Avance en almacenamiento de energía: nuevos supercondensadores

Según un nuevo estudio del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), los dos materiales más comunes en la historia de la humanidad, el cemento y el negro de humo (similar al carbón muy fino), pueden convertirse en las materias primas básicas para un nuevo almacenamiento de energía de bajo coste. sistema.

Los investigadores del MIT han descubierto que estos dos materiales pueden combinarse con agua para formar supercondensadores (sustitutos de las baterías), que pueden almacenar energía eléctrica. Se dice que esta tecnología puede mantener la estabilidad en la red energética a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable, promoviendo así el uso de energías renovables como la solar, la eólica y las mareas.
 

Por ejemplo, los investigadores afirman que sus supercondensadores pueden, en última instancia, integrarse en los cimientos de hormigón de una casa, donde pueden almacenar energía durante un día entero a un coste muy bajo (o nulo) y seguir proporcionando la resistencia estructural necesaria para la casa. Los investigadores también prevén construir una carretera de hormigón que pueda proporcionar carga sin contacto a los vehículos eléctricos que circulan por ella.

Los últimos resultados de la investigación se publicaron recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Un condensador es, en principio, un dispositivo muy simple, que consta de dos placas conductoras sumergidas en el electrolito y separadas por una membrana. Cuando se aplica voltaje a un capacitor, los iones cargados positivamente del electrolito se acumulan en la placa cargada negativamente, mientras que las placas cargadas positivamente acumulan iones cargados negativamente.

Debido a que la membrana entre las placas impide la migración de iones cargados, esta separación de cargas crea un campo eléctrico entre las placas y el condensador se carga. Estas dos placas pueden mantener este par de cargas durante un largo período de tiempo y luego proporcionarlas muy rápidamente cuando sea necesario. Un supercondensador es un condensador que puede almacenar cantidades extremadamente grandes de carga.
La cantidad de electricidad que puede almacenar un condensador depende de la superficie total de su placa conductora. La clave del nuevo supercondensador desarrollado por el equipo radica en un método para producir materiales a base de cemento, que tienen una superficie interna extremadamente alta debido a su densa red de materiales conductores interconectados dentro de su volumen.

Específicamente, los investigadores lograron este objetivo colocando negro de carbón altamente conductor, polvo de cemento y agua en una mezcla de concreto y dejándola solidificar. Cuando el agua reacciona con el cemento, forma naturalmente una red ramificada en la estructura y el carbono migra a estos espacios, formando una estructura lineal en el cemento endurecido.

Estas estructuras tienen una estructura bifurcada, con ramas más grandes que dan lugar a ramas más pequeñas, y así sucesivamente, formando en última instancia una superficie muy grande dentro de un rango de volumen relativamente pequeño.
Luego sumerja este material en un material electrolítico estándar, como cloruro de potasio (una sal), que proporciona partículas cargadas que se acumulan en la estructura de carbono. Los investigadores han descubierto que dos electrodos fabricados con este material están separados por un fino espacio o capa aislante, formando un supercondensador muy potente.

Los investigadores señalan que el cemento y el negro de humo son dos materiales con una historia de al menos dos mil años. "Cuando los combinas de una manera específica, obtienes un material nanocompuesto conductor, que es cuando las cosas se vuelven realmente interesantes. Además, el contenido de carbono requerido es muy pequeño, representa sólo el 3 por ciento del volumen de la mezcla, lo que puede formar una permeable red de carbono.
Los investigadores dicen que los supercondensadores hechos de este material tienen un gran potencial para ayudar al mundo en la transición hacia las energías renovables. Las principales fuentes de energía sin emisiones, como la energía eólica, la energía solar y la energía mareomotriz, generan su producción en momentos variables, que a menudo son inconsistentes con el pico de uso de electricidad. Por tanto, los métodos de almacenamiento de electricidad son esenciales.

La demanda de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala es muy alta y las baterías existentes son demasiado caras y dependen principalmente de materiales como el litio. La oferta de litio es limitada, por lo que existe una necesidad urgente de alternativas más baratas. Aquí es donde nuestra tecnología es muy prometedora porque el cemento está en todas partes”, dijeron.
El equipo de investigación calculó que un hormigón dopado con nanocarbono de 45 metros cúbicos (equivalente a un cubo con un diámetro de aproximadamente 3,5 metros) tendría capacidad suficiente para almacenar aproximadamente 10-kilovatios hora de energía, lo que se considera la Consumo medio diario de electricidad de un hogar. Debido a la capacidad del hormigón para mantener su resistencia, las casas construidas con este material pueden almacenar la energía generada por paneles solares o molinos de viento durante un día y utilizarla cuando sea necesario. Además, la velocidad de carga y descarga de los supercondensadores es mucho más rápida que la de las baterías.
Los investigadores también dicen que el uso inicial de esta tecnología puede ser en casas, edificios o refugios aislados y alejados de la red eléctrica, que pueden funcionar con paneles solares conectados a supercondensadores de cemento.
Dijeron que el sistema es muy escalable porque la capacidad de almacenamiento de energía es función directa del volumen del electrodo. Puedes convertir un electrodo de 1 mm de grosor en un electrodo de 1 m de grosor y, al hacerlo, básicamente puedes ampliar tu capacidad de almacenamiento de energía, desde encender un LED durante unos segundos hasta suministrar energía a toda la casa.

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