Cemento + Negro De Carbón + Agua = Supercondensador

Imagine un supercondensador hecho de materiales comunes y abundantes como agua y negro de humo. Las posibilidades son infinitas.

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Investigadores del MIT, dirigidos por los profesores Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn, han descubierto que mezclar cemento, negro de humo y agua en determinadas proporciones da como resultado un hormigón que también funciona como un supercondensador capaz de almacenar energía eléctrica. . En un artículo publicado en la revista PNAS el 31 de julio de 2023, los investigadores escribieron:

“La implementación a gran escala de sistemas de energía renovable requiere el desarrollo de soluciones de almacenamiento de energía para gestionar eficazmente los desequilibrios entre la oferta y la demanda de energía. En este documento, investigamos una solución de material escalable para el almacenamiento de energía en supercondensadores construidos a partir de precursores de materiales fácilmente disponibles que pueden obtenerse localmente desde prácticamente cualquier lugar del planeta, a saber, cemento, agua y negro de humo.

“El análisis de textura revela que las reacciones de hidratación del cemento en presencia de carbono generan una red de carbono conductora de electrones similar a un fractal que impregna la matriz a base de cemento que soporta carga. Se ha demostrado que la capacidad de almacenamiento de energía de esta red de negro de carbón que llena el espacio con una superficie específica alta accesible para el almacenamiento de carga es una cantidad intensiva, mientras que la capacidad de alta velocidad de los electrodos de cemento de carbón exhibe autosimilitud debido a la hidratación. porosidad disponible para el transporte de carga.

“Esta naturaleza intensiva y autosemejante de almacenamiento de energía y capacidad de velocidad representa una oportunidad para escalar en masa desde escalas de electrodos hasta escalas estructurales. La disponibilidad, versatilidad y escalabilidad de estos supercondensadores de cemento de carbono abre un horizonte para el diseño de estructuras multifuncionales que aprovechen la alta capacidad de almacenamiento de energía, las capacidades de carga/descarga de alta velocidad y la resistencia estructural para aplicaciones residenciales e industriales sostenibles que van desde energía autárquica refugios y caminos autocargables para vehículos eléctricos, hasta almacenamiento intermitente de energía para turbinas eólicas y centrales mareomotrices”.

En una publicación de blog, el MIT dijo que los capacitores son dispositivos muy simples. Consisten en dos placas eléctricamente conductoras 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 los iones cargados, esta separación de cargas crea un campo eléctrico entre las placas y el condensador 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 para producir un material a base de cemento con una superficie interna extremadamente alta debido a una red densa e interconectada de material conductor dentro de su volumen a granel.

Imagen vía PNAS

Los investigadores lograron esto introduciendo negro de carbón, que es altamente conductor, en una mezcla de concreto junto con cemento en polvo y agua, y luego lo dejaron curar. El agua forma naturalmente una red ramificada de aberturas dentro de la estructura a medida que reacciona con el cemento, y el carbono migra a estos espacios para formar estructuras similares a cables dentro del cemento endurecido. Estas estructuras tienen una estructura similar a un fractal, con ramas más grandes de las que brotan ramas más pequeñas, y de aquellas que brotan ramitas aún más pequeñas, y así sucesivamente, terminando con una superficie extremadamente grande dentro de los límites de un volumen relativamente pequeño.

Luego, el material se empapa 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. Los investigadores descubrieron que dos electrodos hechos de este material, separados por un espacio delgado o una capa aislante, forman un supercondensador muy potente.

Las dos placas del condensador funcionan igual que los dos polos de una batería recargable de voltaje equivalente. Cuando se conecta a una fuente de electricidad, la energía se almacena en las placas como en una batería. Cuando se conecta a una carga, la corriente eléctrica regresa para proporcionar energía.

“El material es fascinante”, dijo el profesor Masic, “porque tenemos el material artificial más utilizado en el mundo, el cemento, que se combina con negro de carbón, que es un material histórico muy conocido. Con él se escribieron los Rollos del Mar Muerto. 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, dijo, “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 hidrofóbicas (repelen el agua)”. A medida que la mezcla evoluciona, “el negro de carbón se autoensambla formando un cable conductor conectado”, dice. El proceso es fácilmente reproducible con materiales económicos y fácilmente disponibles en cualquier parte del mundo. Y la cantidad de carbono necesaria es muy pequeña (tan solo el 3% del volumen de la mezcla) para lograr una red de carbono filtrado, dijo Masic.

Los supercondensadores fabricados con este material tienen un gran potencial para ayudar en la transición del mundo hacia la energía renovable, escribió Ulm. Todas las principales fuentes de energía libre de emisiones (eólica, solar y mareomotriz) producen su producción en momentos variables que a menudo no corresponden a los picos de uso de electricidad, por lo que las formas de almacenar esa energía son esenciales.

"Existe una enorme necesidad de un gran almacenamiento de energía", afirmó Ulm, y las baterías existentes son demasiado caras y dependen principalmente de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado. Eso significa que se necesitan con urgencia alternativas más baratas. "Aquí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento está en todas partes", afirma Ulm.

El equipo calculó que un bloque de hormigón dopado con nanocarbono negro 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 Se considera el consumo medio diario de electricidad de un hogar. Dado que el hormigón 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. Como ventaja adicional, los supercondensadores se pueden cargar y descargar mucho más rápidamente que las baterías.

Los investigadores encontraron que existe un equilibrio 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. Esto podría resultar útil en aplicaciones donde el hormigón no desempeña una función estructural o donde no se requiere todo el potencial de resistencia del hormigón. Descubrieron que para aplicaciones como cimientos o elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el "punto óptimo" es alrededor del 10% de negro de carbón en la mezcla.

Otra posible aplicación de los supercondensadores de cemento de carbono es la construcción de carreteras de hormigón que podrían almacenar la energía producida por 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 utilizada para los teléfonos recargables de forma inalámbrica.

Los usos iniciales de la tecnología podrían ser para casas, edificios o refugios aislados lejos de la red eléctrica, que podrían funcionar con paneles solares conectados a supercondensadores de cemento. Ulm afirma que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es función directa del 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".

Dependiendo de las propiedades deseadas para una aplicación determinada, el sistema se puede ajustar ajustando la mezcla. Para una carretera que cargue coches eléctricos, se necesitarían velocidades de carga y descarga muy rápidas. Para alimentar una casa "tienes todo el día para cargarla", por lo que se podría utilizar material de carga más lenta, dijo Ulm. "Entonces, es realmente un material multifuncional".

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 considera que esto es "una nueva forma de mirar hacia el futuro del hormigón como parte de la transición energética".

Esta es una noticia muy emocionante. Imagínese si cada nuevo edificio o cimiento de hormigón se convirtiera en una batería de almacenamiento. Eso podría impulsar la transición a las energías renovables. La tecnología podría hacer que los sistemas de energía distribuida, como las microrredes, sean más factibles debido al costo reducido de almacenar electricidad, ya que no se necesitarían baterías de almacenamiento separadas.

Por supuesto, esta investigación debe combinarse con nuevas tecnologías que estén reduciendo la huella de carbono del cemento. Si se combina hormigón con bajas emisiones de carbono con tecnología de almacenamiento de energía, se abre todo un mundo de nuevas posibilidades.

La descripción anterior es para aquellos que no son científicos investigadores. Aquellos que deseen conocer todos los detalles, incluidos gráficos, tablas y la metodología utilizada en la investigación, pueden visitar el sitio de PNAS, donde todo lo que puedan desear saber sobre esta tecnología se presenta con exquisito detalle.

Aquí en Casa CleanTechnica, escuchamos las palabras "cambio de juego" y "avance" todo el día, todos los días. Pero tenemos que decir que esta noticia nos emociona. ¿Almacenamiento de energía local de bajo costo a partir de materiales ampliamente disponibles? Esa es una noticia que todos podemos aprovechar.

Steve escribe sobre la interfaz entre tecnología y sostenibilidad desde su casa en Florida o cualquier otro lugar donde la Fuerza lo lleve. Está orgulloso de estar "despertado" y realmente le importa un bledo por qué se rompió el cristal. Cree apasionadamente en lo que dijo Sócrates hace 3.000 años: "El secreto del cambio es centrar toda tu energía no en luchar contra lo viejo sino en construir lo nuevo".

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