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Aug 25, 2023

Questo supercondensatore è realizzato in cemento

Mentre il mondo continua a cercare di abbandonare i combustibili fossili, i ricercatori sono alla ricerca di nuovi modi per immagazzinare l’energia prodotta da fonti più verdi come i pannelli solari. Come parte di questo sforzo, un team di

Mentre il mondo continua a cercare di abbandonare i combustibili fossili, i ricercatori sono alla ricerca di nuovi modi per immagazzinare l’energia prodotta da fonti più verdi come i pannelli solari. Come parte di questo sforzo, un team di ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e del MIT ha sviluppato un supercondensatore utilizzando solo cemento, acqua e una forma di carbonio chiamata nerofumo.

L’energia prodotta da fonti rinnovabili spesso necessita di essere immagazzinata per una giornata piovosa. Ma le batterie non sono sempre la soluzione migliore. Richiedono tempo per caricarsi e per costruirli sono necessari materiali difficili da reperire come il litio, che possono essere costosi e dannosi per l’ambiente.

Franz-Josef Ulm, professore di ingegneria civile e ambientale al MIT, e i suoi colleghi erano interessati allo sviluppo di supercondensatori con materiali facilmente disponibili, come il cemento, non solo per colmare una lacuna lasciata dalla tecnologia delle batterie, ma anche per affrontare un altro problema ambientale: il calcestruzzo. impronta ecologica. Il loro lavoro è stato pubblicato il 31 luglio sulla rivista PNAS.

“Un [problema motivante] è l’enorme impronta ambientale della produzione mondiale di cemento e calcestruzzo, che ammonta a circa l’8% delle emissioni mondiali di CO2”, afferma Ulm, autore senior del nuovo articolo. “Possiamo utilizzare questa soluzione di stoccaggio dell’energia per supportare la transizione urgentemente necessaria dai combustibili fossili alle energie rinnovabili: mattone dopo mattone, muro dopo muro, strada dopo strada”.

Il team ha cercato di riscattare l'immagine del cemento utilizzandolo come base per gli elettrodi del supercondensatore. A differenza delle batterie, che utilizzano reazioni chimiche per trattenere e scaricare l’elettricità, i supercondensatori funzionano creando una differenza di carica tra due piastre conduttrici. Questa carica può essere mantenuta a lungo e scaricata rapidamente quando necessario.

Per costruire il supercondensatore, il team ha mescolato una pasta fatta di cemento e acqua, quindi ha introdotto una piccola quantità di nerofumo, una forma di carbonio fine, simile al carbone, utilizzata come pigmento e materiale per scrivere per migliaia di anni. . Ad esempio, il nerofumo fu utilizzato per scrivere i Rotoli del Mar Morto nel III secolo a.C. Storia a parte, il nerofumo è anche un materiale altamente conduttivo.

Questo nuovo supercondensatore può essere facilmente ridimensionato grazie alla sua ampia superficie interna di materiale conduttivo creato utilizzando nerofumo. Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn/MIT

Man mano che la miscela di cemento si induriva, l'acqua veniva assorbita e lasciava dietro di sé una rete ramificata di tunnel riempiti dal nerofumo. Il risultato finale è che la pasta di cemento viene riempita con un'ampia superficie di tunnel conduttivi simili a fili, senza espandere il volume complessivo dell'elettrodo.

Ulm afferma che la reazione del nerofumo nell’elettrodo è una scoperta cruciale perché potrebbe rendere molto più semplice il dimensionamento di questo supercondensatore.

“Quello che abbiamo scoperto è che la massima capacità di accumulo di energia dipende solo dalla superficie specifica del nerofumo”, afferma Ulm. “Poiché questo nero di carbonio riempie lo spazio, grazie alla magia della chimica, possiamo semplicemente aumentare il volume per creare soluzioni energetiche di massa su larga scala”.

Il team ha completato il supercondensatore immergendo due elettrodi in una soluzione elettrolitica per fornire particelle cariche al sistema. Nelle loro prove, hanno fabbricato condensatori delle dimensioni di un bottone in grado di sostenere 1 volt di carica e hanno determinato che il condensatore era in grado di mantenere la sua capacità di stoccaggio con una perdita minima su 10.000 cicli di carica-scarica. Tre dei supercondensatori da 1 V sono stati anche in grado di caricare un LED da 3 V.

Il team ha anche sviluppato condensatori delle dimensioni di un bottone con diversi rapporti tra cemento e nerofumo, ma ha scoperto che, sebbene l'aggiunta di più nerofumo (oltre il 10% in volume) alla miscela ne aumentasse la capacità di stoccaggio, ciò andava a scapito dell'integrità strutturale del cemento. E per i casi d’uso che Ulm e colleghi hanno in mente, la resistenza strutturale del cemento è essenziale.

Il cemento è già utilizzato per costruire strade, quindi il team vede un'opportunità per strade in cemento che potrebbero anche caricare in modalità wireless le auto mentre guidano, in modo simile ai pad di ricarica wireless per gli smartphone. “Strade di questo tipo esistono già, ma utilizzano bobine integrate nel sistema stradale e collegate (per lo più) a una fonte di energia della rete. L’energia nel nostro sistema verrebbe raccolta da fonti energetiche pulite e immagazzinata nella struttura della pavimentazione”.