Ciment + Noir de Carbone + Eau = Supercondensateur

Imaginez un supercondensateur fabriqué à partir de matériaux ordinaires et abondants comme l'eau et le noir de carbone. Les possibilités sont infinies.

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Des chercheurs du MIT, dirigés par les professeurs Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn, ont découvert que le mélange de ciment, de noir de carbone et d'eau dans certaines proportions donne un béton qui fait également office de supercondensateur capable de stocker de l'énergie électrique. . Dans un article publié dans la revue PNAS le 31 juillet 2023, les chercheurs ont écrit :

« La mise en œuvre à grande échelle de systèmes d’énergies renouvelables nécessite le développement de solutions de stockage d’énergie pour gérer efficacement les déséquilibres entre l’offre et la demande d’énergie. Nous étudions ici une telle solution matérielle évolutive pour le stockage d’énergie dans des supercondensateurs construits à partir de précurseurs de matériaux facilement disponibles pouvant provenir de pratiquement n’importe où sur la planète, à savoir le ciment, l’eau et le noir de carbone.

« L’analyse de la texture révèle que les réactions d’hydratation du ciment en présence de carbone génèrent un réseau de carbone conducteur d’électrons de type fractal qui imprègne la matrice porteuse à base de ciment. La capacité de stockage d'énergie de ce réseau de noir de carbone remplissant l'espace de la surface spécifique élevée accessible au stockage de charges s'avère être une quantité intensive, tandis que la capacité à haut débit des électrodes de carbone-ciment présente une auto-similarité en raison de l'hydratation. porosité disponible pour le transport de charges.

« Cette nature intensive et auto-similaire du stockage d’énergie et de la capacité de débit représente une opportunité de mise à l’échelle de masse des échelles d’électrode aux échelles structurelles. La disponibilité, la polyvalence et l'évolutivité de ces supercondensateurs carbone-ciment ouvrent un horizon pour la conception de structures multifonctionnelles qui exploitent une capacité de stockage d'énergie élevée, des capacités de charge/décharge à haut débit et une résistance structurelle pour des applications résidentielles et industrielles durables allant de l'autarcie énergétique. des abris et des routes d'autochargement pour les véhicules électriques, au stockage d'énergie intermittent pour les éoliennes et les centrales marémotrices.

Dans un article de blog, le MIT a déclaré que les condensateurs sont des appareils très simples. Ils sont constitués de deux plaques électriquement conductrices immergées dans un électrolyte et séparées par une membrane. Lorsqu'une tension est appliquée aux bornes du condensateur, les ions chargés positivement de l'électrolyte s'accumulent sur la plaque chargée négativement, tandis que la plaque chargée positivement accumule les ions chargés négativement.

Étant donné que la membrane située entre les plaques empêche les ions chargés de migrer, cette séparation des charges crée un champ électrique entre les plaques et le condensateur se charge. Les deux plaques peuvent maintenir longtemps cette paire de charges puis les délivrer très rapidement en cas de besoin. Les supercondensateurs sont simplement des condensateurs capables de stocker des charges exceptionnellement importantes.

La quantité d’énergie qu’un condensateur peut stocker dépend de la surface totale de ses plaques conductrices. La clé des nouveaux supercondensateurs développés par cette équipe réside dans une méthode de production d’un matériau à base de ciment présentant une surface interne extrêmement élevée en raison d’un réseau dense et interconnecté de matériau conducteur au sein de son volume global.

Image via PNAS

Les chercheurs y sont parvenus en introduisant du noir de carbone – qui est hautement conducteur – dans un mélange de béton avec de la poudre de ciment et de l'eau, puis en le laissant durcir. L'eau forme naturellement un réseau d'ouvertures ramifiées au sein de la structure lorsqu'elle réagit avec le ciment, et le carbone migre dans ces espaces pour former des structures en forme de fil dans le ciment durci. Ces structures ont une structure de type fractal, avec des branches plus grandes donnant des branches plus petites, et celles donnant des rameaux encore plus petits, et ainsi de suite, se retrouvant avec une surface extrêmement grande dans les limites d'un volume relativement petit.

Le matériau est ensuite trempé dans un électrolyte standard, tel que du chlorure de potassium – une sorte de sel – qui fournit les particules chargées qui s’accumulent sur les structures carbonées. Deux électrodes constituées de ce matériau, séparées par un mince espace ou une couche isolante, forment un supercondensateur très puissant, ont découvert les chercheurs.