Feito de cimento, negro de fumo e água, o dispositivo pode fornecer armazenamento de energia barato e escalável para fontes de energia renováveis ​​- Strong The One

Os dois materiais, descobriram os pesquisadores, podem ser combinados com água para fazer um supercapacitor – uma alternativa às baterias – que pode fornecer armazenamento de energia elétrica. Como exemplo, os pesquisadores do MIT que desenvolveram o sistema dizem que seu supercapacitor poderia eventualmente ser incorporado à fundação de concreto de uma casa, onde poderia armazenar energia para um dia inteiro, acrescentando pouco (ou nenhum) ao custo da fundação. e ainda fornecendo a força estrutural necessária. Os pesquisadores também imaginam uma estrada de concreto que poderia fornecer recarga sem contato para carros elétricos enquanto eles trafegam por essa estrada.

A tecnologia simples, mas inovadora, é descrita em um artigo a ser publicado na revista PNASem um artigo dos professores do MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, e quatro outros no MIT e no Wyss Institute.

Os capacitores são, em princípio, dispositivos muito simples, constituídos por duas placas eletricamente condutoras imersas em um eletrólito e separadas por uma membrana. Quando uma voltagem é aplicada através do capacitor, íons carregados positivamente do eletrólito se acumulam na placa carregada negativamente, enquanto a placa carregada positivamente acumula íons carregados negativamente. Como a membrana entre as placas impede que os íons carregados migrem, essa separação de cargas cria um campo elétrico entre as placas e o capacitor fica carregado. As duas placas podem manter esse par de cargas por um longo tempo e depois entregá-las muito rapidamente quando necessário. Supercapacitores são simplesmente capacitores que podem armazenar cargas excepcionalmente grandes.

A quantidade de energia que um capacitor pode armazenar depende da área total da superfície de suas placas condutoras. A chave para os novos supercapacitores desenvolvidos por esta equipe vem de um método de produção de um material à base de cimento com uma área de superfície interna extremamente alta devido a uma rede densa e interconectada de material condutor dentro de seu volume a granel. Os pesquisadores conseguiram isso introduzindo negro de fumo – que é altamente condutor – em uma mistura de concreto junto com pó de cimento e água, e deixando-o curar. A água forma naturalmente uma rede ramificada de aberturas dentro da estrutura à medida que reage com o cimento, e o carbono migra para esses espaços para criar estruturas semelhantes a fios dentro do cimento endurecido. Essas estruturas têm uma estrutura semelhante a um fractal, com galhos maiores brotando de galhos menores, e aqueles brotando de galhos ainda menores, e assim por diante, terminando com uma área de superfície extremamente grande dentro dos limites de um volume relativamente pequeno. O material é então embebido em um material eletrolítico padrão, como o cloreto de potássio, uma espécie de sal, que fornece as partículas carregadas que se acumulam nas estruturas de carbono. Dois eletrodos feitos desse material, separados por um espaço fino ou uma camada isolante, formam um supercapacitor muito poderoso, descobriram os pesquisadores.

As duas placas do capacitor funcionam exatamente como os dois pólos de uma bateria recarregável de tensão equivalente: quando conectado a uma fonte de eletricidade, como acontece com uma bateria, a energia é armazenada nas placas e, quando conectado a uma carga, o circuito elétrico a corrente flui de volta para fornecer energia.

“O material é fascinante”, diz Masic, “porque você tem o material feito pelo homem mais usado no mundo, cimento, que é combinado com negro de fumo, que é um material histórico bem conhecido – os Manuscritos do Mar Morto foram escrito com ele. Você tem esses materiais de pelo menos dois milênios de idade que, quando combinados de uma maneira específica, resultam em um nanocompósito condutor, e é aí que as coisas ficam realmente interessantes.”

À medida que a mistura endurece e cura, diz ele, “a água é sistematicamente consumida por meio das reações de hidratação do cimento, e essa hidratação afeta fundamentalmente as nanopartículas de carbono porque são hidrofóbicas (repelentes à água)”. À medida que a mistura evolui, “o negro de fumo se automonta em um fio condutor conectado”, diz ele. O processo é facilmente reproduzível, com materiais baratos e prontamente disponíveis em qualquer lugar do mundo. E a quantidade de carbono necessária é muito pequena – apenas 3% em volume da mistura – para alcançar uma rede de carbono percolado, diz Masic.

Supercapacitores feitos deste material têm grande potencial para ajudar na transição mundial para energia renovável, diz Ulm. As principais fontes de energia livre de emissões, energia eólica, solar e das marés, produzem sua produção em horários variáveis ​​que muitas vezes não correspondem aos picos de uso de eletricidade, portanto, formas de armazenar essa energia são essenciais. “Há uma enorme necessidade de grande armazenamento de energia”, diz ele, e as baterias existentes são muito caras e dependem principalmente de materiais como o lítio, cujo suprimento é limitado, de modo que alternativas mais baratas são extremamente necessárias. “É aí que nossa tecnologia é extremamente promissora, porque o cimento é onipresente”, diz Ulm.

A equipe calculou que um bloco de concreto dopado com nanocarbono com 45 metros cúbicos (ou jardas) de tamanho – equivalente a um cubo de cerca de 3,5 metros de diâmetro – teria capacidade suficiente para armazenar cerca de 10 quilowatts-hora de energia, que é considerado o consumo médio diário de eletricidade para uma residência. Como o concreto manteria sua resistência, uma casa com uma fundação feita desse material poderia armazenar um dia de energia produzida por painéis solares ou moinhos de vento e permitir que ela fosse usada sempre que fosse necessária. E os supercapacitores podem ser carregados e descarregados muito mais rapidamente do que as baterias.

Depois de uma série de testes usados ​​para determinar as proporções mais eficazes de cimento, negro de fumo e água, a equipe demonstrou o processo fazendo pequenos supercapacitores, do tamanho de algumas baterias tipo botão, com cerca de 1 centímetro de diâmetro e 1 milímetro de espessura, que poderiam s