Les condensateurs pourraient alimenter les routes et les maisons tout en verdissant le béton
En utilisant des matériaux anciens, des chercheurs du MIT ont conçu un supercondensateur qui pourrait un jour aider à alimenter les maisons et même à recharger sans fil les véhicules électriques.
Alors que le monde continue d’essayer de s’éloigner des combustibles fossiles, les chercheurs recherchent de nouvelles façons de stocker l’énergie produite à partir de sources plus vertes comme les panneaux solaires. Dans le cadre de cet effort, une équipe de chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et du MIT ont développé un supercondensateur utilisant uniquement du ciment, de l’eau et une forme de carbone appelée noir de carbone.
L’énergie produite à partir de sources renouvelables doit souvent être stockée pour un jour de pluie. Mais les piles ne sont pas toujours la meilleure option. Leur charge prend du temps et leur construction nécessite des matériaux difficiles à trouver comme le lithium, qui peuvent être coûteux et nocifs pour l’environnement .
Franz-Josef Ulm, professeur de génie civil et environnemental au MIT, et ses collègues étaient intéressés par le développement de supercondensateurs avec des matériaux facilement disponibles, comme le ciment, non seulement pour combler un vide laissé par la technologie des batteries, mais aussi pour résoudre un autre problème environnemental : l’empreinte carbone du béton. Leurs travaux ont été publiés le 31 juillet dans la revue PNAS .
« L’énorme empreinte environnementale de la production mondiale de ciment et de béton, qui s’élève à environ 8 % des émissions mondiales de CO2 , est une [question motivante] », déclare Ulm, qui est l’auteur principal du nouvel article. « Nous pouvons utiliser cette solution de stockage d’énergie pour soutenir la transition urgente des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables, brique par brique, mur par mur, route par route. »
L’équipe a cherché à racheter l’image du ciment en l’utilisant comme base pour les électrodes de leur supercondensateur. Contrairement aux batteries, qui utilisent des réactions chimiques pour retenir et décharger l’électricité, les supercondensateurs fonctionnent en créant une différence de charge entre deux plaques conductrices. Cette charge peut être maintenue longtemps et déchargée rapidement en cas de besoin.
Pour construire leur supercondensateur, l’équipe a mélangé une pâte à base de ciment et d’eau, puis a introduit une petite quantité de noir de carbone, une forme de carbone fine ressemblant à du charbon de bois qui a été utilisée comme pigment et matériau d’écriture pendant des milliers d’années. Par exemple, le noir de carbone a été utilisé pour écrire les manuscrits de la mer Morte au 3ème siècle avant notre ère. Mis à part l’histoire, le noir de carbone est également un matériau hautement conducteur.
Ce nouveau supercondensateur peut être facilement mis à l’échelle grâce à sa grande surface interne de matériau conducteur créé à l’aide de noir de carbone.
Au fur et à mesure que le mélange de ciment durcissait, l’eau était absorbée et laissait derrière elle un réseau ramifié de tunnels que le noir de carbone remplissait. Le résultat final est que la pâte de ciment est remplie d’une grande surface de tunnels conducteurs en forme de fil, sans augmenter le volume global de l’électrode.
Franz-Josef Ulm dit que la réaction du noir de carbone dans l’électrode est une découverte cruciale car elle pourrait rendre la mise à l’échelle de ce supercondensateur beaucoup plus simple.
« Ce que nous avons découvert, c’est que la capacité maximale de stockage d’énergie ne dépend que de la surface spécifique du noir de carbone », explique Franz-Josef Ulm. « Puisque ce noir de carbone remplit l’espace – grâce à la magie de la chimie ! – nous pouvons simplement augmenter le volume pour créer des solutions énergétiques en vrac à grande échelle. »
L’équipe a complété le supercondensateur en trempant deux électrodes dans une solution d’électrolyte pour fournir des particules chargées au système. Au cours de leurs essais, ils ont fabriqué des condensateurs de la taille d’un bouton capables de contenir 1 volt de charge et ont déterminé que le condensateur était capable de maintenir sa capacité de stockage avec une perte minimale sur 10 000 cycles de charge-décharge. Trois des supercondensateurs 1 V étaient également capables de charger une LED 3 V.
L’équipe a également développé des condensateurs de la taille d’un bouton avec différents rapports ciment/noir de carbone, mais a constaté que si l’ajout de plus de noir de carbone (plus de 10 % en volume) au mélange augmentait sa capacité de stockage, cela se faisait au détriment de l’intégrité structurelle du ciment. Et pour les cas d’utilisation qu’Ulm et ses collègues ont à l’esprit, la résistance structurelle du ciment est essentielle.
Le béton est déjà utilisé pour construire des routes, et l’équipe voit donc une opportunité pour des routes en béton qui pourraient également recharger sans fil les voitures pendant qu’elles conduisent , comme les bornes de recharge sans fil pour smartphones. « De telles routes auto-rechargeables existent déjà, mais utilisent des bobines intégrées dans le système routier et connectées (principalement) à une source d’énergie du réseau. L’énergie de notre système serait récoltée à partir de sources d’énergie propres et stockée dans la structure de la chaussée. »
L’équipe prévoit également d’intégrer ces supercondensateurs dans les fondations des maisons d’habitation. Ils estiment qu’un échantillon de 45 mètres cubes de leur supercondensateur pourrait contenir 10 kilowattheures d’énergie, ce qui équivaut à environ un tiers de la consommation quotidienne d’électricité d’un ménage américain moyen.
Comme prochaine étape, Ulm dit que l’équipe se concentre maintenant sur le développement d’un supercondensateur 12 V utilisant ces matériaux. « [Nous allons] continuer à nous amuser… en poussant cette technologie à ses limites », dit-il.
