El MIT dota a su batería de hormigón con 10 veces más de potencia

El hormigón ya construye nuestro mundo, y ahora está un paso más cerca de alimentarlo también. Fabricado mediante la combinación de cemento, agua, humo negro ultrafino (con partículas nanométricas) y electrolitos, el hormigón de carbono conductor de electrones (ec3 , pronunciado "ec-al cubo") crea una "nanored" conductora en su interior que podría permitir que estructuras cotidianas como muros, aceras y puentes almacenen y liberen energía eléctrica. En otras palabras, el hormigón que nos rodea podría algún día funcionar como "baterías" gigantes.

Como informan investigadores del MIT en un nuevo artículo de PNAS , la optimización de los electrolitos y los procesos de fabricación ha incrementado la capacidad de almacenamiento de energía de los supercondensadores ec₃ más recientes en un orden de magnitud. En 2023, almacenar suficiente energía para satisfacer las necesidades diarias de un hogar promedio  habría requerido unos 45 metros cúbicos de ec₃ , aproximadamente la cantidad de hormigón utilizada en un sótano típico. Ahora, con el electrolito mejorado, se puede lograr esa misma tarea con unos 5 metros cúbicos, el volumen de una pared típica de un sótano.

Una clave para la sostenibilidad del hormigón es el desarrollo de un hormigón multifuncional, que integra funcionalidades como el almacenamiento de energía,  la autoreparación y  la captura de carbono . El hormigón ya es el material de construcción más utilizado en el mundo, así que ¿por qué no aprovechar esta escala para generar otros beneficios?, pregunta Admir Masic, autor principal del nuevo estudio,  codirector del Centro de Materiales Conductores de Electrones a Base de Cemento de Carbono (EC³ Hub) del MIT y profesor asociado de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) en el MIT.

La densidad energética mejorada fue posible gracias a una comprensión más profunda del funcionamiento de la red de nanocarbono negro dentro de ec 3 y su interacción con los electrolitos. Mediante haces de iones enfocados para la eliminación secuencial de capas delgadas del material de ec 3 , seguida de la obtención de imágenes de alta resolución de cada corte con un microscopio electrónico de barrido (una técnica llamada tomografía FIB-SEM), el equipo del EC³ Hub y  el MIT Concrete Sustainability Hub logró reconstruir la nanorred conductora con la mayor resolución hasta la fecha. Este enfoque permitió al equipo descubrir que la red es esencialmente una red fractal que rodea los poros de ec 3 , lo que permite la infiltración del electrolito y el flujo de corriente a través del sistema.

"Entender cómo estos materiales se ‘ensamblan’ a escala nanométrica es clave para lograr estas nuevas funcionalidades", añade Masic.

Experimento

Gracias a su nueva comprensión de la nanorred, el equipo experimentó con diferentes electrolitos y sus concentraciones para observar su impacto en la densidad de almacenamiento de energía. Como destaca Damian Stefaniuk, primer autor e investigador del EC³ Hub, "descubrimos que existe 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 aplicaciones costeras y marinas, quizás como estructuras de soporte para parques eólicos marinos".

Al mismo tiempo, el equipo simplificó 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. Como 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 al cambiar a electrolitos orgánicos, especialmente aquellos que combinaban sales de amonio cuaternario (presentes en productos cotidianos como los desinfectantes) con acetonitrilo, un líquido transparente y conductor de uso frecuente en la industria. Un metro cúbico de esta versión de ec3 (aproximadamente del tamaño de un refrigerador) puede almacenar más de 2 kilovatios-hora de energía. Esto es suficiente para alimentar un refrigerador durante un día.

Si bien las baterías mantienen una mayor densidad energética, en principio el EC 3  puede incorporarse directamente en una amplia gama de elementos arquitectónicos (desde losas y paredes hasta cúpulas y bóvedas) y durar tanto como la estructura misma.

Historia del hormigón

Los antiguos romanos lograron grandes avances en la construcción con hormigón. Estructuras imponentes como el Panteón se mantienen en pie hasta nuestros días sin necesidad de refuerzo. 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 EC 3 —propone Masic—.

Inspirándose en la arquitectura romana, el equipo construyó un arco EC 3 en miniatura para demostrar cómo la forma estructural y el almacenamiento de energía pueden funcionar en conjunto. Funcionando a 9 voltios, el arco soportaba su propio peso y carga adicional, a la vez que alimentaba una luz LED.

Sin embargo, ocurrió algo único cuando aumentó la carga sobre el arco: la luz parpadeó. Esto probablemente se deba a la forma en que la tensión afecta los contactos eléctricos o la distribución de cargas. «Podría existir una especie de capacidad de automonitoreo. Si pensamos en un arco ec 3  a escala arquitectónica, su rendimiento puede fluctuar cuando se ve afectado por un factor estresante como vientos fuertes. Podríamos usar esto como una señal de cuándo y en qué medida una estructura está estresada, o monitorear su estado general en tiempo real», prevé Masic.

Los últimos avances en la tecnología ec³ la acercan a la escalabilidad en el mundo real. Ya se ha utilizado para  calentar losas de aceras en Sapporo, Japón, gracias a sus propiedades de conducción térmica, lo que representa una posible alternativa a la salinización. "Con estas mayores densidades energéticas y su valor demostrado en un ámbito de aplicación más amplio, ahora disponemos de una herramienta potente y flexible que nos ayuda a abordar una amplia gama de retos energéticos persistentes", explica Stefaniuk.

"Una de nuestras principales motivaciones fue contribuir a la transición a las energías renovables. La energía solar, por ejemplo, ha avanzado mucho en términos de eficiencia. Sin embargo, solo puede generar energía cuando hay suficiente luz solar. Por lo tanto, la pregunta es: ¿cómo se satisfacen las necesidades energéticas por la noche o en días nublados?".

Franz-Josef Ulm, codirector del EC³ Hub y profesor de la CEE, continúa: "La respuesta es que se necesita una forma de almacenar y liberar energía. Esto generalmente implica una batería, que a menudo depende de materiales escasos o dañinos. Creemos que el EC³ es  un sustituto viable, que permite que nuestros edificios e infraestructuras satisfagan nuestras necesidades de almacenamiento de energía". El equipo está trabajando en aplicaciones como plazas de aparcamiento y carreteras que puedan cargar vehículos eléctricos, así como viviendas que puedan funcionar completamente sin conexión a la red eléctrica.

"Lo que más nos entusiasma es que hemos tomado un material tan antiguo como el hormigón y demostrado que puede lograr algo completamente nuevo", afirma James Weaver, coautor del artículo, profesor asociado de tecnología de diseño y ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Cornell, además de exinvestigador del EC³ Hub. “Al combinar la nanociencia moderna con un componente fundamental de la civilización, abrimos la puerta a una infraestructura que no solo sustenta nuestras vidas, sino que las impulsa”.