El supercondensador que se desarrolla en el MIT -cuya matriz cementicia incorpora negro de carbón y electrolitos- podría alimentar a edificaciones de gran envergadura, lo que convertiría al hormigón en sistemas masivos de almacenamiento de energía.
Hace algún tiempo, investigadores del prestigioso Massachusetts Institute of Technology -conocido en el mundo como MIT- anunciaban la creación de un hormigón capaz de almacenar energía eléctrica en su matriz cementosa gracias a la incorporación de un elemento altamente conductivo a la mezcla del hormigón: negro de carbón, producto altamente conductivo que se genera por la combustión incompleta de derivados de petróleo y que se utiliza en varias industrias como la del neumático, aditivos y en revestimientos.
Al incorporar este material, además de electrolitos, la investigación de los científicos del MIT comprobó que un elemento de hormigón tradicional con estas incorporaciones tenía la capacidad de almacenar energía eléctrica. “Se trata de un material fascinante”, comentó en su momento Admir Masic, Ph.D en Química Física de la Università degli Studi di Torinio y profesor asociado en el MIT, quien participó en esta investigación, además de Franz-Josef Ulm y Yang Shao-Horn, también académicos de esa institución.
Los primeros ensayos para analizar la capacidad eléctrica de este nuevo tipo de hormigón, al que denominaron como “Hormigón EC3” (hormigón con carbono conductor de electrones), consistieron en fabricar pequeños “supercondesadores” de aproximadamente 1 cm de ancho y 1 mm de espesor, los que almacenaron hasta 1 voltio de energía eléctrica. Luego, se realizaron más pruebas, como probar un circuito de tres de estas “baterías” de hormigón para alimentar a un diodo de 3 voltios.
El testeo de este nuevo material continuó y ahora, los académicos involucrados en este proyecto anunciaron que lograron expandir la capacidad de almacenamiento energético de este material en cerca de 10 veces, lo que significaría, de acuerdo con los investigadores, estar en condiciones de escalar este nuevo hormigón a aplicaciones reales.
Analizando el comportamiento de los electrolitos
De acuerdo con la investigación de los académicos del MIT, el incremento en la capacidad de almacenamiento energético del “Hormigón EC3” se logró gracias a la optimización de los electrolitos y los procesos de fabricación. De esta forma. Los “supercondensadores” producidos con este material pasaron de cubrir las necesidades energéticas de una vivienda con 45 m3 de hormigón EC3, lo que generalmente se utiliza para construir un sótano promedio, a alcanzar la misma cantidad de energía, pero en esta ocasión, con sólo 5 metros cúbicos del material.
La clave para esta mejora, comentaron los investigadores, se debió a una mejor comprensión respecto a la manera en que funciona la red de nanocarbono negro en la matriz del hormigón EC3 y cómo ésta interactúa con los electrolitos. Mediante el uso de haces de iones enfocados para la eliminación secuencial de capas delgadas del material EC3, seguido de imágenes de alta resolución de cada corte con un microscopio electrónico de barrido (una técnica denominada tomografía FIB-SEM), el equipo detrás del hormigón EC3 y el Hub de Sostenibilidad del MIT logró reconstruir la nanored conductora con la resolución más alta hasta la fecha.
Gracias a esto, los investigadores descubrieron que, esencialmente, la red es tipo fractal que rodea a los poros del hormigón EC3, lo que permite que el electrolito se infiltre y que la corriente fluya por todo el sistema. Bajo estos parámetros, los investigadores ensayaron varios tipos de electrolitos y sus concentraciones para analizar los resultados.
“Descubrimos que existe un amplio rango de electrolitos que podían ser candidatos viables para el EC3”, comentó Damian Stefaniuk, Doctor en Ingeniera Civil de la Universidad Tecnológica de Breslavia e investigador del EC3 Hub Research, quien agregó que dentro de los electrolitos incluso podría incluirse el agua de mar, “lo que podría convertirlo en un buen material para su uso en aplicaciones costeras, quizás como estructuras de soporte para parques eólicos marinos”.
Nuevos procesos para mayor capacidad del hormigón EC3
Otro de los aspectos que resultó clave en este avance es que el equipo simplificó la forma de añadir los electrolitos a la mezcla. En vez de curar los electrodos EC3 y luego empaparlos en el electrolito, los incorporaron directamente en el agua de la mezcla. Como la penetración del electrolito dejó de ser una limitante, el equipo pudo moldear electrodos más gruesos que almacenan más energía.
La investigación arrojó que el desempeño energético resultó mejor cuando se cambió a electrolitos orgánicos, especialmente aquellos que combinados con sales de amonio cuaternario -las que pueden encontrarse en productos del quehacer diario como desinfectantes- con acetonitrilo, un líquido claro y conductor que a menudo se utiliza en la industria. Un metro cúbico de esta versión de EC3 -aproximadamente, del tamaño de un refrigerador- puede almacenar más de 2 kWh de energía.
Si bien las baterías mantienen una alta densidad energética, en principio, el hormigón EC3 puede incorporarse directamente en una amplia gama de elementos arquitectónicos (desde losas y muros hasta cúpulas y bóvedas) y durar tanto como la estructura misma. Para eso, el equipo fabricó un arco en miniatura con el EC3 para evidenciar cómo la forma estructural y el almacenamiento de energía pueden trabajar juntos. Operando a 9 voltios, el arco soportó su propio peso y carga adicional mientras energizó una ampolleta LED.
Aunque una de las aplicaciones a escala real del hormigón EC3 se encuentra en unas en Sapporo, Japón, ya que gracias a sus propiedades de conducción térmica permite calentar las aceras, evitando el uso de sal para evitar el congelamiento del pavimento. Los investigadores creen que los hallazgos recientes permitirán ampliar la gama de usos del hormigón EC3, transformándolo en una alternativa viable para los desafíos energéticos actuales.
“Creemos que el EC3 es una alternativa viable a las actuales baterías, que se fabrican con materiales peligrosos. De esta manera, podemos lograr que nuestra infraestructura y edificaciones sean las que almacenen y liberen energía, satisfaciendo así la demanda por energía limpia que pide el planeta”, subrayó Franz-Josef Ulm, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental del MIT y co-director del EC3 Hub Research.
