Investigadores del MIT han propuesto una nueva alternativa de batería hecha con materiales muy básicos.

Los bloques de cemento infundidos con una forma de carbono similar al hollín podrían almacenar suficiente energía para alimentar hogares enteros. Un solo bloque de 3,5 metros podría contener 10kWh de energía y alimentar una casa durante un día, y la tecnología podría comercializarse en cuestión de años, dicen los científicos.

"Condensadores similares integrados en las carreteras podrían cargar automóviles de forma inalámbrica", han escrito los profesores del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn, en un artículo.

Los científicos descubrieron que el negro de carbón, una forma del elemento que se encuentra en el material quemado de forma incompleta, se puede agregar a los bloques de cemento a medida que se fragua, convirtiéndolos en supercondensadores, capaces de contener grandes cargas eléctricas.

Los condensadores mantienen la carga eléctrica en conductores metálicos separados. La energía que contienen depende del área de superficie del material conductor, y el equipo descubrió que podían crear un área de superficie masiva de manera muy simple, agregando negro de carbón al cemento húmedo.

El humo negro es muy conductivo y se integra en el cemento húmedo, penetrando en las cavidades dejadas por el agua al reaccionar durante el proceso de curado. Esto crea una red de diminutas microfibras similares a alambres dentro del bloque de hormigón sólido, estructurado de manera fractal, con múltiples ramas que soportan ramas cada vez más pequeñas.

Luego, el material se sumerge en sal como el cloruro de potasio, que actúa como un electrolito, proporcionando las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono. Dos electrodos hechos de este material, separados por un espacio delgado o una capa aislante, forman un supercondensador muy poderoso.

“El material es fascinante”, dice Masic, “porque tenemos el material fabricado por el hombre más utilizado en el mundo, el cemento, que se combina con carbón, que es un material histórico muy conocido: los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él. Tienes estos materiales de al menos dos milenios de antigüedad que, cuando los combinas de una manera específica, obtienes un nanocompuesto conductor, y ahí es cuando las cosas se ponen realmente interesantes”.

A medida que la mezcla se asienta, “el negro de humo se autoensambla en un cable conductor conectado”, dice.

Los condensadores de cemento se pueden producir en cualquier parte del mundo y los bloques funcionan con tan solo un tres por ciento de humo en la mezcla.

Los bloques podrían ayudar con la transición energética, porque en todo el mundo se necesita almacenamiento de energía para equilibrar las energías renovables, como la solar y la eólica, que no se producen al mismo tiempo que se necesitan.

“Hay una gran necesidad de un gran almacenamiento de energía”, dice Ulm, y las baterías existentes son caras y dependen de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se necesitan con urgencia alternativas más baratas. "Ahí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento es omnipresente".

El equipo descubrió que un bloque de material de 45 metros cúbicos de hormigón dopado con negro de nanocarbono tendría capacidad suficiente para almacenar alrededor de 10 kWh de energía, que se calcula que es el uso diario promedio de electricidad para un hogar, por lo que las casas remotas sin conexión a la red con las baterías de los cimientos podrían funcionar mediante molinos de viento o paneles solares.

En los centros de datos, podría ser posible tener baterías UPS que formen parte de la estructura del edificio.

Si se requieren condensadores más potentes, se pueden fabricar con una mayor concentración de humo, a expensas de cierta resistencia estructural. Esto podría ser útil para aplicaciones en las que el hormigón no cumple una función estructural o en las que no se requiere todo el potencial de resistencia del hormigón. Para aplicaciones como cimientos o elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el "punto óptimo" es alrededor del 10 por ciento de negro de carbón en la mezcla, dice el equipo.

Como prueba de concepto, el equipo comenzó con supercondensadores del tamaño de una pila de botón, de un centímetro de ancho y un milímetro de grosor. Tres de estos se cargaron a un voltio y se usaron para alimentar un diodo emisor de luz (LED) de 3V.

El siguiente paso es hacer bloques del tamaño de una batería de automóvil típica de 12 voltios, para después trabajar hasta una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad para almacenar el total de energía de una casa.

Más allá de esto, los condensadores de cemento podrían construirse en carreteras de hormigón donde almacenarían la energía producida por paneles solares junto a la carretera y la entregarían de forma inalámbrica para cargar los vehículos que circulan por la carretera. La carga inalámbrica para automóviles se está utilizando en Alemania y otros lugares.

Ulm dice que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es una función directa del volumen de los electrodos. “Puedes pasar de electrodos de un milímetro de espesor a electrodos de un metro de espesor, y al hacerlo, básicamente puedes escalar la capacidad de almacenamiento de energía desde encender un LED durante unos segundos hasta alimentar toda una casa”, dice. También es sintonizable, lo que permite una carga más rápida o más lenta, según la mezcla utilizada.

Las emisiones del hormigón en la industria de la construcción son enormes y representan el ocho por ciento de las emisiones mundiales, más que las producidas por la industria de las aerolíneas. Ulm dice que convertir el concreto en almacenamiento de energía podría convertirlo en "parte de la transición energética".

El equipo de investigación también incluyó a los posdoctorados Nicolas Chanut y Damian Stefaniuk en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, James Weaver en el Instituto Wyss y Yunguang Zhu en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. El trabajo fue apoyado por el MIT Concrete Sustainability Hub, con el patrocinio de Concrete Advancement Foundation.