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Aug 14, 2023

Cemento

Un nuovo supercondensatore economico ed efficiente, realizzato con nerofumo e cemento, potrebbe immagazzinare l’energia necessaria per una giornata nelle fondamenta di cemento di un edificio o fornire ricarica senza contatto per

Un nuovo supercondensatore economico ed efficiente, realizzato con nerofumo e cemento, potrebbe immagazzinare l’energia necessaria per una giornata nelle fondamenta di cemento di un edificio o fornire ricarica senza contatto per le auto elettriche mentre lo attraversano. Il dispositivo potrebbe anche facilitare l’uso di fonti di energia rinnovabile come quella solare, eolica e delle maree, secondo i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Wyss Institute, entrambi negli Stati Uniti, che lo hanno sviluppato.

I supercondensatori sono tecnicamente noti come condensatori elettrici a doppio strato o condensatori elettrochimici e le loro capacità sono a metà tra quelle delle batterie e dei condensatori convenzionali (dielettrici). Anche se meno efficaci delle batterie nell’immagazzinare la carica, i supercondensatori sono migliori dei condensatori convenzionali sotto questo aspetto grazie ai loro elettrodi porosi, che hanno superfici grandi fino a diversi chilometri quadrati. Il doppio strato che si forma sull'interfaccia elettrolita-elettrodo di tali dispositivi quando viene applicata una tensione aumenta ulteriormente la quantità di carica che possono immagazzinare.

I supercondensatori presentano anche alcuni vantaggi rispetto alle batterie. Mentre le batterie possono impiegare ore per caricarsi e scaricarsi, i supercondensatori lo fanno in pochi minuti. Hanno anche una durata di vita molto più lunga, che dura milioni di cicli anziché migliaia. E a differenza delle batterie, che funzionano attraverso reazioni chimiche, i supercondensatori immagazzinano energia sotto forma di ioni elettricamente carichi che si assemblano sulla superficie dei loro elettrodi.

Il nuovo dispositivo, sviluppato da un team guidato da Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, contiene un materiale a base di cemento che vanta una superficie interna estremamente elevata. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato iniziando con una miscela di cemento secco contenente nerofumo, che assomiglia a carbone molto fine. A questa miscela hanno aggiunto acqua e superfluidificanti, una miscela standard che riduce l’acqua nella produzione di calcestruzzo. Quando l'acqua reagisce con il cemento, forma naturalmente una rete ramificata di pori all'interno della struttura, e il carbonio migra in questi pori per formare filamenti filiformi con una struttura simile a un frattale. È questa struttura di rete densa e interconnessa che fornisce al materiale la sua superficie estremamente ampia.

"Riempiamo il materiale fresco in tubi di plastica e li lasciamo indurire per almeno 28 giorni", spiega Ulm. "Abbiamo quindi tagliato i campioni in pezzi delle dimensioni di un elettrodo, immergiamo questi elettrodi in una soluzione elettrolitica standard (cloruro di potassio) e costruiamo un supercondensatore con due elettrodi separati da una membrana isolante."

I ricercatori quindi polarizzano gli elettrodi collegando un elettrodo a una carica positiva e l'altro a una carica negativa. Durante la carica, gli ioni caricati positivamente provenienti dall'elettrolita si accumulano sul filo di carbonio volumetrico caricato negativamente, mentre gli ioni caricati negativamente si accumulano sul filo di carbonio caricato positivamente.

Con la membrana d'intralcio, gli ioni carichi non possono spostarsi tra gli elettrodi. Questo squilibrio produce il campo elettrico che carica il superconduttore. “Il fatto che il filo volumetrico riempia lo spazio a sua disposizione – qualcosa che abbiamo confermato con la spettroscopia EDS-Raman – ci consente di immagazzinare molta energia sulla superficie estremamente ampia del nero di carbonio”, afferma Ulm. “Quando poi scolleghiamo la fonte di energia dal supercondensatore, l’energia immagazzinata viene rilasciata e può quindi fornire energia per una varietà di applicazioni”.

Secondo i loro calcoli, dettagliati nel PNAS, un blocco di materiale di 45 m3 (equivalente a un cubo di 3,55 m), sarebbe in grado di immagazzinare circa 10 kWh di energia. Questo è più o meno lo stesso del consumo medio giornaliero di elettricità di una famiglia tipica. Una casa costruita con fondamenta che contengono questo composto di carbonio e cemento potrebbe quindi immagazzinare l’energia necessaria per una giornata – prodotta, ad esempio, dai pannelli solari – e rilasciarla quando necessario. Il materiale potrebbe anche essere incorporato in generatori di elettricità intermittenti come le turbine eoliche, che potrebbero quindi immagazzinare energia nelle loro basi e rilasciarla durante i periodi di inattività.