Les ingénieurs du MIT ont créé un « supercondensateur » composé de matériaux anciens et abondants, capable de stocker de grandes quantités d’énergie. Composé uniquement de ciment, d’eau et de noir de carbone (qui ressemble à du charbon de bois en poudre), l’appareil pourrait constituer la base de systèmes peu coûteux stockant de l’énergie renouvelable par intermittence, comme l’énergie solaire ou éolienne. Crédit : Image gracieuseté de Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn

Construit à partir de ciment, de noir de carbone et d’eau, l’appareil a le potentiel d’offrir un stockage d’énergie abordable et évolutif pour les sources d’énergie renouvelables.

Selon une nouvelle étude, deux des matériaux historiques les plus omniprésents de l’humanité, le ciment et le noir de carbone (qui ressemble à du charbon de bois très fin), pourraient constituer la base d’un nouveau système de stockage d’énergie à faible coût. La technologie pourrait faciliter l’utilisation de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire, éolienne et marémotrice en permettant aux réseaux énergétiques de rester stables malgré les fluctuations de l’approvisionnement en énergies renouvelables.

Les deux matériaux, ont découvert les chercheurs, peuvent être combinés avec de l’eau pour fabriquer un supercondensateur – une alternative aux batteries – qui pourrait permettre le stockage de l’énergie électrique. À titre d’exemple, les chercheurs du MIT qui ont développé le système affirment que leur supercondensateur pourrait éventuellement être intégré aux fondations en béton d’une maison, où il pourrait stocker l’équivalent d’une journée complète d’énergie tout en ajoutant peu (ou pas) au coût des fondations. tout en fournissant la résistance structurelle nécessaire. Les chercheurs envisagent également une route en béton qui pourrait permettre une recharge sans contact pour les voitures électriques lorsqu’elles empruntent cette route.

Cette technologie simple mais innovante est décrite dans un article récent publié dans la revue PNASdans un article de MIT les professeurs Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn, ainsi que quatre autres personnes du MIT et du Wyss Institute.

Les condensateurs sont en principe des dispositifs très simples, constitués de deux plaques électriquement conductrices immergées dans un électrolyte et séparées par une membrane. Lorsqu’une tension est appliquée aux bornes du condensateur, les ions chargés positivement de l’électrolyte s’accumulent sur la plaque chargée négativement, tandis que la plaque chargée positivement accumule les ions chargés négativement. Étant donné que la membrane située entre les plaques empêche les ions chargés de migrer, cette séparation des charges crée un champ électrique entre les plaques et le condensateur se charge. Les deux plaques peuvent maintenir longtemps cette paire de charges puis les délivrer très rapidement en cas de besoin. Les supercondensateurs sont simplement des condensateurs capables de stocker des charges exceptionnellement importantes.

La quantité d’énergie qu’un condensateur peut stocker dépend de la surface totale de ses plaques conductrices. La clé des nouveaux supercondensateurs développés par cette équipe réside dans une méthode de production d’un matériau à base de ciment présentant une surface interne extrêmement élevée en raison d’un réseau dense et interconnecté de matériau conducteur au sein de son volume global. Les chercheurs y sont parvenus en introduisant du noir de carbone – qui est hautement conducteur – dans un mélange de béton avec de la poudre de ciment et de l’eau, et en le laissant durcir. L’eau forme naturellement un réseau d’ouvertures ramifiées au sein de la structure lorsqu’elle réagit avec le ciment, et le carbone migre dans ces espaces pour former des structures en forme de fil dans le ciment durci.

Ces structures ont une structure de type fractal, avec des branches plus grandes donnant des branches plus petites, et celles donnant des rameaux encore plus petits, et ainsi de suite, se retrouvant avec une surface extrêmement grande dans les limites d’un volume relativement petit. Le matériau est ensuite trempé dans un matériau électrolytique standard, tel que du chlorure de potassium, une sorte de sel, qui fournit les particules chargées qui s’accumulent sur les structures carbonées. Deux électrodes constituées de ce matériau, séparées par un mince espace ou une couche isolante, forment un supercondensateur très puissant, ont découvert les chercheurs.

Puisque le nouveau béton « supercondensateur » conserverait sa résistance, une maison avec des fondations faites de ce matériau pourrait stocker l’équivalent d’une journée d’énergie produite par des panneaux solaires ou des éoliennes et permettre de l’utiliser chaque fois que nécessaire. Crédit : Image gracieuseté de Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn

Les deux plaques du condensateur fonctionnent comme les deux pôles d’une batterie rechargeable de tension équivalente : lorsqu’elle est connectée à une source d’électricité, comme avec une batterie, l’énergie est stockée dans les plaques, puis lorsqu’elle est connectée à une charge, l’énergie électrique est stockée dans les plaques. le courant reflue pour fournir de l’énergie.

« Ce matériau est fascinant », explique Masic, « car vous disposez du matériau artificiel le plus utilisé au monde, le ciment, combiné avec du noir de carbone, un matériau historique bien connu – les manuscrits de la mer Morte ont été écrits avec lui. . Vous disposez de matériaux vieux d’au moins deux millénaires qui, lorsque vous les combinez d’une manière spécifique, vous obtenez un nanocomposite conducteur, et c’est là que les choses deviennent vraiment intéressantes.

Au fur et à mesure que le mélange prend et durcit, dit-il : « L’eau est systématiquement consommée par les réactions d’hydratation du ciment, et cette hydratation affecte fondamentalement les nanoparticules de carbone car elles sont hydrophobes (repoussant l’eau). » Au fur et à mesure que le mélange évolue, « le noir de carbone s’auto-assemble en un fil conducteur connecté », dit-il. Le processus est facilement reproductible, avec des matériaux peu coûteux et facilement disponibles partout dans le monde. Et la quantité de carbone nécessaire est très faible – seulement 3 % en volume du mélange – pour réaliser un réseau de carbone percolé, explique Masic.

Les supercondensateurs fabriqués à partir de ce matériau ont un grand potentiel pour contribuer à la transition mondiale vers les énergies renouvelables, affirme Ulm. Les principales sources d’énergie sans émissions, l’énergie éolienne, solaire et marémotrice, produisent toutes leur production à des moments variables qui ne correspondent souvent pas aux pics de consommation d’électricité. Les moyens de stocker cette énergie sont donc essentiels. « Il existe un énorme besoin de stockage d’énergie de grande envergure », dit-il, et les batteries existantes sont trop chères et reposent principalement sur des matériaux tels que le lithium, dont l’offre est limitée, des alternatives moins chères sont donc absolument nécessaires. «C’est là que notre technologie est extrêmement prometteuse, car le ciment est omniprésent», explique Ulm.

L’équipe a calculé qu’un bloc de béton dopé au noir de nanocarbone mesurant 45 mètres cubes (ou yards) – l’équivalent d’un cube d’environ 3,5 mètres de diamètre – aurait une capacité suffisante pour stocker environ 10 kilowattheures d’énergie, ce qui est considéré comme la consommation quotidienne moyenne d’électricité d’un ménage. Étant donné que le béton conserverait sa résistance, une maison dotée de fondations faites de ce matériau pourrait stocker l’équivalent d’une journée d’énergie produite par des panneaux solaires ou des éoliennes et permettre de l’utiliser chaque fois que nécessaire. Et les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés beaucoup plus rapidement que les batteries.

Après une série de tests utilisés pour déterminer les ratios de ciment, de noir de carbone et d’eau les plus efficaces, l’équipe a démontré le processus en fabriquant de petits supercondensateurs, de la taille de certaines piles bouton, d’environ 1 centimètre de diamètre et 1 millimètre d’épaisseur. qui pourraient chacun être chargés à 1 volt, comparable à une batterie de 1 volt. Ils en ont ensuite connecté trois pour démontrer leur capacité à allumer une diode électroluminescente (DEL) de 3 volts. Après avoir prouvé le principe, ils prévoient maintenant de construire une série de versions plus grandes, en commençant par des versions de la taille d’une batterie de voiture typique de 12 volts, puis en allant jusqu’à une version de 45 mètres cubes pour démontrer sa capacité à stocker une maison. -valeur de pouvoir.

Il existe un compromis entre la capacité de stockage du matériau et sa résistance structurelle, ont-ils découvert. En ajoutant davantage de noir de carbone, le supercondensateur résultant peut stocker plus d’énergie, mais le béton est légèrement plus faible, ce qui pourrait être utile pour les applications dans lesquelles le béton ne joue pas de rôle structurel ou lorsque tout le potentiel de résistance du béton n’est pas requis. Pour des applications telles que les fondations ou les éléments structurels de la base d’une éolienne, le « point idéal » se situe autour de 10 % de noir de carbone dans le mélange, ont-ils découvert.

Une autre application potentielle des supercondensateurs carbone-ciment concerne la construction de routes en béton qui pourraient stocker l’énergie produite par les panneaux solaires le long de la route, puis fournir cette énergie aux véhicules électriques circulant le long de la route en utilisant le même type de technologie que celui utilisé pour les téléphones rechargeables sans fil. Un type similaire de système de recharge automobile est déjà développé par des entreprises en Allemagne et aux Pays-Bas, mais en utilisant des batteries standard pour le stockage.

Les premières utilisations de cette technologie pourraient concerner des maisons isolées, des bâtiments ou des abris éloignés du réseau électrique, qui pourraient être alimentés par des panneaux solaires fixés aux supercondensateurs en ciment, selon les chercheurs.

Ulm affirme que le système est très évolutif, car la capacité de stockage d’énergie est directement fonction du volume des électrodes. « Vous pouvez passer d’électrodes d’un millimètre d’épaisseur à des électrodes d’un mètre d’épaisseur, et ce faisant, vous pouvez faire évoluer la capacité de stockage d’énergie depuis l’éclairage d’une LED pendant quelques secondes jusqu’à l’alimentation d’une maison entière », dit-il.

En fonction des propriétés souhaitées pour une application donnée, le système pourrait être ajusté en ajustant le mélange. Pour une route de recharge de véhicules, des taux de charge et de décharge très rapides seraient nécessaires, tandis que pour alimenter une maison, « vous avez toute la journée pour la recharger », donc un matériel à charge plus lente pourrait être utilisé, explique Ulm.

« C’est donc vraiment un matériau multifonctionnel », ajoute-t-il. Outre sa capacité à stocker de l’énergie sous forme de supercondensateurs, le même type de mélange de béton peut être utilisé comme système de chauffage, en appliquant simplement de l’électricité au béton chargé de carbone.

Ulm y voit « une nouvelle façon d’envisager l’avenir du béton dans le cadre de la transition énergétique ».

L’équipe de recherche comprenait également les postdoctorants Nicolas Chanut et Damian Stefaniuk du Département de génie civil et environnemental du MIT, James Weaver du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et Yunguang Zhu du Département de génie mécanique du MIT. Le travail a été soutenu par le MIT Concrete Sustainability Hub, avec le parrainage de la Concrete Advancement Foundation.