Ce supercondensateur est fabriqué à partir de ciment

Alors que le monde continue de s’éloigner des combustibles fossiles, les chercheurs recherchent de nouvelles façons de stocker l’énergie produite à partir de sources plus vertes comme les panneaux solaires. Dans le cadre de cet effort, une équipe de chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et du MIT ont développé un supercondensateur utilisant uniquement du ciment, de l'eau et une forme de carbone appelée noir de carbone.

L’énergie produite à partir de sources renouvelables doit souvent être stockée pour les jours de pluie. Mais les piles ne sont pas toujours la meilleure option. Leur chargement prend du temps et leur construction nécessite des matériaux difficiles à trouver, comme le lithium, qui peuvent être coûteux et nocifs pour l'environnement.

Franz-Josef Ulm, professeur de génie civil et environnemental au MIT, et ses collègues souhaitaient développer des supercondensateurs avec des matériaux facilement disponibles, comme le ciment, non seulement pour combler une lacune laissée par la technologie des batteries, mais également pour résoudre un autre problème environnemental : le béton. empreinte carbone. Leurs travaux ont été publiés le 31 juillet dans la revue PNAS.

"L'un des [questions motivantes] est l'énorme empreinte environnementale de la production mondiale de ciment et de béton, qui représente environ 8 % des émissions mondiales de CO2", explique Ulm, auteur principal du nouvel article. « Nous pouvons utiliser cette solution de stockage d’énergie pour soutenir la transition urgente des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables – brique par brique, mur par mur, route par route. »

L'équipe a cherché à redorer l'image du ciment en l'utilisant comme base pour les électrodes de son supercondensateur. Contrairement aux batteries, qui utilisent des réactions chimiques pour retenir et décharger l’électricité, les supercondensateurs fonctionnent en créant une différence de charge entre deux plaques conductrices. Cette charge peut être maintenue longtemps et déchargée rapidement en cas de besoin.

Pour construire leur supercondensateur, l'équipe a mélangé une pâte composée de ciment et d'eau, puis a introduit une petite quantité de noir de carbone, une forme de carbone fine ressemblant à du charbon de bois qui est utilisée comme pigment et comme matériau d'écriture depuis des milliers d'années. . Par exemple, le noir de carbone était utilisé pour écrire les manuscrits de la mer Morte au 3ème siècle avant notre ère. Histoire mise à part, le noir de carbone est également un matériau hautement conducteur.

Ce nouveau supercondensateur peut être facilement mis à l'échelle grâce à sa grande surface interne de matériau conducteur créée à l'aide de noir de carbone. Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn/MIT

Au fur et à mesure que le mélange de ciment durcissait, l'eau était absorbée et laissait derrière elle un réseau de tunnels ramifiés que le noir de carbone remplissait. Le résultat final est que la pâte de ciment est remplie d’une grande surface de tunnels conducteurs en forme de fil, sans augmenter le volume global de l’électrode.

Ulm dit que la réaction du noir de carbone dans l’électrode est une découverte cruciale car elle pourrait rendre la mise à l’échelle de ce supercondensateur beaucoup plus simple.

"Nous avons découvert que la capacité maximale de stockage d'énergie dépend uniquement de la surface spécifique du noir de carbone", explique Ulm. « Puisque ce noir de carbone remplit l’espace – grâce à la magie de la chimie ! – nous pouvons simplement augmenter le volume pour créer des solutions énergétiques en vrac à grande échelle.

L’équipe a complété le supercondensateur en trempant deux électrodes dans une solution électrolytique pour fournir des particules chargées au système. Lors de leurs essais, ils ont fabriqué des condensateurs de la taille d'un bouton capables de contenir 1 volt de charge et ont déterminé que le condensateur était capable de maintenir sa capacité de stockage avec une perte minimale sur 10 000 cycles de charge-décharge. Trois des supercondensateurs de 1 V étaient également capables de charger une LED de 3 V.

L’équipe a également développé des condensateurs de la taille d’un bouton avec différents ratios ciment/noir de carbone, mais a constaté que si l’ajout de plus de noir de carbone (plus de 10 % en volume) au mélange augmentait sa capacité de stockage, cela se faisait au détriment de l’intégrité structurelle du ciment. Et pour les cas d’utilisation envisagés par Ulm et ses collègues, la résistance structurelle du ciment est essentielle.

Le béton est déjà utilisé pour construire des routes, et l'équipe voit donc une opportunité pour des routes en béton qui pourraient également recharger sans fil les voitures pendant qu'elles conduisent, à l'instar des chargeurs sans fil pour smartphones. « De telles routes à recharge automatique existent déjà, mais utilisent des bobines intégrées au système routier et connectées (pour la plupart) à une source d’énergie du réseau. L’énergie de notre système serait récupérée à partir de sources d’énergie propre et stockée dans la structure de la chaussée.