Un supercondensatore a base di cemento crea un nuovo sistema di accumulo di energia – Physics World

Un supercondensatore a base di cemento crea un nuovo sistema di accumulo di energia – Physics World

Timestamp: 25 agosto 2023 4:22

una casa con fondamenta costituite da supercondensatori di cemento potrebbe immagazzinare l'energia necessaria per una giornata
Poiché il nuovo calcestruzzo “supercondensatore” manterrebbe la sua resistenza, una casa con fondamenta realizzate con questo materiale potrebbe immagazzinare l'equivalente di un giorno di energia prodotta da pannelli solari o mulini a vento e consentirne l'utilizzo ogni volta che è necessario. (Per gentile concessione di Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn)

Un nuovo supercondensatore economico ed efficiente, realizzato con nerofumo e cemento, potrebbe immagazzinare l’energia necessaria per una giornata nelle fondamenta di cemento di un edificio o fornire ricarica senza contatto per le auto elettriche mentre lo attraversano. Il dispositivo potrebbe anche facilitare l’uso di fonti di energia rinnovabile come quella solare, eolica e delle maree, secondo i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Wyss Institute, entrambi negli Stati Uniti, che lo hanno sviluppato.

I supercondensatori sono tecnicamente noti come condensatori elettrici a doppio strato o condensatori elettrochimici e le loro capacità sono a metà tra quelle delle batterie e dei condensatori convenzionali (dielettrici). Anche se meno efficaci delle batterie nell’immagazzinare la carica, i supercondensatori sono migliori dei condensatori convenzionali sotto questo aspetto grazie ai loro elettrodi porosi, che hanno superfici grandi fino a diversi chilometri quadrati. Il doppio strato che si forma sull'interfaccia elettrolita-elettrodo di tali dispositivi quando viene applicata una tensione aumenta ulteriormente la quantità di carica che possono immagazzinare.

I supercondensatori presentano anche alcuni vantaggi rispetto alle batterie. Mentre le batterie possono impiegare ore per caricarsi e scaricarsi, i supercondensatori lo fanno in pochi minuti. Hanno anche una durata di vita molto più lunga, che dura milioni di cicli anziché migliaia. E a differenza delle batterie, che funzionano attraverso reazioni chimiche, i supercondensatori immagazzinano energia sotto forma di ioni elettricamente carichi che si assemblano sulla superficie dei loro elettrodi.

Superficie interna estremamente elevata

Il nuovo dispositivo, sviluppato da un team guidato da Franz-Josef Ulm, Ammiraglio Masic ed Corno Yang-Shao, contiene un materiale a base cementizia che vanta una superficie interna estremamente elevata. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato iniziando con una miscela di cemento secco contenente nerofumo, che assomiglia a carbone molto fine. A questa miscela hanno aggiunto acqua e superfluidificanti, una miscela standard che riduce l’acqua nella produzione di calcestruzzo. Quando l'acqua reagisce con il cemento, forma naturalmente una rete ramificata di pori all'interno della struttura, e il carbonio migra in questi pori per formare filamenti filiformi con una struttura simile a un frattale. È questa struttura di rete densa e interconnessa che fornisce al materiale la sua superficie estremamente ampia.

"Riempiamo il materiale fresco in tubi di plastica e li lasciamo indurire per almeno 28 giorni", spiega Ulm. "Abbiamo quindi tagliato i campioni in pezzi delle dimensioni di un elettrodo, immergiamo questi elettrodi in una soluzione elettrolitica standard (cloruro di potassio) e costruiamo un supercondensatore con due elettrodi separati da una membrana isolante."

I ricercatori quindi polarizzano gli elettrodi collegando un elettrodo a una carica positiva e l'altro a una carica negativa. Durante la carica, gli ioni caricati positivamente provenienti dall'elettrolita si accumulano sul filo di carbonio volumetrico caricato negativamente, mentre gli ioni caricati negativamente si accumulano sul filo di carbonio caricato positivamente.

L'energia di una giornata

Con la membrana d'intralcio, gli ioni carichi non possono spostarsi tra gli elettrodi. Questo squilibrio produce il campo elettrico che carica il superconduttore. “Il fatto che il filo volumetrico riempia lo spazio a sua disposizione – qualcosa che abbiamo confermato con la spettroscopia EDS-Raman – ci consente di immagazzinare molta energia sulla superficie estremamente ampia del nero di carbonio”, afferma Ulm. “Quando poi scolleghiamo la fonte di energia dal supercondensatore, l’energia immagazzinata viene rilasciata e può quindi fornire energia per una varietà di applicazioni”.

Secondo i loro calcoli, che dettagliano PNAS, un blocco del materiale che misura 45 m3 (equivalente ad un cubo di 3.55 m), sarebbe in grado di immagazzinare circa 10 kWh di energia. Questo è più o meno lo stesso del consumo medio giornaliero di elettricità di una famiglia tipica. Una casa costruita con fondamenta che contengono questo composto di carbonio e cemento potrebbe quindi immagazzinare l’energia necessaria per una giornata – prodotta, ad esempio, dai pannelli solari – e rilasciarla quando necessario. Il materiale potrebbe anche essere incorporato in generatori di elettricità intermittenti come le turbine eoliche, che potrebbero quindi immagazzinare energia nelle loro basi e rilasciarla durante i periodi di inattività.

Un’altra potenziale applicazione per il supercondensatore, anche se di fascia alta, sarebbe quella di aggiungerlo alle strade di cemento. Queste superstrade potrebbero quindi immagazzinare energia (magari prodotta da pannelli solari posizionati accanto a loro) e fornirla ai veicoli elettrici in transito tramite induzione elettromagnetica. Questa tecnologia è fondamentalmente la stessa utilizzata per ricaricare in modalità wireless i telefoni cellulari e, secondo i ricercatori, potrebbe essere utilizzata anche per ricaricare i veicoli elettrici quando non sono in movimento, ad esempio in un parcheggio.

Usi più a breve termine, aggiungono, potrebbero essere in edifici lontani dalla rete elettrica, che potrebbero essere alimentati utilizzando pannelli solari collegati ai supercondensatori.

Sistema molto scalabile

Il sistema è molto scalabile, dice Ulm, poiché la capacità di accumulo di energia aumenta in proporzione al volume degli elettrodi. “Puoi passare da elettrodi spessi 1 millimetro a elettrodi spessi 1 metro, e così facendo in pratica puoi aumentare la capacità di accumulo di energia dall’accensione di un LED per pochi secondi, all’alimentazione di un’intera casa”, spiega. A seconda delle proprietà richieste per una determinata applicazione, il sistema potrebbe essere messo a punto regolando la miscela, aggiunge. Per una strada per la ricarica dei veicoli sarebbero necessarie velocità di ricarica e scarica molto elevate, mentre per alimentare una casa “si ha tutto il giorno per ricaricarla”, quindi si potrebbe utilizzare materiale a ricarica più lenta.

"Il fatto che i materiali costituenti siano così facilmente disponibili apre un nuovo modo di ripensare le soluzioni di stoccaggio dell'energia", dice Ulm Mondo della fisica. “Il cemento è, dopo l’acqua, il materiale più consumato sulla Terra, ma ha un costo ambientale non trascurabile, poiché circa l’8% della COXNUMX mondiale2 le emissioni derivano da 4 gigatonnellate della produzione globale annua mondiale. Il nostro obiettivo generale era quindi quello di concretizzare un materiale multifunzionale che potesse fornire un’ulteriore funzione sociale utile”.

Lo stoccaggio dell’energia è oggi di fondamentale importanza se vogliamo frenare l’impatto del cambiamento climatico, osserva, e studi precedenti hanno dimostrato che una miscela cemento-carbonio può essere utilizzata per produrre un cemento conduttore di elettroni. La conduttività elettrica, tuttavia, non è sufficiente per immagazzinare energia. “Abbiamo ipotizzato che l’idratazione del cemento idrofilo in presenza del nerofumo idrofobo dovrebbe naturalmente fornire gli altri due criteri necessari: porosità di stoccaggio e di trasporto”, afferma Ulm.

L'obiettivo immediato dei ricercatori è realizzare un supercondensatore in grado di immagazzinare la stessa quantità di carica di una batteria da 12 V. "Consideriamo questo dispositivo come il mattone elementare verso dispositivi più avanzati", afferma Ulm.

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