Créditos: Cortesía de los investigadores

Según un nuevo estudio, dos de los materiales históricos más ubicuos de la humanidad, el cemento y el negro de carbón (que se parece al carbón muy fino), pueden formar la base de un sistema de almacenamiento de energía novedoso y de bajo costo. La tecnología podría facilitar el uso de fuentes de energía renovables como la energía solar, eólica y mareomotriz al permitir que las redes de energía se mantengan estables a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable.

Los dos materiales, encontraron los investigadores, se pueden combinar con agua para hacer un supercondensador, una alternativa a las baterías, que podría proporcionar almacenamiento de energía eléctrica. Como ejemplo, los investigadores del MIT que desarrollaron el sistema dicen que su supercondensador eventualmente podría incorporarse a los cimientos de concreto de una casa, donde podría almacenar la energía de un día completo y agregar poco (o nada) al costo de los cimientos. y aún proporcionando la fuerza estructural necesaria. Los investigadores también imaginan una carretera de concreto que podría proporcionar recarga sin contacto para autos eléctricos mientras viajan por esa carretera.

La tecnología simple pero innovadora se describe esta semana en la revista PNAS , en un artículo de los profesores del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn, y otros cuatro en el MIT y en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada.

Los condensadores son, en principio, dispositivos muy simples, que consisten en dos placas conductoras de electricidad sumergidas en un electrolito y separadas por una membrana. Cuando se aplica un voltaje a través del capacitor, los iones cargados positivamente del electrolito se acumulan en la placa cargada negativamente, mientras que la placa cargada positivamente acumula iones cargados negativamente. Dado que la membrana entre las placas bloquea la migración de iones cargados, esta separación de cargas crea un campo eléctrico entre las placas y el capacitor se carga. Las dos placas pueden mantener este par de cargas durante mucho tiempo y luego entregarlas muy rápidamente cuando sea necesario. Los supercondensadores son simplemente condensadores que pueden almacenar cargas excepcionalmente grandes.

La cantidad de energía que puede almacenar un capacitor depende del área de superficie total de sus placas conductoras. La clave de los nuevos supercondensadores desarrollados por este equipo proviene de un método de producción de un material a base de cemento con un área de superficie interna extremadamente alta debido a una red densa e interconectada de material conductor dentro de su volumen total. Los investigadores lograron esto introduciendo negro de humo, que es altamente conductivo, en una mezcla de concreto junto con polvo de cemento y agua, y dejándolo curar. El agua forma naturalmente una red ramificada de aberturas dentro de la estructura cuando reacciona con el cemento, y el carbono migra a estos espacios para formar estructuras parecidas a alambres dentro del cemento endurecido. Estas estructuras tienen una estructura similar a un fractal, con ramas más grandes brotando ramas más pequeñas, y aquellos que brotan ramitas aún más pequeñas, y así sucesivamente, terminando con un área de superficie extremadamente grande dentro de los límites de un volumen relativamente pequeño. Luego, el material se sumerge en un material electrolítico estándar, como cloruro de potasio, un tipo de sal, que proporciona las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono. Dos electrodos hechos de este material, separados por un espacio delgado o una capa aislante, forman un supercondensador muy poderoso, encontraron los investigadores.

Las dos placas del capacitor funcionan como los dos polos de una batería recargable de voltaje equivalente: cuando se conecta a una fuente de electricidad, como con una batería, la energía se almacena en las placas y luego, cuando se conecta a una carga, la electricidad la corriente fluye hacia afuera para proporcionar energía.

“El material es fascinante”, dice Masic, “porque tienes el material hecho por el hombre más utilizado en el mundo, el cemento, que se combina con negro de humo, que es un material histórico muy conocido: los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él. Tienes estos materiales de al menos dos milenios de antigüedad que, cuando los combinas de una manera específica, obtienes un nanocompuesto conductor, y ahí es cuando las cosas se ponen realmente interesantes”.

A medida que la mezcla fragua y cura, dice, “el agua se consume sistemáticamente a través de las reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación afecta fundamentalmente a las nanopartículas de carbono porque son hidrófobas (repelentes al agua)”. A medida que evoluciona la mezcla, “el negro de humo se autoensambla en un cable conductor conectado”, dice. El proceso es fácilmente reproducible, con materiales que son económicos y fácilmente disponibles en cualquier parte del mundo. Y la cantidad de carbono necesaria es muy pequeña, tan solo un 3 por ciento por volumen de la mezcla, para lograr una red de carbono filtrado, dice Masic.

Los supercondensadores hechos de este material tienen un gran potencial para ayudar en la transición mundial hacia las energías renovables, dice Ulm. Las principales fuentes de energía libre de emisiones, eólica, solar y mareomotriz, producen su producción en tiempos variables que a menudo no se corresponden con los picos en el uso de electricidad, por lo que las formas de almacenar esa energía son esenciales. “Hay una gran necesidad de un gran almacenamiento de energía”, dice, y las baterías existentes son demasiado caras y en su mayoría dependen de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se necesitan con urgencia alternativas más baratas. “Ahí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento es omnipresente”, dice Ulm.

El equipo calculó que un bloque de hormigón dopado con negro de nanocarbono de 45 metros cúbicos (o yardas) de tamaño, equivalente a un cubo de unos 3,5 metros de ancho, tendría capacidad suficiente para almacenar unos 10 kilovatios-hora de energía, que es considerado el uso diario promedio de electricidad para un hogar. Dado que el hormigón conservaría su resistencia, una casa con cimientos hechos de este material podría almacenar el valor de un día de energía producida por paneles solares o molinos de viento y permitir que se use cuando sea necesario. Además, los supercondensadores pueden cargarse y descargarse mucho más rápido que las baterías.

Después de una serie de pruebas utilizadas para determinar las proporciones más efectivas de cemento, negro de humo y agua, el equipo demostró el proceso mediante la fabricación de pequeños supercondensadores, del tamaño de algunas pilas de botón, de aproximadamente 1 centímetro de ancho y 1 milímetro de espesor. cada uno podría cargarse a 1 voltio, comparable a una batería de 1 voltio. Luego conectaron tres de estos para demostrar su capacidad para encender un diodo emisor de luz (LED) de 3 voltios. Habiendo probado el principio, ahora planean construir una serie de versiones más grandes, comenzando con unas del tamaño de una batería de automóvil típica de 12 voltios, y luego trabajando hasta una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad para almacenar una casa. -Valor de poder.

Descubrieron que existe una compensación entre la capacidad de almacenamiento del material y su resistencia estructural. Al agregar más negro de carbón, el supercondensador resultante puede almacenar más energía, pero el concreto es un poco más débil, y esto podría ser útil para aplicaciones donde el concreto no juega un papel estructural o donde no se requiere todo el potencial de resistencia del concreto. Para aplicaciones como cimientos o elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el "punto óptimo" es alrededor del 10 por ciento de negro de carbón en la mezcla, encontraron.

Otra aplicación potencial de los supercondensadores de cemento de carbono es la construcción de carreteras de hormigón que podrían almacenar la energía producida por los paneles solares a lo largo de la carretera y luego entregar esa energía a los vehículos eléctricos que viajan por la carretera utilizando el mismo tipo de tecnología que se utiliza para los teléfonos inalámbricos recargables. Empresas de Alemania y los Países Bajos ya están desarrollando un tipo relacionado de sistema de recarga de automóviles, pero utilizan baterías estándar para el almacenamiento.

Los usos iniciales de la tecnología podrían ser para casas o edificios aislados o refugios lejos de la red eléctrica, que podrían ser alimentados por paneles solares conectados a los supercondensadores de cemento, dicen los investigadores.

Ulm dice que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es una función directa del volumen de los electrodos. “Puedes pasar de electrodos de 1 milímetro de espesor a electrodos de 1 metro de espesor, y al hacerlo básicamente puedes escalar la capacidad de almacenamiento de energía desde encender un LED durante unos segundos hasta alimentar toda una casa”, dice.

Dependiendo de las propiedades deseadas para una aplicación dada, el sistema podría ajustarse ajustando la mezcla. Para una carretera de carga de vehículos, se necesitarían tasas de carga y descarga muy rápidas, mientras que para alimentar una casa "tienes todo el día para cargarla", por lo que se podría usar material de carga más lenta, dice Ulm.

“Entonces, es realmente un material multifuncional”, agrega. Además de su capacidad para almacenar energía en forma de supercondensadores, el mismo tipo de mezcla de hormigón se puede utilizar como sistema de calefacción, simplemente aplicando electricidad al hormigón con carbono.

Ulm ve esto como "una nueva forma de mirar hacia el futuro del hormigón como parte de la transición energética".

El equipo de investigación también incluyó a los posdoctorados Nicolas Chanut y Damian Stefaniuk en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, James Weaver en el Instituto Wyss y Yunguang Zhu en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. El trabajo fue apoyado por el MIT Concrete Sustainability Hub, con el patrocinio de Concrete Advancement Foundation.

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MIT

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