Avanço no armazenamento de energia: novos supercapacitores

De acordo com um novo estudo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), os dois materiais mais comuns na história da humanidade, o cimento e o negro de fumo (semelhante ao carvão muito fino), podem tornar-se as matérias-primas básicas para um novo armazenamento de energia de baixo custo. sistema.

Pesquisadores do MIT descobriram que esses dois materiais podem se combinar com a água para formar supercapacitores (substitutos das baterias), que podem armazenar energia elétrica. Diz-se que esta tecnologia pode manter a estabilidade na rede energética apesar das flutuações no fornecimento de energia renovável, promovendo assim a utilização de energias renováveis, como a solar, a eólica e a energia das marés.
 

Por exemplo, os investigadores dizem que os seus supercapacitores podem, em última análise, ser integrados na fundação de betão de uma casa, onde podem armazenar energia durante um dia inteiro a um custo muito baixo (ou nenhum) e ainda fornecer a resistência estrutural necessária para a casa. Os pesquisadores também prevêem a construção de uma estrada de concreto que possa fornecer carregamento sem contato para veículos elétricos que circulam nessa estrada.

Os últimos resultados da pesquisa foram publicados recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Um capacitor é um dispositivo muito simples em princípio, composto por duas placas condutoras imersas no eletrólito e separadas por uma membrana. Quando uma tensão é aplicada a um capacitor, os íons carregados positivamente do eletrólito se acumulam na placa carregada negativamente, enquanto as placas carregadas positivamente acumulam íons carregados negativamente.

Devido à membrana entre as placas impedir a migração de íons carregados, essa separação de cargas cria um campo elétrico entre as placas e o capacitor fica carregado. Essas duas placas podem manter esse par de cargas por um longo período de tempo e fornecê-las muito rapidamente quando necessário. Um supercapacitor é um capacitor que pode armazenar quantidades extremamente grandes de carga.
A quantidade de eletricidade que um capacitor pode armazenar depende da área total da superfície de sua placa condutora. A chave para o novo supercapacitor desenvolvido pela equipe está em um método de produção de materiais à base de cimento, que possuem área superficial interna extremamente elevada devido à sua rede de materiais condutores densa e interconectada dentro de seu volume.

Especificamente, os pesquisadores alcançaram esse objetivo colocando negro de fumo altamente condutivo, pó de cimento e água em uma mistura de concreto e permitindo que ela solidificasse. Quando a água reage com o cimento, forma naturalmente uma rede ramificada na estrutura, e o carbono migra para esses espaços, formando uma estrutura linear no cimento endurecido.

Estas estruturas têm uma estrutura bifurcada, com ramos maiores dando origem a ramos mais pequenos, e assim por diante, formando em última análise uma área de superfície muito grande dentro de uma gama de volumes relativamente pequena.
Em seguida, mergulhe esse material em um eletrólito padrão, como o cloreto de potássio (um sal), que fornece partículas carregadas que se acumulam na estrutura de carbono. Os pesquisadores descobriram que dois eletrodos feitos deste material são separados por um fino espaço ou camada de isolamento, formando um supercapacitor muito poderoso.

Os pesquisadores destacam que o cimento e o negro de fumo são dois materiais com história de pelo menos dois mil anos. "Quando você os combina de uma maneira específica, você obtém um material nanocompósito condutor, que é quando as coisas se tornam realmente interessantes. Além disso, o teor de carbono necessário é muito pequeno, representando apenas 3% do volume da mistura, que pode formar um permeável rede de carbono.
Os pesquisadores dizem que os supercapacitores feitos deste material têm um grande potencial para ajudar a transição mundial para as energias renováveis. As principais fontes de energia sem emissões, como a energia eólica, a energia solar e a energia das marés, geram a sua produção em momentos variáveis, que são muitas vezes inconsistentes com o pico de utilização de eletricidade. Portanto, métodos de armazenamento de eletricidade são essenciais.

A procura de sistemas de armazenamento de energia em grande escala é muito elevada e as baterias existentes são demasiado caras e dependem principalmente de materiais como o lítio. O fornecimento de lítio é limitado, pelo que existe uma necessidade urgente de alternativas mais baratas. É aqui que a nossa tecnologia é muito promissora porque o cimento está em todo o lado”, afirmaram.
A equipe de pesquisa calculou que um concreto dopado com nano negro de fumo de 45 metros cúbicos (equivalente a um cubo com diâmetro de aproximadamente 3,5 metros) teria capacidade suficiente para armazenar aproximadamente 10-quilowatts-hora de energia, o que é considerado o consumo médio diário de eletricidade de uma residência. Devido à capacidade do concreto de manter sua resistência, as casas construídas com esse material podem armazenar a energia gerada por painéis solares ou moinhos de vento por um dia e ser utilizada quando necessário. Além disso, a velocidade de carga e descarga dos supercapacitores é muito mais rápida que a das baterias.
Os pesquisadores afirmam ainda que o uso inicial dessa tecnologia pode ser em casas isoladas, edifícios ou abrigos distantes da rede elétrica, que podem ser alimentados por painéis solares conectados a supercapacitores de cimento.
Eles disseram que o sistema é muito escalável porque a capacidade de armazenamento de energia é função direta do volume do eletrodo. Você pode transformar um eletrodo de 1 mm de espessura em um eletrodo de 1 m de espessura e, ao fazer isso, basicamente pode expandir sua capacidade de armazenamento de energia, desde acender um LED por alguns segundos até fornecer energia para toda a casa.

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