Ciment et noir de carbone pourraient constituer la base d’une un nouveau système de stockage d’énergie à faible coût. Dit une étude du MIT(publiée dans PNAS), selon laquelle les deux matériaux peuvent être combinés avec de l’eau pour créer un supercondensateur capable de stocker de l’énergie provenant de sources renouvelables.
Un aspect intéressant, toujours selon les chercheurs, le supercondensateur pourrait être intégré dans les fondations d’une maisonoù il pourrait stocker de l’énergie, garantissant ainsi la solidité structurelle du bâtiment sans augmenter de manière significative les coûts de construction. Parmi les applications possibles, on peut citer la construction de d’une route en béton capable de transférer de l’énergie sans fil aux voitures électriques qui la traversent.
L’étude a été publiée par les professeurs du MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn, ainsi que par d’autres collègues.
Les supercondensateurs, capables de stocker des charges exceptionnellement importantes, ne fonctionnent pas différemment des condensateurs classiques. La quantité d’énergie qu’un condensateur peut stocker est donc liée à la surface totale de ses armatures.
La clé des supercondensateurs mis au point par l’équipe du MIT est liée à une méthode de production d’un matériau à base de ciment présentant une surface interne extrêmement élevée, due à un réseau dense et interconnecté de matériaux conducteurs à l’intérieur de son volume. Cela peut sembler compliqué, mais essayons de mieux l’expliquer.
Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont introduit du noir de carbone, très conducteur, dans un mélange avec de la poudre de ciment et de l’eau. et le laisser durcir. L’eau forme naturellement des ramifications dans la structure en réagissant avec le ciment, le noir de carbone migrant dans ces espaces et créant des structures filiformes dans le ciment durci.
Ces structures font penser à une fractale, avec des branches plus grandes d’où partent des branches plus petites, et ainsi de suite, ce qui aboutit à une très grande surface de branches dans un volume relativement petit.. Le matériau est ensuite immergé dans un électrolyte standard, tel que le chlorure de potassium, une sorte de sel, qui fournit les particules chargées qui s’accumulent sur les structures de carbone.
Des chercheurs ont découvert que deux électrodes constituées de ce matériau, séparées par un mince espace ou une couche isolante, forment un supercondensateur très puissant.
Les deux armatures du condensateur fonctionnent comme les pôles d’une batterie rechargeable de tension équivalente : lorsqu’elles sont connectées à une source d’électricité, l’énergie est stockée dans les armatures, tandis que lorsqu’elles sont connectées à une charge, l’électricité revient pour fournir de l’énergie.
« Le matériau fascinant« , dit le professeur Masic, « parce que vous avez le matériau artificiel le plus utilisé au monde, le ciment, qui, combiné au noir de carbone, est un matériau historique – il a été utilisé pour écrire les manuscrits de la mer Morte. Il s’agit de matériaux vieux d’au moins deux millénaires qui, lorsqu’ils sont combinés d’une manière spécifique, peuvent être utilisés pour écrire les manuscrits de la mer Morte. on obtient un nanocomposite conducteur, et c’est là que les choses deviennent vraiment intéressantes« .
« Au fur et à mesure que le mélange durcit, l’eau est systématiquement consommée par les réactions d’hydratation du ciment, et cette hydratation affecte fondamentalement les nanoparticules de carbone parce qu’elles sont hydrophobes (répulsives à l’eau). Au fur et à mesure de l’évolution du mélange, le noir de carbone s’auto-assemble en un fil conducteur connecté à l’eau.« .
Le processus facilement reproductibleet est basé sur des matériaux peu coûteux qui sont facilement disponibles partout dans le monde. La quantité de noir de carbone nécessaire est très faible – à peine 3 % du volume du mélange.
L’équipe a calculé que un bloc de béton d’une dimension de 45 mètres cubes équivalant à un cube d’environ 3,5 mètres de diamètre – aurait une capacité suffisante pour stocker environ 10 kilowattheures d’énergie, soit la consommation quotidienne moyenne d’électricité d’un ménage.
À l’heure actuelle, le processus a été démontré en fabriquant de petits supercondensateurs de la taille de certaines piles boutons, d’environ 1 centimètre de diamètre et 1 millimètre d’épaisseur, et chargés à 1 volt. Ils ont relié trois de ces supercondensateurs à une DEL de 3 volts, prouvant ainsi le principe de fonctionnement.
Les chercheurs conçoivent maintenant des versions plus grandesde la taille d’une batterie de voiture typique de 12 volts à une version de 45 mètres cubes, afin de démontrer sa capacité à stocker l’énergie utile à une maison.
Lors des tests, les chercheurs ont constaté que il existe un compromis entre la capacité de stockage du matériau et sa résistance structurelle. En ajoutant plus de noir de carbone, le supercondensateur peut stocker plus d’énergie, mais le béton est affaibli, ce qui signifie qu’en fonction du ratio, ce supercondensateur peut trouver différentes applications.
