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Primer concepto mundial de baterías recargables a base de cemento: imagine un edificio de 20 pisos q
La creciente necesidad de materiales de construcción sostenibles plantea grandes desafíos para los investigadores. La doctora Emma Zhang, ex de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, se unió al grupo de investigación del profesor Luping Tang hace varios años para buscar los materiales de construcción del futuro. Juntos han logrado desarrollar un concepto pionero en el mundo para una batería recargable a base de cemento.
El concepto involucra primero una mezcla a base de cemento, con pequeñas cantidades de fibras de carbono cortas agregadas para aumentar la conductividad y la tenacidad a la flexión. Luego, incrustada dentro de la mezcla hay una malla de fibra de carbono recubierta de metal: hierro para el ánodo y níquel para el cátodo. Después de mucha experimentación, este es el prototipo que ahora presentan los investigadores.
“Los resultados de estudios anteriores que investigaron la tecnología de baterías de hormigón mostraron un rendimiento muy bajo, por lo que nos dimos cuenta de que teníamos que pensar fuera de la caja para encontrar otra forma de producir el electrodo. Esta idea particular que hemos desarrollado, que también es recargable, nunca se había explorado antes. Ahora tenemos una prueba de concepto a escala de laboratorio ”, explica Emma Zhang.
La investigación de Luping Tang y Emma Zhang ha producido una batería recargable a base de cemento con una densidad de energía media de 7 vatios por metro cuadrado (o 0,8 vatios por litro). La densidad de energía se usa para expresar la capacidad de la batería, y una estimación modesta es que el rendimiento de la nueva batería Chalmers podría ser más de diez veces mayor que el de los intentos anteriores con baterías de concreto. La densidad de energía sigue siendo baja en comparación con las baterías comerciales, pero esta limitación podría superarse gracias al enorme volumen al que se podría construir la batería cuando se utiliza en edificios.
Una clave potencial para resolver problemas de almacenamiento de energía
El hecho de que la batería sea recargable es su cualidad más importante, y las posibilidades de utilización si el concepto se desarrolla y comercializa más son casi asombrosas. El almacenamiento de energía es una posibilidad obvia, la monitorización es otra. Los investigadores ven aplicaciones que podrían ir desde alimentar LED, proporcionar conexiones 4G en áreas remotas o protección catódica contra la corrosión en la infraestructura de concreto.
“También podría acoplarse con paneles de células solares, por ejemplo, para proporcionar electricidad y convertirse en la fuente de energía para sistemas de monitoreo en carreteras o puentes, donde los sensores operados por una batería de concreto podrían detectar grietas o corrosión”, sugiere Emma Zhang.
El concepto de utilizar estructuras y edificios de esta manera podría ser revolucionario, porque ofrecería una solución alternativa a la crisis energética, al proporcionar un gran volumen de almacenamiento de energía.
El hormigón, que se forma mezclando cemento con otros ingredientes, es el material de construcción más utilizado en el mundo. Desde una perspectiva de sostenibilidad, está lejos de ser ideal, pero el potencial de agregarle funcionalidad podría ofrecer una nueva dimensión. Emma Zhang comenta:
“Tenemos la visión de que en el futuro esta tecnología podría permitir secciones enteras de edificios de varios pisos hechos de hormigón funcional. Considerando que cualquier superficie de hormigón podría tener una capa de este electrodo incrustado, estamos hablando de enormes volúmenes de hormigón funcional ”.
Sigue habiendo desafíos con los aspectos de la vida útil
La idea aún se encuentra en una etapa muy temprana. Las cuestiones técnicas que quedan por resolver antes de que la comercialización de la técnica pueda ser una realidad incluyen la ampliación de la vida útil de la batería y el desarrollo de técnicas de reciclaje. “Dado que la infraestructura de concreto generalmente se construye para durar cincuenta o incluso cien años, las baterías deberían refinarse para igualar esto, o para ser más fáciles de intercambiar y reciclar cuando su vida útil termine. Por ahora, esto ofrece un gran desafío desde un punto de vista técnico ”, dice Emma Zhang.
Pero los investigadores tienen la esperanza de que su innovación tenga mucho que ofrecer. “Estamos convencidos de que este concepto es una gran contribución para permitir que los futuros materiales de construcción tengan funciones adicionales, como las fuentes de energía renovable”, concluye Luping Tang.
Referencia: “Batería de hormigón recargable” de Emma Qingnan Zhang y Luping Tang, 9 de marzo de 2021, Edificios.
DOI: 10.3390 / edificios11030103
El proyecto de investigación fue financiado por la Agencia Sueca de Energía (Energimyndigheten).
Más información técnica sobre la batería recargable a base de cemento
Los investigadores desarrollaron un prototipo para una batería recargable a base de cemento, con una densidad de energía promedio de 7 Wh / m2 (o 0,8 Wh / L) durante seis ciclos de carga y descarga. Probaron varias combinaciones para los electrodos y encontraron que un ánodo de hierro y un cátodo de óxido a base de níquel producían los mejores resultados. La conductividad de la mezcla a base de cemento para el electrolito se incrementó agregando fibras de carbono cortas, experimentando con diferentes proporciones para encontrar una mezcla óptima de alrededor de 0,5% de fibra de carbono.
