Det ständigt växande behovet av hållbara byggmaterial innebär stora utmaningar för vetenskapen. Forskaren Emma Zhang anslöt till Chalmers och professor Luping Tangs jakt på framtidens byggnadsmaterial som doktorand. Efter många års samarbete har de nu lyckats att utveckla världens första återuppladdningsbara cementbaserade batteri.

Konceptet för batteriet utgörs av en cementbaserad mix där kolfiber blandats i för att ge ledningsförmåga och böjhållfasthet. Inbäddat i mixen ligger en metallpläterad kolfiberväv: järnpläterad i anodlagret och nickelpläterad i katodlagret. Prototypen är ett resultat av omfattande experiment- och testarbete.

– Resultat från tidigare publicerade studier kring teknik för cementbaserade batterier har visat på väldigt låg batterieffekt, så vi insåg att vi behövde tänka utanför boxen. Konceptet vi utvecklat – som också är återuppladdningsbart – har aldrig tidigare prövats. Men vi har nu en metod som fungerar väl i labbskala, berättar Emma Zhang.

Luping Tang och Emma Zhangs forskning har resulterat i ett återuppladdningsbart cementbaserat batteri med en genomsnittlig energitäthet på 7 wattimmar per kvadratmeter (eller 0.8 wattimme per liter). Måttet energitäthet används för att beskriva kapaciteten, och försiktiga uppskattningar av prestandan tyder på en tiofaldig förbättring mot tidigare försök att utveckla liknande koncept. Energitätheten är dock låg jämfört med dagens kommersiella batterier – men med fördelen att det kan användas i mycket stora volymer i byggda strukturer.


Lagring av energi – en nyckel i energikrisen
Att batteriet är återuppladdningsbart är dess främsta fördel. Möjliga användningsområden om konceptet utvecklas ytterligare och kommersialiseras är närmast svindlande. Emma Zhang kommenterar:  

– Vi ser framför oss att denna teknik i framtiden kommer att innebära hela höghus med konstruktionsdelar av funktionell betong. Givet att vilken betongdel som helst skulle kunna ha ett lager av denna elektrod inbäddad, skulle det innebära gigantiska volymer av funktionell betong.
 
Konceptet att använda byggnader och infrastruktur för lagring av stora volymer energi skulle alltså kunna vara ett revolutionerande bidrag till att lösa energikrisen. Men det stannar inte vid funktionell betong i höghus, utan forskarna ser många fler möjligheter.

– Tekniken kan användas tillsammans med solpaneler för att ge elektricitet och som källa för så kallad strukturell hälsoövervakning i vägbroar och hamnar, där sensorer drivna av ett cementbaserat batteri kan upptäcka sprickor eller korrosion, säger Emma Zhang.

Cementbaserade batterier skulle även kunna användas för att driva LED-belysning och 4G-uppkoppling eller dylikt på avlägsna platser, eller som katodskydd mot armeringskorrosion i betongkonstruktioner. Betong, som baseras på cement, är världens mest använda byggmaterial, men också omtvistat ur hållbarhetssynpunkt. Potentialen i att addera funktionalitet ger den dock en ny dimension.


Utmaning med livslängd återstår
Det cementbaserade batteriet befinner sig fortfarande på ett tidigt stadium. De tekniska utmaningarna som måste överbryggas för att kunna kommersialisera tekniken handlar främst om batteriets livslängd och att utveckla hållbara återvinningsmetoder.   

– Då våra byggda strukturer konstrueras för att stå i femtio till hundra år så måste cementbaserade batterier antingen utvecklas så att de matchar detta, eller kompletteras med en teknik för utbyte och återvinning då dess livslängd är slut. I nuläget är innebär det en stor utmaning utifrån den tekniska synvinkeln, säger Emma Zhang.

Men forskarna är hoppfulla:  

– Vi är övertygade om att vårt koncept innebär ett stort bidrag till att ge framtidens byggnadsmaterial utökad funktionalitet genom att fungera som lagring för förnybar energi, säger Luping Tang.


Teknisk information om det laddbara cementbaserade batteriet
Forskarna har utvecklat en prototyp av ett återuppladdningsbart cementbaserat batteri med en genomsnittlig energitäthet på 7 Wh/m² (eller 0.8 Wh/L) under sex laddnings- och urladdningscykler. De testade ett flertal olika kombinationer för att konstruera elektroden, och upptäckte att en elektropläterad järnanod och en elektropläterad nickeloxidbaserad katod gav de bästa resultaten. Ledningsförmågan hos den cementbaserade elektrolyten förbättrades genom att tillsätta kolfiber.

Forskningsprojektet finansierades av Energimyndigheten. Vill du läsa forskningsartikeln i sin helhet? Läs ”Rechargeable Concrete Battery” i den vetenskapliga publikationen Buildings.

Källa: Chalmers