O concreto já constrói o nosso mundo e agora está um passo mais perto de alimentá-lo também. Feito pela combinação de cimento, água, negro de fumo ultrafino (com partículas em nanoescala) e eletrólitos, o concreto de carbono condutor de elétrons (ec3 , pronuncia-se "ec-cubed") cria uma "nanorrede" condutora dentro do concreto que poderia permitir que estruturas cotidianas como muros, calçadas e pontes armazenassem e liberassem energia elétrica. Em outras palavras, o concreto ao nosso redor poderia um dia funcionar como "baterias" gigantes.

Como relatam pesquisadores do MIT em um novo artigo da PNAS , eletrólitos e processos de fabricação otimizados aumentaram a capacidade de armazenamento de energia dos mais recentes supercapacitores EC 3 em uma ordem de magnitude. Em 2023, armazenar energia suficiente para atender às necessidades diárias de uma casa média  exigiria cerca de 45 metros cúbicos de EC 3 , aproximadamente a quantidade de concreto usada em um porão típico. Agora, com o eletrólito aprimorado, a mesma tarefa pode ser realizada com cerca de 5 metros cúbicos, o volume de uma parede típica de porão.

“A chave para a sustentabilidade do concreto é o desenvolvimento do 'concreto multifuncional', que integra funcionalidades como armazenamento de energia,  autorreparação e  sequestro de carbono . O concreto já é o material de construção mais utilizado no mundo, então por que não aproveitar essa escala para criar outros benefícios?”, questiona Admir Masic, principal autor do novo estudo,  codiretor do Centro de Materiais à Base de Carbono e Cimento Condutores de Eletrônica (EC³ Hub) do MIT e professor associado de engenharia civil e ambiental (CEE) no MIT.

A densidade energética aprimorada foi possível graças a uma compreensão mais aprofundada de como a rede de nanocarbono negro dentro do ec 3 funciona e interage com eletrólitos. Utilizando feixes de íons focalizados para a remoção sequencial de finas camadas do material ec 3 , seguidos por imagens de alta resolução de cada fatia com um microscópio eletrônico de varredura (uma técnica chamada tomografia FIB-SEM), a equipe do EC³ Hub e  do MIT Concrete Sustainability Hub conseguiu reconstruir a nanorrede condutora com a mais alta resolução já vista. Essa abordagem permitiu à equipe descobrir que a rede é essencialmente uma "teia" fractal que envolve os poros do ec 3 , permitindo a infiltração do eletrólito e a passagem da corrente pelo sistema. 

“Entender como esses materiais se 'montam' na nanoescala é fundamental para alcançar essas novas funcionalidades”, acrescenta Masic.

Munidos de sua nova compreensão da nanorrede, a equipe experimentou diferentes eletrólitos e suas concentrações para verificar como impactavam a densidade de armazenamento de energia. Como destaca Damian Stefaniuk, primeiro autor e pesquisador do EC³ Hub, "descobrimos que existe uma ampla gama de eletrólitos que podem ser candidatos viáveis para ec 3 . Isso inclui até mesmo a água do mar, o que poderia torná-la um bom material para uso em aplicações costeiras e marinhas, talvez como estruturas de suporte para parques eólicos offshore".

Ao mesmo tempo, a equipe simplificou a forma como adicionavam eletrólitos à mistura. Em vez de curar eletrodos EC 3  e depois mergulhá-los no eletrólito, eles adicionaram o eletrólito diretamente na água de mistura. Como a penetração do eletrólito não era mais uma limitação, a equipe pôde fundir eletrodos mais espessos que armazenavam mais energia.

A equipe obteve o melhor desempenho ao migrar para eletrólitos orgânicos, especialmente aqueles que combinavam sais de amônio quaternário — encontrados em produtos de uso diário, como desinfetantes — com acetonitrila, um líquido transparente e condutor frequentemente usado na indústria. Um metro cúbico dessa versão do ec 3 — aproximadamente do tamanho de uma geladeira — pode armazenar mais de 2 quilowatts-hora de energia. Isso é suficiente para abastecer uma geladeira de verdade por um dia.

Embora as baterias mantenham uma densidade energética mais alta, o ec 3  pode, em princípio, ser incorporado diretamente em uma ampla gama de elementos arquitetônicos — de lajes e paredes a domos e abóbadas — e durar tanto quanto a própria estrutura.

Inspirando-se na arquitetura romana, a equipe construiu um arco ec 3 em miniatura para mostrar como a forma estrutural e o armazenamento de energia podem funcionar em conjunto. Operando a 9 volts, o arco suportou seu próprio peso e a carga adicional, enquanto alimentava uma luz de LED.

No entanto, algo singular aconteceu quando a carga sobre o arco aumentou: a luz piscou. Isso provavelmente se deve à forma como o estresse afeta os contatos elétricos ou a distribuição de cargas. "Pode haver uma espécie de capacidade de automonitoramento aqui. Se pensarmos em um arco de EC 3  em escala arquitetônica, sua saída pode flutuar quando for impactado por um estressor como ventos fortes. Podemos usar isso como um sinal de quando e em que medida uma estrutura está estressada, ou monitorar sua saúde geral em tempo real", prevê Masic.

Os últimos desenvolvimentos na tecnologia ec³ a aproximam ainda mais da escalabilidade no mundo real. Ela já foi usada para  aquecer lajes de calçada em Sapporo, Japão, devido às suas propriedades termicamente condutivas, representando uma alternativa potencial à salinização. "Com essas densidades de energia mais altas e valor demonstrado em um espaço de aplicação mais amplo, agora temos uma ferramenta poderosa e flexível que pode nos ajudar a enfrentar uma ampla gama de desafios energéticos persistentes", explica Stefaniuk. "Uma das nossas maiores motivações foi ajudar a viabilizar a transição para as energias renováveis. A energia solar, por exemplo, evoluiu muito em termos de eficiência. No entanto, ela só consegue gerar energia quando há luz solar suficiente. Então, a questão é: como atender às suas necessidades energéticas à noite ou em dias nublados?"

Franz-Josef Ulm, codiretor do EC³ Hub e professor de CEE, continua o tópico: “A resposta é que precisamos de uma maneira de armazenar e liberar energia. Isso geralmente significa uma bateria, que muitas vezes depende de materiais escassos ou nocivos. Acreditamos que o EC 3  é um substituto viável, permitindo que nossos edifícios e infraestrutura atendam às nossas necessidades de armazenamento de energia.” A equipe está trabalhando em aplicações como vagas de estacionamento e estradas que possam carregar veículos elétricos, bem como residências que possam operar totalmente fora da rede.

“O que mais nos entusiasma é termos pegado um material tão antigo quanto o concreto e mostrado que ele pode fazer algo totalmente novo”, diz James Weaver, coautor do artigo, professor associado de tecnologia de design e ciência e engenharia de materiais na Universidade Cornell, além de ex-pesquisador do EC³ Hub. “Ao combinar a nanociência moderna com um antigo bloco de construção da civilização, estamos abrindo uma porta para uma infraestrutura que não apenas sustenta nossas vidas, mas também as energiza.”