Cemento + Nerofumo + Acqua = Supercondensatore

Immagina un supercondensatore realizzato con materiali comuni e abbondanti come acqua e nerofumo. Le possibilità sono infinite.

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I ricercatori del MIT, guidati dai professori Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, hanno scoperto che mescolando cemento, nerofumo e acqua in determinate proporzioni si ottiene un calcestruzzo che funge anche da supercondensatore in grado di immagazzinare energia elettrica. . In un articolo pubblicato sulla rivista PNAS il 31 luglio 2023, i ricercatori hanno scritto:

“L’implementazione su larga scala di sistemi di energia rinnovabile richiede lo sviluppo di soluzioni di stoccaggio dell’energia per gestire efficacemente gli squilibri tra domanda e offerta di energia. Qui, indaghiamo una soluzione materiale così scalabile per lo stoccaggio di energia in supercondensatori costruiti con precursori di materiali facilmente disponibili che possono essere reperiti localmente praticamente da qualsiasi parte del pianeta, vale a dire cemento, acqua e nerofumo.

“L’analisi della struttura rivela che le reazioni di idratazione del cemento in presenza di carbonio generano una rete di carbonio conduttore di elettroni simile a un frattale che permea la matrice portante a base di cemento. La capacità di accumulo di energia di questa rete di nerofumo che riempie lo spazio dell'elevata superficie specifica accessibile all'accumulo di carica si è rivelata una quantità intensiva, mentre la capacità ad alta velocità degli elettrodi di carbonio-cemento mostra un'autosimilarità a causa dell'idratazione porosità disponibile per il trasporto di carica.

“Questa natura intensiva e autosimilare dell’accumulo di energia e della capacità di velocità rappresenta un’opportunità per il ridimensionamento della massa dall’elettrodo alle scale strutturali. La disponibilità, versatilità e scalabilità di questi supercondensatori carbonio-cemento apre un orizzonte per la progettazione di strutture multifunzionali che sfruttano l'elevata capacità di accumulo di energia, capacità di carica/scarica ad alta velocità e resistenza strutturale per applicazioni residenziali e industriali sostenibili che vanno dall'energia autarchica rifugi e strade di ricarica automatica per veicoli elettrici, allo stoccaggio intermittente di energia per turbine eoliche e centrali maremotrici”.

In un post sul blog, il MIT ha affermato che i condensatori sono dispositivi molto semplici. Sono costituiti da due piastre elettricamente conduttrici immerse in un elettrolita e separate da una membrana. Quando viene applicata una tensione ai capi del condensatore, gli ioni caricati positivamente dell'elettrolita si accumulano sulla piastra caricata negativamente, mentre la piastra caricata positivamente accumula ioni caricati negativamente.

Poiché la membrana tra le piastre impedisce agli ioni carichi di migrare attraverso, questa separazione delle cariche crea un campo elettrico tra le piastre e il condensatore si carica. Le due piastre riescono a mantenere questa coppia di cariche per lungo tempo per poi erogarle molto velocemente quando necessario. I supercondensatori sono semplicemente condensatori in grado di immagazzinare cariche eccezionalmente grandi.

La quantità di energia che un condensatore può immagazzinare dipende dalla superficie totale delle sue piastre conduttrici. La chiave per i nuovi supercondensatori sviluppati da questo team deriva da un metodo di produzione di un materiale a base di cemento con un’area superficiale interna estremamente elevata grazie a una fitta rete interconnessa di materiale conduttivo all’interno del suo volume complessivo.

Immagine tramite PNAS

I ricercatori hanno ottenuto questo risultato introducendo nerofumo – che è altamente conduttivo – in una miscela di calcestruzzo insieme a polvere di cemento e acqua, quindi lasciandolo indurire. L'acqua forma naturalmente una rete ramificata di aperture all'interno della struttura mentre reagisce con il cemento, e il carbonio migra in questi spazi per creare strutture simili a fili all'interno del cemento indurito. Queste strutture hanno una struttura simile a un frattale, con i rami più grandi che danno origine a rami più piccoli, e quelli che danno origine a ramoscelli ancora più piccoli, e così via, finendo con una superficie estremamente ampia entro i confini di un volume relativamente piccolo.

Il materiale viene quindi immerso in un materiale elettrolitico standard, come il cloruro di potassio – una sorta di sale – che fornisce le particelle cariche che si accumulano sulle strutture di carbonio. Due elettrodi realizzati con questo materiale, separati da uno spazio sottile o da uno strato isolante, formano un supercondensatore molto potente, hanno scoperto i ricercatori.