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Aug 25, 2023

Este supercondensador está hecho de cemento

Mientras el mundo sigue intentando alejarse de los combustibles fósiles, los investigadores buscan nuevas formas de almacenar energía producida a partir de fuentes más ecológicas, como los paneles solares. Como parte de ese esfuerzo, un equipo de

Mientras el mundo sigue intentando alejarse de los combustibles fósiles, los investigadores buscan nuevas formas de almacenar energía producida a partir de fuentes más ecológicas, como los paneles solares. Como parte de ese esfuerzo, un equipo de investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard y el MIT han desarrollado un supercondensador utilizando únicamente cemento, agua y una forma de carbono llamada negro de humo.

A menudo es necesario almacenar la energía producida a partir de fuentes renovables para un día lluvioso. Pero las baterías no siempre son la mejor opción. Se necesita tiempo para cargarlos y construirlos requiere materiales difíciles de conseguir, como el litio, que pueden ser costosos y perjudiciales para el medio ambiente.

Franz-Josef Ulm, profesor de ingeniería civil y ambiental en el MIT, y sus colegas estaban interesados ​​en desarrollar supercondensadores con materiales fácilmente disponibles, como el cemento, no sólo para llenar el vacío dejado por la tecnología de baterías sino también para abordar otro problema ambiental: el hormigón. huella de carbono. Su trabajo fue publicado el 31 de julio en la revista PNAS.

"Una [cuestión motivadora] es la enorme huella ambiental de la producción mundial de cemento y hormigón, que representa aproximadamente el 8 por ciento de las emisiones mundiales de CO2", dice Ulm, autor principal del nuevo artículo. "Podemos utilizar esta solución de almacenamiento de energía para respaldar la transición que se necesita con urgencia de los combustibles fósiles a la energía renovable: ladrillo a ladrillo, pared a pared, carretera a carretera".

El equipo buscó redimir la imagen del cemento usándolo como base para los electrodos de su supercondensador. A diferencia de las baterías, que utilizan reacciones químicas para retener y descargar electricidad, los supercondensadores funcionan creando una diferencia de carga entre dos placas conductoras. Esta carga se puede mantener durante mucho tiempo y descargarse rápidamente cuando sea necesario.

Para construir su supercondensador, el equipo mezcló una pasta hecha de cemento y agua, y luego introdujo una pequeña cantidad de negro de carbón, una forma fina de carbón similar al carbón que se ha utilizado como pigmento y material de escritura durante miles de años. . Por ejemplo, el negro de humo se utilizó para escribir los Rollos del Mar Muerto en el siglo III a.C. Dejando a un lado la historia, el negro de carbón también es un material altamente conductor.

Este nuevo supercondensador se puede escalar fácilmente gracias a su gran superficie interna de material conductor creado mediante el uso de negro de carbón. Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn/MIT

A medida que la mezcla de cemento se curaba, el agua era absorbida y dejaba una red ramificada de túneles que el negro de humo llenaba. El resultado final es que la pasta de cemento se llena con una gran superficie de túneles conductores en forma de alambre, sin expandir el volumen total del electrodo.

Ulm dice que la reacción del negro de humo en el electrodo es un descubrimiento crucial porque podría simplificar mucho el escalado de este supercondensador.

"Lo que descubrimos es que la capacidad máxima de almacenamiento de energía sólo depende de la superficie específica del negro de humo", afirma Ulm. "Dado que este negro de humo llena el espacio, ¡gracias a la magia de la química! Podemos simplemente aumentar el volumen para crear soluciones energéticas a gran escala".

El equipo completó el supercondensador sumergiendo dos electrodos en una solución electrolítica para proporcionar partículas cargadas al sistema. En sus pruebas, fabricaron condensadores del tamaño de un botón capaces de contener 1 voltio de carga y determinaron que el condensador podía mantener su capacidad de almacenamiento con una pérdida mínima durante 10.000 ciclos de carga y descarga. Tres de los supercondensadores de 1 V también pudieron cargar un LED de 3 V.

El equipo también desarrolló condensadores del tamaño de un botón con diferentes proporciones de cemento y negro de humo, pero descubrió que, si bien agregar más negro de humo (más del 10 por ciento en volumen) a la mezcla aumentaba su capacidad de almacenamiento, esto se producía a costa de la integridad estructural del cemento. Y para los casos de uso que Ulm y sus colegas tienen en mente, la resistencia estructural del cemento es esencial.

El hormigón ya se utiliza para construir carreteras, por lo que el equipo ve una oportunidad para que las carreteras de hormigón también puedan cargar los coches de forma inalámbrica mientras conducen, de forma similar a las plataformas de carga inalámbrica para teléfonos inteligentes. “Este tipo de carreteras autocargables ya existen, pero utilizan bobinas integradas en el sistema de carreteras y conectadas (en su mayoría) a una fuente de energía de la red. La energía de nuestro sistema se obtendría de fuentes de energía limpia y se almacenaría en la estructura del pavimento”.

El equipo también tiene planes de integrar estos supercondensadores en los cimientos de viviendas residenciales. Estiman que una muestra de 45 metros cúbicos de su supercondensador podría contener 10 kilovatios-hora de energía, equivalente a aproximadamente un tercio del consumo diario promedio de electricidad de un hogar estadounidense.

Como siguiente paso, Ulm afirma que el equipo se centra ahora en desarrollar un supercondensador de 12 V utilizando estos materiales. "[Seguiremos] divirtiéndonos... llevando esta tecnología al límite", afirma.

Esta historia se actualizó el 4 de agosto de 2023 para corregir y aclarar varias distinciones entre hormigón y cemento.