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Aug 14, 2023

Cimento

Um novo supercapacitor econômico e eficiente feito de negro de fumo e cimento poderia armazenar energia equivalente a um dia na fundação de concreto de um edifício ou fornecer recarga sem contato para

Um novo supercapacitor econômico e eficiente feito de negro de fumo e cimento poderia armazenar energia equivalente a um dia na fundação de concreto de um edifício ou fornecer recarga sem contato para carros elétricos enquanto eles viajam por ele. O dispositivo também poderá facilitar o uso de fontes de energia renováveis, como solar, eólica e das marés, segundo os pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Instituto Wyss, ambos nos EUA, que o desenvolveram.

Os supercapacitores são tecnicamente conhecidos como capacitores elétricos de camada dupla ou eletroquímicos, e suas capacidades ficam em algum lugar entre as das baterias e os capacitores convencionais (dielétricos). Embora menos bons no armazenamento de carga do que as baterias, os supercapacitores são melhores que os condensadores convencionais neste aspecto, graças aos seus eléctrodos porosos, que têm áreas de superfície tão grandes como vários quilómetros quadrados. A dupla camada que se forma na interface eletrólito-eletrodo de tais dispositivos quando uma voltagem é aplicada aumenta ainda mais a quantidade de carga que eles podem armazenar.

Os supercapacitores também apresentam algumas vantagens sobre as baterias. Enquanto as baterias podem levar horas para carregar e descarregar, os supercapacitores fazem isso em minutos. Eles também têm uma vida útil muito mais longa, durando milhões de ciclos em vez de milhares. E, ao contrário das baterias, que funcionam através de reações químicas, os supercapacitores armazenam energia na forma de íons eletricamente carregados que se acumulam nas superfícies de seus eletrodos.

O novo dispositivo, desenvolvido por uma equipe liderada por Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, contém um material à base de cimento que possui uma área de superfície interna extremamente elevada. Os pesquisadores conseguiram isso começando com uma mistura de cimento seco contendo negro de fumo, que lembra carvão muito fino. A essa mistura, eles adicionaram água e superplastificantes – um aditivo redutor de água padrão na produção de concreto. À medida que a água reage com o cimento, ela forma naturalmente uma rede ramificada de poros dentro da estrutura, e o carbono migra para esses poros para formar filamentos rígidos com uma estrutura semelhante a um fractal. É essa estrutura de rede densa e interconectada que fornece ao material sua área superficial extremamente grande.

“Colocamos o material fresco em tubos de plástico e os deixamos endurecer por pelo menos 28 dias”, explica Ulm. “Em seguida, cortamos as amostras em pedaços do tamanho de eletrodos, embebemos esses eletrodos em uma solução eletrolítica padrão (cloreto de potássio) e construímos um supercapacitor com dois eletrodos separados por uma membrana isolante.”

Os pesquisadores então polarizam os eletrodos conectando um eletrodo a uma carga positiva e o outro a uma carga negativa. Durante o carregamento, os íons carregados positivamente do eletrólito se acumulam no fio de carbono volumétrico carregado negativamente, enquanto os íons carregados negativamente se acumulam no fio de carbono carregado positivamente.

Com a membrana no caminho, os íons carregados não podem se mover entre os eletrodos. Esse desequilíbrio produz o campo elétrico que carrega o supercondutor. “O fato de o fio volumétrico preencher o espaço disponível – algo que confirmamos com a espectroscopia EDS-Raman – nos permite armazenar muita energia na superfície extremamente grande do negro de fumo”, diz Ulm. “Quando desconectamos a fonte de energia do supercapacitor, a energia armazenada é liberada e pode, assim, fornecer energia para uma variedade de aplicações.”

Segundo seus cálculos, detalhados no PNAS, um bloco do material de 45 m3 (equivalente a um cubo de 3,55 m) seria capaz de armazenar cerca de 10 kWh de energia. Isto é quase o mesmo que o consumo médio diário de eletricidade de uma residência típica. Uma casa construída com fundações que contenham este composto de concreto carbono poderia, portanto, armazenar energia equivalente a um dia – produzida por painéis solares, por exemplo – e liberá-la quando necessário. O material também poderia ser incorporado em geradores de eletricidade intermitentes, como turbinas eólicas, que poderiam então armazenar energia em suas bases e liberá-la durante os períodos de inatividade.