Engenheiros do MIT criam energia

Nov 08, 2023

CAMBRIDGE, Massachusetts - Dois dos materiais históricos mais onipresentes da humanidade, o cimento e o 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 poderia facilitar a utilização de fontes de energia renováveis, como a energia solar, eólica e das marés, permitindo que as redes de energia permanecessem estáveis ​​apesar das flutuações no fornecimento de energia renovável.

Os dois materiais, descobriram os pesquisadores, podem ser combinados com água para formar um supercapacitor – uma alternativa às baterias – que poderia fornecer armazenamento de energia elétrica. Por 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 resistência estrutural necessária. Os pesquisadores também imaginam uma estrada de concreto que poderia fornecer recarga sem contato para carros elétricos enquanto eles viajam por essa estrada.

A tecnologia simples, mas inovadora, é descrita em um artigo a ser publicado na revista PNAS, em um artigo dos professores do MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, e quatro outros do MIT e do 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 tensão é aplicada ao capacitor, os 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 a migração de íons carregados, 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 muito tempo e depois liberá-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 superficial total 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. Os pesquisadores conseguiram isso introduzindo negro de fumo – que é altamente condutivo – 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 formar estruturas semelhantes a fios dentro do cimento endurecido. Estas estruturas têm uma estrutura semelhante a um fractal, com ramos maiores a brotar ramos mais pequenos, e aqueles a brotar ramos ainda mais pequenos, 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 eletrólito 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 como os dois pólos de uma bateria recarregável de voltagem equivalente: quando conectada a uma fonte de eletricidade, como acontece com uma bateria, a energia é armazenada nas placas e, quando conectada a uma carga, a energia elétrica é armazenada nas placas. a corrente flui de volta para fornecer energia.

“O material é fascinante”, diz Masic, “porque você tem o material artificial mais usado no mundo, o cimento, que é combinado com negro de fumo, que é um material histórico bem conhecido – os Manuscritos do Mar Morto foram escritos com ele. ... Você tem esses materiais com 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."