La «batería» de hormigón con 10 veces más potencia

Los supercondensadores de carbono y cemento mejorados podrían convertir el hormigón que nos rodea en enormes sistemas de almacenamiento de energía. 

El hormigón ya construye nuestro mundo, y ahora está un paso más cerca de alimentarlo también. Fabricado mediante la combinación de cemento, agua, negro de humo ultrafino (con partículas a nanoescala) y electrolitos, el hormigón de carbono conductor de electrones (ec3, pronunciado «e-c-al cubo») crea una «nanored» conductora dentro del hormigón que podría permitir que estructuras cotidianas como paredes, aceras y puentes almacenaran y liberaran energía eléctrica. En otras palabras, el hormigón que nos rodea podría algún día funcionar como una gigantesca «batería».

 

Foto de boris misevic en Unsplash

 

Tal y como informan los investigadores del MIT, en un nuevo artículo publicado en PNAS, los electrolitos optimizados y los procesos de fabricación han aumentado la capacidad de almacenamiento de energía de los últimos supercondensadores ec3 en un orden de magnitud. En 2023, almacenar la energía suficiente para satisfacer las necesidades diarias de un hogar medio habría requerido unos 45 metros cúbicos de ec3, aproximadamente la cantidad de hormigón que se utiliza en un sótano típico. Ahora, con el electrolito mejorado, esa misma tarea se puede lograr con unos 5 metros cúbicos, el volumen de una pared de sótano típica.

 

"Una clave para la sostenibilidad del hormigón es el desarrollo del «hormigón multifuncional», que integra funcionalidades como el almacenamiento de energía, la autorreparación y la captura de carbono. El hormigón ya es el material de construcción más utilizado en el mundo, así que ¿por qué no aprovechar esa escala para crear otros beneficios?", pregunta Admir Masic, autor principal del nuevo estudio, codirector del MIT Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials Hub (EC³ Hub) y profesor asociado de ingeniería civil y medioambiental (CEE) en el MIT.

 

La mejora de la densidad energética fue posible gracias a una comprensión más profunda de cómo funciona la red de nanocarbono negro dentro del ec3 e interactúa con los electrolitos. Mediante el uso de haces de iones focalizados para la eliminación secuencial de capas finas del material ec3, seguido de la obtención de imágenes de alta resolución de cada corte con un microscopio electrónico de barrido (una técnica denominada tomografía FIB-SEM), el equipo del EC³ Hub y del MIT Concrete Sustainability Hub pudo reconstruir la nanored conductora con la mayor resolución hasta la fecha. Este enfoque permitió al equipo descubrir que la red es esencialmente una «telaraña» de tipo fractal que rodea los poros del ec3, lo que permite que el electrolito se infiltre y que la corriente fluya a través del sistema. 

 

"Comprender cómo estos materiales se «ensamblan» a escala nanométrica es clave para lograr estas nuevas funcionalidades", añade Masic.

 

Equipados con sus nuevos conocimientos sobre la nanorred, el equipo experimentó con diferentes electrolitos y sus concentraciones para ver cómo afectaban a la densidad de almacenamiento de energía. Como destaca Damian Stefaniuk, primer autor y científico investigador del EC³ Hub, "descubrimos que hay una amplia gama de electrolitos que podrían ser candidatos viables para el ec3. Esto incluye incluso el agua de mar, lo que podría convertirlo en un buen material para su uso en aplicaciones costeras y marinas, quizás como estructuras de soporte para parques eólicos marinos".

 

Al mismo tiempo, el equipo optimizó la forma de añadir electrolitos a la mezcla. En lugar de curar los electrodos ec3 y luego sumergirlos en electrolito, añadieron el electrolito directamente al agua de mezcla. Dado que la penetración del electrolito ya no era una limitación, el equipo pudo moldear electrodos más gruesos que almacenaban más energía.

 

El equipo logró el mayor rendimiento cuando cambió a electrolitos orgánicos, especialmente aquellos que combinaban sales de amonio cuaternario —que se encuentran en productos cotidianos como los desinfectantes— con acetonitrilo, un líquido transparente y conductor que se utiliza a menudo en la industria. Un metro cúbico de esta versión de ec3 —aproximadamente del tamaño de un frigorífico— puede almacenar más de 2 kilovatios-hora de energía. Eso es suficiente para alimentar un frigorífico real durante un día.

 

Aunque las baterías mantienen una mayor densidad energética, el ec3 puede, en principio, incorporarse directamente a una amplia gama de elementos arquitectónicos, desde losas y paredes hasta cúpulas y bóvedas, y durar tanto como la propia estructura.

 

"Los antiguos romanos hicieron grandes avances en la construcción con hormigón. Estructuras masivas como el Panteón siguen en pie hoy en día sin refuerzos. Si mantenemos su espíritu de combinar la ciencia de los materiales con la visión arquitectónica, podríamos estar al borde de una nueva revolución arquitectónica con hormigones multifuncionales como el ec3", propone Masic.

 

Inspirándose en la arquitectura romana, el equipo construyó un arco ec3 en miniatura para mostrar cómo la forma estructural y el almacenamiento de energía pueden funcionar juntos. Funcionando a 9 voltios, el arco soportó su propio peso y una carga adicional mientras alimentaba una luz LED.

 

Sin embargo, cuando aumentó la carga sobre el arco, ocurrió algo único: la luz parpadeó. Probablemente, esto se deba a la forma en que la tensión afecta a los contactos eléctricos o a la distribución de las cargas. "Es posible que exista aquí una especie de capacidad de autocontrol. Si pensamos en un arco ec3 a escala arquitectónica, su rendimiento puede fluctuar cuando se ve afectado por un factor de estrés como los vientos fuertes. Podríamos utilizar esto como una señal de cuándo y en qué medida se ve sometida a estrés una estructura, o supervisar su estado general en tiempo real", prevé Masic.

 

Los últimos avances en la tecnología ec³ la acercan un paso más a la escalabilidad en el mundo real. Ya se ha utilizado para calentar las losas de las aceras en Sapporo (Japón), debido a sus propiedades de conductividad térmica, lo que representa una alternativa potencial al salado.

 

Más información en https://www.mit.edu/

 

 

---

Volver al listado