Un supercondensateur à base de ciment constitue un nouveau système de stockage d'énergie – Physics World

Un supercondensateur à base de ciment constitue un nouveau système de stockage d'énergie – Physics World

Horodatage: 25 août 2023 4:22

une maison avec des fondations constituées de supercondensateurs en ciment pourrait stocker l'équivalent d'une journée d'énergie
Puisque le nouveau béton « supercondensateur » conserverait sa résistance, une maison avec des fondations faites de ce matériau pourrait stocker l'équivalent d'une journée d'énergie produite par des panneaux solaires ou des éoliennes et permettre de l'utiliser chaque fois que nécessaire. (Avec l'aimable autorisation de Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn)

Un nouveau supercondensateur rentable et efficace fabriqué à partir de noir de carbone et de ciment pourrait stocker l'équivalent d'une journée d'énergie dans les fondations en béton d'un bâtiment ou permettre une recharge sans contact pour les voitures électriques lorsqu'elles le traversent. L'appareil pourrait également faciliter l'utilisation de sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire, éolienne et marémotrice, selon les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Wyss Institute, tous deux situés aux États-Unis, qui l'ont développé.

Les supercondensateurs sont techniquement connus sous le nom de condensateurs électriques à double couche ou électrochimiques, et leurs capacités se situent quelque part entre celles des batteries et des condensateurs (diélectriques) conventionnels. Bien que moins efficaces que les batteries pour stocker la charge, les supercondensateurs sont meilleurs que les condensateurs classiques à cet égard grâce à leurs électrodes poreuses, qui ont des surfaces pouvant atteindre plusieurs kilomètres carrés. La double couche qui se forme à l’interface électrolyte-électrode de tels dispositifs lorsqu’une tension est appliquée augmente encore la quantité de charge qu’ils peuvent stocker.

Les supercondensateurs présentent également certains avantages par rapport aux batteries. Alors que les batteries peuvent mettre des heures à se charger et se décharger, les supercondensateurs le font en quelques minutes. Ils ont également une durée de vie beaucoup plus longue, pouvant durer des millions de cycles plutôt que des milliers. Et contrairement aux batteries, qui fonctionnent par réactions chimiques, les supercondensateurs stockent l’énergie sous forme d’ions chargés électriquement qui s’assemblent à la surface de leurs électrodes.

Surface interne extrêmement élevée

Le nouvel appareil, développé par une équipe dirigée par François-Josef Ulm, Admir Masic ainsi que le Corne Yang-Shao, contient un matériau à base de ciment qui présente une surface interne extrêmement élevée. Les chercheurs y sont parvenus en commençant avec un mélange de ciment sec contenant du noir de carbone, qui ressemble à du charbon de bois très fin. À ce mélange, ils ont ajouté de l’eau et des superplastifiants – un adjuvant réducteur d’eau standard dans la production de béton. Lorsque l’eau réagit avec le ciment, elle forme naturellement un réseau ramifié de pores au sein de la structure, et le carbone migre dans ces pores pour former des filaments filaires avec une structure de type fractal. C’est cette structure en réseau dense et interconnectée qui confère au matériau sa très grande surface.

«Nous remplissons le matériau frais dans des tubes en plastique et le laissons durcir pendant au moins 28 jours», explique Ulm. "Nous coupons ensuite les échantillons en morceaux de la taille d'une électrode, trempons ces électrodes dans une solution électrolytique standard (chlorure de potassium) et construisons un supercondensateur à partir de deux électrodes séparées par une membrane isolante."

Les chercheurs polarisent ensuite les électrodes en connectant une électrode à une charge positive et l’autre à une charge négative. Pendant la charge, les ions chargés positivement de l'électrolyte s'accumulent sur le fil de carbone volumétrique chargé négativement, tandis que les ions chargés négativement s'accumulent sur le fil de carbone chargé positivement.

Une journée d'énergie

Avec la membrane gênante, les ions chargés ne peuvent pas se déplacer entre les électrodes. Ce déséquilibre produit le champ électrique qui charge le supraconducteur. "Le fait que le fil volumétrique remplisse l'espace dont il dispose - ce que nous avons confirmé par spectroscopie EDS-Raman - nous permet de stocker beaucoup d'énergie sur la très grande surface du noir de carbone", explique Ulm. "Lorsque nous déconnectons ensuite la source d'énergie du supercondensateur, l'énergie stockée est libérée et peut ainsi fournir de l'énergie pour diverses applications."

D'après leurs calculs, qu'ils détaillent dans PNAS, un bloc de matériau mesurant 45 m3 (équivalent à un cube de 3.55 m), serait capable de stocker environ 10 kWh d'énergie. Cela équivaut à peu près à la consommation électrique quotidienne moyenne d’un ménage type. Une maison construite avec des fondations contenant ce composite carbone-béton pourrait donc stocker l'équivalent d'une journée d'énergie – produite par des panneaux solaires, par exemple – et la restituer en cas de besoin. Le matériau pourrait également être incorporé dans des générateurs d’électricité intermittents tels que des éoliennes, qui pourraient alors stocker de l’énergie dans leurs bases et la restituer pendant les périodes d’arrêt.

Une autre application potentielle du supercondensateur – quoique haut de gamme – serait de l’ajouter aux routes en béton. Ces super-routes pourraient alors stocker de l’énergie (peut-être produite par des panneaux solaires situés à côté d’elles) et la transmettre aux véhicules électriques qui passent via l’induction électromagnétique. Cette technologie est fondamentalement la même que celle utilisée pour recharger sans fil les téléphones portables, et les chercheurs affirment qu’elle pourrait également être utilisée pour recharger les véhicules électriques lorsqu’ils ne bougent pas, dans un parking par exemple.

Des utilisations à plus court terme, ajoutent-ils, pourraient concerner des bâtiments éloignés du réseau électrique, qui pourraient être alimentés par des panneaux solaires fixés aux supercondensateurs.

Système très évolutif

Le système est très évolutif, explique Ulm, puisque la capacité de stockage d'énergie augmente proportionnellement au volume des électrodes. "Vous pouvez passer d'électrodes d'un millimètre d'épaisseur à des électrodes d'un mètre d'épaisseur, et ce faisant, vous pouvez étendre la capacité de stockage d'énergie depuis l'éclairage d'une LED pendant quelques secondes jusqu'à l'alimentation d'une maison entière", explique-t-il. Selon les propriétés requises pour une application donnée, le système pourrait être ajusté en ajustant le mélange, ajoute-t-il. Pour une route de recharge de véhicules, des taux de charge et de décharge très rapides seraient nécessaires, tandis que pour alimenter une maison, « vous avez toute la journée pour la recharger », donc un matériel à charge plus lente pourrait être utilisé.

"Le fait que les matériaux constitutifs soient si facilement disponibles ouvre une nouvelle voie pour repenser les solutions de stockage d'énergie", explique Ulm. Monde de la physique. « Le béton est, après l'eau, le matériau le plus consommé sur Terre, mais il a un coût environnemental non négligeable, puisqu'environ 8 % du CO mondial2 les émissions résultent des 4 gigatonnes de la production mondiale annuelle. Notre objectif général était donc de faire du béton un matériau multifonctionnel susceptible de remplir une fonction sociétale utile supplémentaire.

Le stockage de l’énergie revêt aujourd’hui une importance cruciale si nous voulons réduire l’impact du changement climatique, note-t-il, et des études antérieures ont montré qu’un mélange ciment-carbone pouvait être utilisé pour fabriquer un ciment conducteur d’électrons. La conductivité électrique ne suffit cependant pas à stocker de l’énergie. "Nous avons émis l'hypothèse que l'hydratation du ciment hydrophile en présence de noir de carbone hydrophobe devrait naturellement fournir les deux autres critères nécessaires : la porosité de stockage et de transport", explique Ulm.

L’objectif immédiat des chercheurs est de créer un supercondensateur capable de stocker la même quantité de charge qu’une batterie 12 V. «Nous considérons cet appareil comme la brique élémentaire vers des appareils plus avancés», déclare Ulm.

Horodatage:

Plus de Monde de la physique