Capacitores de Concreto: O Futuro do Armazenamento de Energia

Armazenando Energia em Capacitores de Concreto

Quando se trata de armazenamento de energia, toda a atenção está concentrada nas baterias. Enquanto por um tempo o foco foi principalmente na tecnologia de íons de lítio em constante aprimoramento, agora íons de sódio, estado sólido e outros tipos de químicas de baterias alternativas também estão sendo desenvolvidos ou alcançando a fase comercial.

Em todos os casos, essas baterias armazenam eletricidade em forma química, geralmente usando íons metálicos para transportar a mudança de carga elétrica.

Fonte: Let’s Talk Science

No entanto, esta não é a única maneira de armazenar eletricidade. Outra opção é usar um supercapacitor.

Ao contrário das baterias, que armazenam a carga elétrica em uma massa de íons metálicos, supercapacitores e ultracapacitores mantêm a carga elétrica na superfície de um material condutor.

Fonte: Sinovoltaics

Essa diferença fundamental no conceito de armazenamento de energia altera como os capacitores funcionam em comparação com as baterias. Como a energia está disponível na superfície do material, ela pode ser mobilizada muito rapidamente, permitindo ciclos de carga e descarga ultra‑rápidos, enquanto as baterias são retardadas pela velocidade das reações químicas necessárias.

Até agora, os capacitores foram principalmente um produto de nicho, pois armazenam menos carga que as baterias e costumam ser mais caros, já que exigem materiais mais dispendiosos.

Isso pode estar mudando, com o desenvolvimento de capacitores à base de concreto por quatro pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT), que poderiam, em última análise, ser usados para transformar edifícios e estradas em gigantescas baterias.

Eles publicaram seu design mais recente na prestigiosa revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) sob o título “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Aplicações dos Capacitores

Capacitores’ low charge compared to batteries has so far hindered their usage for large or long-term energy storage, despite their remarkable durability.

No entanto, sua capacidade de lidar com mudanças muito rápidas na carga elétrica e tensões muito mais altas, sem sofrer danos, os torna úteis para aplicações onde muita energia é produzida ou necessária de uma só vez.

Por exemplo, supercapacitores são usados em automóveis, trens, guindastes e elevadores, para armazenamento de energia de curto prazo, frenagem regenerativa ou fornecimento de energia em modo de explosão.

Embora a energia total não seja necessariamente tão alta, a intensidade e a velocidade são.

Para redes elétricas e aplicações de armazenamento de energia, os supercapacitores são mais eficazes em preencher lacunas de energia que duram de alguns segundos a alguns minutos e podem ser recarregados rapidamente.

Melhorando Capacitores à Base de Concreto

Fazendo o Concreto Armazenar Energia

Para as baterias, a diferença de energia entre as diferentes reações eletroquímicas e a quantidade de metal reativo disponível geralmente limitam a capacidade.

Para os capacitores, a principal limitação é a superfície total do material. Portanto, geralmente, os materiais mais porosos armazenam muito mais carga.

Por essa razão, materiais heterogêneos (formados por múltiplos elementos) são frequentemente os melhores, assim como qualquer material que resulte da polimerização de materiais mais simples, com muitos poros e alvéolos internos.

Já em 2023, os pesquisadores do MIT exploraram o potencial do concreto, um material com uma estrutura microscópica complexa que, em teoria, poderia ser transformado em um capacitor.

Isso foi alcançado usando cimento, água, negro de carbono ultra‑fino (com partículas em escala nanométrica) e eletrólitos. Juntos, criaram o chamado concreto de carbono condutor de elétrons (ec³, pronunciado “e‑c‑cúbico”).

ec³ contém uma “rede nanocarbono” dentro do concreto que pode armazenar e conduzir eletricidade.

Abundância do Concreto

Cimento e concreto são de longe os materiais mais produzidos na Terra, atingindo volumes e massa totais de 1,7 bilhão de metros cúbicos e 4,1 bilhões de toneladas, superiores a qualquer outro material, incluindo areia e aço.

Fonte: Visual Capitalist

Como resultado, isso significa que mesmo transformar uma fração muito pequena do concreto mundial em armazenamento de energia poderia mudar radicalmente como armazenamos energia em nossas casas, escritórios e cidades.

“Uma chave para a sustentabilidade do concreto é o desenvolvimento de ‘concreto multifuncional’, que integra funcionalidades como este armazenamento de energia, autocura, e sequestro de carbono.

O concreto já é o material de construção mais usado no mundo, então por que não aproveitar essa escala para criar outros benefícios?

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

Melhorando o Desempenho do ec³

Aumentando a Densidade de Energia

O protótipo original de 2023 era suficientemente denso em energia, de modo que 45 metros cúbicos de ec³, aproximadamente a quantidade de concreto usada em um porão típico, eram suficientes para atender às necessidades diárias da casa média.

Embora interessante, questões de custo e praticidade fizeram com que esse número não fosse realmente utilizável comercialmente.

As novas versões do produto pelos pesquisadores podem armazenar a mesma quantidade de energia em 1/9^th do volume, ou apenas 5 metros cúbicos (176 pés cúbicos).
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Análise Detalhada

Esse desempenho superior foi alcançado usando um feixe de íons focado para remover sequencialmente camadas finas do material ec³. Essas camadas foram então analisadas com um microscópio eletrônico de varredura (tomografia FIB‑SEM).

Isso permitiu aos pesquisadores reconstruir uma imagem de alta resolução da nanorede condutora. Eles descobriram que ela forma uma “teia semelhante a fractal” que envolve os poros do ec³, o que permite que o eletrólito infiltre e que a corrente flua através do sistema.

Com essa ferramenta analítica superior, a equipe de pesquisa passou a experimentar diferentes eletrólitos e suas concentrações para ver como eles impactavam a densidade de armazenamento de energia.

“Descobrimos que há uma ampla gama de eletrólitos que poderiam ser candidatos viáveis para o ec³.

Isso inclui até água do mar, o que poderia tornar este um bom material para uso em aplicações costeiras e marinhas, talvez como estruturas de suporte para parques eólicos offshore.”

Damian Stefaniuk – EC³ Hub research scientist

Eles mediram que eletrólitos orgânicos, especialmente aqueles que combinavam sais de amônio quaternário encontrados em produtos cotidianos como desinfetantes, apresentaram melhor desempenho quando misturados com acetonitrila, um líquido claro e condutor frequentemente usado na indústria.

Melhor Fabricação de Baterias de Concreto

Anteriormente, o método utilizado exigia curar os eletrodos de ec³ e depois mergulhá‑los em eletrólito. Em vez disso, descobriram que podiam adicionar o eletrólito diretamente à água de mistura.

Isso foi essencial para fundir eletrodos mais espessos que armazenavam mais energia.

Como demonstração dessa tecnologia, a equipe construiu um arco de concreto ec³ em miniatura para mostrar como a forma estrutural e o armazenamento de energia podem trabalhar juntos.

Operando a 9 volts, o arco suportou seu próprio peso e carga adicional enquanto alimentava uma luz LED.

Monitoramento Automático da Integridade Estrutural

Um fenômeno surpreendente ocorreu quando aumentaram a carga no arco de teste. Em algum ponto, a luz começou a piscar, refletindo o início de danos ao concreto e a falha no armazenamento de eletricidade.

Isso evidencia danos estruturais aparentes apesar de não haver fissuras visíveis. Essa capacidade poderia ser muito útil em edifícios reais.

“Pode haver aqui um tipo de capacidade de auto‑monitoramento. Se pensarmos em um arco ec³ em escala arquitetônica, sua saída pode flutuar quando impactado por um estressor como ventos fortes.

Podemos usar isso como um sinal de quando e em que medida uma estrutura está sob tensão, ou monitorar sua saúde geral em tempo real.”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

Concreto Autocalentado

Este design de concreto não só pode armazenar energia, mas também possui maior condutividade térmica. Como resultado, pode ajudar a derreter o gelo depositado sobre ele, e já foi usado para esse propósito em Sapporo, Japão, representando uma alternativa potencial ao uso de sal.

A energia armazenada e depois liberada na forma de calor também poderia ser usada para derreter gelo em estradas, calçadas e caminhos de pedestres.

O Futuro das Baterias de Concreto e do Armazenamento de Energia

Até agora, as baterias em escala de utilidade foram principalmente imaginadas como baterias térmicas, armazenamento de hidrogênio ou baterias usando materiais de baixo custo como sódio, ferro ou alumínio, para substituir o mais caro lítio/cobalto/níquel das baterias de íon‑lítio.

No entanto, se quisermos ampliar o armazenamento de baterias para alimentar totalmente a civilização industrializada com energia solar, um material mais onipresente como o concreto poderia ser ideal.

Primeiro, ele usa ainda menos materiais raros, já que mesmo baterias de química alternativa ainda requerem muito cobre, por exemplo.

Em segundo lugar, poderia ser incorporado de forma mais fluida ao cotidiano urbano e às construções.

A equipe já está trabalhando em aplicações como vagas de estacionamento e estradas que poderiam carregar veículos elétricos, bem como casas que podem operar totalmente fora da rede.

Como o concreto resultante tem a mesma integridade estrutural que o concreto normal, pode fazer sentido usá‑lo em vez disso, e evitar completamente a necessidade de espaço extra e procedimentos de construção de parques de baterias.

“Ao combinar a nanociência moderna com um bloco de construção antigo da civilização, estamos abrindo uma porta para infraestruturas que não apenas sustentam nossas vidas, mas as alimentam.”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

Investindo em Cimento Sustentável