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Aug 25, 2023

Este supercapacitor é feito de cimento

À medida que o mundo continua a tentar afastar-se dos combustíveis fósseis, os investigadores procuram novas formas de armazenar energia produzida a partir de fontes mais verdes, como os painéis solares. Como parte desse esforço, uma equipe de

À medida que o mundo continua a tentar afastar-se dos combustíveis fósseis, os investigadores procuram novas formas de armazenar energia produzida a partir de fontes mais verdes, como os painéis solares. Como parte desse esforço, uma equipe de pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada de Harvard e do MIT desenvolveram um supercapacitor usando apenas cimento, água e uma forma de carbono chamada negro de fumo.

A energia produzida a partir de fontes renováveis ​​muitas vezes precisa ser armazenada para dias chuvosos. Mas as baterias nem sempre são a melhor opção. Eles levam tempo para carregar e construí-los requer materiais de difícil obtenção, como o lítio, que pode ser caro e prejudicial ao meio ambiente.

Franz-Josef Ulm, professor de engenharia civil e ambiental no MIT, e seus colegas estavam interessados ​​em desenvolver supercapacitores com materiais prontamente disponíveis, como o cimento, não apenas para preencher uma lacuna deixada pela tecnologia das baterias, mas também para resolver outra questão ambiental: o concreto. pegada de carbono. O seu trabalho foi publicado em 31 de julho na revista PNAS.

“Uma [questão motivadora] é a enorme pegada ambiental da produção mundial de cimento e concreto, que representa cerca de 8% das emissões mundiais de CO2”, diz Ulm, autor sênior do novo artigo. “Podemos utilizar esta solução de armazenamento de energia para apoiar a transição urgentemente necessária dos combustíveis fósseis para as energias renováveis ​​– tijolo a tijolo, parede a parede, estrada a estrada.”

A equipe procurou resgatar a imagem do cimento usando-o como base para os eletrodos do supercapacitor. Ao contrário das baterias, que utilizam reações químicas para reter e descarregar eletricidade, os supercapacitores funcionam criando uma diferença de carga entre duas placas condutoras. Essa carga pode ser mantida por muito tempo e descarregada rapidamente quando necessário.

Para construir seu supercapacitor, a equipe misturou uma pasta feita de cimento e água e, em seguida, introduziu uma pequena quantidade de negro de fumo – uma forma de carbono fina, semelhante a carvão, que tem sido usada como pigmento e material de escrita há milhares de anos. . Por exemplo, o negro de fumo foi usado para escrever os Manuscritos do Mar Morto no século III aC. Deixando a história de lado, o negro de fumo também é um material altamente condutor.

Este novo supercapacitor pode ser facilmente dimensionado graças à sua grande área de superfície interna de material condutor criada pelo uso de negro de fumo.Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn/MIT

À medida que a mistura de cimento curava, a água era absorvida e deixava para trás uma rede ramificada de túneis que o negro de fumo preenchia. O resultado final é que a pasta de cimento é preenchida com uma grande área superficial de túneis condutores semelhantes a fios, sem expandir o volume total do eletrodo.

Ulm diz que a reação do negro de fumo no eletrodo é uma descoberta crucial porque poderia tornar o dimensionamento deste supercapacitor muito mais simples.

“O que descobrimos é que a capacidade máxima de armazenamento de energia depende apenas da superfície específica do negro de fumo”, diz Ulm. “Como esse negro de fumo preenche o espaço – graças à magia da química! – podemos simplesmente aumentar o volume para criar soluções energéticas em larga escala.”

A equipe completou o supercapacitor mergulhando dois eletrodos em uma solução eletrolítica para fornecer partículas carregadas ao sistema. Em seus testes, eles fabricaram capacitores do tamanho de um botão capazes de reter 1 volt de carga e determinaram que o capacitor era capaz de manter sua capacidade de armazenamento com perda mínima em 10.000 ciclos de carga-descarga. Três dos supercapacitores de 1 V também foram capazes de carregar um LED de 3 V.

A equipe também desenvolveu capacitores do tamanho de um botão com diferentes proporções de cimento para negro de fumo, mas descobriu que, embora a adição de mais negro de fumo (acima de 10% em volume) à mistura aumentasse sua capacidade de armazenamento, isso prejudicava a integridade estrutural do cimento. E para os casos de utilização que Ulm e colegas têm em mente, a resistência estrutural do cimento é essencial.

O concreto já é usado para construir estradas e, portanto, a equipe vê uma oportunidade para estradas de concreto que também poderiam carregar carros sem fio enquanto eles dirigem, semelhante a bases de carregamento sem fio para smartphones. “Essas estradas com carregamento automático já existem, mas utilizam bobinas incorporadas no sistema rodoviário e conectadas (principalmente) a uma fonte de energia da rede. A energia em nosso sistema seria colhida de fontes de energia limpa e armazenada na estrutura do pavimento.”