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Dois dos materiais históricos mais onipresentes da humanidade, cimento e negro de fumo (que se assemelha a carvão muito fino), podem formar a base para um novo sistema de armazenamento de energia de baixo custo, de acordo com um novo estudo. A tecnologia pode facilitar o uso de fontes de energia renováveis, como energia solar, eólica e das marés, permitindo que as redes de energia permaneçam estáveis, apesar das flutuações no fornecimento de energia renovável.
Os dois materiais, descobriram os pesquisadores, podem ser combinados com água para fazer um supercapacitor – uma alternativa às baterias – que pode fornecer armazenamento de energia elétrica. Como exemplo, os pesquisadores do MIT que desenvolveram o sistema dizem que seu supercapacitor poderia eventualmente ser incorporado à fundação de concreto de uma casa, onde poderia armazenar energia para um dia inteiro, acrescentando pouco (ou nenhum) ao custo da fundação. e ainda fornecendo a força estrutural necessária. Os pesquisadores também imaginam uma estrada de concreto que poderia fornecer recarga sem contato para carros elétricos enquanto eles trafegam por essa estrada.
A tecnologia simples, mas inovadora, é descrita em um artigo a ser publicado na revista PNASem um artigo dos professores do MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, e quatro outros no MIT e no Wyss Institute.
Os capacitores são, em princípio, dispositivos muito simples, constituídos por duas placas eletricamente condutoras imersas em um eletrólito e separadas por uma membrana. Quando uma voltagem é aplicada através do capacitor, íons carregados positivamente do eletrólito se acumulam na placa carregada negativamente, enquanto a placa carregada positivamente acumula íons carregados negativamente. Como a membrana entre as placas impede que os íons carregados migrem, essa separação de cargas cria um campo elétrico entre as placas e o capacitor fica carregado. As duas placas podem manter esse par de cargas por um longo tempo e depois entregá-las muito rapidamente quando necessário. Supercapacitores são simplesmente capacitores que podem armazenar cargas excepcionalmente grandes.
A quantidade de energia que um capacitor pode armazenar depende da área total da superfície de suas placas condutoras. A chave para os novos supercapacitores desenvolvidos por esta equipe vem de um método de produção de um material à base de cimento com uma área de superfície interna extremamente alta devido a uma rede densa e interconectada de material condutor dentro de seu volume a granel. Os pesquisadores conseguiram isso introduzindo negro de fumo – que é altamente condutor – em uma mistura de concreto junto com pó de cimento e água, e deixando-o curar. A água forma naturalmente uma rede ramificada de aberturas dentro da estrutura à medida que reage com o cimento, e o carbono migra para esses espaços para criar estruturas semelhantes a fios dentro do cimento endurecido. Essas estruturas têm uma estrutura semelhante a um fractal, com galhos maiores brotando de galhos menores, e aqueles brotando de galhos ainda menores, e assim por diante, terminando com uma área de superfície extremamente grande dentro dos limites de um volume relativamente pequeno. O material é então embebido em um material eletrolítico padrão, como o cloreto de potássio, uma espécie de sal, que fornece as partículas carregadas que se acumulam nas estruturas de carbono. Dois eletrodos feitos desse material, separados por um espaço fino ou uma camada isolante, formam um supercapacitor muito poderoso, descobriram os pesquisadores.
As duas placas do capacitor funcionam exatamente como os dois pólos de uma bateria recarregável de tensão equivalente: quando conectado a uma fonte de eletricidade, como acontece com uma bateria, a energia é armazenada nas placas e, quando conectado a uma carga, o circuito elétrico a corrente flui de volta para fornecer energia.
“O material é fascinante”, diz Masic, “porque você tem o material feito pelo homem mais usado no mundo, cimento, que é combinado com negro de fumo, que é um material histórico bem conhecido – os Manuscritos do Mar Morto foram escrito com ele. Você tem esses materiais de pelo menos dois milênios de idade que, quando combinados de uma maneira específica, resultam em um nanocompósito condutor, e é aí que as coisas ficam realmente interessantes.”
À medida que a mistura endurece e cura, diz ele, “a água é sistematicamente consumida por meio das reações de hidratação do cimento, e essa hidratação afeta fundamentalmente as nanopartículas de carbono porque são hidrofóbicas (repelentes à água)”. À medida que a mistura evolui, “o negro de fumo se automonta em um fio condutor conectado”, diz ele. O processo é facilmente reproduzível, com materiais baratos e prontamente disponíveis em qualquer lugar do mundo. E a quantidade de carbono necessária é muito pequena – apenas 3% em volume da mistura – para alcançar uma rede de carbono percolado, diz Masic.
Supercapacitores feitos deste material têm grande potencial para ajudar na transição mundial para energia renovável, diz Ulm. As principais fontes de energia livre de emissões, energia eólica, solar e das marés, produzem sua produção em horários variáveis que muitas vezes não correspondem aos picos de uso de eletricidade, portanto, formas de armazenar essa energia são essenciais. “Há uma enorme necessidade de grande armazenamento de energia”, diz ele, e as baterias existentes são muito caras e dependem principalmente de materiais como o lítio, cujo suprimento é limitado, de modo que alternativas mais baratas são extremamente necessárias. “É aí que nossa tecnologia é extremamente promissora, porque o cimento é onipresente”, diz Ulm.
A equipe calculou que um bloco de concreto dopado com nanocarbono com 45 metros cúbicos (ou jardas) de tamanho – equivalente a um cubo de cerca de 3,5 metros de diâmetro – teria capacidade suficiente para armazenar cerca de 10 quilowatts-hora de energia, que é considerado o consumo médio diário de eletricidade para uma residência. Como o concreto manteria sua resistência, uma casa com uma fundação feita desse material poderia armazenar um dia de energia produzida por painéis solares ou moinhos de vento e permitir que ela fosse usada sempre que fosse necessária. E os supercapacitores podem ser carregados e descarregados muito mais rapidamente do que as baterias.
Depois de uma série de testes usados para determinar as proporções mais eficazes de cimento, negro de fumo e água, a equipe demonstrou o processo fazendo pequenos supercapacitores, do tamanho de algumas baterias tipo botão, com cerca de 1 centímetro de diâmetro e 1 milímetro de espessura, que poderiam ser carregadas a 1 volt, comparável a uma bateria de 1 volt. Eles então conectaram três deles para demonstrar sua capacidade de acender um diodo emissor de luz (LED) de 3 volts. Tendo provado o princípio, eles agora planejam construir uma série de versões maiores, começando com aquelas do tamanho de uma bateria típica de carro de 12 volts, depois trabalhando até uma versão de 45 metros cúbicos para demonstrar sua capacidade de armazenar uma casa. -valor de poder.
Existe uma compensação entre a capacidade de armazenamento do material e sua resistência estrutural, eles descobriram. Ao adicionar mais negro de fumo, o supercapacitor resultante pode armazenar mais energia, mas o concreto é um pouco mais fraco, e isso pode ser útil para aplicações onde o concreto não desempenha um papel estrutural ou onde o potencial de resistência total do concreto não é necessário. Para aplicações como uma fundação ou elementos estruturais da base de uma turbina eólica, o “ponto ideal” é cerca de 10% de negro de fumo na mistura, descobriram eles.
Outra aplicação potencial para supercapacitores de cimento de carbono é a construção de estradas de concreto que podem armazenar energia produzida por painéis solares ao longo da estrada e, em seguida, fornecer essa energia para veículos elétricos que trafegam ao longo da estrada usando o mesmo tipo de tecnologia usada para telefones recarregáveis sem fio. Um tipo semelhante de sistema de recarga de carros já está sendo desenvolvido por empresas na Alemanha e na Holanda, mas usando baterias padrão para armazenamento.
Os usos iniciais da tecnologia podem ser para casas ou edifícios isolados ou abrigos longe da rede elétrica, que podem ser alimentados por painéis solares conectados aos supercapacitores de cimento, dizem os pesquisadores.
Ulm diz que o sistema é muito escalável, pois a capacidade de armazenamento de energia é uma função direta do volume dos eletrodos. “Você pode ir de eletrodos de 1 milímetro de espessura para eletrodos de 1 metro de espessura e, ao fazer isso, basicamente, pode escalar a capacidade de armazenamento de energia, desde acender um LED por alguns segundos até alimentar uma casa inteira”, diz ele.
Dependendo das propriedades desejadas para uma determinada aplicação, o sistema pode ser ajustado ajustando a mistura. Para uma estrada de carregamento de veículos, seriam necessárias taxas de carregamento e descarregamento muito rápidas, enquanto para abastecer uma casa “você tem o dia inteiro para carregá-lo”, de modo que o material de carregamento mais lento poderia ser usado, diz Ulm.
“Então, é realmente um material multifuncional”, acrescenta. Além de sua capacidade de armazenar energia na forma de supercapacitores, o mesmo tipo de mistura de concreto pode ser usado como sistema de aquecimento, simplesmente aplicando eletricidade ao concreto com carbono.
Ulm vê isso como “uma nova maneira de olhar para o futuro do concreto como parte da transição energética”.
A equipe de pesquisa também incluiu os pós-doutorandos Nicolas Chanut e Damian Stefaniuk no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, James Weaver no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada Biologicamente e Yunguang Zhu no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. O trabalho foi apoiado pelo MIT Concrete Sustainability Hub, com patrocínio da Concrete Advancement Foundation.
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