باتری سیمانی: آینده ذخیره‌سازی انرژی در ساختمان‌ها و جاده‌ها

مقدمه

آیا تا به حال تصور کرده‌اید که دیوارهای خانه‌تان بتوانند برق مورد نیازتان را ذخیره کنند؟ یا جاده‌ای که روی آن رانندگی می‌کنید، خودروی برقی‌تان را شارژ کند؟ این سناریوها دیگر صرفاً رویای علمی-تخیلی نیستند؛ فناوری باتری سیمانی در حال تبدیل این تصورات به واقعیت است.

با افزایش تقاضا برای انرژی‌های پاک و نیاز به ذخیره‌سازی کارآمد برق حاصل از منابع تجدیدپذیر، دانشمندان به دنبال راه‌حل‌هایی هستند که هم مقرون‌به‌صرفه باشند و هم با زیرساخت‌های موجود یکپارچه شوند. باتری سیمانی، به‌عنوان یکی از نوآورانه‌ترین فناوری‌های نوظهور، می‌تواند سازه‌های بتنی را به ذخیره‌کننده‌های انرژی تبدیل کند.

اما دقیقاً باتری سیمانی چیست؟ چگونه کار می‌کند و چرا می‌تواند انقلابی در صنعت ساخت‌وساز و انرژی ایجاد کند؟ آیا این فناوری واقعاً می‌تواند جایگزین باتری‌های لیتیوم‌یون شود یا صرفاً یک مکمل است؟

در این مقاله، شما با مفاهیم پایه‌ای باتری سیمانی، نحوه عملکرد آن، تاریخچه تحقیقات، مزایا و چالش‌های این فناوری آشنا خواهید شد. همچنین به بررسی کاربردهای عملی، مقایسه با دیگر فناوری‌های ذخیره انرژی و چشم‌انداز آینده این نوآوری خواهیم پرداخت.

هدف ما در این مقاله، ارائه تصویری شفاف و علمی از پتانسیل‌های باتری سیمانی است؛ فناوری‌ای که می‌تواند شهرهای آینده را هوشمند‌تر، پایدارتر و خودکفاتر کند. با ما همراه باشید تا با دنیای جذاب باتری‌های سیمانی و نقش آن‌ها در انرژی فردا آشنا شوید.

باتری سیمانی چیست؟

تعریف و مفهوم باتری سیمانی

باتری سیمانی نوعی فناوری نوظهور در حوزه ذخیره‌سازی انرژی است که در آن از سیمان به‌عنوان بخشی از ساختار باتری استفاده می‌شود. این باتری‌ها با ترکیب سیمان و مواد رسانای الکتریکی، قابلیت ذخیره انرژی پیدا می‌کنند و می‌توان آن‌ها را مستقیماً در اجزای سازه‌ای مانند پی ساختمان‌ها یا روسازی جاده‌ها جای داد.

به‌تازگی، پژوهشگران روشی جدید برای ذخیره برق در سیمان یافته‌اند که از مواد ارزان و فراوان استفاده می‌کند. بر اساس گزارشGlobal Efficiency Intelligence، هر سال بیش از ۴ میلیارد تن سیمان در جهان تولید می‌شود. اگر این بتن بتواند انرژی ذخیره کند، تحول بزرگی در دنیای ساخت‌وساز رخ خواهد داد.

در صورت توسعه این فناوری در مقیاس بزرگ، چنین باتری‌هایی می‌توانند انرژی لازم برای مصرف روزانه یک خانه را در ساختار بتنی آن ذخیره کنند. حتی در مقیاس‌های بزرگ‌تر، امکان دارد جاده‌ها به باتری‌های عظیم تبدیل شوند و هنگام حرکت، سوخت و انرژی خودروهای برقی را تأمین کنند.

تفاوت باتری سیمانی با باتری‌های سنتی

باتری‌های سیمانی در دسته باتری‌های جامد قرار می‌گیرند و از نظر ساختاری با باتری‌های سنتی متفاوت هستند. در باتری‌های معمولی مانند لیتیوم‌یون، از الکترولیت مایع استفاده می‌شود، اما در باتری سیمانی، آب موجود در منافذ خمیر سیمان سخت‌شده نقش الکترولیت را ایفا می‌کند.

برخلاف باتری‌های لیتیوم یونی  که گران، سمی و مستعد آتش‌سوزی هستند، باتری سیمانی از نظر ایمنی و دسترسی به مواد اولیه برتری دارد. همچنین، در حالی که باتری‌های لیتیومی نیاز به فضای مجزا دارند، باتری ساخته شده از سیمان می‌تواند بخشی از خود ساختمان باشد و نیازی به اشغال فضای اضافی ندارد.

مزیت دیگر این الکترولیت، جامد بودن آن است. اگرچه الکترولیت مایع از نظر عملکرد بهتر است، اما مشکلات نشت و خطرات زیست‌محیطی دارد، در حالی که نوع جامد با وجود رسانایی کمتر، این مشکلات را ندارد.

کاربردهای اولیه و پتانسیل‌های آینده

باتری‌های سیمانی قابلیت تبدیل خانه‌ها و جاده‌ها به منابع ذخیره انرژی را دارند. با توجه به قیمت پایین و در دسترس بودن مواد اولیه، این فناوری می‌تواند راهی مقرون‌به‌صرفه برای ذخیره انرژی در مقیاس گسترده و پشتیبانی از منابع تجدیدپذیر فراهم کند.

اگر این فناوری از نظر اقتصادی نیز بهینه شود، می‌تواند ظرفیت ذخیره انرژی تقریباً نامحدودی از منابع ناپایدار و تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی فراهم کند. این ویژگی، آن را به گزینه‌ای مکمل برای منابع متغیر و ناپایدار تبدیل می‌کند.

از آن‌جایی که باتری‌های سیمانی می‌توانند در دل سازه‌های بتنی جای بگیرند، بدون نیاز به فضای اضافه یا تجهیزات جانبی، یکی از مزیت‌های مهم آن‌ها، ادغام بی‌نقص با ساختار شهری است.

باتری سیمانی چگونه کار می‌کند؟

ساختار کلی یک باتری (آند، کاتد، الکترولیت)

برای درک نحوه عملکرد باتری سیمانی، ابتدا باید با ساختار کلی یک باتری آشنا شویم. در ساده‌ترین حالت، باتری وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

ساختار اصلی باتری شامل سه جزء است:

• آند: الکترود فلزی که الکترون‌ها از آن خارج می‌شوند.

• کاتد: الکترود فلزی که الکترون‌ها به آن وارد می‌شوند.

• الکترولیت: محلول شیمیایی که دو الکترود در آن قرار دارند.

زمانی که باتری به یک مدار متصل می‌شود، واکنش‌های شیمیایی درون آن باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. این جریان همان انرژی‌ای است که برای روشن کردن وسایل برقی استفاده می‌شود.

نقش سیمان به‌عنوان الکترولیت جامد

در باتری‌های سیمانی، خمیر سیمان سخت‌شده تنها یک جسم خشک و بی‌جان نیست؛ درون آن شبکه‌ای مویرگی از منافذ ریز وجود دارد که با محلول یون‌دار پر شده است. این محلول، متشکل از آب باقی‌مانده و یون‌های حاصل از هیدراتاسیون، نقش الکترولیت را ایفا می‌کند و امکان جابه‌جایی یون‌ها را فراهم می‌کند. به همین دلیل، باتری‌های سیمانی در گروه باتری‌های جامد قرار می‌گیرند؛ هرچند خود سیمان به‌تنهایی رسانای ضعیفی در محدوده مقاومت حدود ۱۰⁵ تا ۱۰⁶ اهم‌سانتی‌متر است.

این آب محبوس در منافذ (برخلاف ظاهر خشک بتن) عملکرد الکتروشیمیایی را فعال نگه می‌دارد و باعث می‌شود سیمان به ماده‌ای چندمنظوره و مناسب برای کاربردهای انرژی تبدیل شود.

فرآیند تولید جریان و نقش مواد رسانا در باتری سیمانی

در باتری سیمانی، جریان الکتریکی از جابه‌جایی یون‌ها در محلول موجود داخل منافذ سیمان ایجاد می‌شود. با اتصال مدار، واکنش‌های الکتروشیمیایی بین آند و کاتد فعال شده و یون‌ها از میان شبکه منافذ حرکت می‌کنند و جریان تولید می‌شود.

برای افزایش رسانایی و کارایی باتری، به مخلوط سیمان مواد رسانا اضافه می‌شود. کربن‌بلک گزینه‌ای ارزان و مؤثر است، گرافن رسانایی بسیار بالایی دارد اما قیمتش بالاست، و نانولوله‌های کربنی شبکه‌ای رسانا در سیمان ایجاد می‌کنند. ترکیب این مواد، سیمان را رسانا کرده و امکان کاربردهایی مثل جلوگیری از یخ‌زدگی، حفاظت کاتدی و مقابله با صاعقه را فراهم می‌کند.

پتانسیل‌ها و مزایای باتری سیمانی

ادغام با سازه‌ها و نقش باتری سیمانی در زیرساخت پایدار

باتری‌های سیمانی می‌توانند در دل سازه‌های بتنی قرار بگیرند و بدون نیاز به فضای اضافه، بخشی از خودِ ساختمان شوند. این ادغام طبیعی، آن‌ها را برای شهرهای آینده جذاب می‌کند؛ جایی که سازه‌ها باید چندمنظوره باشند: خودتأمین انرژی، پایش سلامت، تاب‌آوری بیشتر و کاهش مصرف منابع. این فناوری مسیر را برای شهرهای هوشمند و کم‌مصرف هموار می‌کند.

مزیت‌های اقتصادی، زیست محیطی و کاهش وابستگی به لیتیوم

مواد اولیه باتری سیمانی ارزان و قابل‌دسترس‌اند؛ از کربن‌بلک تا ضایعات صنعتی و حتی نانومواد زیستی. همین موضوع آن را برای کشورهای درحال‌توسعه و پروژه‌های بزرگ بسیار مقرون‌به‌صرفه می‌کند.
به‌دلیل استفاده از مواد غیرسمی و قابل‌بازیافت، خطر آلودگی زیست‌محیطی تقریباً حذف می‌شود و نبود الکترولیت مایع، مشکل نشت و آلودگی را از بین می‌برد.
در کنار این‌ها، باتری‌های سیمانی می‌توانند فشار روی زنجیره‌ی تأمین لیتیوم را کم کنند و برای بسیاری از کاربردها جایگزین پایدار باتری‌های لیتیوم یونی  باشند.

پشتیبانی از انرژی‌های تجدیدپذیر و حل مشکل تناوب

اگر این فناوری بهینه شود، سازه‌ها می‌توانند ذخیره‌سازهای عظیم انرژی باشند؛ چیزی شبیه به «دیوارهای شارژی» این باتری‌ها انرژی تولیدشده از خورشید و باد را ذخیره می‌کنند و هنگام افت تولید، آن را به سیستم برمی‌گردانند.
به این ترتیب مشکل تناوب انرژی‌های تجدیدپذیر تا حد خوبی کنترل می‌شود و سیستم‌های خورشیدی، بادی یا ژئوترمال با پایداری بیشتری کار می‌کنند.

پژوهش‌ها و نمونه‌های آزمایشی

مؤسسه هلمهولتز اولم (آلمان)

در مؤسسه هلمهولتز اولم در آلمان، تیمی از پژوهشگران با همکاری چند دانشگاه و مراکز علمی برجسته، روی استفاده از سیمان الکتریکی برای ساخت سوپرخازن‌های ساختاری کار می‌کنند که قادر باشند انرژی قابل‌توجهی در سازه‌های بتنی ذخیره کنند.

این مؤسسه یکی از پیشگامان تحقیقات در زمینه ترکیب خواص سازه‌ای و الکتریکی مواد ساختمانی است و تلاش می‌کند باتری‌های سیمانی را از مرحله آزمایشگاهی به کاربردهای عملی برساند.

کنسرسیوم Nanocem (سوئیس)

کنسرسیوم Nanocem در سوئیس، به‌عنوان شبکه‌ای بین دانشگاهی و صنعتی، به بررسی دقیق خواص سیمان در مقیاس نانو و میکرو می‌پردازد. هدف این تحقیقات، کاهش انتشار کربن و تولید سیمان‌های پیشرفته با قابلیت ذخیره انرژی بالاتر است.

همکاری میان صنعت و دانشگاه باعث شده تحقیقات کاربردی‌تر و راه‌حل‌های عملی برای فناوری باتری سیمانی توسعه یابد. این کنسرسیوم به بهینه‌سازی ساختار نانویی سیمان تمرکز دارد تا رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی افزایش یابد.

موسسه فناوری ماساچوست - MIT (آمریکا)

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به توسعه نوعی بتن شده‌اند که توانایی ذخیره برق دارد. آن‌ها با استفاده از کربن‌بلک (Carbon Black) به‌عنوان ماده‌ای ارزان و رسانا، بتن‌هایی تولید کرده‌اند که به‌عنوان نوعی باتری عمل می‌کنند.

هدف نهایی این گروه، استفاده از زیرساخت‌های بتنی مانند فونداسیون ساختمان‌ها یا جاده‌ها به‌عنوان باتری‌های بزرگ برای ذخیره برق، به‌ویژه از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی است. تحقیقات MIT بر کاهش هزینه تولید و افزایش مقیاس‌پذیری این فناوری تمرکز دارد.

نتایج آزمایشگاهی و دستاوردهای عملی

نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که باتری‌های سیمانی در طول سال‌ها پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. ولتاژ اولیه ۰.۴ ولت و توان ۱۰۰ نانووات بر سانتی‌متر مربع در سال ۲۰۰۸، به ظرفیت ۷ وات‌ساعت بر متر مربع در باتری‌های قابل شارژ امروزی رسیده است.

طول عمر این باتری‌ها نیز از چند ساعت به ۲۱ روز افزایش یافته است. با این حال، این عملکرد هنوز بسیار کمتر از باتری‌های لیتیوم یونی  است و تحقیقات بیشتری برای بهبود چگالی انرژی، دوام و قابلیت شارژ مجدد مورد نیاز است.

محققان در حال حاضر بر افزایش ظرفیت این باتری‌ها به پنج تا ده برابر تمرکز دارند تا بتوانند آن‌ها را به ذخیره‌کننده‌های انرژی بسیار مفید تبدیل کنند.

چالش‌ها و محدودیت‌های باتری سیمانی

محدودیت‌های ذاتی سیمان و هزینه بالای افزایش رسانایی

سیمان خام به‌طور طبیعی رسانایی الکتریکی بسیار پایینی دارد و همین موضوع یکی از اساسی‌ترین موانع ساخت باتری کارآمد است. رسانایی ۱۰⁵ تا ۱۰⁶ اهم‌سانتی‌متر به‌تنهایی کار باتری را راه نمی‌اندازد. برای ارتقای رسانایی، از گرافن و نانولوله‌های کربنی استفاده می‌شود؛ اما این مواد گران‌اند و تولیدشان در مقیاس بزرگ منطقی و اقتصادی نیست. همین هزینه بالا مانع رسیدن فناوری به مرحله صنعتی شده است.

چالش‌های مقیاس پذیری، تولید انبوه و استانداردسازی

فناوری باتری سیمانی هنوز عمدتاً در آزمایشگاه مانده و انتقال آن به پروژه‌های واقعی با مشکلات فنی متعدد روبه‌روست. پخش یکنواخت مواد رسانا در حجم‌های زیاد بتن، حفظ اتصالات الکتریکی، کنترل کیفیت تولید و دوام در ابعاد سازه‌ای هنوز حل نشده‌اند.
در کنار این‌ها، نبود استانداردهای فنی مشترک باعث شده هر پژوهش نتایج مخصوص به خود داشته باشد و مقایسه و بهینه‌سازی سخت شود. استانداردسازی برای نصب، ارزیابی و نگهداری این فناوری هنوز شکل نگرفته و مسیر تجاری‌سازی را کند کرده است.

چگالی انرژی پایین و مشکلات دوام در شرایط واقعی

حتی بهترین نمونه‌های آزمایشی باتری سیمانی تنها به چگالی انرژی حدود ۷ وات‌ساعت بر متر مربع رسیده‌اند؛ رقمی که در برابر باتری‌های لیتیوم‌یون ناچیز است. همین مسئله کاربردهای این باتری را به نقش‌های خاص و کم‌مصرف محدود می‌کند.
از طرف دیگر، دوام و پایداری هنوز چالش‌برانگیز است. نمونه‌های ساخته‌شده بیشتر از چند هفته عمر نداشته‌اند و مشکلاتی مثل خوردگی الکترودها، افت ظرفیت در چرخه‌های شارژ-دشارژ و تأثیر شرایط محیطی (رطوبت، دما، یخ‌زدگی، فشار مکانیکی) هنوز حل نشده‌اند. این فناوری برای استفاده واقعی به تحقیقات بیشتری نیاز دارد.

باتری سیمانی در مقایسه با دیگر گزینه‌های موجود

مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون

باتری‌های سیمانی، برخلاف باتری‌های رایج لیتیوم‌یون، از مصالح ساختمانی متداول مانند سیمان و کربن استفاده می‌کنند. این ویژگی، نه‌تنها آن‌ها را به گزینه‌ای اقتصادی‌تر برای کاربردهای خاص تبدیل می‌کند، بلکه امکان ادغام در سازه‌های ساختمانی را نیز فراهم می‌کند؛ چیزی که باتری‌های معمول از آن بی‌بهره‌اند.

در مقایسه با باتری‌های لیتیوم‌یون که توان و چگالی انرژی بالایی دارند اما گران، سمی و مستعد آتش‌سوزی‌اند، باتری سیمانی از نظر ایمنی و دسترس‌پذیری مواد اولیه برتری دارد. با این حال، چگالی انرژی آن‌ها بسیار پایین‌تر است.

همچنین، در حالی که باتری‌های لیتیومی نیاز به فضای مجزا دارند، باتری سیمانی می‌تواند بخشی از خود ساختمان باشد و فضای اضافی اشغال نکند.

مقایسه با پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی

برخلاف پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی که برای تولید انرژی به شرایط محیطی وابسته‌اند، باتری‌های سیمانی صرفاً نقش ذخیره‌سازی دارند و نه تولید انرژی. با این حال، آن‌ها می‌توانند مکمل بسیار خوبی برای منابع تجدیدپذیر باشند؛ به‌ویژه در شرایطی که نیاز به ذخیره برق تولیدی در سازه‌ها یا مناطق دورافتاده وجود دارد.

پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی انرژی تولید می‌کنند اما قادر به ذخیره‌سازی آن نیستند. باتری‌های سیمانی می‌توانند این شکاف را پر کنند و انرژی تولیدی را در زمان اوج تولید ذخیره کرده و در زمان نیاز آزاد کنند.

مقایسه با پیل‌های سوختی و ژنراتورها

در مقایسه با پیل‌های سوختی یا ژنراتورها که معمولاً نیازمند سوخت فسیلی هستند، باتری سیمانی روشی پایدارتر و کم‌هزینه‌تر برای تأمین توان‌های پایین، به‌ویژه در سیستم‌هایی مانند حسگرهای اینترنت اشیاء (IoT) یا حفاظت کاتدی سازه‌های بتنی، محسوب می‌شود.

پیل‌های سوختی و ژنراتورها علاوه بر نیاز به سوخت، نیازمند نگهداری مرتب و تولید آلودگی هستند. باتری‌های سیمانی این محدودیت‌ها را ندارند و می‌توانند به صورت خودکار و بدون نیاز به مداخله انسانی عمل کنند.

مقایسه با سوپرخازن‌ها و سایر فناوری‌های ذخیره انرژی

سوپرخازن‌ها قادر به شارژ و دشارژ بسیار سریع هستند اما ظرفیت ذخیره‌سازی کمتری نسبت به باتری‌ها دارند. باتری‌های سیمانی در جایگاهی میانی قرار می‌گیرند؛ آن‌ها سرعت شارژ و دشارژ متوسطی دارند اما می‌توانند در حجم‌های بزرگ انرژی قابل توجهی ذخیره کنند.

مزیت اصلی باتری‌های سیمانی نسبت به همه این فناوری‌ها، قابلیت ادغام با سازه‌های ساختمانی است که هیچ فناوری دیگری این امکان را ندارد.

جدول مقایسه‌ای جامع (چگالی انرژی، هزینه، عمر، ایمنی)

کاربردهای عملی باتری سیمانی

ساختمان‌ها و زیرساخت‌های خودتأمین انرژی

فناوری باتری‌های پایه سیمانی مسیر را به‌سوی سازه‌هایی باز می‌کند که بتوانند انرژی را ذخیره و مصرف کنند. چنین سازه‌هایی می‌توانند نقش چندمنظوره‌ای ایفا کنند: ذخیره انرژی خورشیدی روز برای استفاده شب، تغذیه حسگرها، و نظارت بر سلامت سازه بدون نیاز به منبع خارجی.
در مقیاس بزرگ، حجم بالای بتن در ساختمان‌ها، پل‌ها، تونل‌ها و سازه‌های فراساحلی می‌تواند به مخزن انرژی تبدیل شود و برق مورد نیاز روشنایی یا سیستم‌های نظارتی را تأمین کند. اگر ظرفیت این باتری‌ها چند برابر شود، عملاً ساختمان‌های بتنی می‌توانند خودکفا شوند.

زیرساخت‌های هوشمند و جاده‌های الکتریکی

بتن رسانا از یخ‌زدایی جاده‌ها تا شارژ احتمالی خودروهای برقی در آینده کاربردهای وسیعی دارد. هنوز به مرحله شارژ مستقیم خودرو حین حرکت نرسیده‌ایم، اما زیرساخت‌های الکتریکی مبتنی بر بتن رسانا در حال شکل‌گیری‌اند.
در آینده، جاده‌هایی که بتوانند جریان الکتریکی را با راندمان مناسب منتقل کنند، می‌توانند نیاز به ایستگاه‌های شارژ را کاهش بدهند و شبکه حمل‌ونقل برقی را متحول کنند.

حسگرهای IoT و حفاظت کاتدی با منبع تغذیه داخلی

در پروژه‌هایی که مصرف انرژی پایین است—مثل حسگرهای IoT، سیستم‌های نظارت بر سلامت سازه و عملیات‌های دورافتاده—باتری‌های سیمانی یک منبع تغذیه داخلی و کم‌هزینه فراهم می‌کنند. این موضوع وابستگی به کابل‌کشی و ژنراتورهای اختصاصی را کم می‌کند.
همین ویژگی بتن رسانا راه را برای کاربردهای حفاظت کاتدی باز کرده است. جریان‌های بسیار کم موردنیاز برای پیشگیری از خوردگی میلگردها (۱ تا ۲ میلی‌آمپر بر متر مربع) دقیقاً با توان باتری سیمانی سازگار است. ترکیب سیستم‌های ICCP و باتری سیمانی می‌تواند عمر سازه‌های بتنی را افزایش دهد و هزینه نگهداری را کاهش دهد.

چشم‌اندازها و افق‌های آینده باتری سیمانی

ساختمان‌های هوشمند و زیرساخت‌های خودتأمین انرژی

ساختمان‌ها در آینده فقط محل سکونت یا کار نیستند؛ واحدهای ذخیره‌سازی انرژی هم خواهند بود. بتن مجهز به باتری سیمانی می‌تواند انرژی تولیدشده از منابع تجدیدپذیر را ذخیره کند و در زمان نیاز آزاد کند.
این خودکفایی، وابستگی به شبکه برق را کاهش می‌دهد و حتی امکان بازگرداندن انرژی اضافی به شبکه شهری را فراهم می‌کند.
باتری‌های سیمانی همچنین در زیرساخت‌های شهری مانند جاده‌ها، پل‌ها و پیاده‌روها کاربرد دارند و می‌توانند انرژی جنبشی یا خورشیدی را ذخیره کرده و برای روشنایی یا تغذیه سیستم‌ها استفاده کنند.

نقش زیرساخت‌های شهری در انرژی پاک و هوشمندسازی

با تبدیل جاده‌ها و پیاده‌روها به ذخیره‌سازهای انرژی، شهرها به سیستم‌های زنده و خودپایدار تبدیل می‌شوند.
جاده‌های الکتریکی می‌توانند خودروهای برقی را حین حرکت شارژ کنند و نیاز به ایستگاه‌های شارژ سنتی را کاهش دهند.
پیاده‌روها و میدان‌های شهری نیز قادر به ذخیره انرژی حاصل از حرکت مردم خواهند بود و این انرژی می‌تواند برای روشنایی شهری به کار رود.
این زیرساخت‌ها پایه‌گذار شهرهای هوشمند آینده‌اند؛ جایی که همه اجزای شهر بخشی از شبکه انرژی هوشمند و توزیع‌شده هستند.

پیشرفت فناوری، کاهش هزینه و همکاری با سایر انرژی‌های پاک

با استفاده از مواد ارزان‌تر مانند کربن‌بلک یا ضایعات صنعتی حاوی کربن، باتری سیمانی می‌تواند به گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه، به‌ویژه برای کشورهای درحال‌توسعه، تبدیل شود.
این فناوری در کنار انرژی خورشیدی، باد و ژئوترمال به عنوان یک سیستم مکمل عمل کرده و مشکل نوسان در انرژی‌های تجدیدپذیر را کاهش می‌دهد.
استفاده هم‌زمان از چند فناوری انرژی، امنیت انرژی را افزایش می‌دهد و در صورت خرابی یک سیستم، سیستم‌های دیگر جایگزین می‌شوند.

چشم‌انداز زمانی و نقش باتری سیمانی در شهرهای آینده

باتوجه به چالش‌هایی مانند چگالی انرژی و دوام، انتظار می‌رود کاربردهای اولیه باتری سیمانی در حوزه‌هایی مثل حسگرهای IoT و حفاظت کاتدی طی ۵ تا ۱۰ سال آینده وارد بازار شوند.
کاربردهای بزرگ‌تر مثل ساختمان‌های خودکفا و جاده‌های الکتریکی احتمالاً به ۱۵ تا ۲۰ سال زمان نیاز دارند.
این فناوری می‌تواند شهرهای هوشمند آینده را دگرگون کند؛ جایی که ساختمان‌ها، پل‌ها، پیاده‌روها و حتی نیمکت‌ها خودشان تولیدکننده و ذخیره‌کننده انرژی هستند.
همچنین صنعت ساخت‌وساز با استفاده از ضایعات ساختمانی برای تولید مصالح انرژی‌ذخیره‌گر، وارد مسیر اقتصاد دایره‌ای و ساخت‌وساز سبز می‌شود.

نتیجه گیری

باتری سیمانی یکی از امیدبخش‌ترین نوآوری‌های دهه اخیر در حوزه ذخیره‌سازی انرژی است. این فناوری با تبدیل سازه‌های بتنی به ذخیره‌کننده‌های انرژی، مسیری نو در یکپارچه‌سازی زیرساخت‌های شهری با سیستم‌های انرژی پایدار باز می‌کند.

همان‌طور که در این مقاله بررسی کردیم، باتری سیمانی از سیمان به‌عنوان الکترولیت جامد و مواد رسانا مانند کربن‌بلک استفاده می‌کند تا انرژی الکتریکی تولید و ذخیره کند. تحقیقات از سال ۲۰۰۸ تاکنون مسیر طولانی‌ای را طی کرده‌اند؛ از نمونه‌های اولیه با ولتاژ ۰.۴ ولت تا باتری‌های قابل شارژ با چگالی انرژی ۷ وات‌ساعت بر متر مربع.

مزایای این فناوری (از جمله ایمنی بالا، استفاده از مواد ارزان و در دسترس، امکان ادغام با ساختمان‌ها و پشتیبانی از انرژی‌های تجدیدپذیر) آن را به گزینه‌ای جذاب برای آینده تبدیل کرده است. با این حال، چالش‌هایی مانند چگالی انرژی پایین، مشکلات مقیاس‌پذیری و نبود استانداردهای صنعتی، همچنان مسیر تجاری‌سازی را طولانی کرده‌اند.

باتری سیمانی نه جایگزین باتری‌های لیتیوم‌یون، بلکه مکمل آن‌هاست. این فناوری می‌تواند در ساختمان‌های خودکفا، جاده‌های هوشمند، حسگرهای IoT و سیستم‌های حفاظت کاتدی نقش‌آفرین باشد و به تحقق شهرهای هوشمند و پایدار کمک کند.

آینده باتری سیمانی به پیشرفت‌های علمی، کاهش هزینه‌ها و همکاری میان دانشگاه‌ها، صنعت و دولت‌ها بستگی دارد. اگر این فناوری بتواند به بلوغ علمی و اقتصادی برسد، ممکن است دنیای ساخت‌وساز و انرژی را دگرگون کند و راه را برای شهرهایی باز کند که در آن‌ها هر دیوار، هر جاده و هر پل، بخشی از شبکه انرژی پایدار باشد.

سوالات متداول

منابع

مقاله باتری سیمانی – ژورنال مهندسی و علوم کاربردی(jeas)

موسسه هولمهولتز اولم آلمان

کنسرسیوم Nanocem در سوئیس

مقاله ای از Science.org

باتری های پایه سیمانی 2022 – استودیو آرت بتن

مقاله سیمان و بتن سبز – Global Efficiency Intelligence