Un supercondensador a base de cemento crea un novedoso sistema de almacenamiento de energía – Physics World

Un supercondensador a base de cemento crea un novedoso sistema de almacenamiento de energía – Physics World

Marca de tiempo: 25 de agosto de 2023 4:22 a.m.

Una casa con cimientos hechos de supercondensadores de cemento podría almacenar la energía de un día
Dado que el nuevo hormigón "supercondensador" conservaría su resistencia, una casa con cimientos hechos de este material podría almacenar la energía de un día producida por paneles solares o molinos de viento, y permitir su uso cuando sea necesario. (Cortesía: Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn)

Un nuevo supercondensador rentable y eficiente hecho de negro de humo y cemento podría almacenar la energía de un día en los cimientos de hormigón de un edificio o proporcionar recarga sin contacto para los coches eléctricos mientras viajan por él. El dispositivo también podría facilitar el uso de fuentes de energía renovables como la solar, la eólica y la mareomotriz, según los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y del Instituto Wyss, ambos en Estados Unidos, que lo desarrollaron.

Los supercondensadores se conocen técnicamente como condensadores eléctricos de doble capa o electroquímicos, y sus capacidades se encuentran entre las de las baterías y los condensadores convencionales (dieléctricos). Aunque son menos buenos para almacenar carga que las baterías, los supercondensadores son mejores que los condensadores convencionales a este respecto gracias a sus electrodos porosos, que tienen superficies de hasta varios kilómetros cuadrados. La doble capa que se forma en la interfaz electrolito-electrodo de dichos dispositivos cuando se aplica voltaje aumenta aún más la cantidad de carga que pueden almacenar.

Los supercondensadores también tienen algunas ventajas sobre las baterías. Mientras que las baterías pueden tardar horas en cargarse y descargarse, los supercondensadores lo hacen en minutos. También tienen una vida útil mucho más larga, con millones de ciclos en lugar de miles. Y a diferencia de las baterías, que funcionan mediante reacciones químicas, los supercondensadores almacenan energía en forma de iones cargados eléctricamente que se ensamblan en las superficies de sus electrodos.

Superficie interna extremadamente alta

El nuevo dispositivo, desarrollado por un equipo dirigido por Francisco José Ulm, admirar masic y Cuerno de Yang-Shao, contiene un material a base de cemento que cuenta con una superficie interna extremadamente alta. Los investigadores lograron esto partiendo de una mezcla de cemento seco que contenía negro de carbón, que se asemeja al carbón vegetal muy fino. A esta mezcla le agregaron agua y superplastificantes, un aditivo reductor de agua estándar en la producción de hormigón. A medida que el agua reacciona con el cemento, forma naturalmente una red ramificada de poros dentro de la estructura, y el carbono migra hacia estos poros para formar filamentos nervudos con una estructura similar a un fractal. Es esta estructura de red densa e interconectada la que proporciona al material su superficie extremadamente grande.

"Llenamos el material fresco en tubos de plástico y los dejamos endurecer durante al menos 28 días", explica Ulm. "Luego cortamos las muestras en trozos del tamaño de electrodos, sumergimos estos electrodos en una solución electrolítica estándar (cloruro de potasio) y construimos un supercondensador a partir de dos electrodos separados por una membrana aislante".

Luego, los investigadores polarizan los electrodos conectando un electrodo a una carga positiva y el otro a una carga negativa. Durante la carga, los iones cargados positivamente del electrolito se acumulan en el cable de carbono volumétrico cargado negativamente, mientras que los iones cargados negativamente se acumulan en el cable de carbono cargado positivamente.

La energía necesaria para un día

Con la membrana en el camino, los iones cargados no pueden moverse entre los electrodos. Este desequilibrio produce el campo eléctrico que carga el superconductor. "El hecho de que el cable volumétrico llene el espacio disponible, algo que hemos confirmado mediante espectroscopía EDS-Raman, nos permite almacenar mucha energía en la superficie extremadamente grande del negro de humo", afirma Ulm. "Cuando luego desconectamos la fuente de energía del supercondensador, la energía almacenada se libera y, por lo tanto, puede proporcionar energía para una variedad de aplicaciones".

Según sus cálculos, que detallan en PNAS, un bloque del material de 45 m3 (equivalente a un cubo de 3.55 m), sería capaz de almacenar unos 10 kWh de energía. Esto es aproximadamente lo mismo que el consumo de electricidad diario promedio de un hogar típico. Por lo tanto, una casa construida con cimientos que contengan este compuesto de carbono y hormigón podría almacenar la energía de un día (producida por paneles solares, por ejemplo) y liberarla cuando sea necesario. El material también podría incorporarse a generadores de electricidad intermitentes, como turbinas eólicas, que luego podrían almacenar energía en sus bases y liberarla durante los períodos de inactividad.

Otra posible aplicación del supercondensador (aunque sea de alta gama) sería añadirlo a carreteras de hormigón. Estas supercarreteras podrían luego almacenar energía (quizás producida por paneles solares ubicados a lo largo de ellas) y entregarla a los vehículos eléctricos que pasan a través de inducción electromagnética. Esta tecnología es fundamentalmente la misma que se utiliza para recargar de forma inalámbrica los teléfonos móviles, y los investigadores dicen que también podría usarse para recargar vehículos eléctricos cuando no están en movimiento, en un estacionamiento, por ejemplo.

Añaden que los usos más a corto plazo podrían ser edificios alejados de la red eléctrica, que podrían funcionar mediante paneles solares conectados a los supercondensadores.

Sistema muy escalable

El sistema es muy escalable, afirma Ulm, ya que la capacidad de almacenamiento de energía aumenta en proporción al volumen de los electrodos. "Se puede pasar de electrodos de 1 milímetro de espesor a electrodos de 1 metro de espesor y, al hacerlo, básicamente se puede escalar la capacidad de almacenamiento de energía, desde encender un LED durante unos segundos hasta alimentar una casa entera", explica. Dependiendo de las propiedades requeridas para una aplicación determinada, el sistema podría ajustarse ajustando la mezcla, añade. Para una vía de carga de vehículos, se necesitarían velocidades de carga y descarga muy rápidas, mientras que para alimentar una casa “tienes todo el día para cargarla”, por lo que se podría utilizar material de carga más lenta.

"El hecho de que los materiales que los componen estén tan fácilmente disponibles abre una nueva forma de repensar las soluciones de almacenamiento de energía", dice Ulm. Mundo de la física. “El hormigón es, después del agua, el material más consumido en la Tierra, pero tiene un coste medioambiental nada despreciable, ya que aproximadamente el 8% del COXNUMX mundial2 Las emisiones son el resultado de las 4 gigatoneladas de la producción mundial anual. Por lo tanto, nuestro objetivo general era hacer del hormigón un material multifuncional que pudiera proporcionar una función social útil adicional”.

El almacenamiento de energía es de vital importancia hoy en día si queremos frenar el impacto del cambio climático, señala, y estudios anteriores han demostrado que se puede utilizar una mezcla de cemento y carbono para fabricar un cemento conductor de electrones. Sin embargo, la conductividad eléctrica no es suficiente para almacenar energía. "Presumimos que la hidratación del cemento hidrófilo en presencia del negro de carbón hidrófobo debería proporcionar naturalmente los otros dos criterios necesarios: porosidad de almacenamiento y transporte", dice Ulm.

El objetivo inmediato de los investigadores es crear un supercondensador que pueda almacenar la misma cantidad de carga que una batería de 12 V. "Consideramos este dispositivo como el ladrillo básico hacia dispositivos más avanzados", afirma Ulm.

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