Cimento + Negro de Fumo + Água = Supercapacitor

Imagine um supercapacitor feito de materiais comuns e abundantes, como água e negro de fumo. As possibilidades são infinitas.

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Pesquisadores do MIT, liderados pelos professores Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, descobriram que a mistura de cimento, negro de fumo e água em certas proporções resulta em concreto que funciona como um supercapacitor capaz de armazenar energia elétrica. . Em artigo publicado na revista PNAS em 31 de julho de 2023, os pesquisadores escreveram:

“A implementação em larga escala de sistemas de energia renovável exige o desenvolvimento de soluções de armazenamento de energia para gerir eficazmente os desequilíbrios entre a oferta e a procura de energia. Aqui, investigamos uma solução de material escalável para armazenamento de energia em supercapacitores construídos a partir de precursores de materiais prontamente disponíveis que podem ser adquiridos localmente em praticamente qualquer lugar do planeta, nomeadamente cimento, água e negro de fumo.

“A análise de textura revela que as reações de hidratação do cimento na presença de carbono geram uma rede de carbono condutora de elétrons semelhante a fractal que permeia a matriz à base de cimento que suporta carga. A capacidade de armazenamento de energia desta rede de negro de fumo que preenche o espaço da alta área de superfície específica acessível para carregar o armazenamento é mostrada como uma quantidade intensiva, enquanto a capacidade de alta taxa dos eletrodos de cimento-carbono exibe auto-similaridade devido à hidratação porosidade disponível para transporte de carga.

“Esta natureza intensiva e auto-semelhante de armazenamento de energia e capacidade de taxa representa uma oportunidade para escalar massa de eletrodo para escalas estruturais. A disponibilidade, versatilidade e escalabilidade desses supercapacitores de cimento-carbono abrem um horizonte para o projeto de estruturas multifuncionais que aproveitam alta capacidade de armazenamento de energia, capacidades de carga/descarga de alta taxa e resistência estrutural para aplicações residenciais e industriais sustentáveis, desde energia autárquica abrigos e estradas com carregamento automático para veículos elétricos, até armazenamento intermitente de energia para turbinas eólicas e centrais de energia das marés.”

Em uma postagem no blog, o MIT disse que os capacitores são dispositivos muito simples. Eles consistem em 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.

Imagem via PNAS

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.