Le ciment et l’eau, mélangés à une petite quantité de noir de carbone, s’assemblent pour former des branches fractales d’électrodes conductrices, transformant le béton en un supercondensateur stockant de l’énergie.

Des chercheurs du MIT ont découvert qu’en mélangeant du ciment et du noir de carbone avec de l’eau, le béton obtenu s’auto-assemble en un supercondensateur capable de stocker de l’énergie et de produire suffisamment de jus pour alimenter une maison ou recharger rapidement des voitures électriques.

En 2021, une équipe de l’université technologique de Chalmers a montré comment des quantités utiles d’énergie électrique pouvaient être stockées dans du béton coulé autour d’électrodes en treillis de fibres de carbone, avec des fibres de carbone mélangées pour ajouter de la conductivité.

La découverte du MIT semble passer à la vitesse supérieure, puisqu’elle supprime la nécessité de placer des électrodes en treillis dans le béton et permet au noir de carbone de former ses propres structures d’électrodes connectées dans le cadre du processus de durcissement.

Ce processus tire parti de la manière dont l’eau et le ciment réagissent ensemble ; l’eau forme un réseau ramifié de canaux dans le béton lorsqu’il commence à durcir, et le noir de carbone migre naturellement dans ces canaux. Ces canaux présentent une structure de type fractal, les branches les plus importantes se divisant en branches de plus en plus petites, ce qui crée des électrodes de carbone d’une surface extrêmement grande, qui courent dans tout le béton.

Deux de ces branches, séparées par une couche isolante ou un mince espace, fonctionnent parfaitement comme les plaques d’un supercondensateur, une fois que l’ensemble a été baigné dans un électrolyte standard, comme le chlorure de potassium.

Les supercondensateurs peuvent évidemment se charger et se décharger presque immédiatement, de sorte que la densité de puissance et le rendement sont généralement beaucoup plus élevés que ceux d’une batterie au lithium standard.

La densité énergétique est plus faible, et il faut faire un compromis entre la quantité d’énergie stockée volumétriquement et la résistance du béton, car l’ajout de noir de carbone augmente le stockage de l’énergie tout en affaiblissant le béton final.

Mais l’avantage est que ce dispositif de stockage de l’énergie n’a pas besoin d’être petit ; le béton a tendance à être utilisé en vrac. Une maison américaine moyenne de 185,8 m2 construite sur une dalle de béton raisonnablement standard de 13 cm d’épaisseur utilise environ 24 m3 de béton. Ajoutez-en plus si vous avez une allée ou un garage bétonné, et encore plus si la maison est construite avec des murs ou des colonnes en béton.

L’équipe du MIT affirme qu’un bloc de 45 m3 de béton dopé au noir de nanocarbone stocke environ 10 kWh d’électricité, ce qui est suffisant pour couvrir environ un tiers de la consommation électrique d’une maison américaine moyenne ou pour réduire votre facture d’énergie à un niveau proche de zéro si vous disposez d’une installation solaire de bonne taille sur votre toit. Qui plus est, le coût de cette technologie est minime, voire nul.

L’équipe a testé ces supercapsules en béton à petite échelle, en découpant des paires d’électrodes pour créer de minuscules supercapacités de 1 volt de la taille d’une pile bouton, et en utilisant trois d’entre elles pour allumer une LED de 3 volts. Aujourd’hui, l’équipe travaille sur des blocs de la taille d’une batterie de voiture et vise une version de 10 kWh de 45 m3 pour une démonstration à plus grande échelle.

Lors de tests en laboratoire à petite échelle, l’équipe du MIT a découpé des paires de disques d’électrodes et a utilisé ces supercondensateurs pour alimenter une diode électroluminescente (LED) de 3 volts.

Selon Franz-Josef Ulm, professeur au MIT et coauteur d’une nouvelle étude publiée hier dans la revue PNAS, il s’agit d’une technologie très évolutive.

« On peut passer d’électrodes d’un millimètre d’épaisseur à des électrodes d’un mètre d’épaisseur, ce qui permet d’augmenter la capacité de stockage de l’énergie, de l’allumage d’une LED pendant quelques secondes à l’alimentation d’une maison entière », explique Franz-Josef Ulm dans un communiqué de presse.

Au-delà de la maison, le béton est absolument partout, des bâtiments aux revêtements de sol en passant par le réseau routier. Selon l’équipe, ce béton accumulateur d’énergie pourrait être associé à des panneaux solaires en bord de route et à des bobines de recharge par induction afin de créer des routes de recharge sans fil pour véhicules électriques super rapides, grâce à la capacité des supercondensateurs à pomper du jus en vrac sur demande.

On suppose également que beaucoup de béton est utilisé dans les fondations des grandes installations de stockage d’énergie sur le réseau, ce qui soulève la possibilité intéressante qu’un supercondensateur géant en béton puisse s’associer à une batterie chimique plus lente, lui donnant la capacité de fournir rapidement des impulsions au réseau ainsi que des contributions de plus longue durée à une puissance plus faible.

D’un autre côté, il n’est pas certain que ce type de béton soit adapté à une utilisation en extérieur, où il sera mouillé. On ne sait pas non plus si ces supercondensateurs en béton peuvent être coulés sur place pour s’auto-assembler in situ. On ne sait pas non plus si chaque paire d’électrodes doit être scellée, ni où et comment ces blocs de béton seraient raccordés pour alimenter votre maison, ni si les supercondensateurs en béton de ce type seraient sûrs au toucher.

Il s’agit en tout cas d’un projet fascinant, dont nous suivrons avec intérêt l’évolution.

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304318120

https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-create-supercapacitor-ancient-materials-0731