ovat sinkkiä negatiiviselle elektrodille ja mangaanidioksidia positiiviselle elektrodille. Sinkkisulfaattiliuoksen aktivoimana huokoinen matriisi sisältää jäljellä olevan nestefaasin, joka varmistaa Zn2+-ionien kuljetuksen elektrodilta toiselle.
Tuloksena on energiatehokkuus 3,3 Wh/L, mikä on neljä kertaa suurempi kuin perinteisissä Portland-tyyppisissä sementtipohjaisissa laitteissa mitattu (0,8 Wh/L). Toki tämä tiheys on huomattavasti alhaisempi kuin perinteisissä Li-ion-akuissa (~570 Wh/L). Mutta varastointi on tässä integroitu itse rakenteen tilavuuteen, mikä kompensoi huomattavasti tätä alhaisempaa tiheyttä.
Vaikka ollaan vielä perustavanlaatuisessa alkuvaiheessa, useita teknisiä haasteita on yhä ratkaistava, kuten sinkkilektrodien vakauden parantaminen ja kiinteän elektrolyytin mekaanisten ominaisuuksien vahvistaminen. Mutta nämä esteet näyttävät olevan ylitettävissä ottaen huomioon nopea kehitys Zn-ion-akkujen alalla ja geopolymereiden kasvava käyttö rakennussektorilla.
Pitkällä aikavälillä tämä uusi käsite, joka on julkaistu Materials Horizons -lehdessä, voisi tukea energiapositiivisten rakennusten kehittämistä, joissa seinät varastoivat itse paikallisesti tuotettua sähköä. Entä jos tulevaisuuden energia piiloutuisi huomisen tiiliin?