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Aug 14, 2023

Ciment

Un nouveau supercondensateur économique et efficace fabriqué à partir de noir de carbone et de ciment pourrait stocker l'équivalent d'une journée d'énergie dans les fondations en béton d'un bâtiment ou permettre une recharge sans contact pour

Un nouveau supercondensateur rentable et efficace fabriqué à partir de noir de carbone et de ciment pourrait stocker l'équivalent d'une journée d'énergie dans les fondations en béton d'un bâtiment ou permettre une recharge sans contact pour les voitures électriques lorsqu'elles le traversent. L'appareil pourrait également faciliter l'utilisation de sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire, éolienne et marémotrice, selon les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Wyss Institute, tous deux situés aux États-Unis, qui l'ont développé.

Les supercondensateurs sont techniquement connus sous le nom de condensateurs électriques à double couche ou électrochimiques, et leurs capacités se situent quelque part entre celles des batteries et des condensateurs (diélectriques) conventionnels. Bien que moins efficaces que les batteries pour stocker la charge, les supercondensateurs sont meilleurs que les condensateurs classiques à cet égard grâce à leurs électrodes poreuses, qui ont des surfaces pouvant atteindre plusieurs kilomètres carrés. La double couche qui se forme à l’interface électrolyte-électrode de tels dispositifs lorsqu’une tension est appliquée augmente encore la quantité de charge qu’ils peuvent stocker.

Les supercondensateurs présentent également certains avantages par rapport aux batteries. Alors que les batteries peuvent mettre des heures à se charger et se décharger, les supercondensateurs le font en quelques minutes. Ils ont également une durée de vie beaucoup plus longue, pouvant durer des millions de cycles plutôt que des milliers. Et contrairement aux batteries, qui fonctionnent par réactions chimiques, les supercondensateurs stockent l’énergie sous forme d’ions chargés électriquement qui s’assemblent à la surface de leurs électrodes.

Le nouveau dispositif, développé par une équipe dirigée par Franz-Josef Ulm, Admir Masic et Yang-Shao Horn, contient un matériau à base de ciment doté d'une surface interne extrêmement élevée. Les chercheurs y sont parvenus en commençant avec un mélange de ciment sec contenant du noir de carbone, qui ressemble à du charbon de bois très fin. À ce mélange, ils ont ajouté de l’eau et des superplastifiants – un adjuvant réducteur d’eau standard dans la production de béton. Lorsque l’eau réagit avec le ciment, elle forme naturellement un réseau ramifié de pores au sein de la structure, et le carbone migre dans ces pores pour former des filaments filaires avec une structure de type fractal. C’est cette structure en réseau dense et interconnectée qui confère au matériau sa très grande surface.

«Nous remplissons le matériau frais dans des tubes en plastique et le laissons durcir pendant au moins 28 jours», explique Ulm. "Nous coupons ensuite les échantillons en morceaux de la taille d'une électrode, trempons ces électrodes dans une solution électrolytique standard (chlorure de potassium) et construisons un supercondensateur à partir de deux électrodes séparées par une membrane isolante."

Les chercheurs polarisent ensuite les électrodes en connectant une électrode à une charge positive et l’autre à une charge négative. Pendant la charge, les ions chargés positivement de l'électrolyte s'accumulent sur le fil de carbone volumétrique chargé négativement, tandis que les ions chargés négativement s'accumulent sur le fil de carbone chargé positivement.

Avec la membrane gênante, les ions chargés ne peuvent pas se déplacer entre les électrodes. Ce déséquilibre produit le champ électrique qui charge le supraconducteur. "Le fait que le fil volumétrique remplisse l'espace dont il dispose - ce que nous avons confirmé par spectroscopie EDS-Raman - nous permet de stocker beaucoup d'énergie sur la très grande surface du noir de carbone", explique Ulm. "Lorsque nous déconnectons ensuite la source d'énergie du supercondensateur, l'énergie stockée est libérée et peut ainsi fournir de l'énergie pour diverses applications."

Selon leurs calculs, qu'ils détaillent dans PNAS, un bloc de matériau mesurant 45 m3 (équivalent à un cube de 3,55 m), serait capable de stocker environ 10 kWh d'énergie. Cela équivaut à peu près à la consommation électrique quotidienne moyenne d’un ménage type. Une maison construite avec des fondations contenant ce composite carbone-béton pourrait donc stocker l'équivalent d'une journée d'énergie – produite par des panneaux solaires, par exemple – et la restituer en cas de besoin. Le matériau pourrait également être incorporé dans des générateurs d’électricité intermittents tels que des éoliennes, qui pourraient alors stocker de l’énergie dans leurs bases et la restituer pendant les périodes d’arrêt.