Una svolta nello stoccaggio dell'energia: nuovi supercondensatori

Secondo un nuovo studio del Massachusetts Institute of Technology (MIT), i due materiali più comuni nella storia umana, cemento e nerofumo (simile al carbone finissimo), potrebbero diventare le materie prime di base per un nuovo stoccaggio energetico a basso costo sistema.

I ricercatori del MIT hanno scoperto che questi due materiali possono combinarsi con l’acqua per creare supercondensatori (sostituti delle batterie), in grado di immagazzinare energia elettrica. Si dice che questa tecnologia possa mantenere la stabilità nella rete energetica nonostante le fluttuazioni nella fornitura di energia rinnovabile, promuovendo così l’uso di energie rinnovabili come l’energia solare, eolica e delle maree.
 

Ad esempio, i ricercatori affermano che i loro supercondensatori potranno infine essere integrati nelle fondamenta di cemento di una casa, dove potranno immagazzinare energia per un’intera giornata a un costo minimo (o nullo) e fornire comunque la resistenza strutturale necessaria per la casa. I ricercatori prevedono inoltre di costruire una strada in cemento che possa consentire la ricarica senza contatto per i veicoli elettrici che circolano su questa strada.

Gli ultimi risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS).

Un condensatore è un dispositivo in linea di principio molto semplice, costituito da due piastre conduttrici immerse nell'elettrolita e separate da una membrana. Quando viene applicata una tensione a un condensatore, gli ioni caricati positivamente dell'elettrolita si accumulano sulla piastra caricata negativamente, mentre le piastre caricate positivamente accumulano ioni caricati negativamente.

A causa della membrana tra le piastre che impedisce la migrazione degli ioni carichi, questa separazione delle cariche crea un campo elettrico tra le piastre e il condensatore si carica. Queste due schede riescono a mantenere questa coppia di cariche per un lungo periodo di tempo per poi fornirle molto velocemente quando necessario. Un supercondensatore è un condensatore in grado di immagazzinare quantità estremamente elevate di carica.
La quantità di elettricità che un condensatore può immagazzinare dipende dalla superficie totale della sua piastra conduttiva. La chiave del nuovo supercondensatore sviluppato dal team risiede in un metodo di produzione di materiali a base di cemento, che hanno una superficie interna estremamente elevata grazie alla loro fitta e interconnessa rete di materiali conduttivi all'interno del loro volume.

Nello specifico, i ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo inserendo nerofumo altamente conduttivo, polvere di cemento e acqua in una miscela di calcestruzzo e permettendole di solidificarsi. Quando l’acqua reagisce con il cemento, forma naturalmente una rete ramificata nella struttura e il carbonio migra in questi spazi, formando una struttura lineare nel cemento indurito.

Queste strutture hanno una struttura biforcuta, con rami più grandi che danno origine a rami più piccoli e così via, formando infine un'area superficiale molto ampia all'interno di un intervallo di volume relativamente piccolo.
Quindi immergere questo materiale in un materiale elettrolitico standard, come il cloruro di potassio (un sale), che fornisce particelle cariche che si accumulano sulla struttura del carbonio. I ricercatori hanno scoperto che due elettrodi realizzati con questo materiale sono separati da un sottile spazio o strato isolante, formando un supercondensatore molto potente.

I ricercatori sottolineano che il cemento e il nerofumo sono due materiali con una storia di almeno duemila anni. "Quando li combini in un modo specifico, ottieni un materiale nanocomposito conduttivo, ed è allora che le cose diventano davvero interessanti. Inoltre, il contenuto di carbonio richiesto è molto piccolo, rappresentando solo il 3% del volume della miscela, che può formare un materiale permeabile rete del carbonio.
I ricercatori affermano che i supercondensatori realizzati con questo materiale hanno un grande potenziale nell’aiutare la transizione mondiale verso le energie rinnovabili. Le principali fonti di energia senza emissioni, come l’energia eolica, l’energia solare e l’energia delle maree, generano tutte la loro produzione in tempi variabili, che spesso non sono coerenti con il picco di utilizzo dell’elettricità. Pertanto, i metodi per immagazzinare l’elettricità sono essenziali.

La domanda di sistemi di accumulo dell’energia su larga scala è molto elevata e le batterie esistenti sono troppo costose e si basano principalmente su materiali come il litio. La fornitura di litio è limitata, quindi c’è urgente bisogno di alternative più economiche. È qui che la nostra tecnologia è molto promettente perché il cemento è ovunque", hanno detto.
Il gruppo di ricerca ha calcolato che un calcestruzzo drogato con nano nero di carbonio delle dimensioni di 45 metri cubi (equivalente a un cubo con un diametro di circa 3,5 metri) avrebbe una capacità sufficiente per immagazzinare circa 10-kilowattora di energia, che è considerato il consumo medio giornaliero di energia elettrica di una famiglia. Grazie alla capacità del calcestruzzo di mantenere la sua resistenza, le case costruite con questo materiale possono immagazzinare l’energia generata dai pannelli solari o dai mulini a vento per un giorno ed essere utilizzata quando necessario. Inoltre, la velocità di carica e scarica dei supercondensatori è molto più rapida di quella delle batterie.
I ricercatori affermano inoltre che l’uso iniziale di questa tecnologia potrebbe essere in case isolate, edifici o rifugi lontani dalla rete elettrica, che potrebbero essere alimentati da pannelli solari collegati a supercondensatori di cemento.
Hanno affermato che il sistema è molto scalabile perché la capacità di accumulo di energia è una funzione diretta del volume dell’elettrodo. Puoi trasformare un elettrodo spesso 1 mm in un elettrodo spesso 1 metro e, così facendo, puoi sostanzialmente espandere la tua capacità di accumulo di energia, dall'accensione di un LED per alcuni secondi alla fornitura di energia all'intera casa.

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