Cemento, Nero di Carbonio, Elettroliti e Acqua Formano una Ricetta Semplice per un Nuovo Supercondensatore Versatile

Se i recenti sviluppi nella scienza dei materiali si concretizzano, il nostro mondo sembrerà molto diverso già tra pochi anni.  Nell’ultima settimana, non solo cresce la lista di scienziati che cercano di ricreare e dimostrare la validità delle recenti affermazioni su un potenziale superconduttore a temperatura ambiente e pressione atmosferica chiamato ‘LK-99’, ma il Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha anche annunciato una scoperta interessante propria.  Si tratterebbe di un supercondensatore a basso costo realizzato con materiali non esotici.

Che cos’è un condensatore?

I condensatori sono dispositivi che immagazzinano energia elettrica accumulando uno squilibrio interno di carica elettrica tra due piastre conduttive separate da un isolante o dielettrico.

Cosa rende un condensatore ‘Super’?

• Capacità di immagazzinamento: I supercondensatori possono immagazzinare una quantità di carica elettrica molto più grande rispetto ai condensatori standard. Ciò è dovuto all’ampia superficie degli elettrodi e alla distanza molto ridotta tra di essi, che consente di immagazzinare più carica.
• Densità di energia e potenza: Mentre i condensatori generalmente hanno una densità di potenza più alta (possono erogare energia rapidamente) ma una densità di energia più bassa (immagazzinano meno energia), i supercondensatori colmano il divario tra condensatori e batterie avendo sia un’alta densità di potenza sia una densità di energia relativamente alta.
• Costruzione: I supercondensatori spesso utilizzano materiali e metodi di costruzione diversi. Tipicamente impiegano materiali di carbonio poroso per gli elettrodi, che forniscono una grande superficie, e un elettrolita che permette il movimento degli ioni. L’ampia superficie e la costruzione speciale consentono al supercondensatore di immagazzinare più energia.
• Velocità di carica e scarica: I supercondensatori possono essere caricati e scaricati molto più rapidamente rispetto alle batterie, e possono sopportare molti più cicli di carica e scarica senza degradazione significativa. Sebbene i condensatori standard si carichino e scarichino rapidamente, i supercondensatori possono mantenere la carica più a lungo grazie alla loro maggiore capacità di immagazzinamento.

In sintesi, mentre i condensatori standard e i supercondensatori operano sullo stesso principio di base di immagazzinare energia in un campo elettrico, i supercondensatori si distinguono per la loro capacità di immagazzinamento molto più elevata, i diversi materiali di costruzione e la loro capacità di combinare le caratteristiche sia dei condensatori sia delle batterie.

Dove vengono utilizzati i supercondensatori?

• Veicoli elettrici (EV): I supercondensatori possono fornire rapidi picchi di potenza necessari per l’accelerazione e possono anche catturare energia durante la frenata rigenerativa, migliorando l’efficienza complessiva del veicolo.
• Trasporto pubblico: In autobus e tram, i supercondensatori possono essere usati per immagazzinare energia rapidamente durante brevi soste e poi fornire l’energia necessaria per l’accelerazione, riducendo lo sforzo sulla fonte di energia principale.
• Sistemi di energia rinnovabile: I supercondensatori possono immagazzinare energia da fonti rinnovabili come solare e eolico, rilasciandola quando necessario. Questo aiuta a smussare le fluttuazioni nell’approvvigionamento energetico quando sole e vento sono scarsi.
• Alimentatori ininterrotti (UPS): Nei sistemi che richiedono un’alimentazione continua, i supercondensatori possono fornire energia temporanea durante brevi interruzioni o fino a quando i generatori di backup entrano in funzione.
• Elettronica di consumo: In alcuni dispositivi, i supercondensatori possono fornire rapidi picchi di energia richiesti per determinate funzioni, come la fotografia con flash nelle fotocamere e le installazioni audio di alta gamma per auto.
• Dispositivi medici: I supercondensatori possono essere usati in dispositivi medici come i defibrillatori, che richiedono una consegna di potenza affidabile e istantanea.
• Attrezzature industriali: In ambienti industriali, i supercondensatori possono fornire l’alta potenza necessaria per brevi durate in varie macchine e strumenti.
• Stabilizzazione della rete: I supercondensatori possono essere usati nella rete elettrica per fornire una risposta rapida a variazioni di domanda o offerta, contribuendo a stabilizzare la rete e prevenire fluttuazioni.
• Dispositivi di comunicazione wireless: Possono essere usati per fornire l’energia necessaria alla trasmissione di segnali, specialmente in luoghi remoti o difficili da raggiungere dove la sostituzione della batteria è complessa.
• Applicazioni di smart grid e microgrid: I supercondensatori possono far parte di sistemi intelligenti di gestione dell’energia, aiutando a bilanciare i carichi e a immagazzinare energia localmente per un uso più efficiente.
• Aerospazio e difesa: In applicazioni aerospaziali, i supercondensatori possono fornire energia affidabile per sistemi critici che richiedono alta affidabilità e prestazioni.

In generale, la versatilità, l’alta densità di potenza e le rapide capacità di carica/scarica dei supercondensatori li rendono adatti a una vasta gamma di applicazioni in cui sono richieste sia l’immagazzinamento di energia sia il rilascio rapido di energia. Come si può vedere dalla lista sopra, i supercondensatori sono già impiegati in una moltitudine di settori.  Pertanto, la recente scoperta del MIT è particolarmente intrigante per il suo potenziale di avanzare molteplici implementazioni.

Una nuova ricetta

Secondo il MIT, i ricercatori coinvolti in questa scoperta hanno sviluppato il metodo per produrre un materiale a base di cemento con una elevata superficie interna introducendo del nero di carbonio in una miscela di calcestruzzo. Il materiale risultante, immerso in un elettrolita standard come il cloruro di potassio, forma un potente supercondensatore. È notevole che la quantità di carbonio necessaria è minima, il che rende il processo sia poco costoso sia facilmente riproducibile.
Quando si crea un supercondensatore, è importante ricordare che le sue prestazioni dipendono in gran parte dalla superficie interna delle sue piastre conduttive.  Il MIT afferma che,

La chiave dei nuovi supercondensatori sviluppati da questo team deriva da un metodo di produzione di un materiale a base di cemento con una superficie interna estremamente elevata, grazie a una rete densa e interconnessa di materiale conduttivo all’interno del suo volume.

Ciò che è fondamentale in questa scoperta, però, è che è stata ottenuta con materiali così comuni, reperibili a basso costo in tutto il mondo, rendendo la tecnologia estremamente accessibile.

Dove questa scoperta diventa interessante è nel considerare le sue potenziali future applicazioni nella stabilizzazione delle reti energetiche e delle richieste.  Il team descrive un’implementazione in cui le fondamenta di una casa sono realizzate con questo materiale.  Non solo il materiale può essere prodotto altrettanto robusto del cemento normale, ma le fondamenta di una casa avrebbero la capacità di fornire un’intera giornata di elettricità.  Questo potrebbe essere utilizzato durante blackout, nelle ore di picco di tariffa o in circostanze simili.

È inoltre utile per le case che sfruttano energie rinnovabili, dove l’approvvigionamento non è costante.  Durante i periodi di eccesso di produzione, l’energia immagazzinata nelle fondamenta potrebbe essere ricaricata, mentre nei periodi di scarsità energetica potrebbe essere prelevata.  Altre implementazioni includono la tecnologia di ricarica wireless, al servizio di comunità e abitazioni scollegate dalle reti elettriche tradizionali, e altro ancora.

Parola finale

L’importanza di un supercondensatore a base di cemento è enorme, data la propensione degli esseri umani a costruire con questo materiale.  In generale, il team crede che il suo,

“…il design del materiale dei compositi porosi di carbonio-cemento fornisce una soluzione materiale scalabile per l’immagazzinamento di energia a supporto della urgente transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili.”

Non solo sarebbe facilmente accessibile, ma potrebbe vedere una relativamente semplice implementazione sia in progetti di piccola che di grande scala.