Una resistenza alla compressione paragonabile a quella del calcestruzzo commerciale ma con la capacità di stoccare piccole quantità di energia elettrica. I supercapacitors strutturali compiono un ulteriore passo avanti
La nuova frontiera dell’edilizia intelligente
Sistemi di accumulo strutturali in grado di combinare l’immagazzinamento dell’energia elettrica con la capacità portante dei tradizionali componenti murari. Questa è la nuova frontiera dell’edilizia intelligente nel cui filone si trovano oggi anche i supercondensatori in cemento stampabile dell’Harbin Institute of Technology. I ricercatori hanno creato un nuovo “inchiostro” cementizio in grado di evitare il degrado delle prestazioni elettrochimiche di questi elementi, dimostrando di riuscire a mantenere la capacità iniziale anche dopo migliaia cicli di carica/scarica.
I risultati, seppur ancora fortemente connessi alla fase di laboratorio, offrono allettanti promesse all’edilizia di domani. “Se i materiali da costruzione potessero non solo sostenere le strutture, ma anche immagazzinare energia, percepire l’ambiente circostante e persino interagire con le persone, gli edifici diventerebbero più che semplici rifugi passivi,” spiega Jing Zhong, coautore della ricerca. “Potrebbero trasformarsi in veri e propri ambienti intelligenti”.
I vantaggi dei supercondensatori strutturali
Negli ultimi anni è cresciuta la domanda di dispositivi di accumulo economici, di grande formato e decentralizzati. Obiettivi a cui i supercondensatori rispondono bene offrendo un’elevata densità di potenza, una rapida capacità di carica-scarica e una lunga durata. Allo stesso tempo, quelli strutturali, ossia realizzati con materiali da costruzione convenzionali, hanno attirato notevole attenzione grazie alla possibilità di unire la capacità portante e la funzionalità elettrochimica in un unico elemento, in particolare i supercapacitors a base di cemento.
L’eccellente resistenza meccanica, unitamente alla porosità del materiale (che svolge in questo caso sia il ruolo di elettrolita solido che di elettrodo strutturale), sono al momento caratteristiche imbattibili dalle altre alternative studiate.
Tuttavia il cemento deve riuscire a bilanciare il conflitto che naturalmente si crea tra prestazioni elettrochimiche e proprietà meccaniche, processo non facile. Per trasformare questo materiale in un supercapacitor si affrontano solitamente due grandi ostacoli: da un lato i diversi strati – elettrodo e separatore – tendono a staccarsi o a fessurarsi nei punti di giunzione; dall’altro nei design “a strati” sovrapposti, gli ioni devono percorrere un tragitto lungo nell’intervallo di spessore del materiale, riducendo le prestazioni man mano che lo spessore aumenta.
I supercondensatori in cemento stampati
Per far fare un salto di qualità alla tecnologia, gli scienziati hanno creato un supercondensatore monolitico utilizzando la stampa 3D. Nel dettaglio il team ha stampato elettrodi a base di nanotubi di carbonio, nerofumo e cemento direttamente all’interno della malta cementizia che funge da separatore. Essendo un unico blocco integrato, l’approccio ha permesso di eliminare il rischio di delaminazione tra gli strati.
Inoltre gli elettrodi sono stati disposti in un design incrociato per trasformare quello che solitamente è il lungo percorso verticale degli ioni in un percorso orizzontale molto più breve, aumentando nel contempo anche la superficie di contatto utile.
I risultati dei test parlano da soli: i supercondensatori in cemento stampato possiede una resistenza alla compressione paragonabile a quella del calcestruzzo commerciale utilizzato per lastre e scale, ossia 23,00 MPa. Allo stesso tempo vanta una densità di potenza di 0,49 mW/cm2 e una densità di energia di 22,52 µWh/cm2.
Valori piccoli, per ora, nel macro settore dell’accumulo, ma ottimi per i supercondensatori in cemento. Per intenderci, tre supercapacitors stampati sulla stessa lastra e collegati tra loro sono in grado di alimentare una piccola serie di LED.
Non solo: dopo 10.000 cicli di carica/scarica, il dispositivo ha mantenuto circa il 95% della sua capacità iniziale.
Il team ha anche scoperto che il nuovo dispositivo funziona stabilmente con temperature moderate di riscaldamento e raffreddamento, ma intorno a -18 gradi Celsius le prestazioni iniziano a diminuire. Ecco perché i futuri studi si focalizzeranno sul potenziamento dei supercondensatori per le basse temperature.
Leggi l’articolo scientifico Monolithic 3D-Printed Interdigitated Cement-Based Supercapacitors for Structural Energy Storage pubblicato su ACS nano.
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